热转换元素分析-同位素比质谱法测定低氘包装饮用水中氘含量

韩 莉，刘 迪，余婷婷

（湖北省食品质量安全监督检验研究院，湖北 武汉 430074）

自然界的水中，氘含量约为150 μg/g（δ2H：－37‰）。研究表明，氘对生命体的生存和繁衍有害，可以导致衰老、病变、癌变等[1-3]。含氘量偏低的低氘水能影响细胞分化过程[4]，具有一系列的生物学效应，如抗肿瘤、抗氧化、防衰老、抗辐射、降血压、保护心血管系统等，在保健品、化妆品以及医学领域具有很大应用价值[5]。自然界中的低氘水主要以冰川水的形式存在，氘含量约为130 μg/g（δ2H：－165‰），实验室可以通过同位素真空蒸馏法制备氘含量为20～110 μg/g（δ2H：－871‰～－294‰）的低氘水[6-7]。目前，国内市场已有一些厂商加工生产了不同规格纯天然和人工低氘包装饮用水产品，价格昂贵，原料水产地各异，标签标识氘含量为25～146 μg/g（δ2H：－839‰～－60‰），这些产品已经在市场和网络电商平台上广泛流通，有些产品已成为癌症病人的辅助治疗饮用水。

目前我国关于低氘水中氘含量测定的研究较少，尚无对此类包装饮用水的氘含量定量分析的国家标准检测方法，使得低氘水的生产和销售市场监管缺乏技术支撑。水中氘同位素测试主要是金属还原法[8-10]和H2-H2O平衡法[10-12]。低氘水中的氘含量分析需要通过前处理将液态水中的氘转化为气态，然后通过检测仪器进行定量分析，一般有气相色谱法，质谱法、核磁共振法。气相色谱法用金属镁在500 ℃高温下将超轻水分解为气体，然后高温下以高纯H2为载气，分子筛作为色谱柱，进行超轻水中氘含量的检测[13]；质谱法采用疏水铂催化H2-H2O平衡法以及稳定同位素质谱仪作为低氘水中氘定量检测方法，测试相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）在1%以内[14]；核磁共振法利用氢、氘谱结合对氘元素进行定量检测，国内鲜见报道。上述方法存在记忆效应明显、成本高、用样量大、对反应温度稳定性要求高等缺点，普适性不强。因此，建立一种高精度、高准确度、高稳定性、低成本的测试方法满足低氘包装饮用水中氘含量的分析测定十分必要。

同位素质谱（isotope ratio mass spectrometry，IRMS）分析技术在食品真实性鉴别和来源解析方面有较广泛的应用[15-18]，碳还原高温热转换原理的测试技术可以用于固体和液体样品中碳、氮、氢、氧、硫等稳定同位素组成的测定[18-22]。经过不断建立和完善，热转换元素分析（thermal conversion/elemental analysis，TC/EA）-IRMS测定水中氘同位素技术已经比较成熟[23-25]。刘运德等[24]采用热转换元素分析同位素比质谱法实现了在线单次分析过程中测定微量水中δD和δ18O，用样量仅需0.2 μL，氘的测试精度为0.81‰。杨斌等[25]采用TC/EAIRMS法对不同品牌饮用水中氢同位素δD进行测定，并比较了该方法与水平衡-同位素比质谱法测定值的差异（0.6±1.59）‰。本实验将采用TC/EA-IRMS技术对低氘包装饮用水中的氘同位素值比值δD测定适用性进行分析评价，根据氘同位素比值理论公式计算得到氘含量，建立低氘包装饮用水中氘含量的测试方法，以期为低氘包装饮用水品质和真实性的监测和管控提供有效的理论依据，保障人民健康和消费者权益。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

He、H2（纯度≥99.999%） 武汉纽瑞德贸易有限公司；VSMOW维也纳平均海洋水（δ2H：0‰）、GISP格林兰冰雪融水（δ2H：－189.5‰） 国际原子能机构；贫氘水（氘含量＜1 μg/g） 美国Sigma公司；矿泉水为市售农夫山泉矿泉水；超纯水为实验室自制。

1.2 仪器与设备

TC/EA-IRMS联机系统（Flash 2000HT元素分析单元、Conflo IV连续流接口装置和DELTA V Advantage稳定同位素比质谱仪联合组成）、AS3000液体样品自动进样器 美国Thermo Fisher Scienti fic公司；激光液态水稳定同位素分析仪 美国LGR公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备与贮存

标准水样和样品水样密封保存在4 ℃冰箱，取样前拿到测试房回至室温，样品瓶打开后立即取样，剩余标准水样和样品水样转移至玻璃顶空瓶，用压盖器将顶空瓶盖压紧，封口膜密封，置于4 ℃冰箱保存。

1.3.2 测试方法

采用0.22 μm微孔滤膜过滤样品适量，移取2 mL水样装满进样瓶，用内衬有密封隔垫的螺旋孔盖密封，进样瓶内不留顶空。自动进样器进样体积0.1 μL，反应炉温度1 380 ℃，柱温箱温度85 ℃，载气He流速100 mL/min。每个水样进行4～6 次分析。液态水在液体进样器进样口气化，由He引入玻璃化碳管（填料为表面粗糙的玻璃碳），高温条件下裂解为H2和CO，在气相分离单元分离后进入DELTA V质谱主机。H2在真空条件下电离产生[H2]+和[HD]+离子束，并在聚焦磁场中分离进入特定的法拉第接受杯，再由不同电阻值的放大器转化为电信号，完成δ2H的测试。

1.3.3 实验设计

1.3.3.1 记忆效应对结果的影响实验

为了验证方法中记忆效应对测定结果的影响，对自来水、净化水、矿泉水、VSMOW、GISP、DDW-1、DDW-2、DDW-3进行氢同位素分析。其中DDW-1～DDW-3为低氘包装饮用水样。

1.3.3.2 顶空体积对测定结果的影响

分别取0.5、1、2 mL（不留顶空）VSMOW标准水样于2 mL进样样品瓶，旋紧螺旋孔盖（孔盖不要拧过紧），分别对3 瓶水样进行氢同位素测试。

1.3.3.3 氘含量测定范围确证

用贫氘水（＜1 μg/g，可忽略不计）稀释VSMOW标准水样至氘含量范围15.571～155.760 μg/g，稀释GISP标准水样至氘含量范围12.624～126.243 μg/g，对稀释后的VSMOW和GISP标准水样进行氘含量测试。

1.4 氘含量测试和计算原理

TC/EA-IRMS法测定水氢同位素比值的基本原理：在高温条件下，水与碳粒迅速反应，定量生成H2，然后在He载气携带下经恒温色谱柱分离，反应式见式（1），分别导入同位素比质谱仪的离子源内，顺序测定水的稳定氢同位素组成，与参考物质比较得出水中氢稳定同位素比值（2H/1H），并以千分差的形式表达（δ2H/‰）。由于进样针取水样时会存在交叉污染，因此需注意消除记忆效应对实验结果的影响，同时进样瓶中的空气与水样会发生氢交换而产生氢同位素分馏，氢稳定同位素比值测试过程需要防止空气中的水分对IRMS测定的干扰。

通过公式计算水中氘含量X（D）推算原理如下：

水中稳定氢同位素比值计算如式（2），可用式（3）表示：

式中：RVSMOW＝155.76×10－6，为国际公认数据，表示维也纳标准平均海洋水中氘同位素和氕同位素摩尔百分含量之比。

如式（4）所示，水中氢同位素比Rsample为氘同位素摩尔百分含量X（D）与氕同位素摩尔百分含量X（H）之比，其中X（D）+X（H）＝1，因此式（4）可转换为式（5）：

2 结果与分析

2.1 系统稳定性

IRMS系统的性能优劣是确定水转化的H2中氢稳定同位素比值能否被认可的重要指标。验证IRMS系统的测定稳定性，连续10 次通入固定体积的高纯H2气体，测定H2中δ2H，结果见表1。其标准偏差（standard deviation，SD）为0.192‰，稳定性较好。

表1 IRMS系统稳定性Table 1 Stability of IRMS system

2.2 记忆效应对水δ2H测定影响

图1 TTCC/EA-IRMSS 测 试水中δ2H值记忆效应Fig. 1 Schematic diagram of δ2H value memory effect in TC/EA-IRMS testing

如图1所示，8 个水样的第1次测定值受前一次测试的影响而产生了记忆效应，相对于参考气δ2H值比较偏负的GISP和DDW-3受记忆效应影响较大。以VSMOW剔除数据后的δ2H值SD变化为例，分别剔除1～3 个数据点，SD值变化如图2所示，剔除第1个点，SD可由1.31‰减小至0.54‰，剔除2 个点可降至0.35‰，再继续剔除其SD已无明显变化。剔除图1中每个水样测试的第1个数据点，处理得到的结果如图3所示，记忆效应消除明显。

图2 剔除数据点数与VSMOW δ2H测定值SSDD变化Fig. 2 Relationship of SD value of VSMOW δ2H with removal of data points

图3 记忆效应消除后水中δ2HH值Fig.3 δ2H values in waters after memory effect was eliminated

为了消除记忆效应，可以将水样在分析测试之前进行预测并分类，按氢同位素组成接近的水样归为一批次，将氢同位素组成接近的水样进行同批次测试；水样分析前，用待测水样清洗进样针至少3 次；对每个水样进行多次测试分析（不少于4 次），剔除第1～2个数据后取平均值作为最终结果。

2.3 样品瓶顶空体积对水δ2H测定影响

水的蒸发会产生氢同位素分馏[26-27]，考虑到空气中水分子的氢可能与水样中的氢发生交换而使得水样中的氢产生同位素分馏，影响水δ2H值测试的准确性。本研究设计了对照实验，考察样品瓶顶空体积对实验结果的影响。如图4所示，顶空体积对测试值有较小的影响，但是在短期内影响不明显。考虑到水样测试时间可能较长，尽可能将水样充满进样瓶不留顶空，减少与空气的接触，样品更加稳定，测试精度也更高。

图4 样品瓶顶空体积对VSMOW水样影响Fig. 4 Effects of vial headspace volume on SD of VSMOW δ2H

2.4 TC/EA-IRMS测试低氘包装饮用水氘含量的范围确证

低氘水中氘含量极低，一般低于150 μg/g，由式（6）换算即为δ2HVSMOW值为－36.980‰，目前市面上氘含量低至25 μg/g的δ2HVSMOW值为－839.497‰，氢同位素比值差值达802.517‰，为验证该方法对低氘水氢同位素比值极负以及较宽范围适用性，设计了相关系列实验，测试结果见表2。VSMOW和GISP标准水样在经过贫氘水稀释后，氘含量测定值与理论值相差范围为0.007～0.618 μg/g。TC/EA-IRMS测试超轻水氘含量在12.624～155.760 μg/g范围内较准确，测量值与理论值的RSD＜0.6%。

表2 贫氘水稀释的不同氘含量标准水样测试结果Table 2 Results of standard water samples diluted with deuteriumdepleted water with different deuterium contents

如图5所示，VSMOW和GISP标准水样经不同倍率稀释后稀释倍数和氘含量线性关系很好，线性相关系数均高达1。进一步说明标准水样中氘分布均匀，经氘含量低于1 μg/g的贫氘水按比例稀释后氘含量测定很准确，TC/EA-IRMS法适用于氢同位素比值极负的水样中氘含量的测定。

图5 标准水样不同稀释倍数和其氘含量测定值线性关系图Fig. 5 Linear relationship between dilution factor and deuterium content

2.5 不同单点校正方式对结果的影响

水δ2H值表示样品2H/1H测定值相对于VSMOW2H/1H测定值的千分差，对于贫氘水稀释的GISP水样，分别进行VSMOW标准水样单点校正（校正1）、实验室配制的与不同稀释比例GISP水样δ2H值接近的VSMOW标准水样单点校正（校正2），结果见表3，氘含量的值由式（6）换算得到，直接由VSMOW对GISP稀释水样进行单点校正，其δ2HVSMOW测定值与参考值SD高达2.785‰，如果用实验室稀释的VSMOW标准水样校正GISP水样（稀释后VSMOW水样和GISP水样δ2H差值小于100‰），δ2HVSMOW测定值与参考值的SD明显减小，采用校正2的方式得到的氘含量测定值与参考值SD也明显减小，但校正1方式下得到的氘含量测定值也在精度允许范围内。总之，校正方式对氢同位素比值范围较广的水氢同位素比值测定影响较大，最好采用校正标准水样和样品水样的δ2H差值小于100‰，氘含量的定量分析与校正方式的选择得到结果的偏差可以忽略不计。

表3 氢同位素分析结果校正方法对比Table 3 Comparison of correction methods for hydrogen isotope analysis resuullttss

2.6 方法稳定性

按照上述样品处理方式和仪器运行程序，连续8 次测定同一瓶低氘包装饮用水的δ2H值见表4，剔除第1个点后得到δ2H值的SD为0.548‰，经计算得到的氘含量值SD为0.085 μg/g，重复性较好。

表4 水样δ2HVSMOW值Table 4 δ2HVSMOW values of water sampless

在30 d内分3 次测定质控水样中δ2H，测试值在－59.102‰～－60.804‰内波动，SD为0.55‰，δ2H值在15 d内较稳定，超过30 d后值趋向偏正，但在误差允许范围内。氘含量146.639～146.289 μg/g范围内波动，SD为0.086 μg/g，说明该方法测定低氘水中氘含量再现性良好。

2.7 低氘包装饮用水样品测定结果

选用市场售卖的低氘包装饮用水样品8 个按照本法进行测试，采用上述校正2的方式对测试结果进行校正，氘含量值由式（6）换算得到。如表5所示，所选水样均为氘含量低于150 μg/g的低氘水，8 个样品氘含量测定值SD范围0.041～0.218 μg/g，重复性较好。与标识值比较，按照本研究方法测定的低氘包装饮用水中氘含量不合格率可达50%。低氘水的饮用可以使得人体血液中的氘含量降低，可能增强生命体抗氧化性、新陈代谢、抗癌性等[28]，有研究表明，水中氘含量越低，癌细胞增殖抑制越明显[29-30]。低氘水对人的身体益处很大，因此商家会需要氘含量更低的水谋取更多利润，人工低氘饮用水氘含量越低，生产成本越高，#1、#3、#5、#6就是氘含量未达标的假冒伪劣产品典型。

表5 低氘包装饮用水氘含量测定值Table 5 Measured values of deuterium content in packaged drinking water labeled low deuterium

2.8 不同方法测定低氘包装饮用水氘含量验证

选取贫氘水稀释的VSMOW和GISP水样以及低氘包装饮用水样，采用激光液态水稳定同位素分析仪测定水样中δ2H值并计算得到氘含量值见表6，经2 种方法测定得到的δ2H值计算得到的氘含量SD值随着水样氘含量降低而呈现增大趋势，在氘含量较低的时候存在一定的差异性，但是均低于1 μg/g，在误差允许范围内。因此，2 种仪器测定低氘饮用水中氘含量结果一致。

表6 不同方法测定氘含量结果Table 6 Results of determination of deuterium content by different methods

3 结 论

建立了TC/EA-IRMS同位素质谱测定低氘水中氘含量的分析方法，适用于低氘包装饮用水中氘含量的测定。该法测定低氘饮用水中氘含量用样量少、前处理简单、结果稳定性和再现性好、记忆效应可明显消除。由于缺乏氘含量极低的标准水样，本研究采用贫氘水（氘含量＜1 μg/g）稀释的标准水样校正与其氘含量接近的低氘水样，该法比传统的单点校正得到的结果准确度更高。采用TC/EA-IRMS法对市售低氘饮用水中氘含量进行测定分析，测定值与标识值不相符的现象明显，说明流通市场上的低氘包装饮用水监管存在很大问题，相关检测方法和法律法规亟需研制建立。TC/EA-IRMS测定水中氘含量方法的建立可以为低氘水这类包装饮用水品质和真实性进行有效的监测和管控提供技术支撑，谨防不法商贩以次充好，保障消费者的权益。