电感耦合等离子体串联质谱测定植物样品中砷含量的去干扰方法研究

马晨怡 柴爽爽 曹赵云 李洪艳 张琬悦 徐清宇 张卫星

（中国水稻研究所，农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心，杭州 310006）

砷（As）是自然界中广泛存在的非金属元素，主要通过农业生产过程进入土壤，在植物可食部分积累。由As及其化合物导致的食品安全问题在世界范围内时有发生[1]。人类主要通过饮用水和食品接触到As[2～3]。在我国，稻米的消费量高是导致As接触水平较高的重要原因[4～5]。过量摄入As对人体生长发育、骨骼的矿化、神经系统、心血管系统等均存在危害[6～8]。

常用于测定As含量的方法有银盐法、氢化物发生原子吸收光谱法（HG—AAS）、氢化物发生原子荧光光谱法（HG—AFS）、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP—AES）、电感耦合等离子体串联质谱法（ICP—MS/MS）等[9～11]。ICP—MS/MS以其高灵敏度的特性而备受关注。采用ICP—MS/MS进行植物样品中痕量As的测定时通常会受到多种质谱干扰。其中，植物中钙 （Ca）、钾 （K）、氯（Cl）等大量元素的存在是产生严重多原子离子干扰的重要原因，这些元素与作为载气的氩（Ar）等离子体相互结合生成38Ar37Cl+、40Ca35Cl+、37K36Ar+等多原子离子，影响75As（As唯一同位素）的准确测定[12]。近年来化工、电子、农业、冶金等行业对稀土元素（REEs）的消费需求逐渐上升，环境中的稀土元素含量也随之增加[13～14]。我国是世界上最大的稀土生产国和出口国[15]，也是第一个使用商业稀土肥料进行作物生产的国家，自1980年的田间试验开始，稀土微肥的持续和广泛应用，在提高作物生产率的同时也为稀土元素进入农业生产环境和植物样品中提供了途径[16～17]。在ICP—MS/MS的Ar等离子体中，由于稀土元素钕（Nd）和钐（Sm）第二电离能低于Ar的第一电离能，原子失去2个电子形成双电荷离子150Nd++、150Sm++，它们不可避免地干扰75As的准确测定，而其他稀土元素在电离过程中不会产生质荷比为75的双电荷离子，且75As相对丰度为100%，因此在As测定过程中一般不考虑其他稀土元素的影响[18～19]。

由于As在大多数植物样品中含量较低（＜1 μg/kg）[20～21]，在等离子体中电离相对较差，导致测定背景值变高。ICP—MS/MS配备了2个四极杆质量选择器以及1个八极杆碰撞反应池，较单四极杆质谱可提供更多的消除干扰方式。采用ICP—MS/MS进行元素分析时，若第1个四极杆被用作离子导杆，仅第2个四极杆被用作质量选择器，则为单四极杆模式；若2个四极杆都被用作质量选择器，则为双四极杆模式。2个四极杆中间的碰撞反应池（ORS）可选择无气体模式、碰撞模式和反应模式。无气体模式下反应池中没有气体，仪器在单四极杆模式下运行，不具备消除干扰能力，一般仅用于测定无干扰元素如汞（Hg）、铅（Pb）等。碰撞模式以氦气为碰撞气体在单四极杆模式下运行，动能歧视技术（KED）在干扰消除过程中发挥着重要作用[22～23]。 反应模式下2个四极杆都打开， 以H2、O2、NH3或它们的混合气（有时含一定比例He碰撞气）等作为反应气体，常用H2原位反应模式（H2on-mass mode）和O2质量转移模式（O2mass-shift mode）。其中，前者利用H2将干扰物质转化为不再干扰分析物离子的新物质，便于区分目标离子；后者以O2为反应气将原始分析物离子转化为反应产物离子，该反应产物离子可以在不同于原始分析物离子的另一种质荷比下被不受干扰地测定，可同时消除多原子干扰和双电荷干扰[24]。

本文在采用ICP—MS/MS测定As过程中，分别在无气体模式、He碰撞模式、H2原位反应模式和O2质量转移模式下，研究各自对Ca、K和稀土元素等多原子离子干扰和双电荷离子干扰的消除效果，选择确定了植物样品中As含量测定的最优模式。

一、材料和方法

（一）仪器样品分析均采用安捷伦8800电感耦合等离子体串联质谱仪（美国安捷伦科技有限公司）；Teledyne asx—280自动进样器（美国Teledyne CETAC公司）；DigiBlock ED54石墨消解仪（北京莱伯泰科有限公司）；Milli—Q Advantage A10超纯水仪（电阻率＞18.2 MΩ·cm，美国Millipore公司）。

（二）试剂以2%HNO3稀释单元素标准溶液（Ca、K、As均为1 000 mg/L）、15种稀土元素混合标准溶液[镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、Nd、Sm、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、钇（Y）含量均为100 mg/L]备用。

此外，在测量植物标准样品中As含量时，用于进行外部校准的As标准溶液浓度梯度为0、0.2、0.5、1、5μg/L；选择103Rh（质量浓度为1 000 mg/L）作为内标元素，使用2%HNO3稀释至质量浓度为100μg/L，测定时在线加入以校正基质效应和仪器不稳定性；HNO3（BV—Ⅲ级）购自北京化学试剂研究所；H2O2（分析纯）购自国药集团化学试剂有限公司。

国家标准物质黄豆（GBW10013）、圆白菜（GBW10014）、 柑 橘 叶 （GBW10020）、 蒜 粉（GBW10022）、湖南大米（GBW10045a），均购自中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。

（三）样品制备样品前处理采用石墨消解法。首先称取标准品0.250 g（精确至0.001 g）于均聚聚丙烯消解管中，加入8 mL 16 mol/L HNO3冷消化2 h后，放入120℃的石墨消解仪中消解至体积约为2 mL。取出冷却后加入3 mL 9.79 mol/L H2O2，继续在120℃下消解至体积约为1 mL，取出冷却后，用超纯水定容至50 mL。同时做样品空白。分别在4种模式下用ICP—MS/MS分析制备的样品溶液，每个样品重复测定3次，并计算最终结果。

（四）数据采集模式的选择为了确定最佳的数据采集模式，本研究配制了2个系列的As标准溶液（As含量均为1μg/L），分别按梯度添加0、1、10、50、100 mg/L Ca、K和0、0.2、1、5、20 μg/L稀土元素，用于研究无气体模式、He碰撞模式、H2原位反应模式、O2质量转移模式的消除干扰能力，并对结果进行探讨。4种模式下的仪器条件和测量参数设置见表1。

表1 4种模式下仪器条件和测量参数设置

二、结果与分析

（一）4种模式去除干扰的有效性

1.Ca、K对75As测定的干扰。以不具备干扰消除能力的无气体模式为对照，在He碰撞模式、H2原位反应模式和O2质量转移模式下，分别评估了浓度为1、10、50、100 mg/L的Ca、K对75As信号强度的影响，结果如图1所示，当干扰离子浓度为0 mg/L时，4种模式下As的信号值均为1 μg/L左右。随着样品溶液中Ca、K浓度的升高，在无气体模式下监测75As观察到严重干扰，并且测定值呈现逐渐增大的趋势。这是由于无气体模式无法除去测定过程中由Ar、Cl、O、H、Ca、K等离子加合而成的39K36Ar+、36Ar38Ar1H+、38Ar37Cl+等干扰，导致75As测定值不准确。He碰撞模式下监测结果明显优于无气体模式，这说明采用He碰撞气体结合动能歧视可有效去除样品溶液中存在的多原子离子干扰。H2原位反应模式下，H2与Ar离子反应速度较快，在减少Ar二聚体干扰方面非常有效[25]。因此，准确度相比无气体模式有较大提升，但与He碰撞模式尚有一定差距，得到的75As浓度略高于实际值。在O2质量转移模式下获得了最高的准确度。设置第1个四极杆（Q1）的m/z为75，这意味着只有待测离子75As和m/z同为75的干扰离子可以通过Q1进入碰撞反应池。此时仅75As可以与反应池中的O2发生放热反应 （75As+O2→75As16O+，ΔHr＜0）；第2个四极杆（Q2）的m/z设置为91，反应产物75As16O+通过Q2后被测定，干扰离子统一被除去。

图1 4种模式下Ca、K对75As含量测定的影响

2.REEs对75As测定的干扰。以无气体模式为对照，在He碰撞模式、H2原位反应模式和O2质量转移模式下，评估了0.2、1、5、20μg/L REEs对75As信号强度的影响。结果如图2所示，仅O2质量转移模式在所有浓度的REEs干扰下都获得了比较准确的75As信号值。值得注意的是，He碰撞模式和H2原位反应模式的准确度都低于无气体模式。这表明，结合动能歧视的He碰撞模式无法消除REEs干扰，灵敏度的下降也是导致75As测定值偏高的原因。JACKSON等[26]的研究显示，在3～4 mL/min的H2流速下，Gd、Nd、Sm等形成的双电荷干扰（156Gd++、150Nd++、150Sm++等）仍然较高，还需继续提升H2流速。因此，本文设置H2流速为7 mL/min，以去除75As测定过程中的150Nd++和150Sm++干扰，但测定结果并不理想。这可能是因为在较高的H2流速下，虽然150Nd++、150Sm++形成减少，但信噪比也随之大大降低，测定值出现较严重偏差。

图2 4种模式下REEs对75As含量测定的影响

（二）方法线性及检出限利用仪器自带的软件建立了校准曲线，得到4种模式下测定As的线性方程和相关系数（R），结果见表2。对试剂空白溶液连续测定11次，计算信号测定值的标准偏差δ。3倍标准偏差（3δ）所对应的质量浓度为仪器检出限（LOD）；10倍标准偏差（10δ）所对应的质量浓度即为仪器定量限（LOQ）。方法检出限和方法定量限分别为稀释倍数与3倍或10倍标准偏差的乘积。

表2 标准曲线相关参数及检出限

为准确测定植物样品中As含量，本文最终确定采用抗干扰能力较强的O2质量转移模式，线性相关系数为1.000 0，方法检出限为0.000 2 mg/kg，满足测定要求。

（三）方法准确性与精密度为了验证方法准确性，对5种标准物质黄豆、圆白菜、柑橘叶、蒜粉和湖南大米进行3次平行测定，将测定值与认证值进行比较（见表3）。如表3所示，测定值均在认证值范围之内。对测定结果计算相对标准偏差RSD（n＝3）以验证方法精密度，结果显示，黄豆、圆白菜、柑橘叶、蒜粉和湖南大米的RSD分别为1.3%、2.3%、0.7%、2.3%和1.0%，说明该方法是准确、精密的，适用于多种植物样品中As含量的分析。

表3 方法的准确度

三、结论

重金属元素As通过饮用水或被粮食作物吸收后进入人类食物链，危害人类健康。因此准确定量分析植物样品中的As是评估农产品质量安全状况所必需的。但植物样品中As含量的测定同时受到由Ar等离子体和大量营养元素（Ca、K）导致的多原子离子干扰以及稀土元素（Nd、Sm）导致的双电荷离子干扰影响。

近年来，ICP—MS/MS操作的灵活性和数据的准确性使其成为生化、环境、食品等领域中无机元素含量测定的良好方法。本文对比研究了ICP—MS/MS4种数据采集模式对As测定过程中多原子离子干扰和双电荷离子干扰的消除效果，结果显示，无气体模式在这2种干扰存在的情况下均无法准确测定As含量；He碰撞模式对多原子离子干扰具有良好的消除能力，但当样品中含有大量稀土元素时，不能很好地消除双电荷离子干扰；H2原位反应模式可以在很大程度上消除多原子离子干扰，但同样对双电荷离子干扰无效；在O2质量转移模式下，将第1个四极杆的m/z设置在目标离子75As的位置（m/z75），第2个四极杆的m/z设置在其氧化物75As16O+的位置（m/z91），进行双重质量选择，有效去除了As测定过程中的所有干扰。

将方法应用于5种国家标准物质黄豆、圆白菜、柑橘叶、蒜粉和湖南大米中As的测定，结果均与认证值吻合。该方法操作简便、分析速度快、准确性高，适用于多种植物样品中As元素的快速准确测定。