有机化合物对电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定食品中总砷的影响

戴瑞平 刘花梅 黎申英 李 彪 张梅玲 刘 涛 黄宗兰 吴 鑫

(江西省检验检测认证总院 食品检验检测研究院,江西省加工食品和食品添加剂质量监督检验中心,南昌 330052)

食品中总砷的仪器测定方法主要包括电感耦合等离子体质谱法(简称ICP-MS法)和氢化物发生原子荧光光谱法(简称HG-AFS法)。氢化物发生原子荧光光谱法由于干扰少、灵敏度较高、稳定性好被广泛应用[1-4],但是其对于样品的前处理有着较高的要求,需要加入大量的混合酸进行样品消解,耗时耗力且易引入污染;而电感耦合等离子体质谱法由于稳定性、准确性和灵敏度都更占优势同样被广泛应用于食品中总砷的检测[5-8],且不同形态的砷在高温等离子体中都能够被电离而进行检测,当与高效液相色谱仪联用时,还能广泛应用于不同砷形态的检测[9-11]。然而,ICP-MS法测定食品中总砷含量并不总是万无一失和完全准确的。事实上,ICP-MS法由于会受到分子离子干扰、同质异位素干扰和基体效应等的干扰,一些低质量数的元素,包括砷元素,在很多情况下会受到严重的质谱干扰和基质干扰,从而影响测定结果,当样品中含有一些未消解的有机物或复杂基质时,会对砷的ICP-MS测定产生严重的干扰。

本研究将考察有机化合物(比如有机醇类、有机胺类和糖类等有机物)对于食品中总砷测定的影响,并深入探讨有机化合物对总砷的电感耦合等离子体质谱信号影响的机理,揭示食品中总砷含量测定中数据产生偏差的一般规律。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

PE 2000P电感耦合等离子体质谱仪(美国PerkinElmer公司),微波消解仪(美国CEM公司),GS25-20A赶酸仪(莱玻特瑞),SSHDC34系列可控温电热板(天津拓至明实验仪器技术开发有限公司)。

砷单元素标准溶液(1 000 mg/L,国家有色金属及电子材料分析测试中心),锗、铟、铋内标单元素标准溶液(1 000 mg/L,国家有色金属及电子材料分析测试中心),硝酸(优级纯,苏州晶瑞化学股份有限公司),甲醇、乙醇、正丙醇、乙二胺、三乙醇胺、葡萄糖均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司),1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、D-果糖均为分析纯(上海麦克林生化科技有限公司),丙三醇、蔗糖为分析纯(西陇化工股份有限公司),正丁醇为分析纯(广东省化学试剂工程技术研究开发中心),草酸为分析纯(天津市大茂化学试剂厂),实验用水均为二次去离子水。

1.2 实验方法

1.2.1 溶液配制

砷单元素标准溶液和锗、铟、铋内标单元素标准溶液用5%硝酸(V∶V,下同)逐级稀释至所需浓度。

有机物基质溶液:分别称取适量的有机物,用5%硝酸定容、摇匀即为不同有机物基质溶液(m∶V)。

1.2.2 样品消解

1)微波消解法:按照GB 5009.11—2014中5.2.1章节进行操作。

2)快速消解法:称取0.3 g样品于50.0 mL聚丙烯离心管中,缓慢加入1 mL浓硝酸将所有样品均匀润湿,旋紧盖子并留1～2圈的空隙防止反应太过剧烈,将离心管放置在120 ℃的可控温电热板上快速消解30 min,取下放冷后用水定容至10.0 mL或25.0 mL。

1.2.3 仪器工作条件

ICP-MS仪器工作条件如表1所示。

表1 ICP-MS仪器工作条件

2 结果与分析

2.1 微波消解法测定总砷存在的问题

按照GB 5009.11—2014中微波消解法消解样品和ICP-MS测定总砷含量,绝大多数情况下是没有问题的,测定数据也较为准确和稳定。但是,在实际食品中总砷含量的检测过程中,经常会出现一些消解不充分和加标回收率偏高的现象。其中样品基质中的氯会产生ArCl+分子离子的干扰而使砷的信号值增大,除此之外,实验还发现,未充分消解样品中含有的一些有机物会对砷的ICP-MS响应信号值产生增敏效应。

对比GB 5009.11—2014中规定的微波消解法和快速消解法[12-14]消解大米粉样品的ICP-MS测定数据,数据如表2所示。从表2数据可以看出,微波消解-ICP-MS法测定大米粉的数据比较稳定,定容体积对测定结果影响不大,加标回收率接近100%。快速消解-ICP-MS法测定大米粉的数据随着定容体积的减小而变大,加标回收率也呈现同样的规律,说明快速消解的大米粉基体会严重影响ICP-MS测定的总砷数据。

表2 微波消解法和快速消解法测定大米粉中砷数据对比

2.2 有机化合物对ICP-MS测定总砷的影响

2.2.1 糖类化合物和草酸对砷测定的影响

快速消解的大米粉样品基体中含有未充分消解的有机化合物,从而干扰砷的ICP-MS测定信号。大米主要成分是淀粉,在与硝酸发生不充分的硝解反应时,有可能会生成葡萄糖和草酸等物质,因此首先考察了葡萄糖、蔗糖、D-果糖和草酸这4种物质对砷测定的影响,以快速消解法的称样量0.3 g、定容体积为10.0 mL计算,配制5%的葡萄糖、蔗糖、D-果糖和草酸基质溶液,以此模拟样品未充分消解样品的极限状态。此外,还配制一系列有机物阳性基质溶液,分别往其中添加20.0 μg/L砷标准溶液,以动能歧视测定模式(简称KED模式)分别测定空白有机物基质溶液和添加了砷标准溶液的阳性基质溶液的ICP-MS信号值。以5%硝酸基质中砷的ICP-MS测定信号值为1和内标回收率为100%进行归一化对比分析,计算阳性有机物基质溶液相比于5%硝酸基质中砷标准溶液的信号增长值,相关实验数据见表3。从表3中数据可以看出,葡萄糖、蔗糖、D-果糖和草酸这4种物质的空白基质溶液中砷的响应信号值相比于5%硝酸溶液有一定的增大,而且阳性有机物基质溶液(5%质量浓度)中砷的信号值增加了115%～227%,假设快速消解法产生了1%的有机糖类物质或者草酸,则砷测定信号值应该增大23.0%～45.4%,这与表1中的数据比较吻合(定容体积10.0 mL,测定结果偏大58.1%;定容体积25.0 mL,测定结果偏大27.2%),这说明之前的推论还是比较合理的。

表3 有机化合物基质对ICP-MS的KED模式测定砷信号值的影响

2.2.2 有机醇类物质对砷测定的影响

考察甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、丙三醇等有机醇类物质对砷测定的影响。从表3数据可以看出,这7种有机醇类物质对砷的ICP-MS测定信号值分别有不同的增强作用,1%阳性有机物基质溶液和10%阳性有机物基质溶液中有机物对砷信号值的影响趋势是一致的,但是并不与基质溶液的浓度成正比。其中甲醇、乙醇和正丙醇对砷信号值的增敏作用依次递增,1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇对砷信号值的增敏作用依次递减,从有机物极性出发,可以看出,极性大小:甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇,甲醇、乙醇和正丙醇的增敏效应呈现递增规律,但是正丁醇是个例外,由于正丁醇在水中的溶解度将近为7.7%(w:w,20 ℃),因此只考察了浓度为1%和5%有机物基质溶液对砷测定的影响,甲醇、乙醇和正丙醇都可以与水互溶,而正丁醇在水中的溶解度也许是影响其对砷信号值增敏效应的原因。1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇的极性可能相差很小,从他们的极性与增敏效应之间很难发现明显的规律。从表3中空白有机物基质中砷信号值可以看出,1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇这三种有机醇类物质空白信号值明显大于甲醇,乙醇、正丙醇和正丁醇空白信号值,尤其是1,2-丙二醇的空白信号值尤为突出,对于这3种有机醇类物质,除了极性影响,可能还存在本底值的影响,其中丙二醇和丙三醇在等离子体中电离之后可能发生脱氢反应和脱羟基反应生成多原子离子,反应过程可能如下:

(1)

(2)

通过查找文献中的相关标准生成焓热力学数据[22],对于可能生成的75C3H7O2+多原子分子离子,反应(1)和(2)的标准反应焓[ΔrHmθ(298 K)]都小于0,属于放热反应,这说明这两个反应在等离子体中发生的概率比较大。但是1,2-丙二醇的反应效率应该比1,3-丙二醇和丙三醇的反应效率要大得多,这从它们的空白基质信号值可以看出,由于丙二醇和丙三醇可能存在着复杂的多原子离子反应,其对砷的ICP-MS测定信号的增敏效应可能是碳离子或含碳多原子离子和其他因素共同决定的。

2.2.3 有机胺类物质对砷测定的影响

分别考察乙二胺、三乙醇胺和三丙胺3种有机胺类物质对砷的ICP-MS测定信号值的影响[三丙胺由于在水中的溶解度为0.26%(w:V,20 ℃),只测试了浓度为0.2%的三丙胺基质溶液,其对砷信号值的增敏作用为22.8%,数据并未在表3中列出]。1%和10%的乙二胺、三乙醇胺基质溶液中砷信号值增长百分比分别为54.9%和279%、64.3%和369%,不同浓度的3种有机胺类物质对砷信号值的增加范围为22.8%～369%,并没有呈现明显的规律,从乙二胺和三乙醇胺的本底值可以看出,发生多原子离子反应生成质荷比为75分子离子的概率不大,推测有机胺类物质对砷信号值的增敏作用可能是受到了有机物极性和在水中溶解度等综合因素的影响。

2.2.4 氮氧化物对砷测定的影响

除了有机化合物会对砷的ICP-MS测定信号产生增敏效应,消解过程中产生的氮氧化物也会对砷的测定产生干扰。以不同浓度的硝酸基质模拟实际微波消解过程中产生的氮氧化物,分别以动能歧视模式(KED)和动态反应模式(DRC)对其进行测定,相关数据见表4。

表4 硝酸对ICP-MS的KED模式测定砷信号值和DRC模式测定氧化砷信号值的影响

从表4数据可以看出,75As+和91AsO+的测定信号值基本上都随着硝酸浓度的增大而减小,不同的酸度基质最大可能造成测定信号值30%左右的差异,而内标74Ge和115In校正之后的结果也呈现同样的规律,这可能是因为在ICP-MS测定过程中,即使质荷比接近,不同元素由于电离能等性质并不一样,导致在等离子体中的电离行为和最终灵敏度并不一致,使得内标元素校准信号偏移的效果并不理想。

上文考察的是有机胺类物质对砷测定信号值有增敏效应,而硝酸基质对砷测定信号值可能会有着相反的效果。考察硝酸在等离子体中的分子离子反应,硝酸的电离能为(11.95±0.01) eV[15],在等离子体中被电离之后有可能会发生裂解,生成NO+或NO2+等多原子离子,这些电负性极强的多原子离子极有可能会与As+发生电荷转移反应,从而减弱砷的ICP-MS测定信号值。推测可能的反应机理如下:

HNO3→HNO3·++e-

(3)

HNO3·+→NO·+HO2+

(4)

HNO3·+→NO2·+HO+

(5)

As·++NO·→As·+NO+

(6)

As·++NO2·→As·+NO2+

(7)

根据文献中标准生成焓热力学数据[15],反应(3)～(7)的标准反应焓[ΔrHmθ(298 K)]分别为175.0、304.6、-50.8、-3.5 kJ/mol。反应(6)和(7)属于放热反应,当硝酸基体在等离子体中电离和解离生成多原子分子离子,砷离子是极有可能与这些分子离子发生反应,从而降低砷和氧化砷的信号值。

2.2.5 有机化合物对砷测定影响的机理探究

关于有机化合物对ICP-MS测定金属元素的影响,ALLAIN等[16]报道了丙三醇和葡萄糖对As、Hg、Au、Se、Te等元素的ICP-MS信号有显著的增强效应,他们认为信号的变化并不是由于雾化效率的提高,而是由于碳的存在使得生成这些金属元素离子的过程发生了改变,尤其是对于一级电离能为9～11 eV的金属元素,它们与碳离子的电离能11.20 eV很接近,而有机化合物的加入改变了有限能量范围内的离子平衡。LARSEN等[17]则认为碳离子或含碳多原子离子的引入会使电离能比碳电离能(11.26 eV)更低的分析物(比如砷9.82 eV、硒9.75 eV、碘10.45 eV、汞10.44 eV)在等离子体中的电离更为充分,从而增强这些元素的检测信号值,对于比碳电离能更高的分析物(比如溴11.81 eV),检测信号值却并没有明显增强。CAMPBELL等[18]认为Triton X-100等有机化合物水溶液对于雾化效率的影响很小,其对砷灵敏度的增强应该归因于砷原子在电离的过程中与第一电离能更接近的碳原子或者含碳物质发生能量转移,这个过程比砷原子和电离能更高的氩原子(15.76 eV)之间进行的更为有效。李冰等[19]报道了2%浓度的乙醇溶液对砷和硒等元素ICP-MS测定信号的增强效应比较明显,但是当乙醇浓度超过了2%时,ICP-MS信号开始受到抑制,其原因是引入一定量的乙醇,可以改变溶液黏度和溶剂分子间相互作用力等物理特性,从而提高雾化效率;但当乙醇含量超过2%时,由于雾化效率的提高,更多的气溶胶进入等离子体中,从而消耗了更多等离子体的能量,使得焰炬温度降低,降低元素的电离效率。胡兆初等[20]则推测异丙醇等有机物的引入,改变了分析物离子在等离子体中的空间分布,进而影响到被提取的分析物离子份额,从而产生元素信号的增敏效应。

如表3中所列数据所示,有机化合物对砷ICP-MS测定信号产生增敏效应的原因可能是多因素的。从甲醇、乙醇、正丙醇和1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、丙三醇两组数据来看,随着有机物极性减弱,增敏效应总体上是呈现减弱的趋势,但是砷的信号值可能也会随着有机物在水中的溶解度和等离子体中砷与多原子离子之间的相互作用而发生变化,尤其是对于分子量大于75的有机化合物,如前所述的丙二醇和丙三醇,分别会发生脱氢反应和脱羟基反应生成质量数为75的多原子分子离子,使得有机物对于砷信号值的影响变得更为复杂。考察有机物在等离子体中的电离情况,通过查找文献得到不同化合物的电离能数据[15],如表5所示。

表5 有机化合物电离能数据

对于有机化合物RX(R为烷基,X为官能团)特定的吸电子基团X,RX电离能与R基团的极化率、电子释放和给电子能力呈线性关系,R基团给电子能力越强,失去电子所需的能量就越低,RX的电离能就越低[15]。上文中所论述的化合物极性虽然与R基团的极化率没有直接的联系,但是却有可能预示着电离能的区别。从前文中可知,有机化合物的极性:甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇,表5中数据也显示电离能甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇,1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇的极性大小未知,丙三醇电离能数据虽然也未能找到,但是它相比丙二醇多了一个亲电子的羟基基团,因此电离能丙三醇<1,2-丙二醇<1,3-丙二醇。当化合物电离能越低时,电离生成多原子碳离子的概率就更大,而这些分子离子峰会与砷原子发生作用,在等离子体的平衡体系中促进砷离子的生成,从而增大其测定信号值。

关于这一点,本文观点与ALLAIN等[16-18]的看法不完全相同,有机化合物也许可能是通过碳离子或者多原子碳离子与砷之间发生电荷转移反应从而增加砷离子的信号值,但是并不是只有电离能大于砷原子电离能[(9.788 3±0.000 2) eV]的化合物或碳原子(11.260 eV)才能增加砷的信号值[15],1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、乙二胺、三乙醇胺和三丙胺等化合物的电离能虽然都小于砷的电离能,但是他们依然可以增强砷的ICP-MS信号值,只是增加的幅度大小随着其电离能的变化而发生变化。从表3中甲醇、乙醇和正丙醇组数据可以看出,它们对砷ICP-MS测定信号的影响,随着极性和电离能的增加而降低,这也印证了前面的推论,乙二胺和三乙醇胺也遵循着同样的规律。但是正丁醇和三丙胺却是个例外,这极有可能是之前论述过的受到二者在水中的溶解度的影响,甲醇、乙醇、正丙醇、乙二胺和三乙醇胺都可以与水互溶,正丁醇和三丙胺在水溶液中有限的溶解度很有可能会影响其在等离子体中的分散和雾化过程,从而影响砷的信号值。1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇组数据又有些不同,如前所述,这三者的极性可能相差很小,虽然电离能丙三醇<1,2-丙二醇<1,3-丙二醇,但是可能不会相差太大,此外,丙二醇和丙三醇在等离子体中可能发生的脱氢反应和脱羟基等副反应又会使得增敏效应更为复杂。为了研究这个问题,通过ICP-MS的动态反应模式(简称DRC模式,反应气体为氧气,监测m/z91处AsO+离子的信号值)测试有机化合物基体对于砷测定的影响,数据如表6所示。

表6 有机化合物基质对ICP-MS的DRC模式测定氧化砷信号值的影响

DRC测定模式通过引入反应气体氧气,使砷和氧气生成AsO+离子,可以消除有机物基体的背景信号值,表6中所列的空白有机化合物基体信号值都在1上下浮动。阳性有机物基质溶液对AsO+信号值的影响与KED测定模式中阳性有机物基质溶液对As+信号值的影响全然不同,且数据也无规律可循,但总体上可以看出,当有机化合物基质浓度为1%时,其对AsO+信号值产生增敏效应,但除了甲醇、乙醇、正丙醇之外的有机化合物产生的增敏效应几乎可以忽略不计,其中正丁醇还会抑制AsO+信号值,随着基质浓度增大至5%或10%,除了甲醇、乙醇、正丙醇之外的有机化合物都对AsO+信号值产生抑制作用。这说明一定浓度的有机化合物在DRC测定模式中可能会与砷竞争氧气,从而在某种程度上降低AsO+离子的信号值,而甲醇、乙醇、正丙醇这3种有机醇类物质对氧气的竞争可能并没有那么大,而且生成的RXO+或RO+分子离子可能还会与砷原子发生电荷转移反应而增大AsO+的测定信号值。

综上所述,推测有机化合物对砷测定信号值产生增敏效应可能的机理如下:

KED测定模式:

RX→RX·++e-

(8)

RX·+→R++X·

(9)

As+RX·+→As·++RX

(10)

As+R+→As·++R·

(11)

DRC测定模式:

As·++O2→AsO++O·

(12)

RX·++O2→RXO++O·

(13)

R++O2→RO·++O·

(14)

As+RXO+→AsO++RX

(15)

As+RO·+→AsO++R·

(16)

2.2.6 有机化合物对内标元素测定的影响

分别考察ICP-MS的KED测定模式(碰撞气为氦气)和DRC测定模式(反应气为氧气)对内标元素74Ge和115In的影响,数据分别如表3和表6所示。以5%硝酸基质中砷信号值为1和内标回收率为100%进行归一化对比分析,并以IAs+/I内标和IAsO+/I内标对比不同有机化合物基质中内标元素对信号值校准的影响,校准结果见表7。在KED测定模式中,74Ge内标对各种有机化合物基质溶液中砷信号值校准结果为1.46～2.37(1%基质浓度,该数值为内标信号值对砷ICP-MS测定信号值的校准结果,即IAs+/I内标或IAsO+/I内标,无量纲,下同),1.92～5.28(5%或10%基质浓度),115In内标对各种有机化合物基质溶液中砷信号值校准结果为1.42～2.33(1%基质浓度)、1.90～5.48(5%或10%基质浓度);在DRC测定模式中,74Ge内标对各种有机物基质溶液中AsO+信号值校准结果为1.03～1.49(1%基质浓度)、0.97～1.21(5%或10%基质浓度),115In内标对各种有机物基质溶液中AsO+信号值校准结果为0.84～1.31(1%基质浓度)、0.86～1.16(5%或10%基质浓度)。从前面数据可以看出,在KED测定模式中,即使有机物基质浓度为1%,内标校准结果最低也偏大40%左右,随着基体浓度增大至5%或10%,内标校准结果最大偏大4倍左右。而在DRC测定模式中,除了甲醇、乙醇和丙醇等有机化合物基体使最终校准结果偏大,最大可达到50%左右,对于大部分有机化合物基体经内标校准之后的结果都能控制在0.80～1.20(一般ICP-MS法测定内标回收率在此范围内,测定数据较可靠),这充分说明了有机化合物基体对于KED测定模式的干扰要远大于DRC测定模式。

表7 有机化合物基质对内标元素校准ICP-MS测定砷信号值的影响

3 结论

深入研究了有机化合物基体对于砷的ICP-MS动能歧视测定模式(KED)信号值和动态反应测定模式(DRC)信号值的影响:

1)含碳有机化合物普遍会增强砷的KED测定模式信号值,对砷信号值的增敏效应一般随着有机化合物极性和电离能的增大而减小,但随着有机物分子量的增大(MW>75),增敏效应也会受到由有机化合物的分子离子反应产生的多原子离子本底值影响,有机物溶解度等物理性质影响砷离子分散和传输,影响在等离子体中的电离效率,增敏效应的主要机理可能是砷原子在等离子体中与碳离子或多原子碳离子之间的电荷转移反应。然而砷的DRC测定模式信号值受有机化合物基质的影响要远小于KED测定模式,其原因可能是在DRC测定模式中,除了可能发生的电荷转移反应,碳离子或含碳多原子离子会与砷离子竞争氧气,从而降低目标离子AsO+的测定信号值。

2)含氮基体(如硝酸、氮氧化物等)会减弱砷的KED测定模式和DRC测定模式信号值,具有强电负性的氮氧基团可能会与砷离子发生电荷转移反应,从而减弱As+和AsO+的信号值。

3)由于砷原子和锗、铟等内标元素原子电离能的差异,使得它们在等离子体中的电离行为和灵敏度的差异,最终导致内标元素并不能很好地校准氮氧化物和有机化合物等基体的干扰,但总体来讲,内标元素对DRC模式测定AsO+分子离子信号值的校准效果要好于对KED模式测定As+离子信号值的校准效果。

总之,不管是通过ICP-MS的KED模式还是DRC模式测定食品中总砷含量,建议将样品中的有机化合物基体彻底消解,并尽量除去基体中的氮氧化物,因为即使含量较低的含碳或含氮基体都有可能造成测定值的偏差,并且结果不可控。