双四极杆电感耦合等离子体质谱(ICP-MS/MS)法测定婴幼儿配方奶粉中的硒含量

袁 堃 陈家伟 赵娜娜 毛思浩 梁晶晶*

(1.浙江省食品药品检验研究院 国家市场监管重点实验室(功能食品质量与安全),杭州 310052;2.浙江省食品药品检验研究院 浙江省市场监管保健食品质量安全重点实验室,杭州 310052;3.浙江中医药大学 医学技术与信息工程学院,杭州 310052)

硒(Se)是一种人体必不可少的微量营养元素,具有重要的生理功能,硒的安全范围较小,硒缺乏会导致免疫力低下,可能引起克山病、心血管等疾病,但摄入过量的硒也会引起硒中毒,造成皮肤系统、神经系统以及牙齿等损伤[1]。婴幼儿体重较轻,硒的危害更大,国家标准GB 10765—2021对婴儿配方食品的硒元素含量限量做了明确要求,其限量范围为3.0 μg/100kcal(或0.72 μg/100kJ)～8.6 μg/100kcal(2.06 μg/100kJ)[2],限量范围较小,因此在婴儿配方乳粉中实现硒含量的准确测定具有现实意义。

目前,硒元素的检测方法主要有分光光度法[3]、原子荧光光谱法[4-5]、原子吸收光谱法[6-7]、电感耦合等离子体发射光谱法[8]、电感耦合等离子体质谱法[9]等。电感耦合等离子体质谱法具有准确度高、分析速度快、灵敏度高等优点,是多种元素分析的首选方法,但准确定量Se含量时存在响应信号低[10],Kr、Ar原子离子干扰以及稀土元素的双电荷干扰[11]等问题,往往导致硒元素的检测结果偏高。

硒的响应信号低是由于电离能高,含碳有机物如甲醇、乙醇、异丙醇、三乙胺、乙酸等对一些难电离元素的响应信号具有一定增敏作用[12-15],本实验通过添加含碳有机物实现硒响应信号的增敏,同时对电感耦合等离子体质谱仪的不同分析模式的抗质谱能力进行分析比较,建立了以微波消解法为前处理方法,5%含量的正丁醇作为增敏剂,ICP-MS/MS O2反应模式准确测定婴幼儿配方奶粉中硒含量的方法。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

硝酸、盐酸均为TraceMetal(美国 Fisher Scientific公司),氢氧化钾为优级纯(美国Sigma-Aldrich公司),硼氢化钾、铁氰化钾(分析纯,(上海国药集团化学试剂有限公司),甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇均为色谱纯(德国Merck公司),硒元素标准溶液(100 μg/mL,中国计量科学研究院),锗内标储备溶液(10 μg/mL,美国Perkin Elmer公司),婴幼儿配方乳粉中硒、锰定量分析质控样品(硒特性值:211.4 μg/kg,硒特性值区间:177.4～245.4 μg/kg,中国检验检疫科学研究院测试评价中心),实验用水均为超纯水。

1.2 仪器与设备

8900 Triple Quad电感耦合等离子体质谱仪(美国Agilent公司),MARS 6微波消解仪(美国CEM公司),PURELAB © Chorus 1超纯水仪(英国ELGA公司),AFS-9130全自动双顺序注射原子荧光光度计(北京吉天仪器有限公司)等。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理

精密称取充分混匀后的样品0.5 g(精确至0.000 1 g),置于聚四氟乙烯微波消解罐中,加5 mL浓硝酸后放入电热板中120 ℃预消解30 min。取出冷却至室温后,按微波消解程序(表1)进行消解。待消解结束后,将微波消解罐置于电热板中赶酸至近干。冷却后用5%HNO3转移至20 mL容量瓶,并用5%HNO3溶液定容,摇匀。同时做随行空白实验。

表1 微波消解条件Table 1 Microwave digestion conditions

1.3.2 标准系列的配制

用5%HNO3将硒标准溶液储备溶液(100 mg/L)逐级稀释成铝标准溶液,使标准工作溶液浓度分别为0、0.5、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 μg/L,现用现配。

1.3.3 仪器参数

RF功率1 550 W,等离子体气流速15.0 L/min,辅助气流速1.0 L/min,雾化器流速1.0 L/min,O2反应分析模式,扫描次数3次,跳峰扫描模式,驻留时间0.1 ms,蠕动泵转速0.1 r/s,采集质量数78Se、94SeO、75Ge(内标元素),积分时间0.3 s。

1.3.4 测定

采用在线引入内标的方式,内标用5%HNO3稀释至含Ge(10 μg/L),另外使内标溶液中含5%正丁醇,待仪器达到最佳条件后,依次引入标准工作溶液、试剂空白和样品溶液。

2 结果与分析

2.1 同位素选择

硒元素呈现多价态,常见的同位素有74Se、76Se、77Se、78Se、80Se 以及82Se,一般都具有较高的电离能,在氩气中较难电离,电离程度低导致相应信号低,并且存在较为严重的Kr、Ar 原子离子、稀土双电荷(159Tb+、160Gd++、160Dy++等)的干扰。80Se天然丰度占比最大,但受到40Ar40Ar+的干扰最大,且各种双电荷离子对检测也具有较大的干扰,不适合测定;74Se、76Se、77Se、82Se天然丰度占比小,信号响应较低不适合在氦气碰撞模式下测定,故本实验选择了干扰相对较小的且天然丰度占比第二的78Se作为检测对象。

2.2 增敏剂种类的选择

实验采用氦气碰撞模式,内标溶液中分别加入含量为10%的甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇进行硒的测定,同时做无增敏剂对照实验,通过对标准溶液的测定建立线性方程,对21份空白溶液进行测定,计算SD值,方法定量限LOQ=10SD/k(斜率)计算定量限,同时考察标准溶液(10.0 μg/L)的强度计数(cps)值。具体测定结果见表2,在不添加增敏剂的条件下,线性较差,强度值响应值低,定量限无法满足GB5009.93—2017《食品安全国家标准 食品中硒的测定》第三法中定量限1 μg/100g的要求。加入增敏剂甲醇、乙醇、异丙醇后,定量限均小于1 μg/100g,满足测定要求且标准溶液(10.0 μg/L)的强度值均有大幅提升。其中以加入异丙醇后强度增幅最大,其次为正丁醇,由于加入正丁醇后的定量限最低,且强度值与异丙醇相差不大,故本实验选择增敏剂为正丁醇。

表2 不同增敏剂对硒检测结果的影响Table 2 Effects of different sensitizers on selenium detection results

2.3 正丁醇含量的优化

通过改变正丁醇不同的添加比例进行实验,分别通过定量限、标准溶液(10.0 μg/L)响应强度值考察了内标溶液含0%、1%、3%、5%、8%、10%正丁醇对硒检测结果的影响。结果如图1所示,方法定量限随着正丁醇含量的不断增加而下降,当正丁醇含量大于3%时均能满足定量限10 μg/kg的要求。标准溶液(10.0 μg/L)信号强度值在正丁醇含量为0～5%时,其信号强度随着正丁醇含量的增加而增强,当正丁醇含量>5%时,信号强度有衰减趋势,由于当有机物含量增加时容易在喷射管、截取锥、采样锥等位置形成积碳影响仪器的测定,故实验选择的正丁醇含量为5%。

图1 不同含量正丁醇对硒响应值和定量限的影响Figure 1 Effects of different contents of n-butanol on selenium response value and LOQ.

2.4 不同仪器分析模式的比较

Se同位素都存在多种质谱干扰,为了消除稀土元素的双电荷干扰以及Kr、Ar 原子离子带来的干扰,进一步对比研究了电感耦合等离子体质谱仪不同的分析模式。依据各种模式下质控样的测定值与特性值的接近程度来选择测定的最佳模式。以5%正丁醇为增敏剂,分别采取单杆无碰撞气的标准模式(no gas模式)、单杆氦气碰撞模式(He模式)、串联氦气碰撞模式(HeHe模式)、串联氧气反应模式(O2模式),同时氦气碰撞模式还考察不同碰撞气流速对测定结果的影响,以仪器自带的校准方程校准,通过建立标线对奶粉中硒的质控样进行测定,每组样品取3份,结果见表3。婴幼儿配方乳粉质控样中硒的特性值为211.4 μg/kg,特性值区间为177.4～245.4 μg/kg,结果显示,改变氦气碰撞流速对测定结果无显著性差异,ICP-MS/MS O2模式的质控样测定值相比于其他模式低,更接近特性值。ICP-MS/MS加氧模式相比其他分析更能消除模式质谱干扰,因此实验选择ICP-MS/MS加氧模式。

表3 三种分析模式质控样测定值对比Table 3 Comparison of determination values of quality control samples in three analytical modes

2.5 线性关系、检出限和定量限考察

在优化的测试条件下,按照实验方法配制的标准溶液进行测定,经过实验发现,该方法在0.50～10.00 μg/L线性较好,适合于定量分析。该方法的线性方程为y=0.000314x+0.0000119,相关系数为0.999 8,对21份空白溶液进行测定,计算SD值,通过方程检出限LOD=3SD/k(斜率),定量限LOQ=10SD/k,计算检出限和定量限,得到检出限为1 μg/kg,定量限为3 μg/kg。

2.6 加标回收实验

选取某一品牌2段婴幼儿奶粉为样品,称取6 份样品进行重复性实验,实验结果见表4。另外再称取9 份样品分别加入100、200、300 μg进行3个水平加标回收实验,每个水平重复3次,具体加标量见表5,按样品前处理过程进行前处理,做随行空白,样品上机测定。该方法的RSD为1.7%,加标回收率为94.3%～100%。

表4 精密度实验结果Table 4 The precision test results

表5 加回收实验结果Table 5 The recovery results

2.7 实际样品测定方法比较

根据本实验方法,对实际婴幼儿配方食品样品进行硒含量的测定,此外,本次实验还与GB 5009.93—2017中原子荧光光谱(AFS)法的测定值进行了比较,并运用了两独立样本t检验对两种方法的检测结果进行比较,不同类型的奶粉测得的结果如表6所示,t检验得到的P值均>0.05,故两组数据在统计学上无显著性差异,即采用本实验方法对实际样品硒含量进行测定的结果与原子荧光光谱法进行的硒含量测定结果无明显差异。

3 结论

本实验通过对添加正丁醇实现硒元素信号响应的增敏,ICP-MS/MS氧气模式消除Kr、Ar 原子离子、稀土双电荷等质谱干扰,建立了一种能准确测量婴幼儿配方食品中硒含量的电感耦合等离子体质谱法。研究结果表明,氦气碰撞模式和ICP-MS/MS氧气模式均可在一定程度上消除质谱干扰,相较于单级杆的ICP-MS,ICP-MS/MS氧气模式检测硒含量更加准确,检出限更低,精密度更高。用t检验统计学方法证明方法与GB 5009.93—2017中原子荧光光谱法检测结果一致,相比于原子荧光光谱法,该方法操作简单,更适合大批量样品的检测。