劉麗南，吳春敏，高 鐲，袁筱玄，曹 夢，王 巖，王 東

（河北省食品檢驗(yàn)研究院, 河北省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北石家莊050000）

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，稻谷種植面積廣泛，可達(dá)2969.4萬公頃，產(chǎn)量高，尤其在南方地區(qū)，稻田占耕地面積一半以上[1]。在我國居民的膳食結(jié)構(gòu)中，每日主食也多以大米為主[2]。但是，隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，水稻中的重金屬污染問題變得越來越嚴(yán)重，而稻田占比較多的南方地區(qū)，大米重金屬污染問題顯然比北方地區(qū)更加嚴(yán)重，尤其是江浙滬和珠三角地區(qū)[3]。在GB 2762-2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》關(guān)于大米中鉛、鎘、汞、砷、鉻的限量分別是0.2、0.2、0.02、0.2、1 mg/kg。目前關(guān)于水稻中重金屬污染情況，已有較多文獻(xiàn)報(bào)道：杭州產(chǎn)地大米中砷、汞、鉛、鎘、鉻、鎳等均有檢出，其中鎘含量偏高[4]；南寧市的稻米中重金屬檢出率普遍偏高，其中鎘超標(biāo)較為嚴(yán)重，所以應(yīng)聯(lián)合農(nóng)業(yè)和環(huán)保等部門采取措施提升大米質(zhì)量以確保食品安全[5]；覃焱等[6]采集了廣西、廣東、海南、貴州、云南、浙江、福建、江蘇、湖南、湖北、河南、新疆、寧夏、黑龍江等地生產(chǎn)的70種市售大米，分析其鎘、鉛、砷、汞4種重金屬含量，分析結(jié)果表明兒童和成人食用上述省份的大米存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，我國水稻重金屬污染問題亟待監(jiān)管和整治，無論是對(duì)于大米的營養(yǎng)性還是安全性，都需要建立一種能夠快速準(zhǔn)確測定大米中微量元素含量的分析方法，這具有非常重要的意義。

有關(guān)大米中微量元素的分析方法已有大量報(bào)道，主要包括：電化學(xué)分析法[7?9]，紫外分光光度計(jì)法[10?12]，原子光譜法[13?15]。其中原子光譜法在食品檢測重金屬方面應(yīng)用較為廣泛，主要包括火焰原子吸收法（FAAS）、石墨爐原子吸收光譜法（AAS）、原子熒光光度法（AFS），但這些方法每次只能檢測大米中的一種元素，無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測大米中的多種元素。隨后出現(xiàn)了多元素分析方法：電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）法[16]和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法[17?18]。這兩種分析方法中，ICP-MS法靈敏度最高、檢出限最低，但其面臨的質(zhì)譜干擾仍然沒有得到完全消除，從而限制了有些元素的準(zhǔn)確測定[19]。針對(duì)質(zhì)譜干擾所發(fā)展的冷等離子體、高分辨質(zhì)譜和碰撞反應(yīng)池（CRC）技術(shù)雖能降低或消除一些干擾，但依然存在無法準(zhǔn)確測定難電離元素的問題[20]；一方面，消除了一些干擾的同時(shí)，靈敏度受損嚴(yán)重[21]；另一方面，不能消除雙電荷離子對(duì)于試驗(yàn)的干擾，無法控制副反應(yīng)的發(fā)生，易形成新的產(chǎn)物離子干擾分析物的測定等因[22]。本文首次采用電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜（ICP-MS/MS ）對(duì)大米樣品中的30種微量元素進(jìn)行分析，并采用內(nèi)標(biāo)法定量，利用其所特有的雙質(zhì)荷比（m/z）過濾功能，分別選擇 H2、O2、NH3/He 為反應(yīng)氣，通過控制CRC中的反應(yīng)過程消除質(zhì)譜干擾，為準(zhǔn)確分析大米中30種微量元素提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1000 μg/mL 的 Ca、P、S、Zn、Cu、Fe、Mn、K、Mg、Na、Ge、Sb、Ba、Ti、V、Se、As、Sr、Mo、Ni、Co、Cr、Al、Li、Cs、Pb、Cd、B、In、Sn標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液 北京標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心；硝酸（BV-III） 北京化學(xué)試劑研究所有限責(zé)任公司；超純水 電阻率為18.2 MΩ·cm；大米 購于超市，產(chǎn)地有黑龍江、廣州、河北等。

8900 ICP-MS/MS 美國 Agilent公司；Milli-Q超純水機(jī) 美國 Millipore 公司；MARS7微波消解儀 培安·CEM微波化學(xué)（中國）技術(shù)中心；BHW-09C恒溫加熱器 上海博通化學(xué)科技有限公司；ME203E分析天平（千分之一） 賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 等離子條件的選擇 選用最終濃度為1 μg/mL的調(diào)諧液（含元素 Li、Y、Co、Tl、Ge、Mg）對(duì)不同的反應(yīng)氣進(jìn)行方法調(diào)諧。分別代表輕、中、重質(zhì)量數(shù)的響應(yīng)值是否達(dá)到實(shí)際需要的響應(yīng)值；10%峰寬是否達(dá)到需要峰寬；氧化物及雙電荷比是否干擾到最低，這些都是等離子條件選擇的重要因素。

1.2.2 質(zhì)譜干擾及消除 以5%的硝酸為介質(zhì)分別配制 500 μg/L的 Ca、P、S、Zn、Cu、Fe、Mn、K、Mg、Na混合標(biāo)準(zhǔn)溶液和 50 μg/L 的 Ge、Sb、Ba、Ti、V、Se、As、Sr、Mo、Ni、Co、Cr、Al、Li、Cs 、Pb、Cd、B、In、Sn混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，將含有這 30種元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液分別在5種不同反應(yīng)氣的模式下，通過設(shè)置Q1和Q2進(jìn)行質(zhì)譜分析，以背景等效濃度（BEC）和檢出限（DL）的值為檢測標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)比一定濃度下的BEC、DL值，BEC、DL越小，表明該模式下質(zhì)譜干擾就越小，BEC、DL均由儀器自動(dòng)計(jì)算給出，此外參照儀器附帶的元素干擾表進(jìn)行元素荷質(zhì)比的篩選。

1.2.3 內(nèi)標(biāo)元素選擇與穩(wěn)定性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 選擇45Sc、89Y、103Rh、209Bi 為內(nèi)標(biāo)元素（ISTD），內(nèi)標(biāo)元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為 Sc（50 μg/L）、Bi（10 μg/L）、Rh（20 μg/L）、Y（50 μg/L）均由 5% 的硝酸為介質(zhì)稀釋制得。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行 ISTD 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，連續(xù)進(jìn)空白樣品10 h，用以查看 ISTD 信號(hào)的穩(wěn)定性。

1.2.4 校準(zhǔn)曲線與檢出限 以5%的硝酸為介質(zhì)分別配制濃度為 0、1、10、50、100、500、1000 μg/L 系列待測元素 Ca、P、S、Zn、Cu、Fe、Mn、K、Mg、Na的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液和 0、0.1、1、10、20、50、100 μg/L 系列待測元素 Ge、Sb、Ba、Ti、V、Se、As、Sr、Mo、Ni、Co、Cr、Al、Li、Cs、Pb、Cd、B、In、Sn的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。上機(jī)建立校準(zhǔn)曲線，檢出限均由儀器自動(dòng)計(jì)算給出。

1.2.5 準(zhǔn)確度與重復(fù)性 為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析實(shí)際樣品時(shí)方法的準(zhǔn)確性，采用混合標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)大米樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn)，選用校準(zhǔn)曲線的中間濃度進(jìn)行加標(biāo)。以5%的硝酸為介質(zhì)分別配制100 μg/L的Ca、P、S、Zn、Cu、Fe、Mn、K、Mg、Na混合標(biāo)準(zhǔn)溶液和 20 μg/L 的 Ge、Sb、Ba、Ti、V、Se、As、Sr、Mo、Ni、Co、Cr、Al、Li、Cs 、Pb、Cd、B、In、Sn 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。將這30種元素的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液在1.2.3得到的結(jié)果下進(jìn)行加標(biāo)回收率的測定，重復(fù)測定11次，測定相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）值。

1.2.6 樣品分析 準(zhǔn)確稱取0.5 g（精確至0.001 g）均勻粉碎后的大米于75 mL微波消解罐中，加入5 mL硝酸，按照表1步驟消解試樣[23]，冷卻后取出消解罐，在恒溫加熱器上于100 ℃趕酸10~15 min，將消解液轉(zhuǎn)移至50 mL的容量瓶中，用水定容至刻度制得樣品溶液，同時(shí)做試樣空白；在測定過程中將Sc、Y、Bi、Rh內(nèi)標(biāo)元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到上機(jī)測定溶液中。

表1 微波消解儀的工作條件Table 1 Operating conditions of microwave digestion apparatus

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用安捷倫數(shù)據(jù)處理MassHunter 軟件，以分析元素與內(nèi)標(biāo)元素的信號(hào)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度自動(dòng)建立校準(zhǔn)曲線，從而得到分析樣品中待測元素的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子條件的選擇

7、89、205 分別代表輕、中、重質(zhì)量數(shù)，需要響應(yīng)值分別為 5000、10000、5000 cps/（μg·L），測得的響應(yīng)值分別為 88620、350376、177783 cps/（μg·L），響應(yīng)值均大于需要響應(yīng)值；10%峰寬需要在0.5~0.6 aum之間，測得這三個(gè)質(zhì)量數(shù)的10%峰寬分別為0.570、0.517、0.594 aum，均達(dá)到10%需要峰寬；氧化物及雙電荷比率為0.880%和1.547%，氧化物干擾和雙電荷干擾均小于2%，干擾物已達(dá)到最低；RF功率的大小也影響結(jié)果[24]，本實(shí)驗(yàn)調(diào)諧后的RF功率為1550 W。所以經(jīng)過調(diào)諧后和綜合考慮后ICP-MS/MS的操作條件見表2。

表2 ICP-MS/MS 的工作條件Table 2 Operating conditions of ICP-MS/MS

2.2 質(zhì)譜干擾及消除

ICP-MS/MS 是在帶碰撞/反應(yīng)池（CRC）的單四極桿基礎(chǔ)上增配一個(gè)四極桿質(zhì)量分析器，形成雙四極桿質(zhì)量分析器。通過設(shè)置第一級(jí)四極桿質(zhì)量分析器（Q1）的質(zhì)荷比（m/z），僅允許目標(biāo)離子進(jìn)入 CRC 中，這一步就可以將大量的干擾離子阻止在外。進(jìn)入CRC的離子少，傳輸通道更為通暢，靈敏度更高；在CRC 內(nèi)加入反應(yīng)氣（H2、O2、NH3）使干擾物或分析物與反應(yīng)氣發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量轉(zhuǎn)移，利用反應(yīng)后干擾物和分析物的質(zhì)量差，設(shè)置位于CRC后的第二級(jí)四極桿質(zhì)量分析器（Q2）的質(zhì)荷比（m/z）消除干擾。兩個(gè)質(zhì)量分析器的雙重過濾極大提高了消除干擾的能力和分析元素的靈敏度。其雙四極桿的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 在 MS/MS 模式下采用 ICP-MS/MS 消除質(zhì)譜干擾的工作原理Fig.1 Schematic representation of eliminating spectral interference by ICP-MS/MS in the MS/MS mode

基于ICP-MS/MS消除干擾的能力，本試驗(yàn)選擇各待測元素的高豐度同位素進(jìn)行測定，并與SQ模式（不啟動(dòng)Q1只啟動(dòng)Q2，Q1僅作為離子運(yùn)行通道，相當(dāng)ICP-QMS）下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比考察30個(gè)待測元素BEC和DL的變化，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，在SQ的無氣狀態(tài)下，僅 Cd、Sb、Pb這3種元素的 BEC和 DL 處于較低水平。這是由于這3種元素的的質(zhì)譜干擾輕微，可以忽略不計(jì)。在MS/MS 模式和He碰撞模式下BEC和DL反而變大，表明開啟 CRC 對(duì)于這類無干擾元素的測定是不利的，因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)于Cd、Sb、Pb這3種無干擾元素采用 SQ 的無氣模式進(jìn)行測定，本試驗(yàn) 的質(zhì)荷比（m/z）分別設(shè)置 Q2=111，Q2=121，Q2=208；對(duì)于 Sn和 Cu， He模式的 BEC 和 DL 處于較低水平，故采用 SQ 的He模式進(jìn)行測定，m/z分別設(shè)置 Q2=118，Q2=63。

在 MS/MS 模式下采用 H2為反應(yīng)氣時(shí)，Al、Ge、In、Sr、Se、Zn、Na、Mn的 BEC和 DL均小于無氣模式和He反應(yīng)模式，表明開啟 CRC 對(duì)于這類元素的測定是有利的，使得質(zhì)譜干擾得到了消除。對(duì)于Ge元素的干擾元素為70Zn和74Se；In元素的干擾元素為113Cd和115Sn；Sr元素的干擾元素為84Kr、86Kr和87Rb；Se元素的干擾元素為74Ge和76Ge；Zn 元素的干擾元素為70Ge。所以在 MS/MS模式下m/z分別設(shè)置 Q1=Q2=27，Q1=Q2=72，Q1=Q2=115,Q1=Q2=88， Q1=Q2=78， Q1=Q2=66， Q1=Q2=23，Q1=Q2=55，經(jīng)過Q1在CRC前面進(jìn)行一次篩選過濾再利用H2原位質(zhì)量法可完全消除干擾，而對(duì)于In元素的干擾元素為115Sn，但Sn的干擾影響非常小，可以忽略不計(jì)或者采用干擾方程剔除。

O2作為一種反應(yīng)氣能與多種離子發(fā)生反應(yīng)，從表3可以看出，在 MS/MS 模式下 P、S、V、As、Cr、Ti均能與O2自發(fā)反應(yīng)生成氧化物離子，可以利用此反應(yīng)消除干擾， BEC 和 DL 均得到明顯改善。對(duì)于Cr元素的干擾元素為50Ti、50V和50Fe；對(duì)于K元素的干擾元素為40Ar 和40Ca；對(duì)于V元素的干擾元素為50Ti和50Cr ；對(duì)于Ti元素的干擾元素為46Ca和48Ca；因此在 MS/MS模式下 m/z分別設(shè)置 Q1=30/Q2=47， Q1=32/Q2=48， Q1=51/Q2=67， Q1=75/Q2=91，Q1=52/Q2=68， Q1=47/Q2=63， 將 P+、 S+、 V+、 As+、Cr+與Ti+反應(yīng)生成氧化物，利用O2質(zhì)量轉(zhuǎn)移法進(jìn)行測定。由于Cs+和K+均不與O2自發(fā)發(fā)生反應(yīng)，所以在 MS/MS模式下 m/z分別設(shè)置 Q1=Q2=133，Q1=Q2=39，利用O2原位質(zhì)量法消除干擾。

表3 不同質(zhì)譜模式下各待測元素背景等效濃度和檢出限Table 3 Background equivalent concentration and detection limit obtained for different mass mode

NH3中加入一定量的He氣作為緩沖氣，最易與金屬離子形成團(tuán)簇離子[25]，適合消除金屬離子的干擾。本試驗(yàn)混合了1 mL/min的He氣。對(duì)于元素B、Ba、Fe、Co、Ni、Ca、Mo、Li、Mg的 BEC 和 DL均得到明顯改善表明干擾得到消除。由于Ba+、Ca+、Mo+、Li+、Mg+均不與 NH3發(fā)生反應(yīng)形成團(tuán)簇離子，對(duì)于Ba元素的干擾元素為136Xe和134Xe；對(duì)于Fe元素的干擾元素為54Cr和58Ni；對(duì)于Ni元素的干擾元素為64Zn和58Fe；對(duì)于Ca元素的干擾元素為40Cr；對(duì)于Mo元素的干擾元素為98Ru和96Zr；所以本試驗(yàn)m/z分別設(shè)置 Q1=Q2=137，Q1=Q2=44，Q1=Q2=95，Q1=Q2=7，Q1=Q2=24，利用NH3原位質(zhì)量法消除干擾進(jìn)行測定；而 B+、Fe+、 Co+、 Cu+、 Ni+能與 NH3發(fā)生反應(yīng)形成多種團(tuán)簇離子，而且團(tuán)簇離子11BNH（14NH3）22+、56Fe（14NH3）22+、59Co（14NH3）22+、63Cu（14NH3）22+、Ni（14NH3）3+附近無干擾且離子豐度能完全滿足測定要求，因此本試驗(yàn)對(duì)于B+、Fe+、Co+、Cu+和 Ni+的 測 定 ，m/z分 別 設(shè) 置 Q1=11/Q2=60，Q1=56/Q2=90，Q1=59/Q2=93，Q1=63/Q2=97，Q1=60/Q2=94利用NH3質(zhì)量轉(zhuǎn)移法消除干擾。

2.3 校準(zhǔn)曲線與檢出限

表4結(jié)果表明30 個(gè)元素的線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)R2≥0.9991。檢出限是指某一方法在給定的置信水平上，能夠檢出被測物質(zhì)的最小濃度或最小質(zhì)量。方法的靈敏度越高，精密度越好，檢出限就越低。檢出限是方法靈敏度和精密度的綜合指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)儀器性能及分析方法的主要技術(shù)指標(biāo)。本試驗(yàn)中各元素的檢出限為0.000251~2.322 mg/kg。

表4 校準(zhǔn)曲線參數(shù)與檢出限Table 4 The allocation of internal standard element and the detection limit

選擇45Sc、89Y、103Rh、209Bi 為內(nèi)標(biāo)元素（ISTD）。是根據(jù)樣品中不含有該元素，待測元素與內(nèi)標(biāo)元素在等離子體中的行為相似為前提，且電離電位相近、與分析元素質(zhì)量接近、化學(xué)特征相似為原則[26]進(jìn)行挑選。這4種內(nèi)標(biāo)元素涵蓋了大、中、小三個(gè)元素質(zhì)量范圍，且電離電位和化學(xué)特征與待測元素相近。

2.4 準(zhǔn)確度與重復(fù)性

表5列出了所有元素的加標(biāo)結(jié)果，11次重復(fù)分析的加標(biāo)回收率在95.50%~104.35%之間，RSD≤4.03%，表明方法的準(zhǔn)確性好，具有優(yōu)異的重復(fù)性。

表5 加標(biāo)樣品的加標(biāo)回收率與重復(fù)性（n=11）Table 5 The spike recovery and reproducibility of the spiked sample（n=11）

2.5 樣品分析

分別對(duì)來自國內(nèi)不同地區(qū)各大超市的大米進(jìn)行測定，每種大米重復(fù)測定3次。表6顯示5種大米中的P、S、K、Mg含量較高，而重金屬元素Cr、As、Cd、Pb處于較低水平，低于國家標(biāo)準(zhǔn)限量，符合 GB 2762-2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》[27]。

表6 樣品分析結(jié)果Table 6 Analytical results of samples

3 結(jié)論

本文建立了基于電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)測定大米中30種微量元素含量的分析方法。樣品的預(yù)處理過程簡單快速，在MS/MS 模式下向CRC 中分別加入H2、O2和 NH3，利用目標(biāo)離子與反應(yīng)氣發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移，消除分析過程中的質(zhì)譜干擾，并加入內(nèi)標(biāo)元素穩(wěn)定各元素的質(zhì)譜信號(hào)。該方法的檢出限在0.000251~2.322 mg/kg范圍內(nèi)。加標(biāo)回收率在 95.50%~104.35%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 RSD≤4.03%。通過對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)所分析的 5種大米中 P、S、K、Mg含量較高，重金屬元素Cr、As、Cd、Pb處于較低水平。本研究所建立的方法具有靈敏度和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，為大米中多種無機(jī)微量元素的分析提供了一種新方法。