应用ICP-MS/MS快速测定红酒中的多种微量元素

张 萍，刘宏伟

（湖南工学院材料与化学工程学院，湖南 衡阳 421002）

红酒是采用新鲜葡萄为原料酿制的低度饮料，富含多糖、有机酸、多酚、无机盐、微量元素、含氮物质及多种氨基酸和维生素[1]，具有香醇可口、抑瘤抗癌、延缓衰老、软化血管的功效[2]。近年来，随着人们生活水平的提高，红酒越来越受到消费者的喜爱，在酒席宴会上也逐渐成为必备饮品[3]。红酒中的微量元素主要来源于酿酒原料，在红酒生产加工和贮藏运输过程中都可能有微量元素带入。鉴于红酒中的微量元素是决定红酒质量的重要参数指标[4]，建立红酒中微量元素准确测定的方法无疑对促进红酒的贸易发展和提高红酒的酿造工艺均有着积极的推动作用，世界各国均致力于建立红酒标准和用于测量红酒中化学成分的分析方法的研究[5]。

作为西方文明的标志，红酒的悠久历史可追溯至公元前七千年，经过长期发展，红酒相关的质量控制参数和分析检测手段也逐渐完善，包括红酒掺假、红酒酿造中微量元素的浓度变化以及毒理或生理效应的研究，已有大量的文献报道[6-10]。但红酒中乙醇和溶解性固体的存在干扰其中微量元素的准确分析，同时，由于一些影响红酒口味的元素以及毒理性元素的含量极低，对分析方法的检出限提出了更高的要求。目前，用于红酒中微量元素的分析方法主要有原子吸收光谱法[11-13]、电感耦合等离子体发射光谱法[14-16]和电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICPMS）法[17-22]，其中ICP-MS法具有最高灵敏度和最低检出限，尤其是冷等离子体技术、双聚焦扇形磁场技术和碰撞/反应池（collision reaction cell，CRC）技术的使用大幅提高了ICP-MS的分析性能[23-25]。

图1 ICP-MS/MS的工作机理Fig.1 Working mechanism of ICP-MS/MS

实验所选用的电感耦合等离子体-串联质谱（inductively coupled plasma tandem mass spectrometry，ICP-MS/MS）是在ICP和CRC之间增设一个四极杆过滤器（Q1），与位于CRC后端的四极杆过滤器（Q2）构成了双四极杆过滤器，如图1所示。ICP-MS/MS的数据采集方式分单四极杆（single quadrupole，SQ）和双四极杆（MS/MS）2 种模式。采用SQ模式时，位于CRC前端的Q1无过滤功能，位于CRC后端的Q2具有过滤功能，因此，Q1不能对来自ICP的离子进行过滤，仅具有离子通道功能，SQ模式下的数据采集与传统配有CRC的ICP-MS无异，通过He碰撞模式可以成功消除大部分质谱干扰，但由于碰撞过程中的能量损失，在消除干扰离子的同时也会降低待测离子的传输效率，并且对于某些特殊的质谱干扰无能为力（如双电荷离子干扰），此时，采用反应模式消除干扰效果更好，但基于SQ模式的反应模式存在局限，这是由于所有来自ICP的原子离子均进入了CRC中，反应路径变得无法预测，副反应发生形成新的产物离子有可能产生新的干扰。在MS/MS模式下，Q1和Q2均处于开启状态，来自ICP的离子在进入CRC前通过Q1进行一次过滤，阻止了大量干扰离子进入CRC，离子运行通道更通畅，极大提高了离子传输效率，保证了CRC内的反应历程和反应产物处于可控状态，反应效率得到显著提高，产物离子通过Q2的再次过滤消除干扰，从而实现待测元素的精准测定。与传统的ICP-MS相比较，质谱干扰经过双重过滤后消除得更加彻底，分析元素的灵敏度更高[26-29]。本实验采用ICP-MS/MS法直接分析红酒中12 种微量元素，探讨红酒中多元素的快速测定的分析方法，为研究红酒的品质与微量元素的关联性提供科学的理论及技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

2013年产长城干红葡萄酒、2014年产长城玫瑰红甜型葡萄酒、2014年产威龙赤霞珠干红葡萄酒、2014年产张裕精品干红葡萄酒（编号样品1～4） 市购。

1 000 μg/mL单元素（Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb）储备溶液、无水乙醇 国药集团化学试剂有限公司；10 mg/L内标溶液（Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi） 美国安捷伦公司；质量分数65%硝酸溶液、质量分数35% H2O2溶液 德国默克公司。

1.2 仪器与设备

8800型ICP-MS/MS仪 美国安捷伦公司；MARS-5型微波消解系统 美国CEM公司；Milli-Q超纯水机美国密利博公司。

1.3 方法

1.3.1 ICP-MS/MS测定条件

为降低红酒中挥发性有机组分的影响，分析中采用内径为1.0 mm窄口径进样炬管和铂锥。基于CeO+/Ce+小于1%优化ICP-MS/MS的操作条件为：等离子模式，低基质；射频功率1 550 W；等离子气流速15.0 L/min；载气流速0.8 L/min；补偿气流速0.3 L/min；蠕动泵转速0.1 r/s；采样深度8.0 mm；数据采集模式为SQ模式和MS/MS模式；碰撞/反应气体为He（SQ模式）、H2（SQ模式）、O2（MS/MS模式）、NH3/He（MS/MS模式）；八极杆偏置电压为－18 V（He、O2、NH3/He）、－10 V（H2）；动能歧视偏置电压为5 V（He）、0 V（H2）、－10 V（O2、NH3/He）；气体流速为5.2 mL/min（He）、4.0 mL/min（H2）、0.3 mL/min（O2）、6.5 mL/min（NH3/He）。

1.3.2 样品处理与测定

准确移取经0.45 μm的纤维滤膜过滤的红酒样品25 mL，置于250 mL高密度聚乙烯容量瓶中，加入5 mL硝酸酸化后用超纯水定容，摇匀制得样品溶液。采用微波消解处理样品，消解程序：功率1 600 W，在8 min内升室温到150 ℃，在此温度条件下保持5 min后在3 min内升温到180 ℃，保持10 min至消解结束。将2 种处理方法的样品溶液分别采用ICP-MS/MS重复测定10 次，并应用t检验法对测定结果进行统计学分析。

为消除样品溶液与空白溶液和标准溶液之间存在的黏度差异，考虑到红酒样品中的乙醇体积分数在8%～14%之间，结合稀释倍数，在所有空白溶液和标准溶液中均加入1%乙醇和2%硝酸以保持匹配。在质谱分析过程中，采用T型在线内标混合接头将1.0 mg/L的内标溶液加入到所有上机测试溶液中（由于T型接头存在稀释因子，实际进入雾化器的量约为50 μg/L）。分别采用He和H2为池气体进行测试，用来模拟常规ICP-MS的质谱干扰消除能力；在MS/MS模式下，分别采用O2和NH3/He为反应气体进行测试。利用安捷伦MassHunter工作站软件，根据待测元素与内标元素的信号比对应的标准溶液质量浓度绘制校准曲线，从而得到样品溶液中待测元素的含量。

2 结果与分析

2.1 数据采集方式的选择

为评价同时分析多元素的最佳数据采集方式，选择各元素的高丰度同位素，在SQ模式下，分别采用He和H2为池气体进行测试，用来模拟常规带四极杆ICP-MS的质谱干扰消除能力；在MS/MS模式下，分别采用O2和NH3/He为池反应气体进行测试。在4 种分析模式下各待测元素背景等效浓度（background equivalent concentration，BEC）的变化情况见表1。

表1 不同操作模式下待测元素的BECTable1 Background equivalent concentration (BEC) of analytes in different operating modes

通过表1可以看出，在MS/MS模式下多数元素的BEC均小于SQ模式。对于元素Cr、Mn、As、Se、Sn、Pb，在MS/MS模式下，采用O2为池气体时，其反应历程为待测元素在CRC内与O2发生质量转移反应，分别生成CrO+、MnO+、AsO+、SeO+、SnO+、PbO+，设置Q2=Q1+16，使生成的氧化物离子能顺利通过Q2，利用O2质量转移法消除干扰，与另外3 种分析模式相比较，6 个氧化物离子的BEC处于最小值，消除干扰最彻底；对于元素Fe、Ni、Cu、Zn，在MS/MS模式下，采用NH3/He为池气体时，其反应历程为待测元素在CRC内与NH3发生质量转移反应，分别生成团簇离子、、，设置Q2=Q1+34，利用NH3质量转移法消除干扰，4 个团簇离子的BEC处于最小值；对于元素Cd和Hg的测定，其主要干扰离子为MoO+和WO+，基于这2 种干扰离子极易与O2反应生成二次氧化物离子和（放热反应），而Cd+和Hg+不能与O2自发反应（吸热反应），在MS/MS模式下，设置Q2=Q1，利用O2原位质量法消除干扰，BEC处于最小值。本实验最终确定了各元素的最佳数据采集方式，在MS/MS模式下，元素Cr、Mn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb的测定选择O2为池气体，元素Fe、Ni、Cu、Zn为的测定选择NH3/He为池气体。

2.2 基体效应

为克服实验中存在的基体效应，首先在标准溶液和空白溶液中加入乙醇和硝酸溶液，与样品溶液中乙醇和硝酸的浓度相匹配，然后在线加入1 mg/L的内标混合标准溶液（Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi），各元素内标元素的分配见表2。

表2 各元素的产物离子及内标元素的分配Table2 Product ions and the internal standard elements for the distribution of analytes

为考察基体效应的校正效果，对一个加标的红酒样品在3 h内重复测定18 次（元素Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb的加标质量浓度分别为60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5 μg/L），分别考察对基体效应未校正（标准溶液中不加基体匹配溶液和内标溶液）和校正（标准溶液中分别加入1%乙醇、2%硝酸、1%乙醇+2%硝酸、内标、1%乙醇+2%硝酸+内标）状态下各元素的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD），结果见图2。未进行基体校正时各元素的RSD均大于10%，加入基体匹配溶液时各元素的RSD在10%左右，加入内标溶液后各元素的RSD在5%左右，而同时加入基体匹配溶液和内标溶液时各元素的RSD均小于5%，表明样品溶液在3 h内所测元素的信号强度没有出现漂移，基体效应得到校正。

图2 基体效应的校正效果Fig.2 Correction of matrix effect

2.3 样品处理结果

表3 样品不同处理方法的分析结果Table3 Effect of different sample pretreatment methods on the analysis

为验证样品处理方法的可行性，取同一红酒分成2 份，分别进行过滤酸化和微波消解处理。如表3所示，2 种处理方法的分析结果无显著性差异（P＞0.05），表明本实验中所测定的12 种元素在红酒的溶解性固体中含量极低，红酒过滤处理对分析结果的影响可忽略不计。

2.4 线性范围与检出限测定结果

配制12 种元素不同质量浓度的系列标准溶液，上机测定通过仪器自带的软件获得各元素校准曲线和线性相关系数。取空白溶液重复测定10 次，其产生的信号测定值的3 倍标准偏差（3σ）所对应的分析物的质量浓度为仪器的检出限（limit of detection，LOD），其产生的信号测定值的10 倍标准偏差（10σ）的所对应的质量浓度为仪器的定量限（limit of quantitation，LOQ）[30]。从表4可以看出，各元素的线性相关系数不小于0.999 7，LOD在1.4～51.8 ng/L之间，LOQ在4.7～172.7 ng/L之间，完全满足测定要求。

表4 各元素的线性相关系数、LOD和LOQTable4 Linear correlation coefficients, limit of detections (LODs) and limits of quantitation (LOQs) of the analytes

2.5 方法准确性验证结果

为验证方法的准确性，进行加标回收实验。选取一种红酒样品，分别加入不同质量浓度的待测元素标准溶液，按实验方法重复测定10 次，结果见表5。各元素的加标回收率为94.0%～104.7%，RSD不大于4.0%，验证了方法具有良好的准确性。

表5 样品的加标回收率实验Table5 Recoveries of spiked samples

2.6 样品分析

表6 样品分析结果Table6 Analytical results of real samples μg/L

分别测定购于大型超市的4 个红酒样品，每个样品重复测定10 次，结果见表6。不同红酒中微量元素的含量存在较大差异，红酒中重金属元素主要来源于葡萄原料的生产环境和红酒生产过程中的污染，依据国际葡萄与葡萄酒组织制定的系列标准（Cu＜1 mg/L、Zn＜5 mg/L、As＜200 μg/L、Cd＜10 μg/L、Pb＜150 μg/L），所测4 个红酒样品中Cu、Zn、As、Cd、Pb的含量均符合国际葡萄与葡萄酒组织的质量标准。

3 结 论

采用ICP-MS/MS测定红酒中12 种微量元素，为防止红酒样品中的溶解性固体堵塞质谱仪的雾化器或喷射管，所有红酒均采用0.45 μm的纤维滤膜过滤，并经硝酸酸化处理后直接分析。针对复杂基质形成的质谱干扰，在MS/MS模式下，分别选择O2和NH3/He为反应气，利用CRC技术消除了所有质谱干扰，各元素的LOD在1.4～51.8 ng/L之间。采用加标回收实验验证了方法具有良好的准确性和精密度。方法不仅能为红酒中微量元素的测定提供准确的分析方法，还通过简化样品处理过程提高了工作效率，为红酒中微量元素的高通量检测提供了技术支持。