应用ICP-MS/MS准确测定紫苏籽油中的重金属元素

江 波 黄建华

(长江师范学院武陵山区特色植物资源保护与利用重庆市重点实验室1，涪陵 408100)(长江师范学院武陵山片区绿色发展协同创新中心2，涪陵 408100)(湖南省中医药研究院中药研究所3，长沙 410013)

紫苏籽油是从紫苏籽中经压榨、溶剂浸提、水酶法、超临界法提取得到的天然油脂[1]，富含亚麻酸、油酸等多不饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸[2]，具有调血脂、抗血栓、降固醇、强化记忆等功效，是具有保健作用的高品质食用油[3]。近年来，随着我国工业化进程的加快，工业废弃物的大量排放导致生态环境的承载能力变弱，部分重金属元素通过土壤和水分被紫苏所吸收，构成了紫苏籽油中重金属元素的重要来源，同时，在紫苏籽油的加工、生产和运输过程中可能受到重金属污染。因此，对紫苏籽油中重金属元素的风险监测至关重要，建立快速准确的分析方法对于了解紫苏籽油中重金属元素的危害程度具有重要意义。

目前，有关植物油中重金属元素的测定已经有大量文献报道，由于紫苏油中重金属元素Cr、As、Cd、Hg、Pb的含量极低，而来自紫苏油的有机基质元素C、H、O、N、S构成了严重的质谱干扰，在众多分析方法中，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法具有极低的检出限，仍然是植物油中重金属元素测定的主要分析方法[4-6]。针对ICP-MS所面临的质谱干扰，减少或消除干扰的通用手段是碰撞/反应池(CRC)技术[7-9]，但准确测定复杂并具有挑战性紫苏油样品中的痕量元素仍然面临着诸多难题。在碰撞模式下，通过碰撞解离或动能歧视(KED)来识别分析离子与干扰离子，对于痕量元素的分析，由于经历多次碰撞，分析离子的能量损失大，导致这些元素的灵敏度降低；在反应模式下，通过质量转移反应来消除干扰非常适合痕量元素的分析，但由于反应过程的选择性差，样品中副反应的发生可能形成新的不可预知干扰，因此，准确控制CRC中各反应的历程是提高反应模式分析性能最有效的途径。电感耦合等离子体串联质谱(ICP-MS/MS)法是对来自等离子体(ICP)的所有离子在进入CRC之前进行识别，在ICP和CRC之间增设第一级四极杆质量过滤器(Q1)，Q1作为离子过滤器仅允许指定的目标质荷比(m/z)离子进入CRC，而来自样品基质以及ICP所形成的大部分干扰离子被阻止在CRC外，分析离子以及与分析离子具有相同m/z的干扰离子进入CRC与反应气进行质量转移反应后，通过位于CRC后端的第二级四极杆质量过滤器(Q2)再次过滤消除干扰，较之传统的单四极杆ICP-MS(ICP-QMS，仅在CRC后端配置有一个四极杆质量过滤器)，在启用串联四极杆质量过滤器(MS/MS)模式下，显著提高了ICP-MS/MS的消除干扰能力和分析灵敏度[10-13]，适合紫苏油中痕量重金属元素的测定。本研究应用ICP-MS/MS测定紫苏籽油中的重金属元素Cr、As、Cd、Hg、Pb，在MS/MS模式(开启Q1和Q2的过滤功能)下，采用O2为反应气消除Cr和As测定过程中存在的干扰，采用无气方式使离子运行的质谱通道更加畅通，提高Cd、Hg、Pb的传输效率，以期实现紫苏籽油中的重金属元素Cr、As、Cd、Hg、Pb的快速准确分析，为正确评价紫苏籽油中重金属元素对人体构成的潜在危害提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器和设备

8800型ICP-MS/MS仪：美国安捷伦公司，配备2.5 mm石英炬管、同心玻璃雾化器和Scott双通道雾化室，采用仪器调谐液优化ICP-MS/MS的参数为：射频功率，1 550 W；取样深度，7 mm；辅助气流速，1.8 L/min；补偿气流速，0.15 L/min；载气流速，1.05 L/min；操作模式，MS/MS；反应气，O2；反应气流速，0.4 m L/min；八极杆偏置电压，-20 V；动能歧视电压，-20 V。MARs 5微波消解系统：美国CEM公司；Milli-Q超纯水制备系统：美国Millipore公司。

1.2 材料与试剂

1 000 μg/L的Cr、As、Cd、Hg、Pb、Au单元素标准溶液：国家标准物质中心；1 μg/L的Li、Y、Ce、Tl调谐溶液、10 mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi内标溶液(p/n 5183-4681)：美国安捷伦公司；HNO3、H2O2为优级纯：北京化学试剂研究所；高纯O2：长沙方罡气体有限公司。紫苏籽油样品：市售。

1.3 样品处理

称取约0.5 g(精确到0.000 1 g)紫苏籽油于反应罐中，加入2 mL HNO3和1 mLH2O2于180 ℃敞开罐盖预消解20 min，加5 mL超纯水后密封反应罐后置于微波消解系统内进行消解。设定微波消解功率1 600 W，微波消解分三步进行：(1)5 min内升温至120℃；(2)3 min内升温至150℃后保持5 min；(3)5 min内升温至190℃后保持15 min。消解完毕后自动冷却至室温，用超纯水转移至50 mL容量瓶中定容，得到样品溶液。采用相同方法制得空白溶液。

1.4 分析过程

以4%(V/V)的HNO3溶液为介质配制不同浓度的系列标准溶液。所有上机测定溶液(标准溶液、空白溶液和样品溶液)均使用在线内标混合T型接头加入1.0 mg/L的内标溶液，并加入200 μg/L的Au标准溶液消除Hg的记忆效应。在优化的ICP-MS/MS参数下进行测定，根据待测元素与内标元素的信号比所对应的标准溶液浓度，利用ICP-MS/MS仪自带的MassHunter工具软件建立校准曲线，从而计算待测元素在样品溶液中的浓度。

2 结果与分析

2.1 数据采集方式的选择

ICP-MS/MS的数据采集模式有SQ模式(关闭Q1的过滤功能，仅开启Q2的过滤功能)和MS/MS模式，每个模式下可以选择无气、He碰撞和反应3种数据采集方式，共有6种数据采集方式，考察各元素背景等效浓度(BEC)的变化。基于在MS/MS模式下反应条件能严格控制的前提下，O2是最常用并能有效去除多原子干扰物的反应气[14]，本实验在MS/MS 模式下使用反应方式时，选择O2为反应气。

表1 不同分析模式下各元素的背景等效浓度(BEC)

从表1可以看出，元素Cr的高丰度同位素52Cr所面临的主要质谱干扰为40Ar12C、35Cl16OH、36Ar16O、38Ar14N，在SQ模式下，选择无气方式时由于干扰没有消除，设置Q2的m/z为52，52Cr+与干扰离子都能通过Q2进入质量检测器，不能实现52Cr的准确测定，BEC处于最大值；选择He碰撞方式能有效消除多原子离子干扰，虽然52Cr+的质谱干扰均为多原子离子干扰，Cr的BEC显著下降，但紫苏籽油中Cr含量低，在He的碰撞下，但能量损失严重导致灵敏度下降，不适合紫苏籽油中痕量Cr的测定；选择反应方式，以O2为反应气，52Cr+与O2发生质量转移反应生成52Cr16O+，而干扰离子不与O2发生反应，设置Q2的m/z为68，通过质量转移消除m/z为52的干扰离子，但由于Q1不具有过滤功能，来自ICP 的m/z为68的离子(28Si40Ar+、35Cl16O2H+、24Mg216O+)也能通过Q2进入质量检测器，对52Cr16O+形成干扰，因此在SQ模式下采用O2反应方式无法完全消除干扰，BEC高于He碰撞方式。在MS/MS模式下，设置Q1的m/z为52，将m/z≠52的离子排除在外，待测离子52Cr+与干扰离子40Ar12C+、35Cl16OH+、36Ar16O+、38Ar14N+能顺利通过Q1进入CRC，选择无气方式，设置Q2的m/z为52，由于干扰离子的m/z没有改变，与52Cr+一并通过Q2，不能消除质谱干扰，BEC值仍然很高；选择He碰撞方式，多原子离子40Ar12C+、35Cl16OH+、36Ar16O+、38Ar14N+在He的碰撞下形成单原子离子，m/z发生变化，设置Q2的m/z为52可消除这些干扰，当紫苏籽油中Cr的含量很低时，与SQ模式下的He碰撞方式相似，BEC值显著降低，但Cr的灵敏度受损严重；选择O2为反应气，52Cr+与O2在CRC中反应生成52Cr16O+，干扰离子不与O2反应，设置Q2的m/z为68，由于Q1将m/z为68的干扰离子已经排除在外，所获得的BEC在6种分析模式中处于最小值，本实验选择52Cr16O+为目标离子实现无干扰测定。

元素As只有一个同位素75As，所面临的质谱干扰除多原子离子40Ar35Cl+、36Ar39K+、36Ar38Ar1H+以外，还存在双电荷干扰150Nd++和150Sm++，在SQ模式下，采用无气方式，由于没有消除干扰，BEC值很大，无法实现As的准确测定；选择He碰撞方式，多原子离子被完全消除，BEC得到改善变小，但不能消除双电荷离子干扰，并且当样品中As的含量很低时同样会导致分析灵敏度降低；选择反应方式，以O2为反应气，基于75As+能与O2反应而干扰离子40Ar35Cl+、36Ar39K+、36Ar38Ar1H+以及双电荷离子150Nd++和150Sm++均不与O2反应，设置Q2的m/z为91，可通过检测产物离子75As16O+来消除干扰，但由于Q1没有对m/z为91的干扰离子(91Zr+、51V40Ar+、74Ge16OH+)进行过滤，在这些干扰离子中，除91Zr+能与O2反应生成91Zr16O+外，51V40Ar+和74Ge16OH+都不能与O2反应，这两个干扰离子能与75As16O+一起通过Q2进入质量检测器，BEC虽然处于很低水平，但无法实现75As+的准确测定。在MS/MS模式下，设置Q1的m/z为75排除m/z≠75的干扰，待测离子75As+与干扰离子40Ar35Cl+、36Ar39K+、36Ar38Ar1H+、150Nd++、150Sm++进入CRC，选择无气方式，由于质谱干扰没有消除，不能实现75As+的准确测定，BEC仍然很大；选择He碰撞方式，设置Q2的m/z为75，与SQ模式下的He碰撞方式相似，BEC变小，但无法消除双电荷离子干扰且75As+的灵敏度受损严重；选择反应方式，利用O2为反应气，75As+与O2反应生成75As16O+，干扰离子不与O2反应，设置Q2的m/z为91，由于Q1消除了m/z为91的干扰离子，BEC处于最低水平，可实现75As16O+的无干扰测定。

元素Cd、Hg、Pb的质谱干扰主要来自样品中Mo、Ga、W、Os所形成的多原子离子(见表1)，由于紫苏籽油中的Mo、Ga、W、Os含量很低，所形成的质谱干扰轻微可以忽略不计。而对于无干扰或轻微干扰可以忽略的待测元素，由于质谱通道(包括CRC)中的离子数过多会阻碍待测离子的传输效率，因此，与无气方式相比，这些元素在He碰撞和O2反应方式下BEC反而变大；而采用MS/MS模式时，由于Q1能过滤掉大量干扰离子保持质谱通道的畅通，降低了分析离子在质谱通道中的传输阻力，因此，对于Cd、Hg、Pb的测定采用MS/MS模式优于SQ模式，且在无气方式下获得的BEC最低。本实验所有元素的数据采集方式见表2。

表2 在MS/MS模式下各元素分析数据采集方式

2.2 O2流速的优化

采用O2为反应气消除干扰，O2作为反应物其浓度的高低影响产物离子的浓度，决定了干扰的消除程度，而CRC内O2浓度的高低取决于O2的流速[15]。当O2流速偏低时，在CRC内发生的反应不彻底，生成的产物离子浓度也偏低；而当O2流速偏高时，导致CRC内的O2处于过量状态，多余的O2会对生成的产物离子发生碰撞作用，导致产物离子的动能降低，从而影响分析产物离子时的灵敏度。考察了不同O2流速下，52Cr+、75As+、52Cr16O+、75As16O+四个离子的信号强度变化，结果见图1。随着O2流速的增大，52Cr+和75As+的信号强度逐渐变小，而52Cr16O+和75As16O+的信号强度逐渐变大，表明52Cr+和75As+与O2反应逐渐生成了52Cr16O+和75As16O+，当O2流速分别达到0.32 mL/min和0.40 mL/min时，52Cr16O+和75As16O+的信号强度达到了最大，随后信号强度开始变小，由于Cr为易电离元素而As为难电离元素，为确保As的分析灵敏度，本实验最终确定O2流速为0.40 mL/min。

图1 O2流速的优化

2.3 非谱干扰及校正

本实验存在的非谱干扰主要为基体效应和记忆效应。采用4%(V/V)的HNO3介质配制标准溶液，匹配了空白溶液和样品溶液的酸效应，所有上机测定溶液通过在线加入1 mg/L的内标溶液校正了分析过程中的基体效应。针对待测元素Hg容易吸附残留在进校系统内形成记忆效应，在所有溶液中加入200 μg/L的Au标准溶液，使Hg与Au反应形成金汞齐(Au2Hg)消除了记忆效应。

2.4 方法的线性及仪器的检出限

参照GB/T 27404—2008《实验室质量控制规范》进行操作，配制浓度分别为0.0、1.0、5.0、25、50 μg/L的混合标准溶液建立校准曲线，表3结果显示，5个元素的线性相关系数R2≥0.999 7，各元素在0.0～50 μg/L的范围内具有良好的线性关系。取空白溶液重复测定10次的3倍标准偏差所对应的浓度为各元素仪器的检出限，本实验中Cr、As、Cd、Hg、Pb的检出限分别为3.56、1.91、0.84、2.25、0.89 ng/L。

表3 方法的线性及仪器的检出限

2.5 方法的准确性与精密度验证

将一个紫苏籽油样品分成3份，分别加入低(50 ng/L)、中(200 ng/L)、高(500 ng/L)三水平的混合标准溶液，经微波消解处理后上机重复测定10次，通过计算各元素的加标回收率和相对标准偏差(RSD)来确认方法的准确性与精密度，结果见表4。三份样品的加标回收率在92.5%～108.0%之间，RSD≤4.1%，表明在MS/MS 模式下，所有元素都获得了良好的回收率，所建立的方法准确可靠且精密高。

表4 在MS/MS模式下不同浓度标准溶液加标紫苏籽油

2.6 分析方法的应用

抽取产自湖南、河北、内蒙古、山东四个紫苏籽油样品(样品编号1、2、3、4、5、6、7、8)，按建立的方法进行分析，每个紫苏籽油样品重复测定10次，并采用GB 5009.268—2016法进行对照分析[16]，8个样品中重金属元素的浓度见表5。ICP-MS/MS的测定结果显示，4种紫苏籽油中重金属元素的浓度极低，Cr、As、Cd、Hg、Pb的含量分别为1.38～5.49、0.95～4.10、0.36～2.83、0.32～0.82、0.75～4.53 ng/g，与GB 5009.268—2016法测定结果基本一致。8种实际样品中5个重金属元素的含量远低于GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中的限量标准[17]，食用安全。

表5 实际样品中重金属元素的分析结果(ng/g，n=10)

注：“—”: 未检出。

3 结论

采用微波消解系统对紫苏油进行消解，利用ICP-MS/MS法测定其中的重金属元素，建立了快速准确测定紫苏油中Cr、As、Cd、Hg、Pb的分析方法。在MS/MS模式下，通过Q1消除了大量质谱干扰，保持了离子运行通道的畅通，选择O2为反应气消除了Cr和As测定时面临的严重干扰，通过应用酸匹配和内标元素，使紫苏油中重金属元素检测中的基体效应得到了校正。实验结果表明，方法的加标回收率在92.5%～108.0%之间，RSD≤4.1%，苏籽油中重金属元素的浓度极低，食用安全，不会对人体构成潜在危害。