微波消解-ICP-MS/MS同时测定蛋及蛋制品中9种重金属元素

刘永林　周萍　张智怡　陈桂琴　徐芝亮

摘 要：建立采用微波消解蛋及蛋制品，三重串聯电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS/MS）同时测定蛋及蛋制品中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb等9种重金属元素的方法。采用氧气和氨气反应池在串联质谱MS/MS模式下，通过优化仪器参数，引入内标元素，利用氧气质量转移、氧气原位质量和氨气质量转移，有效地克服了基体对待测元素的质谱干扰。结果表明，该方法测定精度高，重金属元素的检出限为0.28～22.39 ?g·L-1，样品加标回收率为91.0%～107.1%，RSD≤4.7%，具有试剂消耗量小、环境污染少、操作简单、检测快速、同时多元素测定等优点。该研究为蛋及蛋制品中重金属元素的安全评价和监管提供了科学方法和理论依据。

关键词：微波消解;三重串联电感耦合等离子体质谱;蛋及蛋制品;重金属元素

Abstract：An analytical method was established for simultaneous determination of 9 heavy metal elements （Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb） in eggs and egg products based on inductively coupled plasma tandem mass spectrometry （ICP-MS/MS） with microwave digestion. In the MS/MS mode， the mass spectrometic interferences were effectively eliminated by the addition internal standard and the utilization of O2 mass shift， O2 no-mass， NH3 mass shift with O2 and NH3 reaction cell of the ICP-MS/MS under the optimized conditions.The results showed that the detection limits of the method were in range of 0.28～22.39 ?g·L-1，and the recoveries of standard addition were among 91.0%～107.1%， RSD≤4.7%. This study provides a scientific methods and theoretical basis for the safety evaluation and supervision of heavy metals element in eggs and egg products.

Key words：Microwave digestion; ICP-MS/MS; Eggs and egg products; Heavy metal elements

中图分类号：O657.63

蛋制品含有人体所需的蛋白质、脂肪、类脂类、矿物质等营养物质，而且消化吸收率非常高，堪称优质营养品。我国禽蛋资源丰富，品种多样，是生产和消费大国。近年来，随着中国经济发展的发展，家禽养殖业、禽蛋加工业也快速发展，由于环境污染以及饲料、加工原料等被污染导致重金属元素含量急剧增加，从而给人们身体健康带来潜在的危害。目前，蛋及蛋制品中的重金属引起了国内外的广泛关注[1-6]，而现有检测方法主要有原子吸收法（AAS）、原子荧光光谱法（AFS）、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[9-17]。就目前检测手段来说，ICP-MS的检测能力得到了广泛认可，操作简单快速、检出限低、灵敏度高，但所存在的质谱干扰仍是影响ICP-MS准确测定的难题。近年发展起来的碰撞/反应池（CRC）技术虽然能消除大部分质谱干扰，但在测定复杂基质中痕量元素或磷、硫等关键分析物时，CRC依然无法彻底消除质谱干扰。电感耦合等离子体串联质谱（ICP-MS/MS）是在等离子体（ICP）和CRC之间新增一个四极杆质量过滤器（Q1），与位于CRC后的四极杆质量过滤器（Q2）组成串联质谱（MS/MS），可对来自ICP和样品基体的干扰离子进行过滤，阻止这些干扰离子进入CRC，极大地提高了CRC消除干扰的性能，能显著改善分析元素的灵敏度和检出限[18-23]。而国内对蛋及蛋制品中微量元素、药物残留、营养元素关注较多，对重金属研究甚少，因此建立一种快速准确的检测出蛋及蛋制品中这些有毒有害的物质及其含量则显得十分重要。本研究采用微波密闭消解蛋及蛋制品，利用Agilent 8800电感耦合等离子体串联质谱仪（ICP-MS/MS），同时测定9种重金属元素，该方法具有简单、快速、灵敏度高、抗干扰等特点。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鸡蛋、鸭蛋、皮蛋、咸鸭蛋和蛋糕，购自大型超市;Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb的单元素标准溶液（1000 mg·L-1）和Sc、Ge、Rh、In、Tb、Lu、Bi内标混合标准溶液（100 mg·L-1）由国家有色金属及电子材料分析测试中心提供;硝酸（UP级）、H2O2（UP级），由苏州晶瑞化学股份有限公司提供;乳粉标准物（GBW10115）、奶粉标准物（GBW10017）由国家标准物质研究中心;实验使用超纯水均由MilliQ超纯水系统提供。

1.2 仪器与设备

三重串联电感耦合等离子体串联质谱仪（型号：Agilent8800，美国Agilent公司）;超纯水系统（型号：MilliQ，美国Millipore公司）;微波消解仪（型号：MARS6，美国CEM公司）;天平（型号：AL204，美国Mettler公司）。

1.3 仪器工作条件

通过实验优化，ICP-MS/MS的操作条件为：射频功率：1550 W;等离子气流速：18 L·min-1;载气流速：0.8 L·min-1;补偿气流速：0.2 L·min-1;采样深度：8 mm;质谱模式：MS/MS;反应气O2流速：0.3 mL·min-1;反应气NH3-He（1∶9，V/V）流速：3.0 mL /min;Q1→Q2离子质量，Cr：52→68、Co：59→93、Ni：60→76、Cu：63→97、Zn：66→100、As：75→91、Cd：111→111、Hg：202→202、Pb：208→208。

1.4 实验方法

1.4.1 样品前处理方法的选择

样品前处理是影响样品分析结果的关键。在无机元素分析检测中，样品的前处理方法主要有：湿法消解、干法灰化、微波消解。湿法消解需加入大量硝酸和高氯酸，消化过程复杂、费时，试剂用量大，易对环境造成污染，而且其需要敞开进行，待测元素Pb、Hg、As、Cr等易被污染和损失。干法灰化优点是处理样品量大，但处理过程非常复杂、易污染，待测元素Hg、As易挥发。微波消解技术是近年来在元素分析过程中发展起来的一种快速、高效的样品前处理方法，它具有消解能力强、溶样时间短、试剂用量少、能避免样品污染和待测元素挥发和节省成本等优点。因此，本方法选择微波消解技术对样品进行前处理。

1.4.2 样品消解体系的选择

消解体系的选择对分析结果的准确性有非常大的影响。本试验对HNO3、HNO3-H2O2、HNO3-HCl共3种消解体系进行了研究对比。本方法选择HNO3-H2O2消解体系。试验了在不同体积比下的消解溶液，实验结果表明在该消解体系下，HNO3-H2O2（4∶1）混合溶液能够将样品消解成澄清透明溶液，且耗时较短，无干扰。本实验选择的微波消解条件见表1。

1.4.3 待测样品的消解

将从超市中购买的5种具有代表性的蛋及蛋制品，分别取可食用部分各自混合均匀，准确称取0.5 g试样于消解罐中，各加入4 mL HNO3和1 mLH2O2，旋紧消解罐后，放置30 min，将其放入微波消解仪内，按照表1微波消解工作参数进行消解。消解完毕后，冷却至室温。打开罐盖排气，用少量水冲洗罐盖和罐壁，用超纯水定容于100 mL容量瓶中，同时做空白试验。

2 结果与分析

2.1 同位素和分析模式的选择

蛋及蛋制品的种类很多，基质组成复杂，在消解过程中没有进行赶酸处理，因此在消解液中残留大量的酸根离子，与基质元素一起形成复杂多原子离子，干扰待测元素的测定。本实验选择各待测元素的高丰度同位素，分别考察在SQ（无气体）标准模式、SQ（He）碰撞模式、MS/MS（O2）的反应模式、MS/MS（NH3/He）的反应模式下各元素的背景等效浓度（BEC）和检出限（DL）变化情况，见表2。SQ（He）碰撞模式与SQ（无气体）标准模式相比较，大多数同位素的BEC和DOL显著降低，而在MS/MS模式下分别通入O2和NH3/He，各同位素的BEC和DOL得到进一步降低，表明在MS/MS模式下，各同位素的干扰情况消除更加彻底，因此在MS/MS（O2）的反应模式下，选择52Cr、60Ni、75As、111Cd、202Hg和208Pb为待测元素，而在MS/MS（NH3/He）的反应模式下，选择59Co、63Cu、66Zn为待测元素。

2.2 质谱干扰及消除

采用CRC技术的碰撞模式和反应模式都能有效减少或消除质谱干扰，但目前国际普遍认可离子与分子化学反应的反应模式在减少或消除复杂的质谱干扰方面具有最佳性能[22]。蛋及蛋制品中富含大量的C、H、O、N、P、Cl、S、Na等基质元素，这些元素与消解试剂、等离子气体在质谱分析中形成复杂质谱干扰，从而影响待测重金属元素的准确测定。本研究存在的复杂质谱干扰主要包括：40Ar12C+、36Ar16O+、38Ar14N+、36Ar15N1H+、35Cl16O1H+、37Cl15N+、35Cl17O+对52Cr+的严重干扰，23Na37Cl+、44Ca16O+、43Ca16O1H+对60Ni+的严重干扰，40Ar35Cl+、36Ar38Ar1H+、38Ar37Cl+、40Ca35Cl+、23Na12C40Ar+、12C31P16O2+、36Ar39K+、43Ca16O2+、40Ar34S1H+对75As+的严重干扰。由图1知，在MS/MS（O2）反应模式下，对于75As+的测定，设置Q1上的m/z=75，将质荷比m/z≠75的离子排除在外，75As+与O2在CRC内发生氧原子转移（75As++O2→75As16O++O，ΔHr=-0.63ev）生成75As16O+，而其他多原子离子不与O2发生反应，设置Q2的m/z=91，仅仅75As16O+能通过Q2，其他干扰离子均无法通过Q2，从而检测75As16O+实现对75As+的测定。同理，对于52Cr+和60Ni+的测定，分别设置Q1的m/z=52、60，52Cr+、60Ni+与O2发生质量转移，通过测定52Cr16O+、60Ni16O+来消除干扰。而对于111Cd+的测定，设置Q1的m/z=111，消除m/z≠111的离子干扰，仅95Mo16O+和111Cd+1能通过Q1，在CRC内95Mo16O+与O2发生质量转移，而111Cd+不与O2发生反应，通过原位转移来实现对111Cd+的测定，同理，对于202Hg+和208Pb+的测定，通过设置Q1的m/z=202、208，对应Q2的m/z=202、208来实现测定。

NH3作为高反应性气体消除质谱干扰已得到广泛应用，以NH3/He混合气作为反应气，消除质谱干扰效果优于单一气体[23]。在MS/MS（NH3/He）反应模式下，对于59Co+的测定，设置Q1的m/z=59，排除m/z≠59的离子干扰，在CRC内，59Co+与NH3发生质量转移形成团簇离子59Co（14NH3）+2，设置Q2的m/z=93仅59Co（14NH3）+2能通过Q2实现对59Co+的测定。同理，对于63Cu+和66Zn+的测定，分别设置Q1的m/z=63、66，与NH3发生质量转移，通过测定63Cu（14NH3）+2和66Zn（14NH3）+2来消除干擾。

2.3 反应气流速的优化

在CRC中，反应气流速的大小决定反应产物离子的类别和浓度，影响干扰的消除程度和分析灵敏度。本实验采用标准物质乳粉（GBW10115）和奶粉（GBW10017）优化反应气流速。考察了在O2和NH3不同模式下，在不同流速下各元素的测定值与标准物质的认定值是否一致（每个流速平行测定样品9次）。从图2、图3中可知，随着O2流速的增加，各元素的测定值逐渐接近标准物质认定值，当O2流速达到0.3 mL·min-1后各元素的分析结果与认定值基本一致，质谱干扰已基本消除，基于低反应气流速下元素具有较高的灵敏度，本实验最终采用O2流速为0.3 mL·min-1。图3所示为采用NH3为反应气时对各元素测定结果的影响，当NH3流速达到3.0 mL·min-1时，各元素测定值与标准物质的认定值基本一致，故采用NH3最佳流速为3.0 mL·min-1。

2.4 基本效应的校正

蛋及蛋制品经微波消解后得到的样品溶液，在物理化学性质上与标准溶液的基质组成存在较大差异，在分析过程中表现为溶液传输、雾化效率以及信号稳定性存在误差，选择合适的内标元素做参照物，可有效校正这些误差。在MS/MS模式下，反应气体及反应方式的不同，选择内标元素的方式也不相同，采用O2为反应气时，内标元素89Y与O2发生质量转移反应（89Y++O2→89Y16O++O，ΔHr<0），生成的产物离子89Y16O+具有高丰度，因此利用O2质量转移法测定Cr、Ni、As，所选用内标离子为89Y16O+，对于111Cd、202Hg和208Pb的测定，由于m/z没有发生变化，故采用103Rh和209Bi为内标元素，采用NH3/He为反应气时，59Co、63Cu和66Zn与NH3发生质量转移，内标元素45Sc与NH3形成团簇离子45Sc（14NH3）+3与59Co（14NH3）+2、63Cu（14NH3）+2和66Zn（14NH3）+2的质量相似且无干扰，所以选择45Sc（14NH3）+3为内标离子。

2.5 校准曲线和检出限

用5%（V/V）的硝酸为介质，分别配制成不同质量浓度系列的Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 的混合标准溶液和现配Hg标准溶液，在MS/MS模式下，按所建立的消除干扰方法采集数据信息，仪器数据处理软件自动生成校准标准曲线方程，各元素在各自的线性范围内的线性关系良好，相关系数（R2）≥0.999 8，见表3。取样品空白溶液上机重复测定11次，计算各元素的标准偏差，其空白溶液标准偏差的3倍所对应的质量浓度即为仪器的检出限。由表3可见，所测元素的方法检出限为0.28～22.39 ?g·L-1，完全能满足本实验样品的测定要求。

2.6 加标回收率和精密度

从同一个皮蛋样品中称取两份样品，在其中一份中加入不同浓度的混合元素标准溶液，两份样品同时按照实验方法处理分析，重复测定11次，计算样品的加标回收率和相对标准偏差。由表4知，样品的加标回收率在91.0%～107.1%，所有元素测定结果的RSD为2.1%～4.7%，表明了方法的准确性和精密度均能满足分析要求。

2.7 实际样品的测定

将购买鸡蛋、鸭蛋、皮蛋、咸鸭蛋和蛋糕共5种食品按照实验方法、实验步骤进行上机分析，并采用国家标准方法进行对比分析，每个样品重复测量11次，结果见表5。本方法的测定值与国家标准方法的测定值具有非常好的一致性，从样品测定结果可以看出Zn、Cu、Ni、Cr在上述5种食品中的含量均较高，其中鸡蛋中Cd和皮蛋中Pb、Cd都超过国家标准GB 2762-2017规定的食品限量值要求。

3 结论

采用三重串联电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS/MS）建立了同时测定蛋及蛋制品中9种重金属含量的检测方法。在MS/MS模式下，分别使用O2和NH3为反应气，利用质量转移和原位质量反应能有效消除质谱干扰，同时通过优选内标产物离子来校正基质差异而产生的误差，获得了较低的检出限与较宽的线性范围。采用国家标准检测方法对比分析，进一步验证了方法的准确性。该方法具有分析速度快、元素多、无需赶酸、准确性好、精密度高等特点，适合于大批量样品的分析，能为蛋及蛋制品的安全评价和监管提供了科学方法和理论依据。

参考文献：

[1]Burger J.Heavy Metals in the Eggs and Muscle of Horseshoe Crabs （Limulus Polyphemus） from Delaware Bay[J].Environmental Monitoring and Assessment，1997，46（3）：279-287.

[2]Joanna B.Food Chain Differences Affect Heavy Metals in Bird Eggs in Barnegat Bay，New Jersey [J].Environmental Research，2002，90（1）：33-39.

[3]勵慧敏.蛋及蛋制品加工与发展[J].食品研究与开发，2014，35（11）：127-129，136.

[4]姚素梅，刘 敏，王 强.不同腌制剂加工的鸡蛋皮蛋中微量元素含量测定[J].广东微量元素科学，2006（6）：44-47.

[5]罗 虎，邓全道，许 光，等.微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法同时测定海鸭蛋中的微量元素[J].食品科技，2011，36（8）：259-262.

[6]邹晓庭，孙 涛，唐飞江，等.日粮镉和汞污染对其在蛋鸡脏器及鸡蛋中残留的影响[J].中国家禽，2013，35（6）：25-28，32.

[7]吴培慧，孙有娥，郝嫒媛，等.ICP-OES法同时测定蛋制品中铅、锌、铜含量[J].广州化工，2014，42（11）：126-128.

[8]王勝碧.安顺市区松花蛋中重金属铅含量的士测定[J].安顺学院学报，2012，14（1）：122-124.

[9]徐红颖，包玉龙，王玉兰.蛋及蛋制品中重金属铅、镉的含量测定[J].食品研究与开发，2015，36（4）：145-148.

[10]曾何华，曾永明，耿丽丽，等.石墨炉原子吸收光谱法测定松花蛋中痕量铜[J].理化检验（化学分册），2014，50（2）：258-259.

[11]顾春华.氢化物发生原子吸收光谱法测定蛋制品中无机砷[J].分析试验室，2009，28（S1）：168-169.

[12]刑俊波，曹 红，王国佳.湿法消解-氢化物发生原子荧光法测定蛋及蛋制品中微量砷和汞[J].当代医学，2011，17（24）：32-33.

[13]谢 妮，徐 强，陈庆阳，等.无铅松花蛋中铅今量测定[J].中国公共卫生，2005，21（7）：851.

[14]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.GB 5009.11-2014食品安全国家标准 食品中总砷及无机砷的测定[S].北京：中国标准出版社，2014.

[15]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会.GB 5009.17-2014食品安全国家标准 食品中总汞及有机汞的测定[S].北京：中国标准出版社，2014.

[16]符 靓，施树云，陈晓青.电感耦合等离子体串联质谱法测定活性白土中痕量毒理性元素[J].分析化学，2018，46（8）：1253-1260.

[17]江 波，黄建华，刘 伟.电感耦合等离子体串联质谱法测定野生皂荚中多种微量元素[J].光谱学与光谱分析，2017，37（12）：3859-3864.

[18]李坦平，谢华林，袁龙华，等.电感耦合等离子体串联质谱法测定高纯氧化镁粉中金属杂质元素[J].冶金分析，2018，38（10）：16-22.

[19]江 波，黄建华.应用ICP-MS/MS准确测定紫苏籽油中的重金属元素[J].中国粮油学报，2019，34（1）：125-130.

[20]Fernandez S D，Sugishama N， Encinar JR，et al.Triple Quad ICP-MS（ICP-QQQ） as a new tool for absolute quantitative proteomics and phosphoproteomics[J].Analytical Chemistry，2012，84（14）：5851-5857

[21]符 靓，施树云.电感耦合等离子体质谱法测定食用植物油中的磷和硅[J].分析化学，2017，45（8）：1222-1226.

[22]Jackson B P，Liba A，Nelson J.Advantages of reaction cell ICP-MS on doubly charged interferences for arsenic and selenium analysis in foods[J].Journal of Analytical Atomic Spectrometry，2015，30（5）：1179-1183.

[23]Quemet A，Brennetot R，Chevalier E，et al.Analysis of twenty five impurities in uranium matrix by ICP-MS with iron measurement optimized by using reaction collision cell， cold plasma or medium resolution[J].2012，99：207-212.