ICP-MS测定海藻中16种元素及LC-AFS砷形态分析

任召珍，张丽静，曾海英，耿 建，于佳弘

（1.威海海洋职业学院，山东 威海 264309；2.威海市文登区检验检测中心，山东 威海 264400；3.威海时进食品检测服务有限公司，山东 威海 264309）

我国藻类资源丰富，研究表明，我国有利用价值的海藻有100 多种，藻类产量居世界前列[1-2]。海藻营养丰富，除蛋白质、多糖、藻胶等成分外，还含有人体必需的钙、镁、钠、钾、铁等多种微量元素[3]。其中海带、裙带菜及紫菜等是我国主要的经济藻类。研究结果显示，在海藻干物质中，粗蛋白含量为10%～48%，无氮化合物为30%～60%，微量元素钙、钾、钠、镁、铁、铜、磷、锌、碘、钴、锰、硒等含量丰富[4-5]。但是藻类在富集有益微量元素的同时，还吸附有害元素，如铅、铬、汞、砷等[6-8]。元素的毒性不仅取决于其总浓度，还在于其存在的化学形态[10-12]。元素形态分析是元素分析的一种定性、定量分析行为[9]。目前食品中污染物限量国家标准中只对藻类及其制品中重金属元素铅有限量要求，对藻类及其制品中其他元素的研究还不完善，本研究利用生物成分标准物质紫菜，建立了一种电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定海藻中多种元素的分析方法，以裙带菜为检测样本，对样品中的多种元素进行分析，为藻类的综合利用及污染物风险管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

裙带菜叶片，市售；紫菜生物成分标准物质，中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所。

硝酸、正己烷，色谱纯，德国默克公司；过氧化氢、高氯酸，分析纯，天津科密欧有限公司；磷酸二氢铵，优级纯，上海国药集团有限公司；硼氢化钾、氢氧化钾、盐酸，分析纯，上海国药集团有限公司；锂、钪、锗、铱、铟、铋内标溶液（100 mg/L），砷、铅、镉、汞、硒等元素混合标准储备液（100 mg/L），亚砷酸盐、砷酸盐（100 mg/L），国家有色金属及电子材料分析测试中心；高纯氩气（纯度≥99.999%）、高纯氦气（纯度≥99.999%）、仪器调谐液（1.0 ug/L钡、铋、铈、钴、铟、锂、铀），Thermo Fisher Scientific 公司。

1.2 仪器与设备

电子分析天平，AE200S，感量0.1 mg 和1 mg，梅特勒-托利多仪器有限公司；微波消解仪，MARS Xpress，密封消解罐，聚四氟乙烯材料特制，CEM 公司；研磨仪，GM-200，德国RETSCH（莱驰）公司；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9070A，上海精宏实验设备有限公司；可调温电炉，科瑞永兴有限公司；超声波清洗器，KQ-500DE，昆山市超声仪器有限公司；离心机，Microfuge 20R，贝克曼库尔特公司；电感耦合等离子体质谱分析仪，iCAP RQ，Thermo Fisher Scientific 公司；箱式马弗炉，LK-MA，洛阳鲁科窑炉有限公司；液相色谱-原子荧光联用仪，AFS-8230，北京吉天仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

四分法选取有代表性裙带菜叶片样品，使用研磨仪将样品研磨成均匀的粉状样品，装入密封袋中待用。

1.3.2 ICP-MS 法测定海藻中16 种元素

（1）样品前处理方法

干法灰化：准确称取0.500 0 g 待测样品于瓷坩埚中，将瓷坩埚置于可调温电炉上，先小火碳化，后缓慢调温灼烧至样品无烟，冷却后将样品转移至马弗炉中进行灰化。马弗炉从低温缓慢升至550 ℃，灰化3 h 后，冷却取出，滴加3～5 滴水和2 滴6 mol/L 硝酸溶液浸润样品，将样品置于电炉上加热蒸干，再移入马弗炉中550 ℃灰化2 h。样品冷却后用2%硝酸溶液定容至25 mL。

湿法消解：准确称取1.000 0 g 待测样品于凯氏烧瓶中，加入硝酸-高氯酸（4∶1）混合液10 mL，混匀后在凯氏烧瓶瓶口放一小漏斗浸泡过夜。将凯氏烧瓶置于电炉上加热消解，保持微沸状态至溶液澄清，然后升温继续加热至消解液透明。冷却后用超纯水定容至50 mL 待测定，同时做空白。

微波消解：对照称取0.500 0 g 待测样品于聚乙烯消解罐中，加入5 mL 硝酸，旋紧消解罐上盖，浸泡1 h 后加入1 mL 过氧化氢，将消解罐放入微波消解仪中按程序进行消解，微波消解程序见表1。消解完毕后将消解罐置于通风橱中排酸降温，待剩余少量酸液、温度降至室温后用超纯水定容至50 mL，摇匀，待测，同时做空白。

表1 微波消解条件Table 1 Conditions of microwave digestion

（2）ICP-MS 仪器条件

ICP-MS 经调谐液调整后调节仪器至最佳工作状态，仪器工作参数见表2。

表2 ICP-MS 仪器条件Table 2 ICP-MS instrument conditions

表3 紫菜生物成分标准物质检测结果Table 3 Test results of reference materials for biological components of laver

1.3.3 LC-AFS 砷形态分析

（1）砷酸盐、亚砷酸盐分析的样品处理方法

准确称取1.000 g 待测样品于50 mL 塑料离心管中，加入20 mL、0.15 mol/L 硝酸溶液，放置过夜。样品于90 ℃烘箱中热提取2.5 h，每0.5 h 振摇1 min。提取完毕后冷却至室温，10 000 r/min 离心10 min，取上清液过0.22 μm滤膜后待测定，同时做空白。

（2）砷酸盐、亚砷酸盐分析仪器条件

色谱柱：戴安阴离子交换色谱柱（内径4 mm×250 mm），流动相：15 mmol/L 磷酸二氢铵溶液（pH 6.0）等度洗脱，流速1.0 mL/min，进样量100 μL。载气流量400 mL/min；负高压280 V；屏蔽气流量600 mL/min；总电流90 mA；辅电流45 mA。

1.3.4 水分测定

参照GB 5009.3—2016 食品安全国家标准《食品中水分的测定》第一法[13]。

1.3.5 检测限、准确度及精密度

参照GB/T 27404—2008 标准[13]对微波消解-ICP-MS测定紫菜生物成分分析标准物质中16 种元素的检测限、准确度及精密度进行确认。

（1）仪器检出限

在调整好的ICP-MS 各项参数下，对浓度10 μg/L（汞2.0 μg/L）的混合标准物质进行11 次重复测定，求出标准偏差，然后分别测定标准系列混合溶液的响应值，并读取工作曲线斜率，按式（1）计算检出限。

式中，D·L 为检出限；K 为工作曲线斜率；σ 为混合溶液11 次测量的标准偏差值。

（2）方法的准确性和重复性

使用1.3.2（1）中微波消解方法处理紫菜生物成分标准物质样品，做6 组平行，同时做空白实验。使用混合系列标准溶液梯度为铬、锰、铜、锌、砷、硒、镉、钡、铅元素浓度为0、1.0、5.0、10、20、30 μg/L，镁、铝、钾、钙、铁元素浓度为0、1.0、5.0、10、20、30 mg/L，汞元素浓度为0、0.2、1.0、2.0、4.0、6.0 μg/L 做标准曲线，内标法定量（72Ge 作为质量数23～82 各元素内标；209Bi 作为质量数202～238各元素内标）。

2 结果与分析

2.1 检测限、准确度及精密度

按照1.3.5（1）实验测得各元素的仪器检出限：钠6.0表4。

表4 干法灰化、湿法消解及微波消解处理样品测定结果Table 4 Determination results of samples treated with dry ashing,wet digestion and microwave digestion

由表4 可以看出，干法灰化由于样品处理温度较高，对于砷、铜、铁这类热不稳定、易挥发的元素在处理过程中容易造成热不稳定元素流失，测定结果不准确。湿法消解相对微波消解法在样品消解时浓酸用量高，样品消解时间长，且处理过程易产生高浓度酸雾，操作要求较高。综合比较来看从试剂消耗、处理时间及处理方式的安全性方面考虑，微波消解处理方法皆要优于其他两种处理方式。但是对于条件限制无微波消解设备的情况下，可以根据测定元素种类来选择样品处理方式，若待测元素无热不稳定元素，优先选择干法灰化方式处理样品，此种处理方法试剂消耗少，安全性优；但是若待测元素中含有热不稳定元素则要选择湿法消解方式，以防热不稳定元素处理过程中的流失。

通过表4 数据可以看出，微波消解处理的干制裙带菜中铅、汞、铬及镉元素分别是0.82、0.02、0.88、2.36 mg/kg。由于国家食品安全标准中对藻类及其制品只有铅元素有限量指标，对其他污染性元素没有限量指标，因此，本试验根据其水分含量将其他污染性元素含量折算为新鲜藻类的污染性元素含量，再将其与新鲜蔬菜的污染性元素限量指标做比较。实验干制裙带菜水分含量为6.5%，常规食用鲜裙带菜含水量约80%，通过换算，新鲜裙带菜中除镉元素含量稍高外，其他元素含量均低于GB 2762 食品安全国家标准蔬菜及其制品中重金属污染物规定限量[14]，详见表5。同时裙带菜中锌、铁、钾、钙等有益微量元素含量较高，营养丰富。μg/kg、镁0.03 μg/kg、铝1.0 μg/kg、钾0.7 μg/kg、钙7.6 μg/kg、铬0.05 μg/kg、锰0.008 μg/kg、铁0.05 μg/kg、铜0.03 μg/kg、锌0.09 μg/kg、砷0.004 μg/kg、硒0.09 μg/kg、镉3.0 μg/kg、钡0.05 μg/kg、汞0.000 5 μg/kg、铅0.03 μg/kg、锶0.10 μg/kg。

表5 裙带菜中污染物与蔬菜及其制品中污染物含量比较Table 5 Comparison of pollutant content in wakame with that in vegetables and their products

2.2 方法的准确性和精密度

按照1.3.2（1）方法对紫菜生物成分标准物质样品处理后，样品按照1.3.2（2）仪器条件进行分析测试，样品检测结果见表3。

与原子吸收分光光度法相比，ICP-MS 法具有检测限低、灵敏度高，线性动态范围宽、可以实现多种元素同时分析测定等优点。通过表3 数据可知，待测16 种元素标准系列R2皆大于0.99，生物标准物质测定值均在认定值范围内，且多次测定相对误差小于5.0%，相对标准偏差RSD 值小于10%，均符合GB/T 27404—2008 标准中对方法确认要求，表明该设备检测限、方法的准确性及重复性均满足藻类基质测定要求。

2.3 裙带菜干法灰化、湿法消解及微波消解处理方法比较

按照1.3.2（1）干法灰化、湿法消解及微波消解方法处理样品，每个样品平行6 次，同时做空白实验。样品处理后上机测定，测定结果及测定相对标准偏差RSD 值见

2.4 砷形态分析

通过测定结果看出裙带菜中总砷含量高达20 mg/kg，但是由于砷元素在介质中有多种形态存在，对身体产生危害砷元素为三价和五价状态的无机砷[15]，在欧洲和美国等对于藻类中的砷只对无机砷做了相关要求[16]，因此本研究对裙带菜中无机砷进行分析。使用1.3.2（1）样品处理方法对样品处理，使用液相色谱-原子荧光分光光度计对样品中的无机砷含量进行分析。得出裙带菜样品中三价砷未检出，五价砷含量为0.05 mg/kg，远小于GB 2762—2022 中新鲜蔬菜中对于砷含量要求0.5 mg/kg。因此经过对藻类制品中砷形态的分析可得，无机砷含量不足以对人体造成危害，所以即使藻类制品在测定出总砷含量超标时，也并未对人体造成明显危害。

3 结论

本文通过对紫菜生物标物分析，建立了ICP-MS 法测定藻类食品中As、Hg、Al、Pb 等16 种元素的分析方法，以裙带菜为检测样品，对干法灰化、湿法消解及微波消解几种样品处理方式进行了比较，并对待测物质中砷形态进行了分析。结果表明，通过对紫菜生物标物的认证测定，方法准确性及重复性均符合测定标准要求。对三种处理方法分析得出，在条件允许情况下，优先选择微波消解处理方法，也可根据待测元素情况，若待测元素无热不稳定情况，可选用干法灰化进行样品处理，若含有热不稳定元素，选择湿法消解处理样品。通过对裙带菜样品中砷的形态分析可以看出，若样品测定出现总砷含量超标情况，需要对样品中的具有危害的无机砷进行分析，以防止出现检测偏差。