ICP-MS/MS 同时测定海产品中的氢化物和非氢化物元素

李爱阳，曹龙波，杨文珺，黄建华

（1 湖南工学院化学与环境工程学院 湖南衡阳421002 2 湖南省中医药研究院中药研究所 长沙 410013）

海产品是能量和优质蛋白质的重要来源，具有较高的生物价值，有助于人体摄取必需营养素[1-3]。海产品也是长链多不饱和脂肪酸的主要来源，具有公认的健康益处，是健康和均衡饮食的理想组成部分[4-6]。我国膳食指南建议每人每天应摄食50～100 g 鱼虾等水产品[7]，以确保关键营养物质的供应，特别是长链多不饱和脂肪酸、维生素D 和微量元素。欧洲食品安全局专家组确定，与不食用海产品相比，怀孕期间每周食用海产品与儿童更好的神经发育功能结果相关，且成人冠心病死亡率更低[8]。然而，众所周知，重金属元素可以自然存在于食物中，也可以因人类活动而进入食物链。海产品除了具有营养特性外，也是重金属污染物暴露的来源。风险评估表明，大多数情况下，食用海产品的益处大于风险，有关食用暴露于环境污染物的海产品对人类健康的影响研究日益受到关注[9]。无论是对于海产品的营养性还是安全性，建立灵敏、准确和稳定的分析方法来测定海产品中多种元素，对于确保海产品的质量非常重要。

目前，有关海产品中多元素的测定已有大量文献报道，主要检测方法有原子吸收法[10-12]、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）法[13-15]、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法[16-18]。在这些原子光谱分析技术中，ICP-MS 具有极低检出限（LOD）和极高分析灵敏度，是海产品中多元素测定的常用分析方法，然而，目前仍然存在诸多挑战。对于高电离能元素，由于在高温等离子体中的电离效率低，采用传统液体雾化样品引入方式的分析信号强度低，而多数重金属元素具有较高的电离能，且在海产品中的含量低，因此导致分析灵敏度低；海产品样品复杂组成基质会对分析元素的响应信号产物产生抑制，对不能充分电离元素的信号抑制作用更为严重；几乎所有同位素都将受到质谱干扰，部分质谱干扰即使采用扇形磁场高分辨率ICP-MS（HR-ICP-MS）也无法消除。氢化物的发生以气化进样方式能更有效地输送、雾化和激发氢化物元素，极大地提高了分析元素的灵敏度，与传统的标准雾化进样相比，所获得的LOD 更低[19-21]。然而需要配备专用的氢化物发生装置，与不可形成氢化物元素同时测定需使用不同的进样系统，复杂繁琐且耗时的进样系统切换过程难以满足大批量样品中多元素的高通量分析要求。

电感耦合等离子体串联质谱（ICP-MS/MS）通过在碰撞/反应池（CRC）之前增加了四极杆质量过滤器（Q1），控制来自等离子体的离子进入CRC，确保了CRC 中反应过程的一致性，极大地提高了反应效率，反应产物离子离开CRC 进入第2 个四极杆质量过滤器（Q2）进行再次过滤消除干扰，从而最大程度地降低基质元素或其它分析物离子形成非目标产物离子的风险[22-24]，ICP-MS/MS 为解决质谱干扰问题提供了更可靠的方法。而多模式进样系统（MSIS）在双重运行模式兼具氢化物发生气化进样和传统液体雾化进样的双重功能[25]，能同时测定氢化物元素和非氢化物元素。本文采用微波消解系统消解海产品，在MSIS 的双重模式下，采用ICP-MS/MS 同时测定海产品中氢化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg 和非氢化物元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb 的含量，旨在为海产品中多元素的快速准确测定提供高通量分析方法。

1 材料与方法

1.1 仪器和设备

8800 ICP-MS/MS 仪，配备MSIS 装置，美国Agilent 公司；MARs 5 微波消解系统，美国CEM公司；Milli-Q 超纯水机，美国Millipore 公司。ICPMS/MS 工作条件：RF 功率，1 600 W；等离子气流速，14.5 L/min；补偿气流速，0.18 L/min；采样深度，8.0 mm；雾室温度，0 ℃；池气体，O2、NH3/He；O2流速，0.20 mL/min；NH3/He 流速，3.0 mL/min。MSIS工作条件：样品溶液流速，0.5 mL/min；还原剂流速，0.5 mL/min；预还原剂流速，2.2 mL/min；载气流速，0.65 L/min。微波消解系统工作条件：最大功率1 600 W；目标温度分别为100，150，170，190 ℃；升温时间分别为3，5，7，5 min；保持时间分别为3，3，3，10 min。

1.2 材料与试剂

1 000 mg/L 的Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb、As、Se、Sn、Sb、Hg 单元素标准溶液，国家标准物质中心；10 mg/L 的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi 内标溶液，美国Agilent 公司；硝酸（质量分数65%）、盐酸（质量分数37%）、双氧水（质量分数30%），德国Merck 公司；NaOH（分析纯）、NaBH4（分析纯）、酒石酸（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；L-半胱氨酸（生物纯），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；标准参考物质GBW10024（扇贝），中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。

2%L-半胱氨酸/4%酒石酸预还原剂：移取10%的L-半胱氨酸溶液（体积分数2%的盐酸介质）20 mL，加入4 g 酒石酸，充分溶解混合均匀后，用超纯水定容至100 mL。

1.5%NaBH4/0.5%NaOH 还原剂：将1.5 g NaBH4和0.5 g NaOH 溶解于超纯水中，充分溶解混合均匀后，用超纯水定容至100 mL。

带鱼、海螺、对虾、毛蚶（产地广东），购买于湖南长沙马王堆海鲜市场。海产品用自来水冲洗干净后取可食部分，用超纯水清洗3 次，晾干后匀浆，用聚乙烯袋封装，于-20 ℃冰箱中保存，备用。

1.3 试验过程

1.3.1 样品预处理 将海产品解冻后，准确称取0.5 g 样品于微波消解反应罐内，依次加入2.5 mL硝酸（质量分数65%）和1 mL 双氧水（质量分数30%），敞口消解15 min，盖好罐盖将反应罐置入微波消解系统，按所设条件进行消解。微波消解后，将消解液转移至50 mL 容量瓶中，加入2.5 mL 盐酸（质量分数37%），用超纯水定容，静置30 min 后待测。采用相同的微波消解条件得到空白溶液。

1.3.2 ICP-MS/MS 分析 使用MSIS 的双重模式用于氢化物和非氢化物元素的ICP-MS/MS 测定（见图1）。还原剂通过管线1 进入MSIS 雾化室，样品溶液分别经管线2 和管线3 进入MSIS 雾化室，其中经管线2 进入雾化室的样品溶液进行标准液体雾化，来自管线3 的样品溶液与管线5 的预还原剂经三通毛细管线圈混合均匀后进入MSIS 雾化室，与来自管线1 的还原剂发生氢化物反应，所形成的气态氢化物与常规液体雾化样品均由雾化气氩气引入ICP-MS/MS 进行测定，所产生的废液经管线4 排出。

图1 用于双重模式的多模式样品导入系统（MSIS）Fig.1 Multimode sample introduction system（MSIS）for dual mode

分别配 制0，1，5，2，100 μg/L 的Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr 和0，0.1，0.5，2，10 μg/L 的Ti、V、Co、As、Se、Cd、Sn、Sb、Hg、Pb 系列混 合标准 溶液，采用ICP-MS/MS 分别对混合标准溶液、空白溶液和样品溶液进行测定，利用在线内标混合T型接头将1 mg/L 的内标混合溶液，根据混合标准溶液中分析元素的相对信号强度所对应的浓度进行线性回归，建立校准曲线，根据校准曲线计算样品溶液中分析元素的含量。

2 结果与分析

2.1 MSIS 工作条件优化

氢化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg 以高氧化态稳定存在于海产品中，本试验在样品处理过程中使用5%（体积分数）的盐酸将高氧化态还原为低氧化态或基态原子，以满足氢化物反应发生条件，并选择在线加入2%L-半胱氨酸/4%酒石酸为预还原剂，提高氢化物的发生效率并稳定分析信号强度。考察了预还原剂流速对氢化物元素信号强度的影响，从图2a 可以看出，随着预还原剂流速的增大，分析元素的信号强度也逐渐增大，当预还原剂流速 分别增大至1.8，2.0，1.6，2.2，1.8 mL/min时，As、Se、Sn、Sb、Hg 的信号强度最大，随后开始趋于平稳。为确保5 个氢化物元素的信号强度最大，选择预还原剂流速为2.2 mL/min。

图2 MSIS 工作条件对氢化物元素信号强度的影响Fig.2 Influence of MSIS working conditions on signal intensity of hydride-generation elements

图2b 为还原剂（1.5%NaBH4/0.5%NaOH）流速对氢化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg 信号强度的影响，可以看出，分析元素的信号强度随着还原剂流速的增大而增大，当还原剂的流速分别达到0.6，0.5，0.5，0.4，0.4 mL/min 时，As、Se、Sn、Sb、Hg 的信号强度最大，随后As、Se、Hg 的信号强度趋于平稳，而Sn 和Sb 的信号强度缓慢减小。本试验选择还原剂流速为0.5 mL/min，以确保5 个分析元素均具有较大的分析信号强度。

2.2 质谱模式选择

O2能与许多原子离子发生反应，可以通过氧原子转移形成氧化离子消除质谱干扰，是CRC 中最常用反应气[26-28]。52Cr+主要受到来自40Ar12C+、35Cl16OH+的干扰，在MS/MS 模式下，采用O2为反应气，干扰离子40Ar12C+、35Cl16OH+不与O2反应，虽然52Cr+与O2的反应是吸热过程，但由于52Cr+碰撞能的贡献，当52Cr+碰撞能远远大于52Cr+与O2反应所需的能量时，所提供的额外能量会促进该吸热反应发生，从而通过检测质量转移产物离子52Cr16O+消除40Ar12C+、35Cl16OH+的干扰（见图3a）。55Mn+、56Fe+、59Co+、98Mo+、75As+、78Se+的质谱行为 与52Cr+相似，本试验采用O2质量转移法消除干扰。111Cd+主要受到来自95Mo16O+的干扰，在O2反应模式下，111Cd+不与O2反应，而95Mo16O+与O2的反应过程为放热过程，95Mo16O+会生成95Mo16O2+，从而消除对111Cd+的干扰（见图3b），因此，对于Cd 的测定，本试验采用O2原位质量法消除干扰。

图3 在MS/MS 模式下利用O2 为反应气消除质谱干扰Fig.3 Elimination of spectral interferences using O2 as reaction gas in the MS/MS mode

NH3由于有孤电子对的存在，更容易通过电荷转移反应消除干扰，同时，NH3也能与许多原子离子反应，通过缩合和缔合反应生成大量复杂的产物离子，只要其中产物离子不受干扰且灵敏度满足分析要求，便可用作检测离子[29-31]。48Ti+和51V+与O2反应为放热过程产生大量的氧化物离子，然而由于二者的干扰离子SO 也能与O2反应，所生成的SO2+仍然干扰48Ti16O+和51V16O+的测定，因此，在O2模式下无法消除48Ti 和51V 受到的质谱干扰。在MS/MS 模式下采用NH3为反应气，48Ti+与NH3反应发生质量转移生成大量团簇离子，同时，包括32S16O+在内的部分干扰离子也与NH3反应生成大量离子，其中，48Ti（14NH3）6+灵敏度高且无干扰，通过选择48Ti（14NH3）6+为检测离子，利用NH3质量转移法消除干扰。60Ni+、63Cu+、66Zn+的质谱行为与48Ti+相似，本试验均采用NH3质量转移法消除干扰。51V+主要受到来自35Cl16O+的干扰，几乎不与NH3反应，而35Cl16O+能与NH3发生高效电荷转移反应（35Cl16O++NH3→35Cl16O++NH3+）。因此，本试验选择51V+为检测离子，通过NH3电荷转移反应去除35Cl16O+对51V+的干扰。

同位素88Sr、208Pb、118Sn、121Sn 和202Hg 所受到的干扰轻微，可忽略不计，本试验选择单四极杆（SQ，Q1仅作为离子导杆）无气体模式进行测定。所有分析元素的质谱模式选择情况见表1。

表1 分析元素的质谱模式选择Table 1 Selection of mass spectrometry mode for analytes

2.3 反应气流速的优化

在CRC 中，优势产物离子取决于反应气密度，而反应气密度取决于反应气流速。为确保所有检测离子均具有高灵敏度，尤其是二次质量转移产物离子（MoO2+）是在一次质量转移的基础上再次反应，需要更高的反应气流速。考察了样品溶液中1 μg/L 分析元素在不同反应气流速下产物离子归一化信号强度的变化。图4a 为O2流速对Cr、Mn、Fe、Co、Mo、Cd、As、Se 反应产物离子归一化信号强度的影响，可以看出，随O2流速的增大，Cr、Mn、Fe、Co、Mo、As、Se 反应产物离子的归一化信号强度呈现先增大后减小的变化，表明随着O2流速的不断增大，产物离子逐渐增多，当O2流速分别达到0.16，0.18，0.20，0.15，0.20，0.20，0.19 mL/min 时，反应处于平衡，Cr、Mn、Fe、Co、Mo、As、Se反应产物离子的归一化信号强度最大，随后增加的O2流速增大与产物离子的碰撞几率，导致产物离子的能量损失，从而表现为归一化信号强度开始减小。Cd 通过原位质量转移消除干扰，其归一化信号强度随O2流速的增大而逐渐减小，当O2流速达到0.20 mL/min 时，干扰离子与O2完全反应后，Cd+的归一化信号强度趋于平稳，随后增加的O2流速增大与Cd+的碰撞几率，从而表现为归一化信号强度开始减小。本试验选择O2流速为0.20 mL/min，所有分析元素的产物离子均具有较大信号强度。

图4 反应气流速对反应产物离子信号强度的影响Fig.4 Influence of reaction gas flow rate on signal intensity of reaction product ions

图4b 为NH3/He 流速对Ti、V、Ni、Cu、Zn 反应产物离子归一化信号强度的影响，随着NH3/He 流速的增大，Ti+、Ni+、Cu+、Zn+与反应形成团簇离子的数量逐渐增多，归一化信号强度逐渐增大，当NH3/He 流速分别达到2.8，3.0，2.8，3.0 mL/min 时，Ti、V、Ni、Cu、Zn 反应产物离子的信号强度最大，随后开始下降。V 通过电荷转移消除干扰，其归一化信号强度随NH3/He 流速的增大而逐渐减小，当NH3/He 流速达到2.6 mL/min 后，V+的归一化信号强度趋于平稳，表明V 的干扰已经彻底消除。本试验选择NH3/He 流速为3.0 mL/min，Ti、V、Ni、Cu、Zn 的产物离子均具有较大信号强度。

2.4 方法分析性能评价

采用所建立的方法分析系列混合标准溶液，以分析元素的相对信号强度所对应的标准溶液浓度进行线性回归，得到各元素的校准曲线。分别采用本法的双重模式和标准雾化模式（不启用氢化物发生模式）连续测定空白溶液10 次，以3 倍标准偏差对应的浓度为各元素仪器的检出限（LOD）。由表2 可以看出，所有分析元素的线性相关系数≥0.9996，具有良好的线性关系。本方法得到各元素的LOD 为0.02～1.61 ng/L，与标准雾化模式相比较，非氢化物元素的LOD 基本一致，而氢化物元素的LOD 均降低了1 个数量级左右。

表2 分析方法的线性关系与LODTable 2 Linearity and limit of detection（LOD）of analytical methods

为评价方法的准确性和可靠性，对国家标准参考物质扇贝（GBW10024）重复测定6 次，并进行样品加标回收试验，结果见表3。采用本方法的测定值与标准参考物质的认证值基本一致，加标回收率在94.0%～108%之间，相对标准偏差（RSD）为2.1%～7.1%，表明方法分析结果准确可靠，且精密度良好。

表3 标准参考物质扇贝（GBW10024）的分析结果（n=6）Table 3 Analytical results of standard reference material scallop（GBW10024，n=6）

2.5 样品分析

采用本法分别对产自广东的带鱼、海螺、对虾、毛蚶进行测定，每个样品重复测定6 次，结果见表4。4 种海产品中，海螺中的Ti、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb、As 含量最高，毛蚶中的V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Se、Sb 含量最高，带鱼和对虾中18 种微量元素的含量处于较低水平。对照《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2017）[32]，海螺和毛蚶中的重金属元素Cd 和Pb 超标，对照《无公害食品水产品中有毒有害物质限量》（NYT5073-2006）[33]，海螺中的Cu、Cd、Pb 超标，毛蚶中的Cd和Pb 超标，因此，需重点关注海产品中重金属超标对人体所带来的健康风险。

表4 样品分析结果Table 4 Analytical results of samples

3 结论

本研究将MSIS 与ICP-MS/MS 相结合，利用MSIS 的双重模式建立了海产品中氢化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg 和非氢化物元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb 的同时测定。所建立的分析方法灵敏度高，线性关系好，结果准确可靠，LOD 为0.02～1.61 ng/L，其中氢化物元素的LOD 较标准雾化模式降低了1 个数量级左右。方法无需更换不同的进样系统，提高了分析效率，降低了分析成本，适合大批量海产品中氢化物元素和非氢化物元素的高通量检测分析。虽然通过食用海产品能获取能量和优质蛋白质，但仍需重点关注重金属超标对人体所带来的健康风险。