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上海斯邁歐分析儀器有限公司
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使用氫化物發(fā)生法-ICP-MS高通量測定大米中的無機砷
2022-2-14 閱讀(157)
摘要：本文開發(fā)出了一種利用氫化物發(fā)生 (HG) 技術(shù)與 ICP-MS分離并檢測食品中無機 砷 (iAs) 的快速而靈敏的方法。31 種市售大米中的無機砷含量測定值均低于現(xiàn)行 中國法規(guī)中規(guī)定的最大濃度 (ML) 150 µg/kg。對 HG-ICP-MS 和 HPLC-ICP-MS 獲得的數(shù)據(jù)進行比較后發(fā)現(xiàn)兩種分析技術(shù)的檢測限相當(dāng)。 HG-ICP-MS 是大規(guī)模篩選大米等食品樣品的理想選擇，因為這一技術(shù)僅需耗費 傳統(tǒng) HPLC-ICP-MS 方法通常所需時間的一小部分，且分析性能不受任何影響
前言：為確保食品安全，應(yīng)對食品中的砷類化合物等潛在毒性化學(xué) 物質(zhì)濃度進行密切監(jiān)測。然而，砷類化合物的毒性取決于 所含該元素的化學(xué)形態(tài)或“種類"而非總濃度。亞砷suan鹽 (As(III)) 和砷suan鹽 (As(V)) 等無機砷*具有高毒性和致癌 性，而單甲基胂酸 (MMA) 和二甲基胂酸 (DMA) 等有機砷 的毒性較低 [1]。由于這種毒性差異的存在，因此大量研究 致力于開發(fā)可靠而耐用的不同砷形態(tài)分離方法，以實現(xiàn)對毒 性形態(tài)的特異性定量分析。 雖然不同形態(tài)的色譜分離與隨后的 ICP-MS 形態(tài)特異性定 量分析已經(jīng)成為了食品樣品中痕量元素分離的*方法， 但還存在許多比高效液相色譜 (HPLC) 更省時更經(jīng)濟的砷形 態(tài)分析非色譜策略 [2,3]。 本文重點介紹利用氫化物發(fā)生 (HG) 技術(shù)和 ICP-MS 對大米 樣品中的無機砷進行形態(tài)分析。大米是世界上大部分人口 的重要食物來源，但由于水稻吸收了土壤中的砷而使大米中 的無機砷濃度相對較高。土壤中的砷可能天然存在，也可 能來自人為來源，例如 20 世紀 70 年代前人們曾大量使用 含砷農(nóng)藥。顯然目前迫切需要一種簡單而快速的分析方法 來篩查大量樣品中的無機砷以確保食品安全。
現(xiàn)行法規(guī)：中國已出臺的法規(guī)中規(guī)定大米中無機砷的最大濃度 (ML) 為 0.15 mg/kg [4]，南美洲貿(mào)易集團則規(guī)定大米中總砷的最大 濃度為 0.3 mg/kg [5]。食品污染法典委員會舉行第八次會 議后，世界衛(wèi)生組織 (WHO) 建議精白米中的無機砷濃度不 得超過 0.2 mg/kg [6]。美國和歐盟尚未針對大米中的無機 砷濃度進行立法，但美國 FDA 和歐洲標準化委員會 (CEN) 已啟動了致力于建立食品中無機砷測定標準方法的項目。
本研究評估了大米樣品中無機砷測定的替代方法，證明無需 采用耗時的色譜方法也可進行無機砷形態(tài)分析。
樣品與參比物質(zhì) 樣品中包括 31 種購自本地商店的不同大米以及 12 種在受 控砷暴露環(huán)境下生長的大米。使用咖啡研磨機將市售大米 樣品的子樣品 (30 g) 研磨成均勻的細粉。將 IMEP-107 大 米（比利時赫爾參比物質(zhì)和測量研究所）和美國國家標準技 術(shù)研究院 (NIST) 1568a 米粉 (Gaithersburg, MD, USA) 兩 種大米參比物質(zhì)用作無機砷濃度測定的質(zhì)量控制。
樣品前處理 在測定總砷含量時，每份樣品取 0.15 g 置于敞口消解容器 中，加入 1 mL 濃 HNO3 和 2 mL H2O2 (30% w/w)，并在 CEM Mars 微波系統(tǒng)中進行消解。使用去離子水將所有樣 品稀釋至最終體積為 30 mL。 利用 HPLC-ICP-MS 進行無機砷形態(tài)分析時，取大米樣品 0.1 g 加入 10 mL 1% HNO3 和 1% H2O2 中進行提取 (5 min 50 °C，5 min 75 °C，10 min 95 °C)。采用 HG-ICP-MS 進 行分析時樣品提取物制備與上述方法相同。此外采用 1% HNO3 和 1% H2O2 以與樣品相同的方式配制校準標樣。分 析前將每份樣品在 13000 rpm 下離心 10 min。
儀器 — 氫化物發(fā)生法 針對安捷倫ICP-MS集成進樣系統(tǒng) (ISIS) 的氫化物發(fā)生附 件可用于砷等氣態(tài)氫化物形成元素的高靈敏度分析。圖 1 顯示了本研究中所用的 HG-ICP-MS 配置。通過 ASX-500 自動進樣器進樣，并通過 ISIS 蠕動泵 (PP1) 將樣品運輸至 氫化物發(fā)生器。樣品在混合線圈中與 HCl (5M)、NaBH4 (2% (w/v)) 和消泡劑 B 乳濁液混合后進入氣液分離器。隨 后含有無機砷（以揮發(fā)性氫化物形式存在）的氣態(tài)樣品隨 ICP-MS 尾吹氣路控制的氬氣流被輸送至 ICP-MS 霧化室。 Rh 內(nèi)標 (IS) 通過常規(guī)氣動霧化器引入 ICP-MS 霧化室，創(chuàng) 造出濕潤的等離子體條件。方法開發(fā)的詳細信息請參見之 前的文獻 [7]。最佳運行條件如表 1 所示。
在酸性條件下利用 NaBH4 進行處理后，無機砷可有效轉(zhuǎn)為 成揮發(fā)性胂 (AsH3)，而有機結(jié)合的砷化合物未被轉(zhuǎn)化，或 僅形成了揮發(fā)性較弱的胂類化合物，如沸點為 35 °C 的二 甲胂 (CH3)2AsH。加入高濃度鹽酸可進一步減少揮發(fā)性較 弱的胂類化合物的產(chǎn)生，而無機砷幾乎全部轉(zhuǎn)化為胂，從而 無需使用色譜技術(shù)進行形態(tài)分離即可對無機砷進行單獨測定。
儀器 — ICP-MS 將 HG 與 Agilent 8800 串聯(lián)四極桿 ICP-MS (ICP-MS/MS) 串聯(lián)以實現(xiàn)砷的檢測。由于 ICP-MS/MS 有助于對潛在干 擾物進行監(jiān)測與控制，因此與傳統(tǒng)四極桿 ICP-QMS 相比 更適用于初始方法開發(fā)。由于通過 HG 的胂選擇性形成過 程中高濃度 HCl 增加了氯形成的 40Ar35Cl 對砷 (m/z 75) 造成干擾的機會，因此這一點非常重要。
使用 ICP-MS/MS 測定砷的方法是利用質(zhì)量轉(zhuǎn)換方 法，在該方法中 As+ 與反應(yīng)池氣體氧氣 (O2) 發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn) 化成了 AsO+ ，然后作為 m/z 91 的 As+ 子離子得到測定。 ICP-MS/MS 能夠在 MS/MS 模式下運行，在該模式中兩 個四極桿均作為單位質(zhì)量過濾器運行。如果將 Q1 設(shè)置為 m/z 75，則僅有砷和原位質(zhì)量干擾引入反應(yīng)池，因此目標 子離子 75As16O+ m/z 91 的潛在干擾可被排除。而在初始研 究中 [7]，氧氣反應(yīng)模式（其中以 m/z 91 AsO+ 的形式對 砷進行間接測定）和無氣體模式（其中以 m/z 75 對砷進行 直接測定）下獲得的 HG 結(jié)果之間并不存在差異，表明盡 管使用高濃度 HCl 也不存在顯著的氯化物干擾。因此可在 Agilent 7900 ICP-MS 等四極桿 ICP-MS 儀器中采用相同的 氫化物發(fā)生法對砷進行測定。
為將 HG-ICP-MS/MS 結(jié)果與成熟 HPLC-ICP-MS 方法所 得的結(jié)果進行比較，我們將 Agilent 1100 HPLC 連接至 ICP-MS/MS。實驗中采用 Hamilton PRP X-100 陰離子 交換柱 (10 µm, 4.6 × 250 mm)，流動相為 20 mM 碳酸銨 (pH 8.5)，流速為 1 mL/min。
結(jié)果與討論 質(zhì)量控制 如表 3a 所示，ICP-MS/MS 測定出的 NIST 1568a 和 IMEP-107 中的總砷濃度與各自標準值和分析能力測試值 均呈現(xiàn)出良好的一致性。使用 HG-ICP-MS/MS 測得的 NIST 1568a 和 IMEP-107 中的無機砷形態(tài)分析結(jié)果與使 用 HPLC-ICP-MS/MS 測定的結(jié)果和報告值保持高度一致 （表 3b）。
兩種 QC 物質(zhì)均獲得了良好的色譜柱回收率，其中 NIST 1568a 為 101 ± 4% (n = 3)，IMEP-107 為 98 ± 9% (n = 12)。 對 IMEP-107 隨每批樣品共同進行了分析，通過這些多次測 量結(jié)果對“日內(nèi)"RSD 和“日間"RSD 進行了計算。HG 和 HPLC 的日內(nèi) RSD 平均值為 3%，所有測定日中的所有 重復(fù)測定均值 RSD 為 11%。結(jié)果顯示兩種方法的重現(xiàn)性和 重復(fù)性相似。分析每批樣品時均對空白樣品進行了分析。 HG-ICP-MS/MS 和 HPLC-ICP-MS/MS 結(jié)果比較 多種大米中的總砷提取效率普遍較高，平均值為 91% ± 10%，范圍為 73% - 111%。對于最大濃度而言，接受研究 的所有樣品中無機砷含量均低于 150 µg/kg，因此均未超過 現(xiàn)行濃度和 FAO/WHO 聯(lián)合食品法典委員會的無 機砷建議最大濃度規(guī)定。所有樣品的 HPLC 色譜柱回收率 均可實現(xiàn)定量分析 (94% ± 10%)。
表 4a 和 4b 中匯總了無機砷、DMA 和總砷的測定值。 HG-ICP-MS 和 HPLC-ICP-MS 測得的無機砷結(jié)果顯示出了 良好的一致性。大米中存在的主要砷形態(tài)為無機砷和 DMA， MMA 僅存在痕量水平。在使用 HCl (5 M) 和 NaBH4 選 擇性生成胂的方法中，AsH3 幾乎是所形成的產(chǎn)物，而 僅有少量 DMA 產(chǎn)生約 2% - 4% 的二甲胂貢獻。砷暴露環(huán) 境中生長大米的分析結(jié)果同樣確定了這一點（表 4b）。盡 管樣品含有高濃度 DMA，但 HG-ICP-MS 測得的無機砷與 HPLC-ICP-MS 測得的結(jié)果仍具有良好一致性。MMA 可通 過該方法形成甲基胂，轉(zhuǎn)化率約為 40%；但由于大米中通 常不含 MMA 或僅含痕量 MMA，因此應(yīng)不會對無機砷的 定量分析造成影響。
表 4a 中的結(jié)果顯示了所有市售大米產(chǎn)品中的無機砷濃度均 低于 FAO/WHO 食品法典委員會的 200 µg/kg 建議最大濃 度和 150 µg/kg 的中國法規(guī)最大濃度，即使修正了無機砷 提取物的低回收率后也是如此。如果僅以總砷濃度評估砷含 量，則 32%（31 個樣品中的 10 種）樣品超過了食品法典 委員會的建議最大濃度，且 42%（31 個樣品中的 13 種） 超過了現(xiàn)行中國法規(guī)最大濃度。研究得出市售大米樣品中 以無機砷形態(tài)存在的砷占總砷濃度的 26% - 84%。 在檢出 MMA 的樣品中，多數(shù)樣品中的 MMA 濃度低于 LOQ，且任何樣品中的 MMA 濃度均未超過 7 µg/kg。這 與美國 FDA 開展的大規(guī)模調(diào)查（共檢測約 1300 多個大米樣 品）中獲得的結(jié)果一致 [9]。在美國 FDA 的調(diào)查中，97% 或 以上大米產(chǎn)品中的 MMA 濃度低于 LOD 或 LOQ（13 µg/kg 以下）。僅 1% 的樣品含有 20 µg/kg 以上的 MMA，最高 報告濃度為 25 µg/kg。由此可以假定 MMA 在大米總砷 濃度中并非決定性因素，這一低濃度下的 MMA 不會影響 HG-ICP-MS/MS 對無機砷的測定結(jié)果。
結(jié)論 本研究使用安捷倫氫化物發(fā)生器/ISIS 聯(lián)用 Agilent 8800 ICP-MS/MS 對 43 種大米樣品提取物中低 ppb 水平的無 機砷 (iAs) 進行了測定。HG-ICP-MS/MS 獲得的結(jié)果與 HPLC-ICP-MS/MS 結(jié)果在較寬的線性范圍內(nèi)均呈現(xiàn)良好的 一致性，且具有相似的檢測限。 在通過微波提取進行簡單的樣品前處理后利用 HG-ICPMS/MS 對無機砷和 DMA 進行了快速在線分離。之前的 研究結(jié)果顯示 HG-ICP-MS/MS 的總運行時間僅為 4 分鐘/ 樣品（5 次重復(fù)測定），而 HPLC 進行一次測定通常需要 5 - 10 分鐘/樣品 [10]。由于無需進行色譜峰積分，因此 HG 方法的數(shù)據(jù)處理也非常簡單。 全新 HG-ICP-MS 方法實現(xiàn)了更快的分析時間、更高的通量 和簡單可靠的操作。這使該方法極其適用于篩查大量食品 樣品，以滿足不斷增加的食品（尤其是大米產(chǎn)品）中無機砷 常規(guī)測定要求。
