大米中无机砷检测方案(等离子体质谱)

样品前处理 作者 Asta H. Petursdottir3、StanislavMusil2、Nils Friedrich'、AndreaRaab、 Eva M. Krupp and JorgFeldmann' TESLA-Trace Element SpeciationLaboratory， University of Aberdeen，Aberdeen， AB24 3UE， Scotland， UK ‘ Institute of Analytical Chemistry ofthe ASCR， Brno， Czech Republic Matis， Environment and GeneticsDepartment， Reykjavik， Iceland 使用氢化物发生法-ICP-MS高通量测定大米中的无机砷 应用简报 食品安全 摘要 本文开发出了一种利用氢化物发生 (HG) 技术与 ICP-MS 分离并检测食品中无机砷 (iAs)的快速而灵敏的方法。31种市售大米中的无机砷含量测定值均低于现行中国法规中规定的最大浓度 (ML) 150 pg/kg。对 HG-ICP-MS 和 HPLC-ICP-MS获得的数据进行比较后发现两种分析技术的检测限相当。 HG-ICP-MS 是大规模筛选大米等食品样品的理想选择，因为这一技术仅需耗费传统 HPLC-ICP-MS 方法通常所需时间的一小部分，且分析性能不受任何影响。 为确保食品安全，应对食品中的砷类化合物等潜在毒性化学物质浓度进行密切监测。然而，砷类化合物的毒性取决于所含该元素的化学形态或“种类”而非总浓度。亚砷酸盐(As(III)) 和砷酸盐 (As(V))等无机砷公认具有高毒性和致癌性，而单甲基胂酸 (MMA) 和二甲基胂酸 (DMA) 等有机砷的毒性较低[1]。由于这种毒性差异的存在，因此大量研究致力于开发可靠而耐用的不同砷形态分离方法，以实现对毒性形态的特异性定量分析。 虽然不同形态的色谱分离与随后的ICP-MS 形态特异性定量分析已经成为了食品样品中痕量元素分离的公认首选方法，但还存在许多比高效液相色谱(HPLC) 更省时更经济的砷形态分析非色谱策略[2，3]。 本文重点介绍利用氢化物发生(HG) 技术和 ICP-MS 对大米样品中的无机砷进行形态分析。大米是世界上大部分人口的重要食物来源，但由于水稻吸收了土壤中的砷而使大米中的无机砷浓度相对较高。土壤中的砷可能天然存在，也可能来自人为来源，例如20世纪70年代前人们曾大量使用含砷农药。显然目前迫切需要一种简单而快速的分析方法来筛查大量样品中的无机砷以确保食品安全。 现行法规 中国已出台的法规中规定大米中无机砷的最大浓度 (ML) 为0.15 mg/kg [4]，南美洲贸易集团则规定大米中总砷的最大浓度为 0.3 mg/kg [5]。食品污染法典委员会举行第八次会议后，世界卫生组织(WHO) 建议精白米中的无机砷浓度不得超过 0.2 mg/kg [6]。美国和欧盟尚未针对大米中的无机砷浓度进行立法，但美国 FDA 和欧洲标准化委员会(CEN)已启动了致力于建立食品中无机砷测定标准方法的项目。 本研究评估了大米样品中无机砷测定的替代方法，证明无需采用耗时的色谱方法也可进行无机砷形态分析。 实验部分 化学品与标准品 所有标准溶液和样品均采用超纯水(>18MQ cm) 制备。 化学品/标准品 目的 来源 1002 mg/L砷标准储备溶液 总砷浓度校准与HG 测定 Merck， UK 二甲基胂酸钠(DMA， 98%) HPLC-ICP-MS 测定 ChemService， USA 铑： 1 pg/L HG测定中的内标 Specpure， Alfa Aesar，Germany 铑： 25 pg/L 总砷/形态分析中的内标 Specpure， Alfa Aesar，Germany 硝酸 (69%) Fluka， UK 硝酸铵 (98+%) Sigma-Aldrich， UK 铵溶液(28%) 和碳酸铵 BDH， UK 过氧化氢(>30%w/v)、 磷酸铵、氢氧化钠 (*实验纯) Fisher Scientific， UK 盐酸(32%，*实验纯) 氢化物发生反应 Fisher Scientific， UK 硼氢化钠(99%) Acros Organics， UK 消泡剂B乳浊液 Sigma-Aldrich (USA) 除另有说明，所有化学品均至少为分析级(AR)。 *LR=实验室级纯度 样品与参比物质 样品中包括31种购自本地商店的不同大米以及12种在受控砷暴露环境下生长的大米。使用咖啡研磨机将市售大米样品的子样品(30g) 研磨成均匀的细粉。将 IMEP-107 大米(比利时赫尔参比物质和测量研究所)和美国国家标准技术研究院 (NIST) 1568a 米粉 (Gaithersburg， MD， USA) 两种大米参比物质用作无机砷浓度测定的质量控制。 在测定总砷含量时，每份样品取0.15g置于敞口消解容器中，加入 1 mL浓 HNO和2mL H202 (30%w/w)，并在CEM Mars 微波系统中进行消解。使用去离子水将所有样品稀释至最终体积为 30mL。 利用 HPLC-ICP-MS 进行无机砷形态分析时，取大米样品0.1 g 加入 10 mL1%HNO， 和1%Hz0中进行提取(5 min50°℃， 5 min 75C， 10 min 95℃)。采用 HG-ICP-MS 进行分析时样品提取物制备与上述方法相同。此外采用1%HNO和1%Hz0以与样品相同的方式配制校准标样。分析前将每份样品在 13000 rpm 下离心 10 min。 仪器一氢化物发生法 针对安捷伦 ICP-MS 集成进样系统 (ISIS) 的氢化物发生附件可用于砷等气态氢化物形成元素的高灵敏度分析。图1显示了本研究中所用的 HG-ICP-MS 配置。通过 ASX-500自动进样器进样，并通过 ISIS 蠕动泵(PP1)将样品运输至氢化物发生器。样品在混合线圈中与 HCI(5M)、NaBH，(2%(w/v)) 和消泡剂B乳浊液混合后进入气液分离器。随后含有无机砷(以挥发性氢化物形式存在)的气态样品随ICP-MS尾吹气路控制的氩气流被输送至 ICP-MS 雾化室。Rh 内标 (IS) 通过常规气动雾化器引入 ICP-MS 雾化室，创造出湿润的等离子体条件。方法开发的详细信息请参见之前的文献[7]。最佳运行条件如表1所示。 图1.本研究中所用 HG-ICP-MS配置示意图 表1.氢化物发生法的运行参数 参数 值 样品流速(mL/min) 0.5 HCI流速 (mL/min) 2.5 NaBH， 流速 (mL/min) 0.5 反应线圈体积 (mL) 0.23 HG 氩气流速(L/min) 0.3 内标雾化的氩气流速(L/min) 0.85 -0.95 在酸性条件下利用 NaBH，进行处理后， 无机砷可有效转为成挥发性胂 (AsH)，而有机结合的砷化合物未被转化，或仅形成了挥发性较弱的胂类化合物，如沸点为35°℃ 的二甲胂(CH)zAsH。加入高浓度盐酸可进一步减少挥发性较弱的胂类化合物的产生，而无机砷几乎全部转化为胂，从而无需使用色谱技术进行形态分离即可对无机砷进行单独测定。 仪器一ICP-MS 将 HG 与 Agilent 8800 串联四极杆 ICP-MS (ICP-MS/MS)串联以实现砷的检测。由于 ICP-MS/MS 有助于对潜在干扰物进行监测与控制，因此与传统四极杆 ICP-QMS 相比更适用于初始方法开发。由于通过 HG 的胂选择性形成过程中必不可少的高浓度 HCI 增加了了形成的“Ar3Cl对砷(m/z75)造成干扰的机会，因此这一点非常重要。 使用ICP-MS/MS 测定砷的首选方法是利用质量转换方法，在该方法中 As*与反应池气体氧气(02)发生反应转化成了As0*， 然后作为 m/z 91 的 As*子离子得到测定。ICP-MS/MS 能够在 MS/MS 模式下运行，在该模式中两个四极杆均作为单位质量过滤器运行。如果将Q1设置为m/z 75， 则仅有砷和原位质量干扰引入反应池，因此目标子离子7As 0* m/z 91 的潜在干扰可被排除。而在初始研究中[7]，氧气反应模式(其中以m/z 91 As0*的形式对砷进行间接测定)和无气体模式(其中以m/z 75 对砷进行直接测定)下获得的 HG结果之间并不存在差异，表明尽管使用高浓度 HCI 也不存在显著的氯化物干扰。因此可在Agilent 7900 ICP-MS 等干极杆 ICP-MS 仪器中采用相同的氢化物发生法对砷进行测定。 为将 HG-ICP-MS/MS 结果与成熟 HPLC-ICP-MS 方法所得的结果进行比行，我们将 Agilent 1100 HPLC 连接至ICP-MS/MS。实验中采用 Hamilton PRP X-100阴离子交换柱(10 pm，4.6×250mm)， 流动相为20mM 碳酸铵(pH8.5)， 流速为1mL/min。 表 2.ICP-MS/MS运行条件 总砷含量测定 ICP-MS/MS HG-ICP- MS/MS HPLC-ICP-MS/MS 参数 值 RF功率(W) 1550 载气流速(L/min) 1.19 0.93 1.13 尾吹气流速(L/min)* 0.3 雾化室温度(C) 2 采样深度(mm) 8 提取透镜1(V) -4 0.5 0 提取透镜2(V) -185 -170 -200 四极杆模式 单四极杆 MS/MS 反应池气体模式与流速(%) 无气体 02(30) ( *用作氢化物发生法中的吹扫气 ) 结果与讨论 质量控制 如表3a 所示， ICP-MS/MS测定出的 NIST 1568a 和IMEP-107 中的总砷浓度与各自标准值和分析能力测试值均呈现出良好的一致性。使用 HG-ICP-MS/MS 测得的NIST 1568a 和IMEP-107 中的无机砷形态分析结果与使用 HPLC-ICP-MS/MS 测定的结果和报告值保持高度一致(表3b)。 表 3a. ICP-MS/MS 测得的 NIST 1568a 和IMEP-107 中的总砷浓度 总砷 ICP-MS/MS (pg/kg) 标准值(pg/kg) NIST 1568a 295±6，(n=3) 290±30 IMEP-107 173±1， (n=3) *172±18 *分析能力测试 表 3b.使用 HG-ICP-MS/MS 和 HPLC-ICP-MS/MS 测得的无机砷结果 无机砷 HG-ICP-MS/MS HPLC-ICP-MS/MS 报告值 (ug/kg) (pg/kg) (pg/kg) NIST 1568a 94±8(n=3) 105±4(n=3) 94±12[7] IMEP-107 100±11 (n=15) 110±12 (n=15) 107±14 [8] 两种 QC 物质均获得了良好的色谱柱回收率，其中 NIST1568a 为101±4%(n=3)， IMEP-107 为 98±9%(n=12)。对 IMEP-107 随品批样品共同进行了分析，通过这些多次测量结果对“日内”RSD 和“日间”RSD 进行了计算。 HG和 HPLC 的日内 RSD 平均值为3%，所有测定日中的所有重复测定均值 RSD 为11%。结果显示两种方法的重现性和重复性相似。分析每批样品时均对空白样品进行了分析。 HG-ICP-MS/MS 和 HPLC-ICP-MS/MS结果比较 多种大米中的总砷提取效率普遍较高，平均值为91%±10%，范围为 73%-111%。对于最大浓度而言，接受研究的所有样品中无机砷含量均低于150 ug/kg，因此均未超过现行中国最大浓度和 FA0/WHO 联合食品法典委员会的无机砷建议最大浓度规定。所有样品的 HPLC 色谱柱回收率均可实现定量分析(94%±10%)。 表4a 和4b中汇总了无机砷、DMA 和总砷的测定值。HG-ICP-MS 和 HPLC-ICP-MS 测得的无机砷结果显示出了良好的一致性。大米中存在的主要砷形态为无机砷和 DMA，MMA仅存在痕量水平。在使用 HCI (5M) 和NaBH 选择性生成胂的方法中，AsH，几乎是所形成的唯一产物，而仅有少量 DMA 产生约2%-4%的二甲胂贡献。砷暴露环 境中生长大米的分析结果同样确定了这一点(表4b)。尽管样品含有高浓度 DMA， 但HG-ICP-MS 测得的无机砷与HPLC-ICP-MS 测得的结果仍具有良好一致性。MMA 可通过该方法形成甲基胂，转化率约为40%；但由于大米中通常不含 MMA 或仅含痕量 MMA， 因此应不会对无机砷的定量分析造成影响。 表 4a. HG-ICP-MS/MS和 HPLC-ICP-MS/MS 测得的31种大米产品中无机砷的形态分析结果。表中还给出了DMA 和 MMA的结果以及 ICP-MS/MS 测得的总砷浓度。结果均以数值±SD 表示，形态分析结果中n=3， 总砷测定中n=2或3 大米产品 HG iAs HPLC iAs HPLC DMA HPLC MMA* 总砷 (pg/kg) (ug/kg) (pg/kg) (pg/kg) (pg/kg) Arborio Risotto 米 113±13 120±18 63±7 摘要本文开发出了一种利用氢化物发生 (HG) 技术与 ICP-MS 分离并检测食品中无机砷 (iAs) 的快速而灵敏的方法。31 种市售大米中的无机砷含量测定值均低于现行中国法规中规定的最大浓度 (ML) 150 μg/kg。对 HG-ICP-MS 和 HPLC-ICP-MS 获得的数据进行比较后发现两种分析技术的检测限相当。HG-ICP-MS 是大规模筛选大米等食品样品的理想选择，因为这一技术仅需耗费传统 HPLC-ICP-MS 方法通常所需时间的一小部分，且分析性能不受任何影响。前言为确保食品安全，应对食品中的砷类化合物等潜在毒性化学物质浓度进行密切监测。然而，砷类化合物的毒性取决于所含该元素的化学形态或“种类”而非总浓度。亚砷酸盐 (As(III)) 和砷酸盐 (As(V)) 等无机砷公认具有高毒性和致癌性，而单甲基胂酸 (MMA) 和二甲基胂酸 (DMA) 等有机砷的毒性较低。由于这种毒性差异的存在，因此大量研究致力于开发可靠而耐用的不同砷形态分离方法，以实现对毒性形态的特异性定量分析。虽然不同形态的色谱分离与随后的 ICP-MS 形态特异性定量分析已经成为了食品样品中痕量元素分离的公认首选方法，但还存在许多比高效液相色谱 (HPLC) 更省时更经济的砷形态分析非色谱策略。本文重点介绍利用氢化物发生 (HG) 技术和 ICP-MS 对大米样品中的无机砷进行形态分析。大米是世界上大部分人口的重要食物来源，但由于水稻吸收了土壤中的砷而使大米中的无机砷浓度相对较高。土壤中的砷可能天然存在，也可能来自人为来源，例如 20 世纪 70 年代前人们曾大量使用含砷农药。显然目前迫切需要一种简单而快速的分析方法来筛查大量样品中的无机砷以确保食品安全。结论本研究使用安捷伦氢化物发生器/ISIS 联用 Agilent 8800 ICP-MS/MS 对 43 种大米样品提取物中低 ppb 水平的无机砷 (iAs) 进行了测定。HG-ICP-MS/MS 获得的结果与 HPLC-ICP-MS/MS 结果在较宽的线性范围内均呈现良好的一致性，且具有相似的检测限。在通过微波提取进行简单的样品前处理后利用 HG-ICPMS/MS 对无机砷和 DMA 进行了快速在线分离。之前的研究结果显示 HG-ICP-MS/MS 的总运行时间仅为 4 分钟/样品（5 次重复测定），而 HPLC 进行一次测定通常需要 5 - 10 分钟/样品 。由于无需进行色谱峰积分，因此 HG 方法的数据处理也非常简单。全新 HG-ICP-MS 方法实现了更快的分析时间、更高的通量和简单可靠的操作。这使该方法极其适用于筛查大量食品样品，以满足不断增加的食品（尤其是大米产品）中无机砷常规测定要求。