增敏剂改进超级微波消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定食品中硒元素

王 婷 曹务伦 曹俊飞 张维权 李 鹰 李 剑

(1.杭州谱育科技发展有限公司,杭州 311300;2.宁阳县综合检验检测中心,山东 济宁 272500)

随着研究的深入,硒元素逐步实现了从有毒元素到生物体必须微量元素这一转变,被世界卫生组织认定为生物体内所必须的微量元素之一[1-2],2011年,经食品安全国家标准评审委员会审查通过,《食品中污染物限量标准》(GB 2762—2012)中硒元素限量值也已经被取消。硒元素在减缓人体衰老、预防常见中老年疾病及提高人体免疫力等方面的功能受到了越来越多的青睐,市面上出现了富硒小米、富硒玉米、富硒枸杞等大量富硒产品[3]。《中华人民共和国农业行业标准 富硒茶》(NY/T 600—2002)中规定富硒茶含硒量范围为0.25～4.00 mg/kg,《中华人民共和国国家标准 富硒稻谷》(GB/T 22499—2008)中规定富硒稻谷硒含量范围为0.04～0.30 mg/kg。但另一方面,硒元素对于人体毒性和营养阈值较窄,过量摄入硒元素又对人体有害,每日推荐硒摄入量为50～250 μg[4]。因此,准确测定食品中硒元素对于富硒食品的生产及监测具有指导性意义。

参照《食品安全国家标准 食品中硒的测定》(GB 5009.93—2017),目前硒元素测定多采用氢化物发生原子荧光光谱法[5-8]、分子荧光光谱法[9]和电感耦合等离子体质谱法[10-12]。但氢化物原子荧光光谱法和分子荧光光谱法前处理过程繁琐,而电感耦合等离子体质谱法操作简便,检出限更低,线性范围宽,且一次性可以测试多种元素,应用前景较为广阔。但该方法的推广使用又受到硒元素自身特性的限制:硒元素具有较高的电离能,在等离子体氩气环境中较难电离,导致其响应值较低,无法满足低浓度测试需求;而丰度较高的80Se又受Ar-Ar干扰严重,测试时标准曲线相关性较差[13]。有文献指出,一定含量有机物的存在对汞、砷、金、硒等元素的有效电离(第一电离能介于9～11 eV之间)具有显著的增强效应[14-15],鉴于此,本文为了提高硒的信号强度,在反应体系中加入不同增敏剂,并对前处理方法及仪器参数进行优化,提高食品中硒元素的检测准确性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

EXPEC 790S型超级微波化学工作站(杭州谱育科技发展有限公司),SUPEC 7000 型电感耦合等离子体质谱仪(杭州谱育科技发展有限公司),Milli-Q型超纯水处理系统(美国Millipore公司)。

氩气(99.999%),氦气(99.999%)。超纯水(电阻率不小于18.25 MΩ·cm)。

硒的单元素标准储备溶液(1 000 mg/L,国家有色金属及电子材料分析测试中心)。

甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、丙三醇、硝酸均为优级纯。

标准溶液系列:移取适量硒元素标准储备溶液,用8%(体积分数,下同)硝酸配制成为浓度为0、0.5、1.0、2.0、5.0、10 μg/L的硒元素标准溶液系列。

调谐液:10 μg/L的锂、钴、铟、铀、钡、铈混合溶液,添加0.5%盐酸。

内标溶液:实验采用在线加内标方式进行测试(内标与样品进样比例为1∶1),增敏剂添加于内标溶液中;Ge溶液(50 μg/L)分别添加0%、2%、4%异丙醇,2%甲醇、乙醇、乙酸、丙三醇。

食品标准物质:GSB-8 奶粉、GSB-9 鸡肉、GSB-24 河南小麦、GSB-30 绿茶。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 超级微波消解

准确称量1.0 g(精确到0.000 1 g)样品于15 mL高纯石英消解管中,加入1 mL水、6 mL硝酸,轻微振荡摇匀,置于内衬桶中。根据超级微波消解仪操作规范,载液采用150 mL超纯水和5 mL硝酸。将内衬桶放入超级微波反应腔中,确认密封圈完好,加盖。设置预加压4 MPa,冷却温度为60 ℃,按照表1程序进行消解。消解完后,将消解管转移到赶酸仪上,130 ℃赶酸至2 mL后冷却至室温,用纯水定容至25 mL。同样方法制作试剂空白。

表1 超级微波消解仪升温程序Table 1 Heating program of super microwave digestion

1.2.2 ICP-MS条件

射频功率1 600 W,雾化器流量1.125 L/min,碰撞气(He)流量0.75 mL/min,辅助气流量1.00 L/min,冷却气流量15.0 L/min,冲洗/分析泵速20 r/min,采样深度1.97 nm,镍锥,驻留时间 200 ms。

2 结果与讨论

影响ICP-MS测试过程中Se元素响应值的主要因素有:样品中硒元素含量较低不易检出,且基体影响较大;Se元素自身第一电离能较高,电离效率较低。一方面通过优化前处理方式提高待测溶液的上机浓度;另一方面通过在测试过程中添加增敏剂来弥补硒元素自身较难电离的缺陷。

2.1 前处理方法优化

消解方案及消解效果如表2所示,以奶粉标准物质GSB-8,硒认定值为(0.11±0.03) mg/kg为例,使用超级微波消解的方式分别从称样量、加酸量、消解温度、是否赶酸来优化前处理方法,从消解状态、测试过程中的内标回收率、测试值与标准物质认定值的相对误差来评估消解方案的可行性。

由表2可知,方案1和2称样量分别为0.1、0.2 g,2 mL硝酸220 ℃即可保证消解液无色且无沉淀,且基体含量较低,未经赶酸操作即可保证内标回收率,但由于样品称样量较少,硒上机浓度较低,导致标准物质测定值与认定值偏差较大,因此,需要进一步提高称样量。方案3～6提高称样量至0.5 g,同样的加酸量及消解温度消解效果较差,存在少量沉淀且溶液呈淡黄色,消解不完全的有机质对硒元素存在一定的增敏作用,导致测试结果偏高;为保证消解效果,提高加酸量至4 mL,消解温度至240 ℃,赶酸后标准物质测试值相对误差降至9.46%。为进一步提高测试结果的准确性,方案7～11提高称样量至1.0 g,加酸量至6 mL,消解温度至260 ℃,标准物质测试相对误差为6.33%,内标降至85.4%,130 ℃赶酸后定容测试,标准物质测试相对误差降低至5.42%,内标提高至95.3%。为保证取样均匀性并提高上机浓度,本方法提高食品样品的一次性消解量至1.0 g;为减小基体干扰,消解过程中仅加入6 mL硝酸,260 ℃进行消解,同时消解结束后进行赶酸操作,测试过程中内标回收率为95.3%,证明赶酸操作能够有效控制基体含量;此外,防止硒元素在赶酸过程中损失,控制赶酸温度小于130 ℃。

2.2 测试方法优化

大量研究表明,在ICP-MS测试过程中添加一定比例有机物作为增敏剂能够有效提高第一电离能为9～11 eV元素的响应值[16-17]。其增敏原理目前存在以下几种说法:有机物如甲醇、乙醇等有机物的挥发性能有效提高雾化效率;有机物的存在改变了待测元素在等离子体中离子化的过程,进而提高了电离效率;有机物与待测元素离子发生作用,进而提高了离子的传输效率[14,18]。基于此,本文考察了不同增敏剂种类和比例下硒元素的响应值强度变化,找到了Se元素的最佳测试条件。

2.2.1 仪器参数的优化

添加增敏剂之前,首先调整仪器至最适硒测试状态,即保证硒响应值最高且其仪器检出限最低。本方法对雾化气及碰撞气流量进行了优化,通过监测在不同条件下5.0 μg/L硒溶液的响应值以及仪器检出限,得出硒测试的最佳仪器参数。

如表3所示,雾化气流量会影响待测元素的进样量和电离效率,当雾化气流量<1.125 L/min时,随着雾化气流量增大,硒进样量增多,其响应值随之升高;但当雾化气流量>1.125 L/min时,硒进样量虽然增多,但其电离效率下降,硒响应值反而呈下降趋势。此外,碰撞气流量会影响待测元素响应值及质谱干扰去除效率且对两者的影响效果相反,由表4可知,当雾化气流量一定时,随着碰撞气流量增大,硒信号损失增大,响应值降低,但其质谱干扰相对减少,故检出限也随之降低。

表3 雾化气流量对Se响应值的影响Table 3 Effects of atomized gas flow on Se response value

表4 碰撞气流量对Se响应值及仪器检出限的影响Table 4 Effects of collision gas flow on response value and detection limits of Se

表5 线性参数及检出限Table 5 Linearity parameters and detection limits

综上,为保证仪器响应值及检出限,本方法选择最佳雾化气和碰撞气流量分别为1.125、0.75 L/min。

2.2.2 增敏剂种类的优化

在上述优化所得仪器参数基础上,本文选择甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、丙三醇作为增敏剂添加于标准曲线测试过程中,结果如图1所示。对于77Se,添加2%甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、丙三醇后,响应值分别为无增敏剂存在时的2.9、3.5、2.3、4.6、1.5倍;对于78Se,添加2%甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、丙三醇后,响应值分别为无增敏剂存在时的4.2、4.7、3.9、5.2、3.4倍;对于82Se,添加2%甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、丙三醇后,响应值分别为无增敏剂存在时的3.3、4.3、2.6、5.5、1.8倍。可见,对于不同增敏剂,异丙醇对硒的增敏效果最佳,且对于77Se、78Se和82Se都具有明显的增敏效果。综上,在本方法中优先选择异丙醇作为增敏剂。

图1 不同增敏剂存在下硒元素响应值(增敏剂浓度:2%)(a)77Se;(b)78Se;(c)82SeFigure 1 Response values for selenium in the presence of different sensitizers(Sensitizer concentration:2%)(a)77Se;(b)78Se;(c)82Se.

2.2.3 增敏剂浓度的优化

为进一步提高增敏效果,本文对异丙醇浓度进行优化:0、2%、4%、6%、8%异丙醇存在下硒的响应值结果如图2所示,对于77Se,2%、4%、6%、8%异丙醇存在下其响应值分别为无增敏剂存在时的4.6、1.6、1.0、0.56倍;对于78Se,2%、4%、6%、8%异丙醇存在下其响应值分别为无增敏剂存在时的5.2、1.9、0.93、0.48倍;对于82Se,2%、4%、6%、8%异丙醇存在下其响应值分别为无增敏剂存在时的5.5、1.4、0.88、0.43倍。可见,2%异丙醇存在时增敏效果最佳,当异丙醇含量高于4%时,硒响应值反而下降。原因是有机物含量较高,消耗大量等离子体能量,导致等离子体中心通道温度降低,硒的离子化程度反而降低,导致其响应值降低。综上,在本方法中优先选择2%异丙醇作为增敏剂。

图2 不同浓度异丙醇存在下硒元素响应值(a)77Se;(b)78Se;(c)82SeFigure 2 Response values for selenium in the presence of different concentrations of isopropyl alcohol(a)77Se;(b)78Se;(c)82Se.

2.3 标准曲线和检出限

实验表明,2%异丙醇对硒的增敏效果最佳。为进一步证明该结论,本实验研究了不同增敏剂对硒元素检出限的影响,分别加入2%甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇、丙三醇,与不添加增敏剂的标准溶液作对比建立标准曲线,并计算77Se、78Se、82Se的仪器检出限,结果如5表所示。将添加增敏剂后Se响应值与不添加任何增敏剂时Se响应值作比值,可见添加2%甲醇、乙醇、乙酸、异丙醇后,随着Se响应值的提高,其检出限均有不同程度的降低,其中2%异丙醇效果最佳,78Se检出限降低了6.7倍,77Se与82Se检出限分别降低了3.2和4.2倍,这是由于相对于77Se和82Se,78Se的丰度更高;对于丙三醇,其加入反而使Se检出限提高。可见,2%异丙醇不仅能够有效提高硒元素响应值,还能降低硒元素的检出限,且对78Se的检出限改善最为明显。

2.4 准确度和精密度实验

实验表明,2%异丙醇对78Se的增敏效果最佳,为证明该方法测试结果的准确性,选择4种食品标准物质进行测试,分析78Se测试结果如表6所示,表中不同增敏剂添加比例均为2%,异丙醇体系中测试结果相对于认定值的相对偏差最小,乙醇次之,甲醇对准确度改善不明显,乙酸和丙三醇的加入对准确度改善无益。

表6 准确度实验Table 6 Results of tests for accuracy /(mg·kg-1)

按照添加2%异丙醇作为增敏剂的方法对实际样品中Se含量进行7次测定,分析78Se测试结果并计算测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表7,其测试7次RSD小于1.7%,根据样品浓度对样品进行加标,加标范围涵盖低中高浓度,加标回收率为99.8%～101%,表明数据准确可靠。

表7 精密度实验Table 7 Results of tests for precision /(mg·kg-1)

3 结论

利用超级微波消解-电感耦合等离子体质谱法对食品中硒元素进行测定,通过添加合适的增敏剂提高了硒元素的响应值,进而有效地降低了硒元素的检出限,提高了方法的准确度和精密度,可以用于食品中硒元素含量的测试。