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使用氢化物发生法-ICP-MS高通量测定大米中的无机砷

发布时间:2022-02-14   点击次数:283次

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suan盐 (As(III)) 和砷suan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。

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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 (30 g) 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。


样品前处理 在测定总砷含量时,每份样品取 0.15 g 置于敞口消解容器 中,加入 1 mL 浓 HNO3 和 2 mL H2O2 (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 30 mL。 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 mL 1% HNO3 和 1% H2O2 中进行提取 (5 min 50 °C,5 min 75 °C,10 min 95 °C)。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% HNO3 和 1% H2O2 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 — 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 HCl (5M)、NaBH4 (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。

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在酸性条件下利用 NaBH4 进行处理后,无机砷可有效转为 成挥发性胂 (AsH3),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 °C 的二 甲胂 (CH3)2AsH。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 — 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 程中高浓度 HCl 增加了氯形成的 40Ar35Cl 对砷 (m/z 75) 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 (O2) 发生反应转 化成了 AsO+ ,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 75As16O+ 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 AsO+ 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 HCl 也不存在显著的氯化物干扰。因此可在 Agilent 7900 ICP-MS 等四极杆 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 得的结果进行比较,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 µm, 4.6 × 250 mm),流动相为 20 mM 碳酸铵 (pH 8.5),流速为 1 mL/min。

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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)。

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两种 QC 物质均获得了良好的色谱柱回收率,其中 NIST 1568a 为 101 ± 4% (n = 3),IMEP-107 为 98 ± 9% (n = 12)。 对 IMEP-107 随每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 µg/kg,因此均未超过 现行浓度和 FAO/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 HCl (5 M) 和 NaBH4 选 择性生成胂的方法中,AsH3 几乎是所形成的产物,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 中的结果显示了所有市售大米产品中的无机砷浓度均 低于 FAO/WHO 食品法典委员会的 200 µg/kg 建议最大浓 度和 150 µg/kg 的中国法规最大浓度,即使修正了无机砷 提取物的低回收率后也是如此。如果仅以总砷浓度评估砷含 量,则 32%(31 个样品中的 10 种)样品超过了食品法典 委员会的建议最大浓度,且 42%(31 个样品中的 13 种) 超过了现行中国法规最大浓度。研究得出市售大米样品中 以无机砷形态存在的砷占总砷浓度的 26% - 84%。 在检出 MMA 的样品中,多数样品中的 MMA 浓度低于 LOQ,且任何样品中的 MMA 浓度均未超过 7 µg/kg。这 与美国 FDA 开展的大规模调查(共检测约 1300 多个大米样 品)中获得的结果一致 [9]。在美国 FDA 的调查中,97% 或 以上大米产品中的 MMA 浓度低于 LOD 或 LOQ(13 µg/kg 以下)。仅 1% 的样品含有 20 µg/kg 以上的 MMA,最高 报告浓度为 25 µg/kg。由此可以假定 MMA 在大米总砷 浓度中并非决定性因素,这一低浓度下的 MMA 不会影响 HG-ICP-MS/MS 对无机砷的测定结果。


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 [10]。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。


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