电感耦合等离子体质谱法在食品重金属检测中的应用

作者: 张增坤

摘 要:在食品重金属检测中,电感耦合等离子体质谱法(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry,ICP-MS)可以提供快速准确的检测结果,帮助相关人员及时了解食品中的有害物质含量,从而迅速采取相应措施。基于此,本文介绍了ICP-MS的工作原理,包括电感耦合等离子体的产生和质谱分析过程;探讨了食品样品的前处理方法,如消解技术等;重点分析了ICP-MS在检测食品中常见重金属(如铅、镉、汞、砷等)方面的优势,包括高灵敏度、多元素同时分析能力等,同时也指出了该方法在实际应用中面临的挑战,如光谱干扰和高成本等,为相关人员提供参考。

关键词:电感耦合等离子体质谱法;食品;重金属;检测

Application of Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry in the Detection of Heavy Metals in Food

ZHANG Zengkun

(Jinan Food and Drug Inspection and Testing Center, Jinan 250000, China)

Abstract: In the detection of heavy metals in food, inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) can provide rapid and accurate detection results, and help relevant personnel timely understand the content of harmful substances in food, so as to take corresponding measures quickly. Based on this, this article elaborates on the application of ICP-MS in the detection of heavy metals in food. Firstly, the working principle of ICP-MS was introduced, including the generation of inductively coupled plasma and the mass spectrometry analysis process. Then, the pre-treatment methods for food samples, such as digestion techniques, were discussed. The advantages of ICP-MS in detecting common heavy metals (such as lead, cadmium, mercury, arsenic, etc.) in food were analyzed, including high sensitivity and the ability to simultaneously analyze multiple elements. At the same time, the challenges faced by this method in practical applications, such as spectral interference and high cost, were also pointed out.

Keywords: inductively coupled plasma mass spectrometry; food; heavy metals; testing

食品安全一直是全球关注的重点问题,其中食品中的重金属污染对人体健康构成了潜在威胁[1-2]。重金属在人体内积累到一定程度会导致各种疾病,准确、快速地检测食品中的重金属含量至关重要。电感耦合等离子体质谱法(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry,ICP-MS)作为一种先进的分析技术,在食品重金属检测领域得到了广泛应用。

1 ICP-MS的工作原理

1.1 电感耦合等离子体

1.1.1 等离子体的产生

通过射频发生器产生高频交变磁场,在石英炬管内使氩气电离形成等离子体。射频发生器一般工作频率在27~50 MHz,产生的能量使氩气原子中的电子获得足够的能量脱离原子核,形成自由电子和离子,进而引发更多的氩气电离,形成稳定的等离子体。等离子体的温度可达6 000~10 000 K,在这个高温环境下,样品被引入等离子体后会迅速原子化和离子化。

1.1.2 样品引入与原子化、离子化

样品通常以溶液形式通过雾化器进入等离子体。雾化器将样品溶液转化为细小的气溶胶,然后通过加热的雾室进一步去除溶剂,使气溶胶中的溶质进入等离子体。在等离子体中,样品中的元素被分解成原子,这些原子在高温下进一步失去电子成为离子。

1.2 质谱分析

1.2.1 离子传输与聚焦

离子化后的元素离子通过采样锥和截取锥从等离子体中提取出来。采样锥和截取锥通常由镍或铂制成,它们能够有效地将等离子体中的离子传输到后续的离子光学系统。离子光学系统包括一系列的离子透镜,其作用是对离子进行聚焦和加速,使离子形成具有一定能量和方向的离子束。

1.2.2 质量分析器

常用的质量分析器有四极杆质量分析器和飞行时间质量分析器等。四极杆质量分析器通过在4根平行的金属杆上施加直流和射频电压,产生一个可变的电场,只有特定质荷比(m/z)的离子能够稳定地通过四极杆到达检测器,其他离子则因不稳定的轨迹而被滤除。飞行时间质量分析器根据离子在无场区域飞行的时间与质荷比的平方根成正比的原理进行质量分析。离子在加速后进入无场飞行管,不同质荷比的离子飞行速度不同,到达检测器的时间也不同,从而实现对离子的分离和检测。

1.2.3 离子检测与数据处理

离子到达检测器后,产生电信号,该信号经过放大和处理后转换为数字信号。通过测量不同质荷比离子的信号强度,可以定量分析样品中各种元素的含量。数据处理软件可以对检测结果进行校准、积分、统计分析等操作,最终得到准确的元素浓度数据。

2 食品样品的前处理方法

2.1 消解技术

2.1.1 湿法消解

湿法消解是使用强酸溶液对食品样品进行加热消解的方法。常用的酸有硝酸、硫酸、高氯酸等。例如,对于肉类样品,通常采用硝酸-高氯酸混合酸进行消解。具体操作时,将样品称取到消解容器中,加入适量的酸,在加热板上缓慢加热,控制温度在100~200 ℃,使样品逐渐分解。在消解过程中,需要注意防止溶液暴沸和酸雾挥发。消解完成后,将溶液冷却,定容至一定体积,准备进行ICP-MS分析。湿法消解的优点是适用范围广,能够处理大多数食品样品;缺点是消解时间长,酸用量大,容易引入污染。

2.1.2 微波消解

微波消解是利用微波能加速样品消解的方法。将食品样品和消解酸放入微波消解罐中,密封后放入微波消解仪中进行消解。微波消解的原理是微波能使消解液中的分子产生高速振动和摩擦,从而产生热量,加速样品的分解[3-4]。例如,对于谷物样品,采用硝酸-过氧化氢混合酸进行微波消解,一般在10~30 min即可完成消解过程。微波消解的优点是消解速度快,消解效率高,酸用量少,减少了污染的可能性;缺点是设备成本较高,消解罐有一定的使用寿命。

2.2 其他前处理方法

2.2.1 提取法

对于某些特定的食品成分或重金属形态分析,可采用提取法。例如,对于海产品中的有机汞分析,可以采用有机溶剂提取的方法,将有机汞从样品中提取出来,然后再进行后续的消解和分析。

2.2.2 固相萃取和固相微萃取

固相萃取和固相微萃取主要用于样品的净化和富集。固相萃取是将样品溶液通过装有吸附剂的小柱,目标化合物被吸附在柱上,然后用适当的溶剂洗脱下来进行分析。固相微萃取则是利用涂有吸附剂的纤维头对样品中的目标化合物进行萃取和富集,然后将纤维头插入仪器进行分析,适用于样品中痕量重金属的分析。

3 ICP-MS在食品重金属检测中的优势

3.1 高灵敏度

3.1.1 检测限低

ICP-MS能够检测到极低浓度的重金属元素。对于大多数重金属,其检测限可以达到万亿分之一级别。例如,在检测饮用水中的汞时,检测限可以达到0.01 ng·L-1。这是由于ICP-MS的离子化效率高,且质谱仪对离子的检测能力强。在等离子体中,几乎所有的元素都能被有效地离子化,而质谱仪能够精确地分离和检测这些离子,即使是极低浓度的离子也能被检测到。

3.1.2 痕量分析能力

在食品检测中,许多重金属元素的含量往往处于痕量水平。ICP-MS能够准确地分析这些痕量元素。例如,在检测茶叶中的铅和镉时,即使其含量在μg·kg-1级别,ICP-MS也能给出准确的定量结果。这种高灵敏度使得ICP-MS在检测食品中的重金属污染方面具有重要价值,能够及时发现食品安全隐患。

3.2 多元素同时分析

3.2.1 一次进样分析多个元素

ICP-MS可以在一次进样中同时检测多种重金属元素。例如,在检测蔬菜中的重金属时,可以同时检测铅、镉、汞、砷、铬等多种元素。这是因为在等离子体中,样品中的所有元素都被原子化和离子化,然后通过质谱仪进行分离和检测。不同质荷比的离子在质谱仪中被依次检测,最终通过数据处理软件可以同时获得多种元素的含量信息。

3.2.2 提高分析效率

相较于传统的单元素分析方法,如原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectroscopy,AAS),ICP-MS的多元素同时分析能力大大提高了分析效率。对于大量食品样品的检测,该技术能够节省大量的时间和试剂成本。例如,在对一批水果进行重金属检测时,如果采用AAS方法,需要逐个元素进行分析,而ICP-MS可以在短时间内完成所有相关重金属元素的检测。

3.3 准确性和精密度高

3.3.1 校准与定量分析

ICP-MS通过使用标准溶液进行校准,可以实现准确的定量分析[5]。标准溶液中含有已知浓度的目标元素,通过测量标准溶液和样品溶液中元素离子的信号强度,根据校准曲线可以计算出样品中元素的浓度。例如,在检测牛奶中的重金属时,使用一系列不同浓度的铅、镉等标准溶液建立校准曲线,然后测量牛奶样品中相应元素离子的信号强度,代入校准曲线即可得到准确的元素浓度。

3.3.2 相对标准偏差小

ICP-MS分析结果的精密度高,相对标准偏差(Relative Standard Deviation,RSD)通常较小。在正常操作条件下,对同一样品进行多次重复测量,其RSD一般可以控制在5%以内。这是由于ICP-MS的仪器稳定性好,离子化过程和质谱分析过程的重现性高,能够保证每次测量结果的准确性和一致性。

4 ICP-MS在食品重金属检测中的局限性和挑战

4.1 光谱干扰

4.1.1 同量异位素干扰

在复杂基质的食品样品中,可能存在同量异位素干扰。例如,氩(Ar)的同位素40Ar可能会对钙(Ca)的同位素40Ca产生干扰,因为它们具有相同的质荷比。这种干扰会影响分析结果的准确性,需要采用特殊的校正方法,如数学校正模型或采用高分辨率的质谱仪来解决。

4.1.2 多原子离子干扰

等离子体中形成的多原子离子也会对某些元素的检测产生干扰。例如,由氩和氧形成的ArO+离子可能会干扰铁(Fe)的检测,因为ArO+的质荷比与某些Fe同位素的质荷比相近。为了消除这种干扰,可以采用碰撞/反应池技术,通过在离子进入质谱仪之前与反应气体发生碰撞或反应,改变干扰离子的质荷比,使其与目标离子分离。

4.2 成本较高

4.2.1 仪器设备成本

ICP-MS仪器价格昂贵,这对于一些小型检测机构和企业来说是一个较大的投资。仪器的维护成本也较高,包括定期更换消耗品(如雾化器、锥、泵管等)、维修费用以及校准费用等。例如,一个雾化器的更换成本可能上万元。

4.2.2 运行成本

ICP-MS在运行过程中需要消耗大量的高纯氩气,氩气的成本较高。此外,仪器的耗电量大,也增加了运行成本。同时,由于该技术需要专业人员操作和维护,人员培训成本也是运行成本的一部分。

5 结语

电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)在食品重金属检测中具有不可替代的优势,其高灵敏度、多元素同时分析能力、高准确性和精密度使其成为食品安全检测的重要手段。然而,该方法也面临着光谱干扰和成本较高等挑战。随着技术的不断发展,如技术进一步完善和仪器成本的降低,ICP-MS在食品重金属检测领域的应用将会更加广泛和深入,为保障全球食品安全做出更大贡献。

参考文献

[1]宋敏,李蓓.电感耦合等离子体质谱法在食品中重金属检测中的应用[J].食品安全质量检测学报,2018,9(5):1045-1049.

[2]孟翠莲,王晓舟,朱毅然,等.微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定鸡组织中铬的含量[J].动物医学进展,2020,41(7):93-98.

[3]韦燕燕,蒙舒婷,张海霞.微波消解-ICP-MS法测定桄榔粉中多种元素[J].食品工业,2020,41(10):310-313.

[4]李清清,陆志芸,陈贵宇.微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定电子烟雾化液中多种重金属元素[J].分析仪器,2019(5):18-23.

[5]冯俊,王银剑,段文等.电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定地质样品中镉、铬、钨、钽和铌[J].中国无机分析化学,2024,14(5):586-592.

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