茶叶浸泡液中Al、As、Pb等13 种痕量元素检测方案(等离子体质谱)

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作者 Raquel F. Milani、Leandro l. Peron、Elisabete S. Saron、Marcelo A.Morgano Instituto de Tecnologiade Alimentos， Campinas SP， Brasil Fabio F. Silva 安捷伦科技(巴西))有限公司 Sao Paulo， SP， Brasil Solange CadoreUniversidade Estadual de Campinas，Campinas， SP， Brasil 采用 ICP-MS 的集成进样系统-不连续进样(ISIS-DS)对茶叶浸泡液中的13种痕量元素进行直接分析 应用简报食品检测与农业 前言 茶叶因其抗氧化活性以及含有一些微量营养素，比如矿物质、黄酮类以及儿茶酚，使其消费日趋增长，因此对经过浸泡的茶叶、花或根部的前处理液的分析具有重要科学价值[1]。已有研究表明，草本植物中存在潜在的有毒和累积性物质，如无机污染物[2]。这些污染物源自草本茶生产过程中的各个环节，也包括土壤、水、肥料以及工业排放的大气[3]。根据其浓度的不同，潜在的有毒元素对人体健康损害程度也有所不同，轻则肝脏和肾脏机能障碍，重则致癌。不过，茶叶中的污染物并不是都能被浸泡出来。大多数残留有毒物的浓度很低，因此降低了饮茶所带来的风险。 评价茶叶浸泡液中痕量多元素浓度最常用的方法之一就是将样品消消后用 ICP-MS检测。这种方法需要微波消解系统和试剂，比如浓酸和氧化剂。整个过程中，样品的稀释因子可能达到10-100倍。这种方法需要较长的运行时间和过量的试剂，因此往往导致方法的检测限较差。反之，直接分析法也会使性能大打折扣，比如精度和长期稳定性下降、残留物积聚以及维护成本增加等。 用于7700x/7800 ICP-MS 的安捷伦集成进样系统 (ISIS)配件采用不连续进样(DS)模式进行直接分析。其优点在于样品消耗量准确，避免了在 ICP-MS进样系统中引入不必要的样品。而且， DS 模式能够保持仪器性能，当配合使用独特的 ORS 和 He碰撞气体时，将实现高速分析。 采用惰性碰撞气体：(氦气)高效运行的碰撞池与不连续进样之间的协同作用有利于获得优异的检测限、精度和通量等卓越性能。本应用简报通过证实氦碰撞模式与不连续进样结合的优点，建立了一个简单易用、无多元素干扰的茶叶浸泡液中13种元素的测定方法，并对其进行了验证。 ( 实验 ) Agilent 7700x ICP-MS 系统配备带标准样品引入系统的安捷伦 I-AS自动进样器，样品引入系统中包括 MicroMist玻璃同心雾化器、石英双通道雾室、带稀释端口的连接管、2.5 mm 内径的石英炬管和标准镍锥。使用设置一个蠕动泵和一个6通切换阀的 ISIS 附件实现不连续进样(DS)。不连续进羊与 ICP-MS结合后，系统只输送所需要的样品量，这不仅使运行时间以及样品负载量降至最低，而且也提高了生产率并进一步改善了长期基质耐受性。ISIS-DS 可使用预配置的 ISIS 管线工具包，从而简化安装和使用过程。 图1为 ISIS-DS 系统的工作原理图。虽然系统中有内标和载体溶液的连续液流，但样品仍在6通阀的载样位置填充定量环。随后，阀切换至进样位置，使载体溶液通过样品定量环，使其推动样品进入雾化器中。 有关 ISIS-DS 操作的详细信息，请参见之前的文献[4，5]。 使用ICP-MS MassHunter 软件按照食品和临床应用预先设置的方法进行 7700x的调谐。本方法使用了无气体、氦气和 HEHe模式，调谐条件列于表1。 校准时，将13种元素分为两组：一组是低含量范围(0、0.1、0.5、1、5、10和100 pg/L)， 包括 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb 和 Se。另一组是较高含量范围(0、10、100、250、500、1000和2000 pg/L)， 包括 Al、Ba、Fe、Mn 和Zn。两条分析曲线的样品均在 0.2%v/v HNO：中配制。方法中不需要进行基质匹配或重新校准。内标混合溶液含有 Sc、Ge 和Y， 各浓度均为 250 pg/L，在线加入。 初始校准后，连续测定分析空白溶液10次，用其标准偏差(s)计算检测限(DL=3×s) 和定量限(QL=10×s)。利用变异系数(n= 16的CV)计算重复性。由于缺少这类基质的有证标准物质，因此采用分析物加标的回收率评价方法的准确度。为了获得精度和准确度，向样品浸泡液中加入不同浓度的分析物： As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb 和 Se (浓度为10和 50 g/L)； Al、Ba、Fe、Mn和Zn (浓度为250和500pg/L)。 图1.在 DS 模式下运行的 ISIS： 阀处于载样位置(A)和进样位置(B) Agilent 7700x参数 RF功率 1550W 载气流速 1.1 L/min 元素/内标数量 13/3 重复/峰型模式/吹扫 3/3/100 读取时间 60 s 池调谐模式 无气体/He/HEHe 不同模式之间转换时间(无气体/He/HEHe) 5s HEHe 模式下的 He 池流量 10 mL/min HEHe 模式下的动能歧视 7V He 模式下的 He池流量 5mL/min He模式下的动能歧视 5V 安捷伦 ISIS-DS参数 定量环体积和尺寸 150/30 (pL/cm) 提升时间 20s 采集延迟 20s 冲洗时间 采集时预取样清洗 使用四种不同种类的茶叶(见表2)验证了方法性能。本研究试验了三种来自本地市场不同商标的茶 (2013Campinas， SP-Brazil)，每个牌子的茶叶，配制三种浸泡液。浸泡液的前处理如下：1.5g样品(相当于一个商品茶叶袋)在200mL 去离子水(18.2MW.cm)中煮沸3分钟。冷却后将浸泡液酸化 (HNO， 0.2%v/v)， 然后通过 250 pm 的高分子膜过滤并转移到自动进样器样品瓶中。 表2.方法应用中的茶叶样品 蜜蜂花 香蜂花叶 茴香 茴芹果 花和果 苹果果 玫瑰茄花 狗蔷薇花和果 酸橙果皮 柠檬果皮 甜叶菊 红色 野茶树的茎和叶 结果与讨论 这种应用的常规方法要求高通量、低检测限和低变异系数。以下将讨论所有这些性能数据。 生产率和稳定性 在一个分析流程中，样品前处理是最耗时的步骤之一。直接进样法取代常规的消解法，分析时间大大缩短。Agilent 7700/7800 ICP-MS的部分标准配置，如 MicroMist雾化器、珀尔帖冷却双通道雾室、高基质进样(HMI)系统、宽直径(内径2.5mm)炬管中心管以及固态 RF(27MHz)发生器，为本研究所用挑战性基质的分析提供稳定性能起到了重要的保障作用。这些配置创造了一个非常稳定的等离子体，其 CeO*/Ce*值低于1.5%。即使具备了这样稳定的等离子体性能，但对于长时间的茶叶样品直接引入，可能也会引起采样锥的堵塞以及内标的不稳定问题。这将需要维护，并且还要停工进行清洗或更换进样部件。采用 ISIS-DS， 将引入到 ICP-MS的样品量减少为1/4-1/3，从而解决这些问题，增强系统的稳定性。从图2显示的2小时期间内标的波动曲线可以估算系统的稳定性。 图2.所有样品校准空白归一化的内标回收率 就每个样品的总分析时间(样品提升、稳定、读数和清洗时间)进行比较， DS-ICP-MS 比常规 ICP-MS 缩短了30%的运行时间(136秒对197秒)。这只有通过 DS 模式下的 ISIS 才达达到。当然， ORS'的作用也很重要，因为它仅使用不同的氦气模式(普通He 模式和 HEHe模式)就可以解决几乎所有多原子干扰，并且其容量很小，可在大约5秒内实现无气体、He 和 HEHe模式之间的转换。分析人员在同一个方法中可以选择多种模式，分析时间不会明显增加。 就食品质量控制而言，有些元素可能是有毒污染物，如Al、Asi Ba、Cd、Hg、Ni 和 Pb；有些元素则是营养元素，如 Fe、Mn 和Zn；或乃至二者皆备者，如Cu、Cr 和 Se。通常，样品中污染物的含量很低，而营养元素可能含量较高。这是食品分析要面对的一种挑战，因为很难用单一的仪器在单一的方法中兼顾不同的浓度范围。 Agilent 7700/7800 ICP-MS 的双级检测器对于所有这些不同浓度范围都能够获得线性(R)大于0.9999 的校准曲线。 检测限、精度和回收率 茶叶样品的直接分析使样品处理最小化，降低了化学处理所带来的污染和毒害风险。而且，该方法不需要稀释，因此改善了检测限。池模式之间的快速转换使用户能够在三种不同的调谐模式之间选择最适宜的一种模式进行分析。以52Cr*为例，它会受12c4Ar* 的严重干扰，但是在本应用中，利用He模式式可轻松对Cr 进行定量；而茶叶浸泡液分析中， 22Hg*+有有多原子干扰，可以在无气体模式直接测定。这种特性降低了检测限。降低检测限的另一个挑战是来自非控制环境中潜在的污染物。受此影响的元素包括 Al、Cu、Mn 和 Zn。表3给出的是检测限、定量限和其他性能指标，以及所研究分析物的最佳分析条件。 使用本方法提出的条件，精度可以保持在20%以内，回收率介于82%-121%之间。 限度 (pg/L) 精密度 回收率(%) 同位素 反应池 ISTD 检测限 (3s) 定量限(10s) (%) 浓度1 浓度2 "Al He "Ge 6 20 13 103±5 99±3 Cr He 0.09 0.29 17 85±1 91±1 Mn He Ge 0.11 0.38 11 87±4 89±6 56Fe HEHe "Ge 0.66 2.2 8 85±4 92±3 6Ni He 0.63 2.1 10 82±1 89±1 63Cu Ge 0.51 1.7 2 95±5 92±1 66Zn He Ge 10 35 15 95±6 95±3 7As HEHe 89y 0.14 0.46 4 96±2 104±2 8Se HEHe - 0.15 0.50 3 106±2 110.5±0.4 llCd - Ge 0.016 0.053 4 99±1 100±1 138Ba He 72Ge 0.60 2.0 12 110±8 111±3 22Hg - 45Sc 0.10 0.34 9 111±4 121.0±0.4 206Pb HEHe "Ge 0.12 0.39 6 112±3 113±2 样品分析 优化分析条件并评价方法性能之后，对选定的四种不同茶叶的三个样品进行了分析，每个样品一式三份，用于验证该方法对实际样品分析的可行性。表4列出了分析结果。 数据表明了本方法的可行性，使用不连续进样系统 ISIS-DS (没有样品稀释)对几个浓度非常低的元素进行定量，包括那些对人体健康存在危险的元素(比如As、Cd、Cr、Hg 和Pb)。 结果表明，不同茶叶浸泡液之间元素浓度范围变化很大。红茶的浸泡液中， Al、As、Cr、Mn、Ni 和 Pb 的浓度最高。然而，所测定的样品元素浓度值均没有超出Resolution 12/11 国家限定的最高值： 600 pg As/L、600 pg Pb/L、400 pg Cd/L[7]. 平均结果和范围(n=3，pg/L) 元素 蜜蜂花 茴香 花和果 红色 Al ND<20 32(31-34) 28 (24-32) 954 (882-1033) As ND <0.46 ND <0.46 0.18 (ND <0.46-0.53) 0.76 (ND<0.46-1.8) Ba 16 (8.2-21) 7.7(7.0-8.1) 103(89-111) 15(13-20) Cd 0.093 (ND <0.053-0.21) ND <0.053 0.021 (ND<0.053-0.063) ND <0.053 Cr ND< 0.29 ND<0.29 0.33 (ND<0.29-0.53) 0.66(0.58-0.74) Cu 7.7(5.2-9.2) 21(19-22) 9.8(6.1-13) 6.3(4.5-9.7) Fe 18(11-24) 53(27-70) 91 (70-102) 65(47-81) Hg ND<0.34 ND <0.34 ND<0.34 ND < 0.34 Mn 509(157-896) 56 (47-62) 405(357-434) 1020 (951-1131) Ni ND <2.1 ND <2.1 3.2(2.1-4.5) 19(16-22) Pb 0.43 (ND <0.39-0.86) ND < 0.39 0.22 (ND<0.39-0.65) 0.78(ND <0.39-1.3) Se ND<0.50 ND <0.50 ND < 0.50 ND <0.50 Zn 21 (ND<35-62) 42(37-46) ND <35 30 (ND<35-45) 结论 本应用简报介绍了一种采用 ISIS-DS 直接分析茶叶浸泡液中13种潜在毒性元素和营养元素总浓度的分析方法的建立和验证。该方法的显著优点是减少了循环时间和样品处理。所有13种元素的痕量值都低于已发布的法规限量[Z]。 本方法具有很好的精度和准确度，可以用于检测茶叶浸泡液，也可以用于其他饮料样品比如咖啡和果汁。 ( 参考文献 ) ( 1. R. Bunkova， I . Marova， M. Nemec "Antimutagenic properties o f green tea" P lant Foods for Human Nutrition 60：25-29，2005 ) ( 2. T . Karak， R.M.Bhagat “ T race elements in t ea leaves， made tea and tea infusion： A review" Food Research/nternational 43：2234-2252，2010 ) ( 3. W.Y. Han， M .A.L.F. Shi Yz， J.Y. Ruan"Arsenic， cadmium， chromium， cobalt， and copper in different types of Chinese tea"Bulletins of Environmental Contamination a nd Toxicology 75：272-277， 2005 ) ( 4. S. Wilbur 和 C. Jones， .“ "Maximizing P r oductivity in H ighMatrix Samples using the Agilent 7700x ICP-MS with ISISDiscrete Sampling： EPA 6020A Compliant Analysis in Less Than 2 Minutes per Sample”(使用带 ISIS 不连续进样系统的 Agilent 7700x ICP-MS 最大程度提高基质样品 的分析效率：按照 EPA 6020A可在2分钟内完成单个 样品的分析)，安捷伦科技公司出版物 5990-5437EN ) ( 5. S. Wilbur， T.Kuwabara， and T. S akai， "HighSpeedEnvironmental Analysis Using the A g ilent 7 5 00cx withIntegrated Sample Introduction System - DiscreteSampling (ISIS-DS)" A g ilent Technogies publication 5990- 3678EN ) ( 6. FAO/WHO Summary Evaluation Per f ormed by the JointFAO/WHO Expert Committee on Food Additives (JECFA). Maastricht， The Netherlands， 2012 ) ( 7. Limites Maximos de Contaminantes Inorganicos emAlimentos， Regulamento Tecnico MERCOSUL， Resolucao012/2011.Assuncao， Paraguai， 2011 ) www.agilent.com 安捷伦对本资料可能存在的错误或由于提供、展示或使用本资料所造成的间接损失不承担任何责任。 本资料中的信息、说明和指标如有变更，恕不另行通知。 ◎安捷伦科技(中国)公司，2017 2017年7月3日，中国出版 出版号：5991-3252CHCN Agilent Technologies Agilent Technologies 前言茶叶因其抗氧化活性以及含有一些微量营养素，比如矿物质、黄酮类以及儿茶酚，使其消费日趋增长，因此对经过浸泡的茶叶、花或根部的前处理液的分析具有重要科学价值。已有研究表明，草本植物中存在潜在的有毒和累积性物质，如无机污染物。这些污染物源自草本茶生产过程中的各个环节，也包括土壤、水、肥料以及工业排放的大气。根据其浓度的不同，潜在的有毒元素对人体健康损害程度也有所不同，轻则肝脏和肾脏机能障碍，重则致癌。不过，茶叶中的污染物并不是都能被浸泡出来。大多数残留有毒物的浓度很低，因此降低了饮茶所带来的风险。评价茶叶浸泡液中痕量多元素浓度最常用的方法之一就是将样品消解后用 ICP-MS 检测。这种方法需要微波消解系统和试剂，比如浓酸和氧化剂。整个过程中，样品的稀释因子可能达到 10-100 倍。这种方法需要较长的运行时间和过量的试剂，因此往往导致方法的检测限较差。反之，直接分析法也会使性能大打折扣，比如精度和长期稳定性下降、残留物积聚以及维护成本增加等。用于 7700x/7800 ICP-MS 的安捷伦集成进样系统 (ISIS) 配件采用不连续进样 (DS) 模式进行直接分析。其优点在于样品消耗量准确，避免了在 ICP-MS 进样系统中引入不必要的样品。而且，DS 模式能够保持仪器性能，当配合使用独特的 ORS3 和 He 碰撞气体时，将实现高速分析。采用惰性碰撞气体（氦气）高效运行的碰撞池与不连续进样之间的协同作用有利于获得优异的检测限、精度和通量等卓越性能。本应用简报通过证实氦碰撞模式与不连续进样结合的优点，建立了一个简单易用、无多元素干扰的茶叶浸泡液中 13 种元素的测定方法，并对其进行了验证。结论本应用简报介绍了一种采用 ISIS-DS 直接分析茶叶浸泡液中 13 种潜在毒性元素和营养元素总浓度的分析方法的建立和验证。该方法的显著优点是减少了循环时间和样品处理。所有 13 种元素的痕量值都低于已发布的法规限量。本方法具有很好的精度和准确度，可以用于检测茶叶浸泡液，也可以用于其他饮料样品比如咖啡和果汁。