摘要：本文開(kāi)發(fā)出了一種利用氫化物發(fā)生 (HG) 技術(shù)與 ICP-MS分離并檢測(cè)食品中無(wú)機(jī) 砷 (iAs) 的快速而靈敏的方法。31 種市售大米中的無(wú)機(jī)砷含量測(cè)定值均低于現(xiàn)行 中國(guó)法規(guī)中規(guī)定的最大濃度 (ML) 150 µg/kg。對(duì) HG-ICP-MS 和 HPLC-ICP-MS 獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)兩種分析技術(shù)的檢測(cè)限相當(dāng)。 HG-ICP-MS 是大規(guī)模篩選大米等食品樣品的理想選擇，因?yàn)檫@一技術(shù)僅需耗費(fèi) 傳統(tǒng) HPLC-ICP-MS 方法通常所需時(shí)間的一小部分，且分析性能不受任何影響

前言：為確保食品安全，應(yīng)對(duì)食品中的砷類(lèi)化合物等潛在毒性化學(xué) 物質(zhì)濃度進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)。然而，砷類(lèi)化合物的毒性取決于 所含該元素的化學(xué)形態(tài)或“種類(lèi)”而非總濃度。亞砷suan鹽 (As(III)) 和砷suan鹽 (As(V)) 等無(wú)機(jī)砷*具有高毒性和致癌 性，而單甲基胂酸 (MMA) 和二甲基胂酸 (DMA) 等有機(jī)砷 的毒性較低 [1]。由于這種毒性差異的存在，因此大量研究 致力于開(kāi)發(fā)可靠而耐用的不同砷形態(tài)分離方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)毒 性形態(tài)的特異性定量分析。 雖然不同形態(tài)的色譜分離與隨后的 ICP-MS 形態(tài)特異性定 量分析已經(jīng)成為了食品樣品中痕量元素分離的*方法， 但還存在許多比高效液相色譜 (HPLC) 更省時(shí)更經(jīng)濟(jì)的砷形 態(tài)分析非色譜策略 [2,3]。 本文重點(diǎn)介紹利用氫化物發(fā)生 (HG) 技術(shù)和 ICP-MS 對(duì)大米 樣品中的無(wú)機(jī)砷進(jìn)行形態(tài)分析。大米是世界上大部分人口 的重要食物來(lái)源，但由于水稻吸收了土壤中的砷而使大米中 的無(wú)機(jī)砷濃度相對(duì)較高。土壤中的砷可能天然存在，也可 能來(lái)自人為來(lái)源，例如 20 世紀(jì) 70 年代前人們?cè)罅渴褂?含砷農(nóng)藥。顯然目前迫切需要一種簡(jiǎn)單而快速的分析方法 來(lái)篩查大量樣品中的無(wú)機(jī)砷以確保食品安全。

現(xiàn)行法規(guī)：中國(guó)已出臺(tái)的法規(guī)中規(guī)定大米中無(wú)機(jī)砷的最大濃度 (ML) 為 0.15 mg/kg [4]，南美洲貿(mào)易集團(tuán)則規(guī)定大米中總砷的最大 濃度為 0.3 mg/kg [5]。食品污染法典委員會(huì)舉行第八次會(huì) 議后，世界衛(wèi)生組織 (WHO) 建議精白米中的無(wú)機(jī)砷濃度不 得超過(guò) 0.2 mg/kg [6]。美國(guó)和歐盟尚未針對(duì)大米中的無(wú)機(jī) 砷濃度進(jìn)行立法，但美國(guó) FDA 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì) (CEN) 已啟動(dòng)了致力于建立食品中無(wú)機(jī)砷測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法的項(xiàng)目。

本研究評(píng)估了大米樣品中無(wú)機(jī)砷測(cè)定的替代方法，證明無(wú)需 采用耗時(shí)的色譜方法也可進(jìn)行無(wú)機(jī)砷形態(tài)分析。

樣品與參比物質(zhì) 樣品中包括 31 種購(gòu)自本地商店的不同大米以及 12 種在受 控砷暴露環(huán)境下生長(zhǎng)的大米。使用咖啡研磨機(jī)將市售大米 樣品的子樣品 (30 g) 研磨成均勻的細(xì)粉。將 IMEP-107 大 米（比利時(shí)赫爾參比物質(zhì)和測(cè)量研究所）和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技 術(shù)研究院 (NIST) 1568a 米粉 (Gaithersburg, MD, USA) 兩 種大米參比物質(zhì)用作無(wú)機(jī)砷濃度測(cè)定的質(zhì)量控制。

樣品前處理 在測(cè)定總砷含量時(shí)，每份樣品取 0.15 g 置于敞口消解容器 中，加入 1 mL 濃 HNO3 和 2 mL H2O2 (30% w/w)，并在 CEM Mars 微波系統(tǒng)中進(jìn)行消解。使用去離子水將所有樣 品稀釋至最終體積為 30 mL。 利用 HPLC-ICP-MS 進(jìn)行無(wú)機(jī)砷形態(tài)分析時(shí)，取大米樣品 0.1 g 加入 10 mL 1% HNO3 和 1% H2O2 中進(jìn)行提取 (5 min 50 °C，5 min 75 °C，10 min 95 °C)。采用 HG-ICP-MS 進(jìn) 行分析時(shí)樣品提取物制備與上述方法相同。此外采用 1% HNO3 和 1% H2O2 以與樣品相同的方式配制校準(zhǔn)標(biāo)樣。分 析前將每份樣品在 13000 rpm 下離心 10 min。

儀器 — 氫化物發(fā)生法 針對(duì)安捷倫ICP-MS集成進(jìn)樣系統(tǒng) (ISIS) 的氫化物發(fā)生附 件可用于砷等氣態(tài)氫化物形成元素的高靈敏度分析。圖 1 顯示了本研究中所用的 HG-ICP-MS 配置。通過(guò) ASX-500 自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣，并通過(guò) ISIS 蠕動(dòng)泵 (PP1) 將樣品運(yùn)輸至 氫化物發(fā)生器。樣品在混合線圈中與 HCl (5M)、NaBH4 (2% (w/v)) 和消泡劑 B 乳濁液混合后進(jìn)入氣液分離器。隨 后含有無(wú)機(jī)砷（以揮發(fā)性氫化物形式存在）的氣態(tài)樣品隨 ICP-MS 尾吹氣路控制的氬氣流被輸送至 ICP-MS 霧化室。 Rh 內(nèi)標(biāo) (IS) 通過(guò)常規(guī)氣動(dòng)霧化器引入 ICP-MS 霧化室，創(chuàng) 造出濕潤(rùn)的等離子體條件。方法開(kāi)發(fā)的詳細(xì)信息請(qǐng)參見(jiàn)之 前的文獻(xiàn) [7]。最佳運(yùn)行條件如表 1 所示。

在酸性條件下利用 NaBH4 進(jìn)行處理后，無(wú)機(jī)砷可有效轉(zhuǎn)為 成揮發(fā)性胂 (AsH3)，而有機(jī)結(jié)合的砷化合物未被轉(zhuǎn)化，或 僅形成了揮發(fā)性較弱的胂類(lèi)化合物，如沸點(diǎn)為 35 °C 的二 甲胂 (CH3)2AsH。加入高濃度鹽酸可進(jìn)一步減少揮發(fā)性較 弱的胂類(lèi)化合物的產(chǎn)生，而無(wú)機(jī)砷幾乎全部轉(zhuǎn)化為胂，從而 無(wú)需使用色譜技術(shù)進(jìn)行形態(tài)分離即可對(duì)無(wú)機(jī)砷進(jìn)行單獨(dú)測(cè)定。

儀器 — ICP-MS 將 HG 與 Agilent 8800 串聯(lián)四極桿 ICP-MS (ICP-MS/MS) 串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)砷的檢測(cè)。由于 ICP-MS/MS 有助于對(duì)潛在干 擾物進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，因此與傳統(tǒng)四極桿 ICP-QMS 相比 更適用于初始方法開(kāi)發(fā)。由于通過(guò) HG 的胂選擇性形成過(guò) 程中高濃度 HCl 增加了氯形成的 40Ar35Cl 對(duì)砷 (m/z 75) 造成干擾的機(jī)會(huì)，因此這一點(diǎn)非常重要。

使用 ICP-MS/MS 測(cè)定砷的方法是利用質(zhì)量轉(zhuǎn)換方 法，在該方法中 As+ 與反應(yīng)池氣體氧氣 (O2) 發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn) 化成了 AsO+ ，然后作為 m/z 91 的 As+ 子離子得到測(cè)定。 ICP-MS/MS 能夠在 MS/MS 模式下運(yùn)行，在該模式中兩 個(gè)四極桿均作為單位質(zhì)量過(guò)濾器運(yùn)行。如果將 Q1 設(shè)置為 m/z 75，則僅有砷和原位質(zhì)量干擾引入反應(yīng)池，因此目標(biāo) 子離子 75As16O+ m/z 91 的潛在干擾可被排除。而在初始研 究中 [7]，氧氣反應(yīng)模式（其中以 m/z 91 AsO+ 的形式對(duì) 砷進(jìn)行間接測(cè)定）和無(wú)氣體模式（其中以 m/z 75 對(duì)砷進(jìn)行 直接測(cè)定）下獲得的 HG 結(jié)果之間并不存在差異，表明盡 管使用高濃度 HCl 也不存在顯著的氯化物干擾。因此可在 Agilent 7900 ICP-MS 等四極桿 ICP-MS 儀器中采用相同的 氫化物發(fā)生法對(duì)砷進(jìn)行測(cè)定。

為將 HG-ICP-MS/MS 結(jié)果與成熟 HPLC-ICP-MS 方法所 得的結(jié)果進(jìn)行比較，我們將 Agilent 1100 HPLC 連接至 ICP-MS/MS。實(shí)驗(yàn)中采用 Hamilton PRP X-100 陰離子 交換柱 (10 µm, 4.6 × 250 mm)，流動(dòng)相為 20 mM 碳酸銨 (pH 8.5)，流速為 1 mL/min。

結(jié)果與討論 質(zhì)量控制 如表 3a 所示，ICP-MS/MS 測(cè)定出的 NIST 1568a 和 IMEP-107 中的總砷濃度與各自標(biāo)準(zhǔn)值和分析能力測(cè)試值 均呈現(xiàn)出良好的一致性。使用 HG-ICP-MS/MS 測(cè)得的 NIST 1568a 和 IMEP-107 中的無(wú)機(jī)砷形態(tài)分析結(jié)果與使 用 HPLC-ICP-MS/MS 測(cè)定的結(jié)果和報(bào)告值保持高度一致 （表 3b）。

兩種 QC 物質(zhì)均獲得了良好的色譜柱回收率，其中 NIST 1568a 為 101 ± 4% (n = 3)，IMEP-107 為 98 ± 9% (n = 12)。 對(duì) IMEP-107 隨每批樣品共同進(jìn)行了分析，通過(guò)這些多次測(cè) 量結(jié)果對(duì)“日內(nèi)”RSD 和“日間”RSD 進(jìn)行了計(jì)算。HG 和 HPLC 的日內(nèi) RSD 平均值為 3%，所有測(cè)定日中的所有 重復(fù)測(cè)定均值 RSD 為 11%。結(jié)果顯示兩種方法的重現(xiàn)性和 重復(fù)性相似。分析每批樣品時(shí)均對(duì)空白樣品進(jìn)行了分析。 HG-ICP-MS/MS 和 HPLC-ICP-MS/MS 結(jié)果比較 多種大米中的總砷提取效率普遍較高，平均值為 91% ± 10%，范圍為 73% - 111%。對(duì)于最大濃度而言，接受研究 的所有樣品中無(wú)機(jī)砷含量均低于 150 µg/kg，因此均未超過(guò) 現(xiàn)行濃度和 FAO/WHO 聯(lián)合食品法典委員會(huì)的無(wú) 機(jī)砷建議最大濃度規(guī)定。所有樣品的 HPLC 色譜柱回收率 均可實(shí)現(xiàn)定量分析 (94% ± 10%)。

表 4a 和 4b 中匯總了無(wú)機(jī)砷、DMA 和總砷的測(cè)定值。 HG-ICP-MS 和 HPLC-ICP-MS 測(cè)得的無(wú)機(jī)砷結(jié)果顯示出了 良好的一致性。大米中存在的主要砷形態(tài)為無(wú)機(jī)砷和 DMA， MMA 僅存在痕量水平。在使用 HCl (5 M) 和 NaBH4 選 擇性生成胂的方法中，AsH3 幾乎是所形成的產(chǎn)物，而 僅有少量 DMA 產(chǎn)生約 2% - 4% 的二甲胂貢獻(xiàn)。砷暴露環(huán) 境中生長(zhǎng)大米的分析結(jié)果同樣確定了這一點(diǎn)（表 4b）。盡 管樣品含有高濃度 DMA，但 HG-ICP-MS 測(cè)得的無(wú)機(jī)砷與 HPLC-ICP-MS 測(cè)得的結(jié)果仍具有良好一致性。MMA 可通 過(guò)該方法形成甲基胂，轉(zhuǎn)化率約為 40%；但由于大米中通 常不含 MMA 或僅含痕量 MMA，因此應(yīng)不會(huì)對(duì)無(wú)機(jī)砷的 定量分析造成影響。

表 4a 中的結(jié)果顯示了所有市售大米產(chǎn)品中的無(wú)機(jī)砷濃度均 低于 FAO/WHO 食品法典委員會(huì)的 200 µg/kg 建議最大濃 度和 150 µg/kg 的中國(guó)法規(guī)最大濃度，即使修正了無(wú)機(jī)砷 提取物的低回收率后也是如此。如果僅以總砷濃度評(píng)估砷含 量，則 32%（31 個(gè)樣品中的 10 種）樣品超過(guò)了食品法典 委員會(huì)的建議最大濃度，且 42%（31 個(gè)樣品中的 13 種） 超過(guò)了現(xiàn)行中國(guó)法規(guī)最大濃度。研究得出市售大米樣品中 以無(wú)機(jī)砷形態(tài)存在的砷占總砷濃度的 26% - 84%。 在檢出 MMA 的樣品中，多數(shù)樣品中的 MMA 濃度低于 LOQ，且任何樣品中的 MMA 濃度均未超過(guò) 7 µg/kg。這 與美國(guó) FDA 開(kāi)展的大規(guī)模調(diào)查（共檢測(cè)約 1300 多個(gè)大米樣 品）中獲得的結(jié)果一致 [9]。在美國(guó) FDA 的調(diào)查中，97% 或 以上大米產(chǎn)品中的 MMA 濃度低于 LOD 或 LOQ（13 µg/kg 以下）。僅 1% 的樣品含有 20 µg/kg 以上的 MMA，最高 報(bào)告濃度為 25 µg/kg。由此可以假定 MMA 在大米總砷 濃度中并非決定性因素，這一低濃度下的 MMA 不會(huì)影響 HG-ICP-MS/MS 對(duì)無(wú)機(jī)砷的測(cè)定結(jié)果。

結(jié)論 本研究使用安捷倫氫化物發(fā)生器/ISIS 聯(lián)用 Agilent 8800 ICP-MS/MS 對(duì) 43 種大米樣品提取物中低 ppb 水平的無(wú) 機(jī)砷 (iAs) 進(jìn)行了測(cè)定。HG-ICP-MS/MS 獲得的結(jié)果與 HPLC-ICP-MS/MS 結(jié)果在較寬的線性范圍內(nèi)均呈現(xiàn)良好的 一致性，且具有相似的檢測(cè)限。 在通過(guò)微波提取進(jìn)行簡(jiǎn)單的樣品前處理后利用 HG-ICPMS/MS 對(duì)無(wú)機(jī)砷和 DMA 進(jìn)行了快速在線分離。之前的 研究結(jié)果顯示 HG-ICP-MS/MS 的總運(yùn)行時(shí)間僅為 4 分鐘/ 樣品（5 次重復(fù)測(cè)定），而 HPLC 進(jìn)行一次測(cè)定通常需要 5 - 10 分鐘/樣品 [10]。由于無(wú)需進(jìn)行色譜峰積分，因此 HG 方法的數(shù)據(jù)處理也非常簡(jiǎn)單。 全新 HG-ICP-MS 方法實(shí)現(xiàn)了更快的分析時(shí)間、更高的通量 和簡(jiǎn)單可靠的操作。這使該方法極其適用于篩查大量食品 樣品，以滿足不斷增加的食品（尤其是大米產(chǎn)品）中無(wú)機(jī)砷 常規(guī)測(cè)定要求。