ICP-MS引入系统不连续进样测定茶叶浸泡液中的13种痕量元素

摘要：集成样品引入系统-不连续进样 (ISIS-DS) 配件可提高 Agilent 7700x ICP-MS生产率，它 可以直接引入复杂样品而不会损害接口。本文介绍一种将 ISIS-DS 系统与 7700x ICP-MS 结合用于直接分析茶叶浸泡液中 13 种元素的方法，该方法在以下三种不同的池模式下操 作：无气体、氦气和高能氦气 (HEHe)。本方法实验效率高、稳定性好、检测限低。

前言 茶叶因其抗氧化活性以及含有的一些微量营养素，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、 花或根部的制备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，比如无机污染物 [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。 安捷伦 7700x 系列 ICP-MS 的集成样品引入系统 (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 样品引入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*的 ORS3 和 He 碰撞气时将能提供高速分析。 采用惰性碰撞气 (He) 进行有效操作的碰撞池与不连续进样之间的 协同作用有利于获得很好的检测限、精度和生产率。本文建立并 验证了一个易操作、无多元素干扰的测定茶叶浸泡液中 13 种元素 的方法，证实了将氦碰撞模式和不连续进样结合的优点。

 实验部分 ：Agilent 7700x ICP-MS 系统 (G3281A)，配备具有标准样品引入系 统的 Agilent I-AS 自动进样器 (G3160B)，包括 MicroMist 玻璃同 心雾化器、石英双通道雾室、带稀释孔的连接管、2.5 mm 内径的 石英炬管和标准镍锥。使用 ISIS 配件 (G4911B) 和一个蠕动泵以 及一个 6 孔开关阀实现不连续进样 (DS)。不连续进样与 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 品负载量降至低，而且也提高了生产率并进一步改善了长期基 体耐受性。ISIS-DS 可使用预配置 ISIS 管工具包（部件号 G4911- 68202），从而简化安装和使用过程。 图 1 为 ISIS-DS 系统工作原理图。内标和载体溶液是连续流，而 在加载位置使用一个六通阀的定量环填充样品，然后将阀切换到 注入位置，将载体溶液通过样品定量环推送到雾化器。 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 µg/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、1,000 和 2,000 µg/L），包括 Al、Ba、Fe、Mn 和 Zn。两组分析曲线 的介质都是 0.2%（v/v）的 HNO3 。该方法不需要基体匹配或再 校正。内标混合溶液含有 Sc、Ge 和 Y，各浓度均为 250 µg/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)。使用变异系数计 算重复性 (n = 16)，由于缺少该类基体的认证参考物质，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，往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 µg/L）；Al、Ba、Fe、Mn 和 Zn（浓度为 250 和 500 µg/L）。

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 (2013 Campinas, SP - Brazil)， 每个牌子的茶叶，制备三个浸泡液。浸泡液的制备如下：1.5 g 样 品（相当于一个商品茶叶袋）在 200mL 去离子水 (18.2 MW.cm) 中煮沸 3 分钟。冷却后将浸泡液酸化 (HNO3 0.2% v/v)，然后通 过一个 250 µm 高分子膜过滤并转移到自动进样器样品瓶中。

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，样品前处理是耗时的步骤之一。直接样品 引入法取代常规的消解法，分析时间大大缩短。Agilent 7700x ICP-MS 的部分标准配置，比如 MicroMist 雾化器、Peltier 冷却 双通道雾室、高基体引入 (HMI) 系统、宽直径（内径 2.5 mm）炬 管注入管以及固态 RF (27 MHz) 发生器，为本研究所使用的那些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+ 比值低于 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样品引入部 件。采用 ISIS-DS，将引入到 ICP-MS 的样品量减少 3-4 倍，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。

就每个样品的总分析时间（样品吸取、稳定、读数和清洗时间） 进行比较，DS-ICP-MS 比常规 ICP-MS（197 秒到 136 秒）减少 了 30% 的运行时间。这只有通过 ISIS 在 DS 模式下才能达到。当 然，ORS3 的作用也很重要，因为它仅使用不同的氦模式（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，比如 Al、As、 Ba、Cd、Hg、Ni 和 Pb；有些元素则是营养元素，比如 Fe、Mn 和 Zn；或乃至二者皆备者，比如 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 7700x ICP-MS 的双阶检测器对于所有这些 不同浓度范围都能够获得线性大于 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 间选择适宜的一种模式进行分析。比如，52Cr +，它会受 12 C40 Ar + 的严重干扰，但是在本应用中，利用 He 模式就可轻松对 Cr 进行定量；而茶叶浸泡液分析中，202Hg+ 没有多原子干扰，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，比如 Al、Cu、Mn 和 Zn。表 3 给出的是检测限、定量限和其 它性能指标，以及所研究分析物的分析条件。 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 80%-121% 之间。

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 是分析结果。 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 的浓度高。不过，所 测定的样品元素浓度值均没有超出 Resolution 12/11 国家限定的高值：600 µg As/L、600 µg Pb/L、400 µg Cd/L [7]。

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* [7]。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，也可以用于其它饮料样品比如咖 啡和果汁。