ICP-MS法在茶叶非金属元素分析中的应用
蒙华毅，梁书怀，吴祖军，陈广林，雷宁生
（广西壮族自治区疾病预防控制中心 南宁530028）
摘 要：采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）检测了茶叶中磷、硼和硒元素的含量。茶叶样品采用HNO3和H2O2混合酸进行密闭高压消解后，以钪和锗元素作为内标元素，辅以碰撞反应池技术和动态反应池技术消除待测元素的质谱干扰，采用电感耦合等离子体质谱仪测定其中的磷、硼和硒含量。磷在0-100 μg/mL浓度范围内线性关系良好，线性相关系数为0.999，检出限为0.6 mg/kg；硼在0-500 ng/mL浓度范围内线性关系良好，线性相关系数为0.999，检出限为0.04 mg/kg；硒在0-100 ng/mL浓度范围内线性关系良好，线性相关系数为0.999，检出限为0.0004 mg/kg。试验测得茶叶样品中硒含量范围在0.059-0.190 mg/kg之间，平均值为0.112 mg/kg，磷含量范围在1.70-2.66 g/kg之间，平均值为2.09 g/kg。硼元素含量范围在10.2-16.2mg/kg之间，平均值为13.4 mg/kg。试验采用国家一级标准物质绿茶(GBW10052)验证方法的准确度，各待测元素（磷、硼、硒）的测定值均在证书标示值范围内。方法准确、可靠，可用于茶叶中磷、硼和硒含量的快速检测。
关键词：茶叶；磷；硼；硒；密闭高压消解；电感耦合等离子体质谱法
Application of ICP-MS in the Analysis of Nonmetallic Elements in Tea
Meng Hua-yi, LIANG Shu-huai,WU Zu-jun, CHEN Guang-lin, LEI Ning-sheng
(Guangxi Center for Disease Prevention and Control Nanning 530028)
Abstract:The contents of phosphorus, boron and selenium in tea were determined by inductively coupled plasma (ICP-MS). The samples were digested with HNO3 and H2O2 under high pressure, scandium and germanium were used as internal standard, and mass spectrum interference was eliminated by collision reaction cell technology and dynamic reaction cell technology. The contents of phosphorus, boron and selenium in tea samples were determined by inductively coupled plasma mass spectrometer. The linear relationship of phosphorus was good in the range of 0-100 μg/mL, the correlation coefficient was 0.999, and the detection limit was 0.6 mg/kg. The linear relationship of boron was good in the range of 0-500 ng/mL, the correlation coefficient was 0.999, and the detection limit was 0.04 mg/kg. The linear relationship of selenium was good in the range of 0-100 ng/mL, the correlation coefficient was 0.999, and the detection limit was 0.0004 mg/kg. The selenium content in tea samples ranged from 0.059-0.190 mg/kg, with an average of 0.112 mg/kg, and the phosphorus content ranged from 1.70-2.66 g/kg, with an average of 2.09 g/kg. The content of boron element ranges from 10.2-16.2mg/kg, with an average of 13.4mg/kg. The national certified standard substance green tea (GBW10052) was used to verify the accuracy of the method, and the determined values of all elements to be measured were within the labeled range. The method is accurate and reliable, and can be used for the determination of phosphorus, boron and selenium in tea.
Key words: Tea; Phosphorus; Boron; Selenium; Closed high pressure digestion; Inductively coupled plasma mass spectrometry
在中国，茶叶是历代居民最重要及喜爱的传统饮品之一，与咖啡和可可共享世界三大饮料的美誉，富含氨基酸、茶多酚、维生素及儿茶素等对人体有益的营养成分，饮用茶汤具有提神醒脑、降压降脂、去腻开胃、利尿解乏等保健功能，因而备受推崇。然而近年来随着居民生活水平的提高和各类食品安全事件的持续曝光，茶饮者也开始将焦点转移到了茶叶的品质上。茶叶中农药残留量和重金属含量高低是大家比较关注的热点问题，目前食品安全国家标准GB 2762《食品污染物限量》中只对铅含量做了规定（不高于5.0 mg/kg[1]），但是对人体来说，各种元素均存在安全摄入量限值，过量摄入亦会对人体造成危害，因此对茶叶中各相关元素的含量进行检测具有重要现实意义。
磷是人体生命活动必需的营养元素，骨骼和牙齿发育的重要物质，以及遗传核酸、三磷酸腺苷和酶的重要组成部分，参与着人体生命和生长发育的各个环节。硼是人体必需的18种微量元素之一，人体的生命活动同样需要其参与，但是人体摄入量如果超过自身忍耐值便会诱发各种疾病、甚至死亡。硒也是人体必需的18种微量元素之一，国内外大量的临床实验证明，人体缺硒可引起某些重要脏器功能失调，导致许多严重疾病发生，其中以肿瘤、肝病、心血管疾病等发病率很高，低硒或缺硒人群通过适量补硒可以预防肿瘤、肝病等的发生，提高机体免疫能力。
目前，磷测定方法的报道主要见于分光光度法[2]、电感耦合等离子体发射光谱法[3]和电感耦合等离子体质谱法[4]；硼的测定方法有分光光度法[5]、电感耦合等离子体原子发射光谱法[6-7]和电感耦合等离子体质谱法[8]。硒的测定通常采用氢化物原子荧光法[9-10]、电感耦合等离子体质谱法[11-12]。
电感耦合等离子体质谱(Inductively Coupled Plasma-mass Spectrometry，ICP-MS)的发展起源于上世纪80代，因其具有高选择性、高灵敏度、低检出限、可进行多元素同时在线快速分析等优点，所以是目前最具发展前景的元素检测技术，现已广泛应用于不同领域各类样品的金属元素检测中[13-18]。但在非金属元素分析方面，除砷等少数元素外，其它非金属元素尚未得到广泛关注。主要是因为非金属元素普遍都具有较高的电离能(如As 9.81 eV、Se 9.75 eV、P 10.48eV、B 8.30eV )，这些非金属元素在氩气形成的等离子体中只有少部分电离(如P的电离效率只有6%)，电离程度相对金属元素较低，其次在ICP-MS分析中存在一些严重的多原子离子干扰，导致ICP-MS检测非金属元素的能力大为逊色，所以使用电感耦合等离子体质谱仪分析非金属元素具有一定难度。实验通过优化仪器参数，加入去干扰技术，实现了非金属元素磷、硼和硒的准确测定。
1 仪器与材料
1.1仪器与试剂
电感耦合等离子体质谱仪（PerkinElmer公司，型号：Nexion300D）；万分之一电子天平；恒温干燥箱；密闭高压消解罐；Millipore超纯水机；硝酸（GR级）；H2O2（GR级）；水为超纯水。硒单元素标准溶液、磷单元素标准溶液、硼单元素标准溶液、钪和锗元素混合标准溶液均购自国家有色金属及电子材料分析测试中心；国家有证标准物质绿茶(GBW10052，中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所)。
1.2样品
绿茶样品采自广西贵港市覃塘区花山茶海景区。
2 方法与结果
2.1标准溶液及内标溶液的配制
准确移取适量的硒/磷/硼单元素标准溶液，用稀硝酸溶液（5+95）制成浓度为0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、50.0、100.0μg/L硒标准系列；0、1.0、5.0、10.0、50.0、100.0μg/L磷标准系列；0、1.0、5.0、10.0、50.0、100.0mg/L硼标准系列；同法移取适量的锗和钪元素混合内标溶液另行配制成1.0 mg/L的混合内标使用液。
2.2 样品前处理
2.2.1 样品前处理器皿的选择
磷和硼在大自然中含量较为丰富，属于易污染元素，而实验器皿作为样品前处理的重要环节，器皿本底的洁净度直接关系到前处理的质量，样品前处理不当很容易造成结果偏差。为了保证实验结果准确、可靠，真实反映样品中各元素的实际含量，实验选用聚四氟乙烯材料内罐消解样品（聚四氟乙烯内罐前处理方法：先放在稀硝酸溶液（1+9）中浸泡24h以上，捞出后用超纯水洗净，往里加入4 mL左右的浓硝酸加盖110℃左右高温蒸煮4h以上，倒出罐内硝酸，并趁热用超纯水洗净备用）。储存标准系列和待测样品的器皿采用聚丙烯塑料制品。
2.2.2 茶叶样品前处理
新鲜采摘的茶叶用超纯水洗净后，放入恒温干燥箱中烘干（105℃），用破壁机研磨成粉末（聚四氟乙烯罐体）。准确称取一定量的样品（约0.4g左右）到100mL聚四氟乙烯内罐中，依次加入10.0 mL HNO3和2.0 mL H2O2，盖上内盖，拧好不锈钢罐放入恒温干燥箱中加热（参考表1）。
消解结束待其自然放冷后，取出内罐放在电热板上140 ℃左右赶酸，赶至溶液剩约1.0 mL时，将溶液全量转移至50 mL塑料容量瓶中，并用去离子水清洗内罐3-4次，定容摇匀上机测定，同法制备质控样及空白对照溶液。
表1 消解程序
Table 1 The procedure of digestion
步骤 | 温度/℃ | 保持时间/min |
1 2 3 4 | 90 120 140 170 | 120 120 120 240 |
2.2.3非质谱和质谱干扰的消除
非质谱干扰主要来源于样品本身的基体效应，消除非质谱干扰最有效的做法通常是对样品进行稀释或者采用内标元素进行校正。实验选用内标法消除非质谱干扰（在线加入74Ge和45Sc内标溶液），确保了测定结果的准确性。质谱干扰通常是指双电荷离子、同量异位素、多原子等对测定结果带来的影响。使用电感耦合等离子体质谱仪测定P时，SiH、NOH和NO可对测定结果造成干扰；测定B时，BH可对测定结果造成干扰；测定Se时，则易受到Kr、BrH、 Ar2H、Ho++、Dy++和 Er++的干扰；在这些质谱干扰中，部分多原子分子较易形成，结合非常牢固，较难清除，所以使用ICP-MS测定硒和磷十分困难。为得到准确的数据，试验以国家一级有证标准物质作为考察指标，优化仪器的各项指标。最终确定使用电感耦合等离子体质谱仪测定硼和磷时，采用动能歧视技术可得到准确的测定结果（向四级杆前端反应池中通入氦气（He），He撞击各类干扰使其质荷比发生变化，动能改变，从而消除其干扰）；测定硒时采用质量甄别技术（NH3和干扰物质发生反应，使其质量变化改变飞行轨迹）可得到准确的实验结果。
2.3分析方法
仪器工作参数：射频功率：1200 W；等离子体气流量：15.0 L/min；雾化器流量：0.74 L/min；雾化室温度：-2 ℃；采样深度：2.5 mm；氧化物产率<2.0%，双电荷比<0.2%。将待测元素标准溶液分别稀释为一系列浓度梯度的标准溶液，根据质量数相近原则，为待测元素选择Sc、Ge 作为内标元素（在线加入），从低到高依次测定各个浓度的标准溶液，以每个浓度点测得值的 3 次读数与内标读数比值的平均值为纵坐标，相应浓度点为横坐标，仪器自动拟合标准曲线。经标准曲线换算得到的样品浓度扣除样品空白浓度的结果，即各元素的含量。
2.4线性关系考察及检测下限测定
参照文中“2.3”的方法分别拟合磷、硼和硒元素的回归方程，结果如表2所示，各元素均呈现良好的线性关系，相关系数在0.999 5～1.0000之间，取“2.2.2”项下的空白对照溶液，按照“2.3”项下的方法，连续测定11 次，记录测定值，按IUPAC规定的方法计算各元素的检出限（表 2）。由表2可知，3种元素均具有良好的线性关系及较低的检出限，实验具有可行性。
Table 2 correlation coefficient and detection limits for rare earth elements
元素 | 质量数 | 检测模式 | 内标 | 相关系数 | 检出限/(mg/kg) |
P B Se | 30.9938 11.0093 81.9167 | 动能歧视 动能歧视 质量甄别技术 | Sc Sc Ge | 0.9998 0.9996 1.0000 | 0.6 0.04 0.0004 |
2.5方法验证
参照文中“2.2.2”部分对国家有证标准物质绿茶（GBW 10052）进行消解，重复测定3次取其均值考察方法的准确度，结果如表3所示。由表3可知，绿茶（GBW 10052）中磷、硒和硼的测定值与证书上的标示值均相符，而标准物质绿茶（GBW 10052）的成分和待测绿茶基本一致，实验结果表明方法准确、可靠，适用于绿茶样品中磷、硒和硼的检测。表3中各元素平行测定3次的RSD均小于6%，说明方法具有较高的精密度。
表3 绿茶标准物质（GBW10052）的测定结果(n=3)
Table 3 Determination results of certified reference materials（GBW10052）
元素 | 绿茶标准值 | 绿茶实验测定值 | RSD（%） |
P（g/kg） B（mg/kg） Se（mg/kg） | 2.8±0.1 14.1±1.2 0.10±0.03 | 2.8 14.6 0.12 | 4.3 4.8 3.4 |
2.6样品测定结果
按文中2.2.2的方法对茶园15份绿茶样品进行前处理，每个样品平行测定3次，结果如表4所示。
表4 茶叶样品中3种元素的含量（mg/kg）
Table 4 The content of three kinds of elements in Tea
编号 元素 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
P（g/kg） B（mg/kg） Se（mg/kg） | 1.76 15.2 0.113 | 1.70 11.7 0.142 | 2.07 15.3 0.190 | 2.42 10.2 0.103 | 2.08 11.1 0.066 | 1.90 16.2 0.115 | 2.12 12.7 0.076 | 2.09 12.4 0.059 | 2.16 11.9 0.117 | 1.87 10.8 0.103 | 2.32 14.3 0.101 | 1.84 15.1 0.121 | 2.13 15.7 0.111 | 2.66 14.2 0.121 | 2.25 13.8 0.137 |
3结果分析
3.1 茶叶中各元素含量的分析
表4的实验结果表明，该茶园的绿茶中富含对人体有益的硒和磷元素，硒含量范围在0.059-0.190 mg/kg之间，平均值为0.112 mg/kg，磷含量范围在1.70-2.66 g/kg之间，平均值为2.09 g/kg。硼元素含量范围在10.2-16.2mg/kg之间，平均值为13.4 mg/kg。
4结论
磷、硒和硼三种非金属元素由于具有较高的第一电离能，导致电离效率偏低，且受到的质谱干扰较多，所以使用ICP-MS分析磷、硒和硼具有一定的难度，实验通过动能歧视和动态反应池技术消除质谱干扰，辅以内标法克服非质谱干扰，以绿茶标准物质作为质控样，使用电感耦合等离子体质谱仪分析了茶叶中的3种非金属元素（P、B、Se）的含量，结果准确，方法快速、易于操作，为茶园的科学种植及深度研究提供了重要的实验依据。
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