電感耦合等離子體串聯質譜法分析凹凸棒黏土中的微量元素

李坦平，李愛陽

（湖南工學院新型建筑材料研究院，湖南 衡陽421002）

凹凸棒黏土又名坡縷石，是具有層鏈狀過渡結構的含水富鎂硅酸鹽為主的黏土礦物［1］，由Si—O四面體雙鏈組成兩個連續的四面體片和一個不連續的八面體片賦予了凹凸棒黏土具有獨特的吸附性、流變性、載體性、催化性、可塑性、抗鹽性和吸水性等物理化學性質［2］，在食品行業廣泛用于食品脫色以及去除油脂中黃曲霉素、農藥等有害成分，在醫藥行業廣泛用于藥用輔料及載體［3-5］。美國、日本和歐盟已將凹凸棒黏土作為口服制劑用于治療消化道疾病的非外方藥收載于各國藥典中，中國雖然已將凹凸棒黏土列入《國家級藥物制劑新產品開發指南》，但仍然沒有收入中國藥典，與美國、西班牙、希臘等凹凸棒黏土生產大國相比，中國凹凸棒黏土的研究與應用起步較晚。礦床成因的不同導致凹凸棒黏土中的微量元素組成存在差異，其中Be、Cr、Ni、As、Cd、Sb、Hg、Pb會對健康和環境產生不利影響。中國國家標準《食品安全國家標準食品添加劑凹凸棒黏土》（GB 29225—2012）對食品添加劑凹凸棒黏土中As和Pb的含量規定了限量標準As≤3μg/g，Pb≤40μg/g。美國藥典（USP30）對醫藥級凹凸棒黏土中As和Pb的含量規定了限量標準As≤2μg/g，Pb≤10μg/g。V、Mn、Co、Cu、Zn、Mo、Sn、Ba作為凹凸棒黏土的微量元素影響其性能和應用范圍［6-8］，在美國藥典（USP233）通則中將這些微量元素作為無機雜質制定了允許日接觸量。因此，建立凹凸棒黏土中微量元素的分析方法對于其作為食品助劑和藥用輔料的開發利用具有十分重要的意義。

目前，有關凹凸棒黏土中微量元素的測定主要采用原子吸收光譜法（AAS）［9］、原子熒光光譜法（AFS）［10］和電感耦合等離子體發射光譜法（ICPOES）［11］。國家標準《食品安全國家標準 食品添加劑中重金屬限量試驗》（GB 5009.74—2014）和《食品安全國家標準 食品添加劑中砷的測定》（GB 5009.76—2014）均采用傳統的比色法測定凹凸棒黏土中的重金屬Pb和As，無需復雜儀器和設備，具有簡單、快速、靈敏高的特點，但只能進行限量分析，不能用于定量分析。陳明巖等［9］采用AAS法測定了凹凸棒黏土中的毒害元素Pb和Cd，采用AFS法測定了毒害元素As和Hg，具有靈敏度高的分析特點，但這兩種方法分析凹凸棒黏土中的4種元素不具有高通量分析特性，且AFS的檢出限無法滿足凹凸棒黏土中超痕量Hg的測定。凌霞等［11］采用ICP-OES測定凹凸棒黏土中的14種金屬元素，并與AAS和AFS進行了對比分析，ICP-OES具有明顯優勢，但對于凹凸棒黏土中痕量以及超痕量元素的分析，該方法的檢出限無法滿足要求。電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）比ICP-OES、AAS具有更高的靈敏度和更低的檢出限，在巖石礦物分析中得到了廣泛應用［12-15］。與其他分析技術一樣，ICP-MS所存在的干擾仍然是產生分析誤差的主要影響因素。碰撞/反應池（CRC）技術為ICP-MS消除質譜干擾提供了通用方法，但碰撞模式僅能消除多原子離子干擾，無法消除同量異位素、雙電荷所形成的質譜干擾［16］，而反應模式由于不可預知的反應過程和形成的副產物離子可能產生新的質譜干擾，影響分析結果的準確性，提高化學反應的選擇性是避免反應模式發生副反應的有效方法［17-19］。

電感耦合等離子體串聯質譜法（ICP-MS/MS）通過串聯雙四極桿質量過濾器（Q1、Q2）極大地提高了反應模式的選擇性，充分發揮了反應模式的潛能，利用質量轉移反應幾乎可以消除所有質譜干擾［20-23］。本文采用硝酸-鹽酸-氫氟酸組成的混合酸經微波消解對凹凸棒黏土樣品進行前處理后，利用ICP-MS/MS測定消解液中的Be、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd、Sn、Sb、Ba、Hg、Pb，在NH3/He和O2反應模式下利用質量轉移和原位質量法消除干擾，以期為凹凸棒黏土中多種微量元素的準確檢測提供高通量分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與工作條件

Agilent8800型電感耦合等離子體串聯質譜儀：裝配整套惰性樣品導入系統（美國Agilent公司）；MARs 5微波消解系統（美國CEM公司）；Milli-Q超純水機（美國Millipore公司）。

ICP-MS/MS參數：射頻功率1600W；載氣流速0.6L/min；補償氣流速0.6L/min；采樣深度8.0mm；測量模式，MS/MS；反應氣，O2和NH3/He（1∶9，V/V）；反應氣O2流速0.35mL/min，NH3/He流速4.0mL/min；分析同位素：9Be、51V、52Cr、55Mn、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、75As、95Mo、111Cd、118Sn、121Sb、137Ba、202Hg、208Pb。

微波消解參數：功率1600W，斜坡升溫120℃，升溫時間5min；功率1600W，斜坡升溫150℃，升溫時間3min，保持時間5min；功率1600W，斜坡升溫185℃，升溫時間5min，保持時間15min。

1.2 標準溶液和主要試劑

1000mg/L的Be、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Mo、Cd、Sn、Sb、Ba、Hg、Pb、Au單元素標準溶液（購自國藥集團化學試劑有限公司）。

10mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi內標溶液（p/n 5183-4681，購自美國Agilent公司）。

65%硝酸、37%鹽酸、40%氫氟酸：均購自德國Merck公司。整個實驗用水為Milli-Q超純水機制備的超純水。

1.3 實驗樣品

由于尚未研制出凹凸棒黏土國家標準參考物質，本實驗采用與凹凸棒黏土基質組成相似的玄武巖成分分析標準物質（GBW07105）評價方法的準確性。該標準物質購自中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所。

江蘇盱眙凹凸棒黏土品位高、儲量大，市場份額居全國和全球之首，本實驗樣品編號分別為1、2的兩個凹凸棒黏土樣品來自江蘇盱眙。將凹凸棒黏土研磨過74μm篩，在105℃烘箱中烘2h后，放入干燥器中備用。稱取烘干的凹凸棒黏土樣品0.2g（精確到0.0001g），加入2mL超純水潤濕，依次加入3mL硝酸、1mL鹽酸和2mL氫氟酸，浸泡12h，按設定的微波消解參數進行消解。消解結束后合并澄清透明的樣品消解液和洗滌液于20mL聚乙烯容量瓶中，用超純水定容至20g，制得100倍稀釋樣品溶液，采用相同的方法制得空白溶液，待測。

1.4 實驗方法

分別配制0.0μg/L、0.05～5.0μg/L（0.05μg/L的As、Cd、Sb、Hg，0.5μg/L的Be、Mo、Sn、Pb，5μg/L的V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ba）、0.2～20μg/L（0.2μg/L的As、Cd、Sb、Hg，2.0μg/L的Be、Mo、Sn、Pb，20μg/L的V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ba）、1.0～100μg/L（1.0μg/L的As、Cd、Sb、Hg，10μg/L的Be、Mo、Sn、Pb，100μg/L的V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ba）、5.0～500μg/L（5.0μg/L的As、Cd、Sb、Hg，50μg/L的Be、Mo、Sn、Pb，500μg/L的V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ba）系列混合標準溶液，在優化的實驗條件下，采用ICP-MS/MS進行測定，以分析元素的信號強度（cps，每秒計數）與內標元素的信號強度（cps）的比值對標準溶液所對應的分析元素的濃度建立回歸曲線，得到分析元素的標準曲線，在相同條件下對樣品溶液和空白溶液進行測定，計算樣品溶液中各元素的含量。所有分析溶液在測定前均使用標準內標混合“T”形接頭在線添加1mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi內標溶液；為消除Hg的記憶效應，所有分析溶液在測定前加入200μg/L的Au標準溶液。

2 結果與討論

2.1 樣品消解體系的選擇

凹凸棒黏土的主要基質組成為SiO2、MgO和Al2O3，加入硝酸利用傳統電熱板消解，需加熱煮沸30min并不斷補充硝酸，由于硝酸不能完全消解凹凸棒黏土，需過濾洗滌得到消解液［11］。已有研究表明，金屬雜質離子通過類質同象置換賦存于結構單元層中，消解不徹底會導致部分元素不能釋放完全［24］；氫氟酸非常適合消解硅酸鹽樣品，由硝酸-氫氟酸組成的混合酸增加了凹凸棒黏土中元素的釋放能力，經微波消解能徹底分解凹凸棒黏土樣品［9］，但對于元素Hg的測定背景偏高且穩定性差；采用硝酸-鹽酸-氫氟酸為消解試劑，多數金屬離子能與氯離子配位，表現為更好的穩定性［25］。從表1可以看出，所有分析元素的提取率高（≥97.0%），而氯離子形成的質譜干擾在MS/MS模式下通過優選反應氣體能可靠地消除。因此，本實驗選擇硝酸-氫氟酸-鹽酸為消解試劑，經微波消解后與已有方法［9］相比較，樣品溶液中所有分析元素的穩定性好。

表1 不同消解酸對分析元素的提取率Table 1 Extraction rate of analytes by different digestion acids

2.2 質譜干擾與消除

在質譜分析過程中，凹凸棒黏土中的常量元素與等離子氣以及樣品消解溶劑會形成大量干擾離子，對質荷比（m/z）≤80的同位素51V、52Cr、55Mn、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、75As構成了嚴重干擾；對于9Be+主要受到雙電荷離子18O++的干擾；對于m/z＞80同 位 素95Mo、111Cd、118Sn、121Sb、137Ba、202Hg、208Pb，在測定過程中分別受到氧化物離子79Br16O+、95Mo16O+、100Mo18O+、105Pd16O+、121Sb16O+、186W16O+、192Os16O+的干擾。由于同位素18O豐度低且很難形成雙電荷離子18O++，9Be和118Sn受到的干擾可以忽略不計；而凹凸棒黏土中Mo、Sb的含量處于微量水平，Br、Pd、W、Os的含量處于痕量水平，在本實驗條件下，Mo、Sb、Br、Pd、W、Os形成氧化物的產率低（分別為5.60%、26.2%、9.36%、1.06%、5.59%、7.23%），所受到的干擾也可忽略不計。因此，本實驗對于分析元素Be、Mo、Cd、Sn、Sb、Ba、Hg、Pb采用單四極桿（SQ，Q1僅具有離子導入功能）模式的無氣方式（CRC中無氣體）進行測定；對于分析元素V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As采用串聯質譜（MS/MS，Q1、Q2均具有離子過濾功能）模式進行測定。

在ICP-MS/MS分析中，O2和NH3/He（其中He為緩沖氣）均為消除質譜干擾最常用的反應氣，兩種反應氣都能采用質量轉移或原位質量法消除干擾［26-28］。在MS/MS模式下，Q1能對來自等離子體的離子過濾，阻止大量干擾離子進入CRC，使CRC內發生的反應變得簡單可控，然后利用Q2對來自CRC出口的離子再次過濾，消除干擾更徹底［29］。本實驗分別選擇O2和NH3/He為反應氣，在MS/MS模式下考察元素V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As在兩種反應氣下消除質譜干擾的效果，測定結果見表2。

如表2所示，51V+在O2反應模式下采用質量轉移法獲得的產率高達63.3%，背景等效濃度（BEC）低至3.7ng/L，表明采用O2質量轉移法能有效消除干擾［30］；在NH3/He反應模式下，采用原位質量法獲得51V+的產率略低于O2反應模式，但BEC比O2反應模式低了一個數量級，優選NH3/He原位質量法測定V；對于52Cr+、55Mn+、75As+，在NH3/He反應模式下的產率太低而BEC比O2反應模式高［31］，優選O2質量轉移法測定Cr、Mn、As；59Co+在O2反應模式下采用質量轉移法獲得的產率遠高于NH3/He反應模式，而BEC略低于NH3/He反應模式，優選O2質量轉移法測定Co；60Ni+在O2質量轉移法的產率和BEC均比NH3/He質量轉移法高，由于NH3/He反應模式下的產率也能滿足測定要求，兩種模式都可用于Ni的測定，從消除質譜干擾效果來看，優選NH3/He質量轉移法測定Ni；對于63Cu+和66Zn+的測定，在O2反應模式下的產率并不具有優勢［32］，而BEC高于NH3/He反應模式，優選NH3/He質量轉移法測定Cu和Zn。因此，本實驗對于Cr、Mn、Co、As的測定采用O2反應模式，而對于V、Ni、Cu、Zn的測定采用NH3/He反應模式。

圖1 不同反應模式下消除質譜干擾的工作原理Fig.1 Working principle ofeliminating spectral interference in different reactionmodes

從圖1可以看出，Cr、Mn、Co、As通過Q1消除了大量干擾，進入CRC后與O2反應生成相應的氧化物離子消除干擾；V、Ni、Cu、Zn通過Q1消除大量干擾進入CRC后，由于V不與NH3發生反應，利用干擾離子與NH3反應采用原位質量法進行測定，而Ni、Cu、Zn則通過與NH3發生質量轉移反應生成團簇離子消除干擾。

2.3 分析過程的穩定性

樣品組成與標準溶液以及空白溶液存在基質差異，所產生的基體效應會導致分析信號長時間漂移，元素Hg存在記憶效應會導致分析信號強度嚴重下降，二者都會影響分析過程的穩定性［33-35］。為消除Hg的記憶效應，所有溶液均加入200μg/L的Au標準溶液［25］；為消除基體效應，所有溶液均利用內標元素T形混合接頭在線加入1mg/L的內標溶液，根據質量相近、性質相似的內標元素選擇原則，分析元素Be選擇Li為內標元素，分析元素V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As選擇Sc為內標元素，分析元素Mo、Cd、Sn、Sb、Ba選擇Y為內標元素，分析元素Hg、Pb選擇Bi為內標元素。向樣品溶液中加入10μg/L的Be、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Sn、Ba、Pb和1μg/L的As、Cd、Sb、Hg混合標準溶液，每間隔10min測定1次，2h內總共測定12次，考察了16種元素在分析過程中的穩定性，結果如圖2所示。所有分析元素的歸一化信號強度均在1.0±0.1范圍內，表明信號強度的波動小，分析過程的穩定性好。

表2 在MS/MS模式下分析元素的背景等效濃度Table 2 Background equivalent concentrations（BECs）of analytes in the MS/MSmode

圖2 樣品溶液中16種分析元素2h的穩定性情況Fig.2 Two-hour stability plot for 16 analytes in sample solution

2.4 反應氣流速的優化

反應氣流速決定CRC中反應氣濃度，影響反應產物的種類和濃度。當反應氣流速過低時，由于反應不完全導致干擾消除不徹底，而反應氣流速過高則會降低分析離子的傳輸效率，從而降低分析靈敏度［36-38］。因此，必須對反應氣流速進行優化。根據凹凸棒黏土典型的分子組成（MgAl）5Si8O20（OH）2（H2O）4·4H2O，用3%（V/V）硝酸+1%（V/V）鹽酸+2%（V/V）氫氟酸為介質配制含600mg/L的Si、150mg/L的Al、100mg/L的Mg混合標準溶液，用來模擬樣品溶液，加入10μg/L的V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As標準溶液，考察O2反應氣流速對Cr、Mn、Co、As加標回收率以及NH3/He反應氣流速對V、Ni、Cu、Zn加標回收率的影響，結果如圖3所示。

由圖3a可以看出，隨著O2流速的增大，干擾逐漸消除，4個分析元素的加標回收率逐漸減小；當流速達到0.30mL/min時，4個分析元素的回收率接近100%，隨后趨于平穩。為確保分析元素的干擾消除得更徹底，本實驗選擇O2流速為0.35mL/min。由圖3b可以看出，隨著NH3/He流速的增大，團簇離子逐漸形成，4個分析元素的干擾逐漸變小，相應的加標回收率也逐漸減小。當NH3/He流速達到3.0 mL/min時，Ni的回收率接近100%，而其余三個元素的回收率仍然偏高；當NH3/He流速達到3.5 mL/min時，Ni、Cu、Zn的回收率接近100%，而V的回收率偏高；當NH3/He流速達到4.0mL/min時，4個分析元素的回收率接近100%，隨后趨于平穩，表明干擾已基本消除。因此，本實驗選擇NH3/He流速為4.0mL/min。

2.5 方法線性范圍、檢出限與定量限

根據配制的分析元素系列標準溶液建立校準曲線，并進行線性回歸，ICP-MS/MS 自帶的MassHunter工作站自動輸出線性度，結果見表3。所有元素在各自的線性范圍內線性關系良好，線性相關系數≥0.9997。取空白溶液連續分析11次，計算各元素的標準偏差，以3倍標準偏差除以標準曲線的斜率為儀器的檢出限（LOD），以10倍標準偏差除以標準曲線的斜率為分析元素的定量限（LOQ）［39］。從表3可以看出，本方法的LOD為0.13～51.6ng/L，LOQ在0.43～172ng/L之間，可滿足凹凸棒黏土中微量以及痕量元素的分析要求。

2.6 國家標準參考物質玄武巖（GBW 07105）分析

圖3 不同反應氣流速下分析元素的加標回收率Fig.3 Spiked recoveries for analytes under different reaction gas flow rates

由于尚未研制出凹凸棒黏土國家標準參考物質，本實驗選擇與凹凸棒黏土成分組成相似的國家標準參考物質玄武巖（GBW07105）重復測定6次（Mn和Ba測定前稀釋10倍。），驗證本方法的準確性與精密度，結果見表4。玄武巖各分析元素的測定值與標準參考物質的認定值基本一致，相對誤差在-9.60%～8.21%之間，表明本方法的準確性好；各元素的相對標準偏差（RSD）≤5.93%，表明本方法的精密度高。

2.7 凹凸棒黏土樣品分析

采用ICP-MS/MS分析來自江蘇盱眙的兩個凹凸棒黏土樣品（樣品編號1、2），并采用標準加入法進行對比分析，每個樣品重復測定6次，利用t檢測法對兩種方法的分析結果進行統計分析。從表5可以看出，兩個凹凸棒黏土樣品16種微量元素含量均低于100μg/g，其中As、Cd、Sb、Hg的含量均低于1μg/g；在95%置信度水平下，除樣品2中的元素Ni以外，兩種方法的分析結果無顯著性差異（p＞0.05），表明本方法準確可靠。參照國家標準《食品安全國家標準 食品添加劑凹凸棒黏土》（GB 29225—2012）中As≤3μg/g、Pb≤40μg/g的限量標準，兩個凹凸棒黏土中重金屬含量完全滿足食品加工要求。

3 結論

建立了ICP-MS/MS測定凹凸棒黏土中16種微量元素的分析方法，采用硝酸-氫氟酸-鹽酸為混合酸對凹凸棒黏土進行微波消解，能提高分析元素在樣品溶液中的穩定性，所有元素的提取率均處于較高水平（≥97.0%），進而采用ICP-MS/MS進行測定。與傳統的ICP-MS法相比較，本方法發揮了ICP-MS/MS反應模式的優勢，應用O2反應模式和NH3/He反應模式消除質譜干擾更徹底，提高了元素分析的準確性，能快速測定凹凸棒黏土樣品中的多種微量元素，同時為其他鎂鋁硅酸鹽礦石中微量元素的測定提供借鑒。

本方法應用于江蘇盱眙凹凸棒黏土中微量元素的測定結果顯示，江蘇盱眙凹凸棒黏土中重金屬As和Pb的含量低于美國藥典的限量標準，已滿足口服藥物制劑的要求。該方法分別利用O2和NH3/He作為反應氣消除質譜干擾，需要進行氣體切換并設置不同的ICP-MS/MS工作參數，可通過后續實驗條件的研究進一步優化調整，采用一種通用型反應氣體消除質譜干擾，從而簡化分析流程、縮短分析時間。

表3 分析元素的線性范圍、檢出限與定量限Table 3 Linearity，limits of detection（LODs），and limits of quantification（LOQs）for analytes

表4 玄武巖國家標準參考物質（GBW07105）的分析結果（n＝6）Table 4 Analysis results of basalt national standard referencematerial（GBW07105）

表5 凹凸棒黏土樣品的分析結果（n＝6）Table 5 Analysis results of attapulgite samples（n＝6）