ICP-MS半定量分析技術在食品安全領域的研究進展

摘 要：電感耦合等離子體質譜（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）半定量分析技術，具有操作便捷、分析速度快的特點，可對樣品中70種以上元素進行同時檢測，且在無內標及全目標元素標準物質的條件下，就能實現對樣品中未知元素的快速定性與濃度范圍界定。該技術尤其適用于應對食品安全領域的突發事件，能夠迅速識別污染元素，并為后續精確分析提供詳盡、綜合的數據支持。本文深入探討ICP-MS半定量分析技術在食品安全檢測中的應用現狀，旨在提升該技術在保障食品安全領域的科學應用與研究水平。

關鍵詞：電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）；半定量分析；多元素；食品安全

Abstract： The semi-quantitative analysis technology of inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS） has the characteristics of convenient operation and fast analysis speed， which can meet the simultaneous detection of more than 70 elements in samples. In the absence of internal standard and full target element reference material， the rapid qualitative and concentration range of unknown elements in the sample can be defined. This technique is especially suitable for dealing with emergencies in the field of food safety because it can rapidly identify contaminated elements and provide detailed and comprehensive data support for subsequent， accurate analysis. In this paper， the current status of ICP-MS semi-quantitative analysis in food safety testing is discussed in depth， aiming to improve the scientific application and research level of this technology in the field of food safety.

Keywords： inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS）; semi-quantitative analysis; multi-element; food safety

食品中重金屬的來源多樣，既包括外部環境污染物通過食物鏈的傳遞，也包括食品加工過程中人為引入的重金屬[1]。重金屬物質難以降解，其在人體內的累積將會干擾免疫系統的正常功能，導致機體的抵抗力下降，易發生感染和形成慢性疾病，造成機體組織功能損傷[2]。基于重金屬物質對人體的危害，《食品安全國家標準 食品中污染物限值》（GB 2762—2022）對蔬菜、畜禽肉、乳制品、水果及水產品等食品中的鉛、砷、鎘、鉻及汞等元素的含量進行了明確規定。因此，加強對食品中重金屬的監管十分必要，對于保護人們身體健康、維護社會穩定、促進經濟發展也具有重要意義。

目前，常見的金屬元素測定方法有比色法、分光光度法[3]、原子熒光光譜法、原子吸收光譜法[4]、電感耦合等離子發射光譜法和電感耦合等離子體質譜法等。其中，電感耦合等離子體質譜法（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）因具有分析速度快[5]、動態范圍廣、測定元素范圍廣、靈敏度高以及背景信號低[6]等特點，被認為是最理想的無機微量及痕量元素分析方法[7]，已廣泛應用于食品、材料、環境等多個檢測領域中。在進行全譜圖或幾十個元素的全定量分析時，ICP-MS測定過程中需要提供靶標元素的標準溶液，而標準溶液的配制過程既復雜又耗時，且存在一定的局限性，在應對突發污染事件時，難以迅速確定非靶向污染元素及其濃度范圍，不利于控制措施的及時制定。然而，ICP-MS半定量分析技術能夠彌補全定量分析的不足。該技術具有更快的分析速度，且能夠實現多個元素的同時測定。分析過程中，標準曲線的配制較為便捷，無須配制標準溶液或僅需要部分元素標準溶液，能夠快速地對樣品進行全元素的掃描定性和濃度預估，可為全定量分析提供各元素的濃度范圍及內標選擇提供參考[8-10]。憑借其獨特的技術特性和優勢，ICP-MS半定量分析技術有利于食品安全檢測技術的發展，成為未來食品安全檢測的重要發展方向之一。但是，目前關于該分析技術的系統性研究與報道相對匱乏，且尚未有明確的行業標準或法律法規對其進行規范，并推廣至應用層面。

基于此，本文將深入分析ICP-MS半定量分析技術的內在機制、優勢特性及其局限性，并著重探討其在食品安全檢測領域的創新應用與實證研究。同時分析該技術在實際應用過程中面臨的挑戰，以期為相關人員提供參考。

1 ICP-MS半定量分析技術概述

在傳統的ICP-MS定量分析中，需要嚴格依賴每個待分析元素配制的標準溶液，并在完成煩瑣的標準曲線繪制后才可進行測定分析。而ICP-MS半定量分析技術無須提前準備所有目標元素的標準溶液，即使在資源有限或時間緊迫的情況下，也能迅速地對樣品中的未知元素進行初步識別，并有效界定其濃度范圍[11]。此外，其測定結果不僅具有較高的準確性，還展現出優異的可重復性[12]。

ICP-MS出廠時預設有各元素半定量因子，通過配制單一濃度點的商品化混合標準溶液，結合元素響應值與濃度值計算并修正半定量因子。儀器自動校正后，可模擬平滑的質量-靈敏度曲線，依據該曲線及元素特性，能夠精確計算樣品中各元素的濃度，提升測量準確性和可靠性[13]。

ICP-MS半定量分析技術存在質譜干擾與非質譜干擾。質譜干擾涵蓋多原子離子干擾、多電荷離子干擾、氧化物干擾及同量異位素干擾等復雜情況[14-15]。

為有效緩解質譜干擾，提升分析結果的準確性，業界已廣泛采用多種策略，包括儀器的高精度調諧、集成碰撞/反應池技術以選擇性地去除或降低干擾信號、利用同位素稀釋或選擇特定同位素作為內標等，顯著提高了數據的可靠性。而非質譜干擾則主要源于物理過程及樣品基質本身的復雜性，這些因素可能導致信號強度的增強或減弱，如基體效應和電離效應等。為克服這些非質譜干擾，研究者們開發了一系列解決方案：實施基體稀釋以降低基質對分析過程的直接影響；采用基體匹配技術以減少基質效應的差異；設計實驗方案以減小基質與分析物之間的相互作用；利用在線內標校正技術動態監測并補償信號響應的波動和靈敏度的變化。通過綜合應用這些措施，能夠顯著提升ICP-MS在半定量分析中的穩定性和精確度，確保分析結果的可靠性。

2 食品安全領域中ICP-MS半定量分析技術的應用研究進展

2.1 食品安全檢測準確度方面的研究進展

在半定量分析技術能實現快速且一次性掃描全元素濃度的條件下，目前的研究多聚焦于提升該技術的準確度，并積極探索與其他分析技術的聯合應用。半定量分析方法是一種在缺乏精確校準條件的情況下可實現各元素含量同時測定的技術，已廣泛應用于環境監測、食品安全和生物樣本分析等領域。半定量分析的準確度受樣品基質、元素濃度、校準元素數量和相鄰質量的影響，也受校準元素分布的影響。一般認為半定量的結果相對偏差在±50%[16]。表1匯總了近年來相關報道中關于ICP-MS半定量分析技術檢測結果準確度的相關信息。

通常認為，ICP-MS半定量分析技術中的半定量因子無須使用太多的標準物質溶液進行校正。由表1可知，10項報道中有8項的校正標準溶液元素不超8個，其結果相對偏差多在±30%，少部分元素的準確度會更高。其中，2篇文獻校正元素為25種，相對偏差均在±7%。也有學者通過縮短質量間隔并使用18種元素進行校準，顯著提高了分析精度[27]。于趁等[28]在He碰撞反應池模式下采用ICP-MS半定量分析技術測定樣品中34種元素。結果顯示，標準物質測定結果在標準值范圍內，加標回收均大于80%，回收效果滿意；奶粉全定量與半定量測定結果均在同一濃度范圍。可以看出，校正元素的數量和分布的質量范圍對測定結果有一定影響，校準元素數量越多，覆蓋荷質比質量軸范圍越廣，測定結果也就越精確。因此，采用ICP-MS半定量分析法測定目標元素時，可以使用多元素混合標準溶液進行半定量因子的校正，以提高測定結果的準確度。

在加標回收實驗分析中，鄧寧等[24]對易腐葉菜類蔬菜中12種元素進行加標回收實驗，加標回收率在71.1%～90.7%。張祥[21]對多種食品中的鉛、鎘、鉻、汞、砷、鋇、銻及銅多種微量金屬元素進行加標回收試驗，得到加標回收率為82.80%～118.00%。黃鳳妹[18]發現標準樣品、盲樣液加標回收的回收率在97%～112%。分析可得，樣品基質簡單、干擾污染少的樣品，以及在測定過程中進行儀器條件優化后，所得半定量測定結果的準確性越高。

通常，待測元素濃度與測定結果的準確度呈正相關，待測元素濃度越高，準確度就越高[29]。例如，吳開華等[30]對灌溉水中的鉛、砷、鎘、鉻、銅、鋅和鎳7種重金屬元素進行分析，結果發現元素濃度小于0.01 mg·L-1時，測定結果的相對偏差大于70%，準確度較低；當元素濃度大于0.1 mg·L-1時，半定量測定結果相對偏差小于30%。嚴霞[31]研究發現，半定量分析過程匯總，目標元素濃度在0.01 mg·L-1以上時，所得結果準確度較高。

綜上，半定量測定結果準確度的高低與眾多因素有關，但尚未掌握其規律性。因此，提高半定量分析結果的準確度是當前亟待解決的難題，也是未來半定量分析技術發展的重要方向。在無須建立標曲的情況下，半定量分析技術的快速定性和預估各元素濃度范圍使其成為面對突發食品安全事件時的有力檢測方式，可為后續的全定量分析、內標選擇以及降低干擾元素影響提供依據。

2.2 食品安全檢測應用拓展方面的研究進展

目前，相關人員針對半定量方法的應用領域及范疇進行了拓展與深化，具體應用見圖1。FERREIRA等[32]采用ICP-MS半定量分析技術，針對受污染水域和正常水域中的34個魚類物種共計255條成年個體進行重金屬含量評估。通過對比半定量全元素掃描結果，發現污染水域魚類體內砷與汞元素含量偏高。FUJIMURA等[33]利用ICP-MS半定量分析技術實現了動物體內礦物質含量的動態監測，并對比評估了大鼠在攝入不同鋅含量日糧10 d后，其體內組織和血漿中的26種礦物質含量的變化。這一研究不僅體現了ICP-MS半定量分析技術在復雜生物樣本中多元素同時檢測方面的技術優勢，還深刻揭示了礦物質濃度隨膳食中鋅濃度變化而呈現出的規律性變化。通過比較ICP-MS半定量分析技術在不同水域之間或不同時間段的多元素掃描結果，可以快速明確目標對象中某一種或多種元素的變化，且不需要靶標元素的標準溶液，明顯拓寬了該技術的應用渠道。

LAURSEN等[34]采用半定量分析技術并結合化學計量學方法對73種元素進行檢測，結果發現該方法能夠有效地區分常規種植的大麥與有機大麥，以及作物類型如小麥和馬鈴薯等。與傳統的全定量方法相比，該方法在區分地理來源方面展現出明顯的優勢。WANG等[35]采用ICP-MS半定量分析技術結合支持向量機（Support Vector Machine，SVM）等機器學習技術分類方法進行全元素分析，結果發現該技術在區分不同水稻品種方面具有較大的潛力，尤其是按地理來源區分方面。

在農產品的產地溯源中，多元素結合化學計量學分析方法較為常用[36]。通常，檢測元素類型越多，溯源的準確性越高。ICP-MS半定量分析技術不僅可以用于受污染水域魚類中重金屬含量的評估，還能確定土壤、葡萄、葡萄汁和葡萄酒的元素組成，并通過全譜圖分析對水稻品種進行分類。此外，該方法還能用于綠海龜血液中的多元素篩選結果的驗證，進而為后續全定量分析提供依據。在沒有校準溶液的情況下，半定量分析能根據經驗因子估算元素含量，并在化學計量學分析中用于有機小麥、大麥、蠶豆和馬鈴薯等作物的多元素指紋鑒定[37-38]。

3 結語

ICP-MS半定量技術具有分析速度快、校準程序簡單、準確性較高等特點，可以實現高通量非靶性快速檢驗，能夠對未知樣品進行定性分析，并檢測出樣品中有益、有害、必需的元素濃度范圍，可為食品安全領域的多元素檢測和安全評估提供科學根據。未來，相關人員應通過改進樣品前處理技術、優化儀器參數以及與其他儀器設備聯用等方法，消除ICP-MS半定量分析技術中的質譜干擾和非質譜干擾，進一步提高其檢測靈敏度和準確性，拓展應用方法和范圍，以促進該技術在食品安全領域的進一步發展。

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基金項目：國家市場監管重點實驗室“熱帶果蔬質量與安全”（ZZ-2023017、ZZ-2024014）。

作者簡介：秦海妙（1997—），女，海南臨高人，本科，助理工程師。研究方向：食品質量與安全檢驗。

通信作者：林志藩（1981—），男，海南海口人，本科，高級工程師。研究方向：食品質量與安全檢驗。E-mail： linzhifan2005@163.com。