痕量有害重金属元素的检测
高信噪比等离子体质谱的应用
重金属元素一般是指在标准条件下单质密度大于4.50g/cm3的金属元素，这些元素进入人体后或多或少地容易引起各种疾病，故被认为是有害元素。通常关注的重金属元素有Hg，Pb，Sb，Cd，Ba，Cr，Sb，Sn等等，实际上有害元素还包括较重的类金属元素，如As等，其密度5.727g/cm3。这些元素在环境食品药品中的含量都是偏低的，处于微量或痕量级别。
当前环境，药品，食品安全等方面的痕量有害重金属元素的控制和检测得到了社会上前所未有的重视，美国药典(USP)2013年第37版中的232(limits)中对药物要求分析的元素限量种类已经达到16种之多，而在2010年的中国药典中，对西药和辅剂只检测5种有害元素(Cu,As,Cd,Hg,Pb)。同时涉及人民日常生活的食品安全法规也不断得到提升，2006年国家饮用水标准参照英国新版的NS30标准，把As的限量从0.05mg/l改写为0.01mg/l，而且还增加了Tl限量<0.0001mg/l，这是其他国家中没有强调涉及的项目。
2014年1月美国出版了的第八版药典，而我国今年颁布了新的2015药典大纲，明年将执行新的2015年版本药典。不断更新的更严格的国际环境食品药品法规是对现存分析仪器检测能力的挑战，提高仪器的检测能力一直是各仪器厂家的努力方向。新的国际法规促进了世界范围内所有分析仪器厂家在仪器结构设计上的不断改进，不断有新的设计思路涌现。分析检测仪器中信噪比是最重要的性能指标，仪器新的设计也以改善信噪比为首当其冲的重重之最。美国Thermo Fisher 公司最新上市的等离子体质谱(iCAP系列)，采用了整体90度离子偏转的离子光学系统，目前获得了同类型仪器(四极杆等离子体质谱)中的最高信噪比水平，中间质量元素(如115In)的信噪比达200M的水平，重质量元素(如238U)的信噪比达到300M的水平，不但大大改善了仪器的长期稳定性，而且极高地提升了仪器对痕量重金属元素的检测能力。
元素形态分析在环境食品药品检测方面早在二十世纪八十年代年末已被提及和探索，近期国内许多实验室也把元素形态分析落实到日常检测任务上来了，元素形态分析变得热门起来。我国2006年饮用水水质标准中就有铬元素的形态分析项目(如：Cr6+限量<0.05mg/l)。2015版的中国药典也将把元素形态分析的项目写入药物分析中，其中指出了无机铬，无机砷，无机汞的检测。这些都需要对元素的不同元素形态物进行分离检测。
由于等离子体质谱具备极高的灵敏度检测特性，常常被用于与色谱系统联用(包括高效液相色谱，离子色谱，气相色谱，毛细管电泳，凝胶色谱等)，此时等离子体质谱只相当于一个色谱系统中的高灵敏度检测器，该检测器的灵敏度越高，得到的色谱分离检测的图谱更清晰，检测的信号峰能力更强。特别是对于某些元素具备较多的不同形态物时(如：砷的不同形态物，单涉及砷糖就有二十几种)，而样品中该元素的总含量又偏低时(如一般样品中的砷含量都偏低的)，此时砷元素的各种不同形态物分配到的分量就更低，这样对作为检测器的等离子体质谱的信噪比提出更高的要求。
本文介绍了公司应用文献中环境，食品，药品中的重金属有害元素的等离子体质谱分析方法和检测结果，以及离子色谱与等离子体质谱联用的元素形态分析方法和结果。
实验部分
仪器与试剂
等离子体质谱仪器(Thermo Fisher Scientific iCAP Q ，c，or a );离子色谱(Thermo Fisher Scientific Dionex ICS -5000);等离子体质谱的标准工作(STD)模式：射频功率1550W，雾化气流量0.89l/min,碰撞气体流量4.0l/min，驻留时间10ms，回扫次数50次，2.5mm中心管，蠕动泵转速35r/min，标准镍材质锥口;动能歧视(KED)模式：He气流量，4.8ml/min，动能歧视设置，2V。离子色谱仪器的工作条件，参考结果中的描述，等度或梯度淋洗。
结果与讨论
药物中杂质元素的检测实验
采用的样品为阿司匹林片剂，流感粉剂，儿童咳嗽糖浆。样品处理，5g样品用500ml的1%硝酸和0.5%盐酸混合溶液溶解，同时加入Au溶液使溶液中Au浓度为200ppb，检测前用去离子水1：10稀释后进行上机检测。
药品检测实验[1]参照美国药典UPS 232，233中对杂质元素分析的程序和要求，对药品中16种杂质元素进行分析。等离子体质谱采用动能歧视(KED)工作模式。本分析方法的检出限见表1，对真实药物样品采用0.8计量值进行加标，回收率结果见图1，二个横线是按照药典要求上下质量控制线，平均回收率在91到113%。同样按美国药典要求进行重复性检测实验。重复数据精度见表2，相对标准偏差值均小于2.8%。
表1.方法检出限(单位微克，5克药品)
表2.分析精度重复性的实验结果
图1.加标回收率(%)。
本实验按照美国EPA200.8等离子体质谱水质分析方法的要求，执行分析方法的认证，采用的等离子体质谱仪器为iCAP Q，利用仪器内置的标准工作模式进行检测。使用在线加入内标，混合多元素内部元素有6Li，89Y，115In，159Tb，209Bi。实测有害重金属元素的方法检出限实验结果与美国国家饮用水要求的结果对照图，表3中MCGL(Maximum Contaminant Level Goals (MCLGs))为美国环境保护公署(EPA)对饮用水中会对人体健康产生的未知影响或可预期的不利影响的元素最高允许限量。表中MCL(Maximum Contaminant Levels)为美国国家基本饮用水法规(NPDWRs)中限定的最高污染限量。MDL为按EPA方法实际测得的方法检出限。
表2.方法检出限与美国EPA 饮用水水质要求的比较
元素形态分析实验
美国药典和即将颁布的2015年中国药典中都列出了无机砷无机汞等元素形态分析的要
求。2006年的中国饮用水标准和新版本的欧盟儿童玩具的检测标准中也都提及六价铬检测。本实验离子色谱与高信噪比的等离子体质谱联用，对不同元素的形态进行分析。
A.水果提取汁中不同砷形态物的分析实验。
样品为市售苹果汁，总砷检测的样品处理为1ml苹果汁加7ml去离子水，2ml2%硝酸。砷的形态分析时采用实测无砷的苹果汁加标10-20ng/g的各形态标准物。
分离采用阴离子交换柱子Dionex AS-7(2mm I.D.,250mm)。淋洗液为二种：淋洗液A，20mmol/L碳酸铵;淋洗液B，200mmol/L碳酸铵，15分钟内从20-200mmol/L进行梯度洗脱，采样量20ul，采集时间15分钟。等离子体质谱型号为iCAP Q，工作模式为动能歧视(KED)模式，He流量为4.8ml/min。动能歧视电压为2V。图2为在苹果汁中加入六种不同砷形态。
图2.苹果汁中不同形态砷化合物的色谱分离检测图谱。
化合物(每种10ng/g)(无机砷(As(III)，As(V))，砷甜菜碱(ASB)，砷胆碱(ASC)，甲基胂酸(MMA)，二甲基胂酸(DMA)后的色谱分离效果图。
B.饮用水中六价铬与三价铬的检测实验。
分离的离子色谱工作条件：采用的离子交换柱子为Dionex AS-7(2mm I.D.,50mm)。淋洗液等度淋洗，淋洗速度(0.4ml/min)，淋洗液0.3mol/L硝酸，进样量20ul，持续时间3min。
在对六价铬的分析上，等离子体质谱与离子色谱的最大的优点是不需要对样品进行EDTA的络合，避免了在络合过程中六价铬的转化。也简化了样品的前处理过程，3分钟内完成六价铬与三价铬的分离，加快日常分析的样品通量。其次高信噪比的等离子体质谱仪器提高了检出能力，Cr(VI)的检出限为0.20pg/g，Cr(III)的检出限为0.38pg/g，远低于各种国际国内的法规的要求，完全满足各种样品六价铬的检测需求。
图3.水中六价铬与三价铬的色谱分离检测谱图。
