ICP-MS nehézfémek elemzése a kender Food

Stephan Altmaier

Advanced Analytical R&D, Merck KGaA, Darmstadt, Germany

Összefoglaló

Teljes munkafolyamatot dolgoztunk ki összesen tizenkét nehézfém elemzésére kendertartalmú élelmiszerekben. Ez a munkafolyamat a következőket tartalmazza:       

• Minta homogenizálása egyszerű mozsárral és pisztollyal történő megközelítéssel
• Standard-, vak- és élelmiszerminta-oldatok készítése
• Kalibrációs oldatok készítése nehézfém-keverék standardoldat és egyedi elem standardoldatok felhasználásával
• Kalibrációs oldatok készítése
/li>
• A minták gyors mikrohullámú feltárásának feltételei
• Az ICP-MS rendszer beállítása
• Öt különböző, kendert tartalmazó élelmiszer-minta nehézfémtartalmának elemzése, beleértve a visszanyerési arány meghatározását

Bevezetés

A kender (ill: ipari kender) és a kannabisz a Cannabis sativa növény törzsei, amelyeket a teljes delta-9-tetrahidrokannabinol (delta-9-THC) tartalmuk (delta-9-THC és tetrahidrokannabinolsav (THCA)) alapján különböztetnek meg. A Cannabis sativa növényi anyagot, amely meghaladja a száraz tömeg 0,3 tömegszázalék THC-t, az USA ellenőrzött anyagokról szóló törvénye szerint marihuánának (kannabisznak) tekintik. Az ipari kender a Cannabis sativa L., amelynek THC-küszöbértéke 0,3% alatt van (= % THCA x 0,877 + % Delta-9-THC). A kender és a kannabisz fogalmát a világ számos részén sajátos módon szabályozzák. Ebben a munkában különböző kendertartalmú élelmiszereket elemeztek, de minden leírás érvényes a kannabiszt tartalmazó élelmiszerekre is.

A kenderről ismert, hogy gyökereiben, hajtásaiban, rügyeiben és magjaiban nehézfémeket, például ólmot, kadmiumot, arzént, higanyt, krómot vagy nikkelt halmoz fel, és már használják szennyezett talajok remediációjára (fitoremediáció és fitoextrakció).^(1)(2)(3)(4) Az említett fémek potenciálisan veszélyes hatásai miatt ez a tulajdonság természetesen akadályozhatja a kender élelmiszeripari vagy orvosi felhasználását. Emellett a gyártási folyamat során a termék szennyeződése is előfordulhat. Ennek következtében a kendert tartalmazó élelmiszer- vagy gyógyszeripari termékeket nehézfémtartalmuk szempontjából vizsgálni kell.

Ez a jelentés az arzén, kadmium, higany és ólom (a jellemzően "nagy négyesnek" nevezett elemek), valamint a króm, bárium, ezüst, szelén, antimon, réz, nikkel és cink elemzését írja le kendert tartalmazó élelmiszermintákban induktívan kapcsolt plazmához kapcsolt tömegspektrometriával (ICP-MS). Egy előkevert, a "négy nagy" nehézfémet tartalmazó standard oldatot használtak nyolc egyedi elemet tartalmazó standardkészlettel kombinálva - ez a megközelítés az analitok széles körét lefedte. A konkrét laboratóriumi igényektől függően könnyen leszűkíthető a "nagy négyesre". Összesen öt különböző, kendert tartalmazó élelmiszermintát elemeztek:

• Zabpehely (kendermagot tartalmaz)
• Tészta (12% kenderliszttel)
• Csokoládé (12% kendermaggal)
• Csokoládés keksz (7.5% kenderliszt és 7,5% kendermag)
• Csokoládéval bevont kendermag (25% kendermaggal)

Minta előkészítése

Mozsár és mozsár segítségével homogenizáljunk kb. 2,5 g-ot minden egyes élelmiszermintából. Az eljárás alkalmazása az őrölt kávébabhoz hasonló durva por előállítását eredményezi (lásd 1. ábra). A csokoládét tartalmazó mintákat ajánlott az őrlés előtt -20 °C-on lefagyasztani a homogenizáló hatás javítása érdekében. 

1. ábra. Gabonafélék mozsárral és mozsártörővel történő őrlés után.

Az anyagok és módszerek

Belső standard, vak és élelmiszerminta oldatok előállítása

1. Általános: A mintákat 0,1 mg-os leolvashatóságú, kalibrált analitikai mérlegen mérjük le. Használjon egycsatornás, változó térfogatú és gravimetriásan bevizsgált polipropilén pipette-tips pipettákat a reagensek, standardok és minták átviteléhez.
2. Indium standard oldat (belső standard): Pipettázzon 3 ml 60%-os salétromsavat és 1000 µl indium ICP standardot (1000 mg/l) egy 100 ml térfogatú kvarclombikba. Töltse fel a lombikot a jelig ultratiszta vízzel, hogy 10 µg/ml végkoncentrációt kapjon.
   Megjegyzés: Alternatív belső standardként ródium ICP-standardok is használhatók.
3. Üres oldat: Pipettázzon 3 mL 60%-os salétromsavat és 1 mL 30%-os hidrogén-peroxidot egy 15 mL-es kvarc mikrohullámú emésztő fiolába, és eméssze mikrohullámú emésztőrendszerrel (a feltételeket lásd az alábbi szakaszban). Az emésztés befejezése után az oldatot kvantitatív módon vigye át egy 50 mL-es polipropilén csőbe, egyesítse 50 µL indium standard oldattal, és töltse fel 50 mL-re ultratiszta vízzel.
4. Mintaoldat: Mérjen 100 ±1 mg őrölt élelmiszermintát egy 15 ml-es mikrohullámú kvarcüvegbe. Adjunk hozzá 3 mL 60%-os salétromsavat és 1 mL 31%-os hidrogén-peroxidot, és mikrohullámú emésztőrendszerrel emésszük fel a mintát. Az emésztés befejezése után a kapott oldatot mennyiségileg át kell vinni egy 50 ml-es polipropilén csőbe, majd 50 µl indium standard oldattal kell egyesíteni, és 50 ml-re fel kell tölteni ultratiszta vízzel.

A kalibrálás standard adalékolási módszere

A minta mátrixhatásainak kompenzálása érdekében az összes kalibrációs görbe elkészítéséhez a hitelesített referenciaanyag (CRM) Heavy Metal Mix IX standard oldat és különböző ICP egyelemű standardok felhasználásával standard adalékolási módszert alkalmaztunk. A végső kalibrációs görbe négy adatpontból állt (három standard adalékoldat plusz mintaoldat).

Kalibrációs oldatok előállítása ICP-MS analízishez

1. Mérjen 100 ±1 mg őrölt mintát egy 15 ml-es mikrohullámú kvarcüvegbe.
2. Adjunk hozzá 3 ml 60%-os salétromsavat, 1 ml 31%-os hidrogén-peroxidot és különböző térfogatú CRM Heavy Metal Mix IX standard oldatot és ICP egyelemű standard oldatokat, majd mikrohullámú emésztőberendezéssel emésszük fel a mintát.
3. A befejezett emésztés után a kapott oldatot mennyiségi szempontból vigye át egy 50 ml-es polipropilén csőbe, egyesítse 50 µl indium standard oldattal, és töltse fel 50 ml-re ultratiszta vízzel.
4. A kapott mintát ICP-MS analízisnek vesse alá.

A standard adalékoldatok elkészítése

1. táblázat. Standard adalékoldatok készítése a Heavy Metal Mix IX standard oldat (As, Cd, Hg, Pb) felhasználásával: Szükséges Heavy Metal Mix térfogat és nehézfém-koncentrációk az így kapott standard oldatokban.
A IX. nehézfémkeveréket 1:10-szeresére hígítottuk ultratiszta vízzel.

Szokásos adalékolási megoldás sz.	Térfogat (Heavy Metal Mix IX)(µL)		Az As, Cd, Hg, Pb eredő koncentrációja (minta kezdeti tömege 50 mg)(µg/g)
1	100	1.000
2	200	2.000
3	500	5.000

2. táblázat. Standard adalékoldatok készítése ICP egyelemű Ag, Cr, Cu, Co, Ni, Sb és Se standardok felhasználásával: Szükséges nehézfémek Keverési térfogatok és nehézfém-koncentrációk az így kapott standard oldatokban.

Szokásos adalékolási megoldás sz.	Térfogat (ICP egyelemű standard)(µL)		Az Ag, Cr, Cu, Co, Ni, Sb és Se eredő koncentrációja (minta kezdeti tömege 50 mg)(µg/g)
1	50	5.000
2	100	10.000
3	200	20.000

3. táblázat. Standard adalékoldatok készítése ICP egyelemű Ba és Zn standardok felhasználásával: Nehézfémek keverési térfogata és a nehézfémek koncentrációja a kapott standard oldatokban.

Szokásos adalékolási megoldás sz.	Térfogat (ICP egyelemű standard)(µL)		eredmény Ba és Zn koncentrációja (minta kezdeti tömege 50 mg)(µg/g)
1	50	50.000
2	100	100.000
3	200	200.000

Készülék paraméterei

Élelmiszer-minták emésztése 

4. táblázat. Feltárási feltételek élelmiszer-minták mikrohullámú feltárásához.

Rendszer	Mikrohullámú feltáró rendszer turboWAVE, MLS (Németország) (vagy ezzel egyenértékű)
Emelési program	Nitromsavas emésztés 280 °C-on
Mikrohullámú fiola	Kvarcüveg
Alaptöltet	110 ml ultratiszta víz és 5 ml salétromsav vagy 115 ml ultratiszta víz
Feltöltési nyomás	40 bar
Légtelenítési sebesség	5 bar/perc (T < 80 °C-tól)
Tartályhűtés	Igen (> 40 °C)

5. táblázat. Az emésztési program paraméterei az élelmiszer-minták mikrohullámú emésztéséhez.
Az emésztés után a kapott oldatnak tisztának és részecskéktől mentesnek kell lennie. A feltételeket az adott mikrohullámú rendszerhez kell igazítani.

Idő (h)	Mikrohullámú teljesítmény (W)	Hőmérséklet 1 (°C)	Hőmérséklet 2 (°C)	Nyomás (bar)
00:03:00	700	70	60	100
00:15:00	1000	180	60	120
00:30:00	1200	280	60	120

ICP-MS feltételek

6. táblázat. ICP-MS beállítások kendertartalmú élelmiszer-minták elemzéséhez.

Rendszer	ICP-MS Element 2, ThermoScientific (vagy azzal egyenértékű)
Plazma kimenet	kb. 1300 W
Plazma gázáram	kb. 16 L/min
Mintaszállítás	Perisztaltikus szivattyú (vagy azzal egyenértékű), szállítási térfogat kb. 1 ml/perc
Nebulátor	Kvarc szórókamra (vagy azzal egyenértékű) / Meinhardt porlasztó (vagy azzal egyenértékű)
Nebulátor gázáram	kb. 1 L/perc
Segédgázáram	kb. 1 L/min
Masszafelbontás	4000 + 10000
Kalibrálás	Szokásos adalékolás

Az elemzést a sorrendben végeztük:

Standard adalékkalibrációs adatok

A standard adalékoldatokat a Heavy Metal Mix IX standard oldat (As, Cd, Hg, Pb) és nyolc ICP egyelemű standard oldat (Ag, Ba, Cr, Cu, Co, Ni, Sb, Se, Zn) felhasználásával készítettük. A csokoládés süteménymintára kapott eredmények láthatók. Ezek kiváló linearitást mutattak a teljes kalibrációs tartományban, az arzén kivételével (0,9922) minden esetben 0,9997-es r² értékekkel. Ez utóbbi kritikátlannak tekinthető, mivel minden analitikai eredmény 0,1 µg/g alatt van, és a megfelelő visszanyerési arányok kiválóak (lásd a következő fejezetet). Az összes többi kendertartalmú élelmiszermintával hasonló eredményeket értünk el. A 2. ábra a csokoládés süteménymintával kapott eredményeket mutatja.

2. ábra. Az Ag, Ba, Cr, Cu, Co, Ni, Sb, Se, Zn fémek standard hozzáadásának grafikus ábrázolása csokoládé süteménymintákban.

Eredmények 

Minden kendertartalmú élelmiszermintát ICP-MS-sel elemeztünk duplikátumként. A minták visszanyerési arányát (RR) a Heavy Metal Mix IX standard oldat és nyolc ICP egyelemű standard oldat felhasználásával határoztuk meg. Az RR valamennyi nehézfém esetében ±10%-os vagy annál jobb tartományban volt, kivéve a higanyt (±20%).

Szereáliák

A minta ismeretlen mennyiségű kendermagot tartalmazott.

9. táblázat. Gabonafélék ICP-MS-analízissel meghatározott nehézfémtartalma.

Element	# 1 [µg/g]	# 2 [µg/g]	RR [%]
Antimon	< 0.1	< 0.1	95
Arzén	< 0.1	< 0.1	97
Bárium	0.5	0.5	100
Kadmium	< 0.05	< 0.05	95
Króm	< 0.1	< 0.1	94
Réz	2.0	2.0	97
Ólom	< 0.1	< 0.1	96
Higany	< 0.1	< 0.1	80
Nikkel	0.1	0.1	98
Selénium	< 1	< 1	97
ezüst	< 0.1	< 0.1	98
Cink	15	14	97

Tészta

A minta 12% kenderlisztet tartalmaz.

10. táblázat. A tészták nehézfémtartalma ICP-MS analízissel meghatározva.

Element	# 1 [µg/g]	# 2 [µg/g]	RR [%]
Antimon	< 0.1	< 0.1	98
Arzén	< 0.1	< 0.1	95
Bárium	1.1	1.0	99
Kadmium	< 0.05	< 0.05	92
Króm	0.2	0.3	97
Réz	4.0	4.1	93
Ólom	< 0.1	< 0.1	92
Higany	< 0.1	< 0.1	87
Nikkel	0.2	0.2	91
Selénium	< 1		< 1	97
ezüst	< 0.1	< 0.1	94
Cink	17	17	95

Csokoládé

A minta 12% kendermagot tartalmaz.

11. táblázat. A csokoládé nehézfémtartalma ICP-MS analízissel meghatározva.

Element	# 1 [µg/g]	# 2 [µg/g]	RR [%]
Antimon	< 0.1	< 0.1	97
Arzén	< 0.1	< 0.1	101
Bárium	3.4	2.9	98
Kadmium	0.1	0.1	103
Króm	0.3	0.3	99
Réz	13		13	98
Ólom	< 0.1	< 0.1	97
Higany	< 0.1	< 0.1	109
Nikkel	4.3	3.8	101
Selénium	< 1		< 1	100
ezüst	< 0.1	< 0.1	100
Cink	30	38	99

Csokoládés sütik 

A minta 7,5% kenderlisztet és 7,5% kendermagot tartalmaz.

12. táblázat. A csokoládés sütemények ICP-MS analízissel meghatározott nehézfémtartalma.

Element	# 1 [µg/g]	# 2 [µg/g]	RR [%]
Antimon	< 0.1	< 0.1	99
Arzén	< 0.1	< 0.1	101
Bárium	0.8	1.3	96
Kadmium	< 0.05	< 0.05	95
Króm	0.1	0.1	99
Réz	3.3	4	93
Ólom	< 0.1	< 0.1	95
Higany	< 0.1	< 0.1	104
Nikkel	0.2	0.4	98
Selénium	< 1		< 1	99
ezüst	< 0.1	< 0.1	99
Cink	18	23	103

Csokoládéval bevont kendermag

A minta 25% kendermagot tartalmaz.

13. táblázat. A csokoládéval bevont kendermag ICP-MS analízissel meghatározott nehézfémtartalma.

Element	# 1 [µg/g]	# 2 [µg/g]	RR [%]
Antimon	< 0.1	< 0.1	100
Arzén	< 0.1	< 0.1	101
Bárium	1.9	1.8	102
Kadmium	0.07	0.07	104
Króm	0.2	0.2	99
Réz	4.4	4.4	93
Ólom	< 0.1	< 0.1	105
Higany	< 0.1	< 0.1	115
Nikkel	1.8	1.7	95
Selénium	< 1		< 1	103
ezüst	< 0.1	< 0.1	94
Cink	13	15	95

Az antimon-, arzén-, ólom-, higany-, szelén- és ezüsttartalom minden mintában a kimutatási határ alatt volt (Se: 1,0 µg/g, az összes többi: 0,1 µg/g). Báriumot, rezet, nikkelt és cinket minden mintában kimutattak, a koncentrációk 0,5 - 3,4 µg/g (Ba), 2,0 - 13 µg/g (Cu), 0,1 - 4,3 µg/g (Ni) és 13 - 38 µg/g (Zn) között mozogtak. A gabonafélék kivételével minden minta tartalmazott krómot (0,1 - 0,3 µg/g), és mind a csokoládéban, mind a csokoládéval bevont kendermagban kadmiumot mutattak ki (0,07 - 1,0 µg/g).

Következtetés

Ez a munka egy átfogó ICP-MS munkafolyamatot mutat be a kendertartalmú élelmiszerekben lévő nehézfémek meghatározására, a standard addíciós kalibrációs módszer alkalmazásával. A folyamat döntő elemei közé tartozik a minták homogenizálása és a pontos, nyomon követhető hitelesített referenciaanyag-keverék, valamint az ICP egyelemű standard oldatok használata. A mintákat mozsárral és pisztollyal történő őrléssel készítették elő. A mintákat ezután egy speciális emésztési protokoll segítségével feltárták, amelyet úgy optimalizáltak, hogy tiszta emésztési oldatokat kapjanak. Az így kapott oldatokat ICP-MS analízisnek vetették alá. A kalibrációs adatokat egy arzént, kadmiumot, ólmot és higanyt tartalmazó nehézfém CRM-keverék, valamint nyolc ICP egyelemű standard oldat (Ag, Ba, Cr, Cu, Co, Ni, Sb, Se, Zn) felhasználásával kapott standard adalékoldatok elkészítésével és elemzésével nyertük. A végeredmények konzisztensek voltak, és azt mutatták, hogy az összes minta Sb-, As-, Pb-, Hg-, Se- és Ag-tartalma a kimutatási határ alatt van. A bárium, réz, nikkel és cink koncentrációja 0,1 - 38 µg/g között mozgott, a krómtartalom 0,1 - 0,3 µg/g volt (gabonafélékben nem mutatták ki), a kadmiumkoncentráció pedig 0,07 - 1,0 µg/g (csokoládé és csokoládéval bevont kendermag).

Hivatkozások

1. Griga M, Bjelková M. 2013. Flax (Linum usitatissimum L.) and Hemp (Cannabis sativa L.) as Fibre Crops for Phytoextraction of Heavy Metals: Biological, Agro-technological and Economical Point of View.199-237. https://doi.org/10.1007/978-3-642-35564-6_11

2. Linger P, Ostwald A, Haensler J. 2005. Cannabis sativa L. growing on heavy metal contaminated soil: growth, cadmium uptake and photosynthesis. Biol. plant. 49(4):567-576. https://doi.org/10.1007/s10535-005-0051-4

3. Ahmad R, Tehsin Z, Malik ST, Asad SA, Shahzad M, Bilal M, Shah MM, Khan SA. 2016. Phytoremediation Potential of Hemp (Cannabis sativaL.): Identification and Characterization of Heavy Metals Responsive Genes. Clean Soil Air Water. 44(2):195-201. https://doi.org/10.1002/clen.201500117

4. Shi G, Liu C, Cui M, Ma Y, Cai Q. 2012. Cadmium Tolerance and Bioaccumulation of 18 Hemp Accessions. Appl Biochem Biotechnol. 168(1):163-173. https://doi.org/10.1007/s12010-011-9382-0