Automatizovaná analýza potravin pomocí ICP-QQQ s diskrétním dávkováním vzorků a automatickým ředěním

Rychlá a přesná analýza potravin v souladu s metodou AOAC s využitím systému Agilent 9500 ICP-QQQ, AVS MS a ADS 2

Úvod

Výrobci potravin i regulační orgány, včetně státních a federálních institucí, nesou odpovědnost za zajištění zdravotní nezávadnosti potravin určených ke konzumaci. V zájmu ochrany veřejného zdraví proto výrobci a producenti dodržují přísné analytické postupy, například metodu AOAC Official Method 2015.01 pro stanovení těžkých kovů v potravinách pomocí ICP-MS.¹

V posledních letech byly na globální úrovni realizovány iniciativy zaměřené na zpřísnění stávajících legislativních požadavků a další snižování povolených limitů kontaminantů, jak dokládá například program amerického Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) nazvaný Closer to Zero. Splnění těchto stále přísnějších požadavků je podmíněno využíváním analytických přístrojů schopných poskytovat vyšší výkon, lepší citlivost a vyšší přesnost měření. Současně se laboratoře zabývající se analýzou potravin snaží zvyšovat produktivitu a efektivitu pracovních postupů, aby dokázaly reagovat na rostoucí analytické nároky.

Pro podporu těchto cílů byly systémy Agilent 9500 ICP-MS s trojitým kvadrupólem (ICP-QQQ) a Advanced Dilution System (ADS 2) navrženy tak, aby spolupracovaly jako integrované řešení zjednodušující analytické metody, zvyšující produktivitu a poskytující výsledky nejvyšší kvality. Unikátní systém dvojité kolizně-reakční cely (Dual-Cell System, DCS) přístroje Agilent 9500 využívá režim Advanced Helium Mode (AHM) a režim reakční cely se vzduchem (Air Cell Mode), které účinně odstraňují polyatomické a dvojitě nabité interferující ionty a současně zvyšují citlivost pro prvky s nízkou hmotností.²˒³

Systém ADS 2 navíc významně zjednodušuje přípravu vzorků tím, že automaticky připravuje kalibrační standardy ze zásobního roztoku, provádí předběžné ředění vzorků před analýzou a automaticky dořeďuje vzorky, jejichž koncentrace překračují kalibrační rozsah. Kombinace těchto technologií umožňuje rychlejší a spolehlivější získávání přesných analytických výsledků.

V této studii byly jako reprezentativní vzorky použity různé standardní referenční materiály (SRM), které pokrývají různé typy matric běžně analyzovaných v laboratořích zaměřených na kontrolu potravin. Tyto materiály byly využity k ověření analytické metody. Jelikož jsou v těchto laboratořích kladeny vysoké požadavky na produktivitu, byla konfigurace systému Agilent 9500 ICP-QQQ i analytická metoda optimalizována s cílem maximalizovat průchodnost vzorků. Výkonnost metody byla následně hodnocena podle kritérií definovaných v metodě AOAC 2015.01.

Experimentální část

Vzorky

Jako vzorky byly použity standardní referenční materiály potravinových matric z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST, Gaithersburg, USA).

Použité SRM zahrnovaly:

• NIST 1566b Oyster Tissue (tkáň ústřic)
• NIST 1573a Tomato Leaves (listy rajčete)
• NIST 2976 Trace Elements and Methylmercury in Mussel Tissue (stopové prvky a methylrtuť ve tkáni slávek)

Příprava vzorků

Příprava vzorků byla provedena podle postupu předepsaného metodou AOAC 2015.01. Všechny tři typy vzorků byly mineralizovány pomocí uzavřeného mikrovlnného systému MARS 6 společnosti CEM Corporation (USA). Přibližně 0,25 g každého vzorku bylo přesně naváženo do 75ml nádoby MARS Xpress s vložkou z PFA. Do každé nádoby byly následně přidány:

• 4 ml HNO₃
• 1 ml H₂O₂
• 0,1 ml roztoku zlata (Au) a lutecia (Lu) o koncentraci 50 mg/l

Přídavek zlata slouží ke stabilizaci výtěžnosti rtuti (Hg), zatímco lutecium představuje přídavný kontrolní prvek (spike). Stanovení Lu umožňuje ověřit výtěžnost těkavých prvků po dokončení procesu přípravy vzorku.

Každá mineralizační série obsahovala také tři slepé vzorky.

Mikrovlnná mineralizace probíhala podle následujícího programu:

• teplotní rampa s maximem 200 °C během 25 minut,
• následné setrvání na teplotě 200 °C po dobu 15 minut.

Po dokončení mineralizace a dostatečném ochlazení byly rozložené vzorky doplněny gravimetricky na objem 20 ml a následně čtyřnásobně naředěny před analýzou. Celkový výsledný faktor ředění činil přibližně 320.

Kalibrační standardy a interní standardy

Přestože metoda AOAC 2015.01 vyžaduje kvantifikaci pouze arsenu (As), kadmia (Cd), rtuti (Hg), olova (Pb) a kontrolního prvku Lu, byla do analýzy zahrnuta také řada dalších prvků, jak je uvedeno v tabulce 1.

Víceprvkový zásobní roztok byl připraven naředěním standardu Agilent Environmental Calibration Standard.

Jednoprvkové zásobní roztoky Hg, Lu a Au (Kanto Chemical, Japonsko) byly použity k přípravě druhého kalibračního zásobního roztoku obsahujícího Hg a Lu. Tyto roztoky byly rovněž použity k přípravě přídavného roztoku Au a Lu o koncentraci 50 mg/l přidávaného před mineralizací.

Pomocí systému ADS 2 byly zásobní roztoky automaticky ředěny faktory:

• 400×
• 250×
• 25×
• 2,5×
• 1× (bez ředění)

a byly tak vytvořeny požadované kalibrační křivky (tabulka 1).

Pro roztoky Continuing Calibration Verification (CCV) byly víceprvkový zásobní roztok a druhý kalibrační zásobní roztok obsahující Hg automaticky ředěny faktory 2,5× a 2×. Blok kontroly kvality (QC) obsahující oba CCV roztoky byl analyzován po každých osmi vzorcích.

Směs interních standardů Agilent obsahující prvky Sc, Ge, Rh a Bi byla naředěna na koncentraci 100 µg/l pomocí 5% HNO₃ a 20% kyseliny octové (Kanto Chemical, Japonsko).

Roztok interních standardů byl zaváděn online pomocí integrovaného diskrétního dávkovacího systému Agilent AVS MS.

Pokud koncentrace některého analytu překročila kalibrační rozsah (tabulka 1), systém ADS 2 automaticky provedl dodatečné naředění vzorku a následné opakované měření.

Tabulka 1. Kalibrační rozsahy prvků stanovovaných ve standardních referenčních materiálech (SRM) NIST potravinových matric

Prvky : Kalibrační rozsah (µg/l) 

• Fe: 10 až 2500
• V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, As, Se, Mo, Ag, Cd, Sb, Pb, Tl, Th, U: 0,1 až 25
• Hg: 0,01 až 1
• Lu: 1 až 100

Instrumentace

Analýzy byly prováděny na systému Agilent 9500 ICP-QQQ vybaveném unikátní dvojitou kolizně-reakční celou (Dual-Cell System, DCS). Pro dosažení maximální průchodnosti vzorků a minimalizaci zásahů obsluhy byl přístroj Agilent 9500 vybaven integrovaným systémem diskrétního dávkování vzorků Agilent AVS MS, autosamplerem SPS 4 a automatickým ředicím systémem ADS 2 osazeným smyčkami o objemu 2,5 ml (obr. 1).

Agilent: Obrázek 1. Systém Agilent 9500 ICP-QQQ s integrovaným spektrometrem AVS MS, automatickým ředicím systémem ADS 2 a autosamplerem SPS 4

Systém zavádění vzorku tvořily:

• standardní koncentrický skleněný nebulizér MicroMist,
• teplotně řízená křemenná mlžná komora,
• křemenný hořák s injektorem o vnitřním průměru 2,5 mm.

Interfejs přístroje tvořil poniklovaný měděný vzorkovací kónus (sampling cone) a niklový odběrový (skimmer) kónus.

Systém Agilent 9500 ICP-QQQ byl provozován s výchozím nastavením pro režimy Advanced Helium Mode (AHM) a Air Cell Mode. Optimalizace přístroje byla provedena pomocí automatické ladicí procedury (Autotune) v softwaru Agilent OpenLab ICP-MS.

Provozní podmínky přístroje jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2. Provozní podmínky systému Agilent 9500 ICP-QQQ

Byla použita aplikační metoda „Food/Clinical“ dodávaná se softwarem Agilent OpenLab ICP-MS. Nebylo nutné provádět žádné další úpravy výběru režimů ani parametrů.

• Nastavení plazmatu: General Purpose
• VF výkon (W): 1550
• Hloubka vzorkování (mm): 12,0
• Průtok zmlžovacího plynu (l/min): 1,15
• Průtok He v režimu AHM (ml/min): 14
• Průtok vzduchu v režimu Air Cell Mode (ml/min): 0,45
• Ladění iontové optiky a cely: Autotune

ADS 2

Systém ADS 2 významně snižuje počet manuálních úkonů, které musí obsluha provádět při přípravě kvantitativních metod pro ICP-MS nebo ICP-QQQ. Díky tomu se mohou analytici více soustředit na další laboratorní činnosti. Podrobný popis funkcí a možností automatického ředicího systému je uveden v samostatném technickém přehledu.⁴

V této studii byl ADS 2 použit pro:

• automatickou přípravu kalibračních standardů,
• programované ředění vzorků před analýzou,
• automatické ředění QC vzorků před měřením.

Systém ADS 2 je plně integrován a řízen softwarem OpenLab ICP-MS.

Advanced Helium Mode

Režim Advanced Helium Mode (AHM) představuje významný pokrok v odstraňování interferencí pomocí helia. Inteligentně optimalizuje podmínky v kolizní cele pro prvky s nízkou i vysokou atomovou hmotností v reálném čase.

AHM přináší:

• až 20násobné zvýšení citlivosti pro lehké prvky,
• zjednodušení analytických pracovních postupů,
• zkrácení doby analýzy,
• vyšší kvalitu dat.

Díky kombinaci dvou mechanismů potlačení interferencí (KED + CID)² poskytuje systém Agilent 9500 ICP-QQQ účinnější odstranění polyatomických interferencí a lepší citlivost v širokém rozsahu hmotností.

Air Cell Mode

Systémy Agilent ICP-QQQ s trojitým kvadrupólem jsou vybaveny dodatečným kvadrupólovým analyzátorem (Q1) umístěným před kolizně-reakční celou (CRC), který řídí, které ionty vstupují do cely a reagují s reakčním plynem.

V tomto režimu tandemové hmotnostní spektrometrie (MS/MS) lze chemii reakční cely využít mnohem efektivněji pro odstranění interferencí.

Při přechodu ze systémů s jedním kvadrupólem je však často nutné budovat novou laboratorní infrastrukturu pro zásobování vysoce čistými reakčními plyny, například kyslíkem (O₂).

Systém Agilent 9500 ICP-QQQ je standardně vybaven režimem Air Cell Mode, který využívá okolní vzduch jako reakční plyn v systému DCS. Tato unikátní vlastnost umožňuje účinné potlačení interferencí bez potřeby externího zdroje vysoce čistého kyslíku, což zjednodušuje provoz a současně poskytuje stabilní a efektivní odstranění interferencí.

Jedním z příkladů využití Air Cell Mode je potlačení interferencí způsobených dvojitě nabitými ionty prvků vzácných zemin (REE²⁺), například:

• ¹⁵⁰Nd²⁺ a ¹⁵⁰Sm²⁺ interferující na m/z 75As,
• ¹⁵⁶Gd²⁺ a ¹⁵⁶Dy²⁺ interferující na m/z 78Se.

Materiál NIST 1573a Tomato Leaves obsahuje gadolinium (Gd) a samarium (Sm), což odráží přítomnost prvků vzácných zemin v některých potravinách. Po naředění byly koncentrace analytů a interferujících prvků ve vzorku SRM přibližně:

• As: 0,35 ppb
• Se: 0,17 ppb
• Sm: 0,59 ppb
• Gd: 0,50 ppb

Na obrázku 2 je porovnána výtěžnost As a Se v režimech AHM a Air Cell Mode za přítomnosti interferencí způsobených dvojitě nabitými ionty prvků vzácných zemin.

Agilent: Obrázek 2. Srovnání výtěžnosti As a Se měřených v NIST 1573a rajčatových listech, které obsahují vysoké koncentrace Sm a Gd, pomocí Agilent 9500 ICP-QQQ v režimu AHM (tmavě modrá) a Air Cell (modrá).

Zatímco v režimu AHM je signál As a Se ovlivněn přítomností interferujících iontů, režim Air Cell Mode tyto interference účinně eliminuje, což se projevuje výtěžnostmi bližšími 100 %. Podrobnější informace o režimu Air Cell Mode jsou uvedeny v dalších publikacích.³

Výsledky a diskuse

Meze detekce

V tabulce 3 jsou uvedeny meze detekce (Detection Limit, DL) a koncentrace odpovídající signálu pozadí (Background Equivalent Concentration, BEC), které byly vypočteny softwarem OpenLab ICP-MS. Dále jsou zde uvedeny meze kvantifikace (LOQ) vypočtené v souladu s metodou AOAC 2015.01.

Agilent: Tabulka 3. Detekční limity a koncentrace ekvivalentní pozadí Agilent 9500 ICP-QQQ a limity kvantifikace vypočítané v souladu s metodou AOAC 2015.01

LOQ byla stanovena jako šestinásobek směrodatné odchylky deseti měření slepého vzorku připraveného stejným postupem jako analyzované vzorky.

Výkonnost systému Agilent 9500 ICP-QQQ výrazně překračovala požadavky na LOQ uvedené v metodě AOAC 2015.01. Při použití integračních časů uvedených v tabulce činila průměrná doba mezi jednotlivými vzorky přibližně 2 minuty a 45 sekund.

Tato doba analýzy je o více než 30 sekund kratší než u srovnatelné víceoptimalizační (multitune) metody na ICP-MS s jedním kvadrupólem.

Výtěžnosti standardních referenčních materiálů

Pro ověření správnosti metody byly připraveny tři nezávislé mineralizace každého ze tří použitých standardních referenčních materiálů. Každý digest byl následně změřen třikrát pomocí systému Agilent 9500 ICP-QQQ.

Jak ukazuje tabulka 4, všechny analyty vykázaly výtěžnosti v rámci tolerance ±25 %, která je požadována metodou AOAC.

Agilent: Tabulka 4. Průměrné výsledky výtěžnosti pro tři potravinové SRM NIST. Průměrné koncentrace byly vypočítány z trojnásobných měření trojnásobných rozkladů.

Protože každý referenční materiál obsahuje jiný soubor certifikovaných prvků, prázdná pole v tabulce označují analyty, pro které není v daném SRM k dispozici certifikovaná hodnota. Po provedení popsané mineralizace byly všechny vzorky měřeny při minimálním celkovém faktoru ředění 320×. Pokud koncentrace některého prvku překročila kalibrační rozsah, systém ADS 2 automaticky provedl dodatečné ředění vzorku a následné opakované měření.

Výsledky pro:

• Cu a Zn v materiálu Oyster Tissue,
• Mn a Zn v materiálu Tomato Leaves,
• Zn v materiálu Mussel Tissue,

uvedené v tabulce 4 byly získány po automatickém reaktivním ředění provedeném systémem ADS 2. Z jednotlivých měření byly pro každý prvek vybrány nejvhodnější výsledky.

Metoda AOAC rovněž vyžaduje přídavek lutecia (Lu) do každého vzorku před mineralizací, aby bylo možné ověřit, že během přípravy vzorků nedošlo ke ztrátám těkavých prvků.

Výtěžnosti Lu ve všech analyzovaných vzorcích přesahovaly 98 %, což potvrzuje velmi dobrou stabilitu a zachování těkavých prvků během celého analytického postupu.

Stabilita metody

Součástí kontroly kvality předepsané metodou AOAC je pravidelné měření vzorku Continuing Calibration Verification (CCV) po dokončení kalibrace a následně po každých deseti analyzovaných vzorcích.

Jak ukazuje obrázek 3, všech devět měření CCV vykázalo výtěžnosti v rámci požadované tolerance ±15 %.

Agilent: Obrázek 3. Výtěžnosti CCV v průběhu 5,5hodinové sekvence, včetně začátku a konce analytické sekvence.

Stabilní byla také výtěžnost interních standardů (ISTD), která se během 5,5hodinové analytické sekvence pohybovala v rozmezí 87–118 %. Tyto hodnoty se pohodlně vešly do limitů AOAC, které stanovují přijatelné rozmezí 60–125 %. Oba soubory výsledků potvrzují vysokou robustnost systému Agilent 9500 ICP-QQQ pro analýzu potravin.

Závěr

Systém Agilent 9500 ICP-QQQ vybavený dvojitou kolizně-reakční celou (Dual-Cell System, DCS) umožnil úspěšné stanovení širokého spektra kovů v různých potravinových matricích v souladu s požadavky standardní metody AOAC.

Většina prvků byla stanovována v režimu Advanced Helium Mode (AHM), zatímco arsen (As) a selen (Se) byly přesně měřeny na stopových koncentracích v režimu Air Cell Mode, který využívá okolní vzduch k odstranění výrazných interferencí způsobených dvojitě nabitými ionty prvků vzácných zemin.

Režim AHM účinně potlačoval polyatomické interference, například interferenci NaAr při stanovení mědi (Cu), a to i ve vzorcích typu NIST 1573a Tomato Leaves, kde byla koncentrace sodíku více než dvacetkrát vyšší než koncentrace mědi.

Kombinace obou plynových režimů systému DCS poskytla komplexní kontrolu interferencí pro rutinní analýzu potravin, což dokládají výtěžnosti certifikovaných prvků ve standardních referenčních materiálech, které se pohybovaly v rámci tolerance ±25 %.

Ve srovnání se systémy ICP-MS s jedním kvadrupólem zkrátil provoz systému DCS v obou režimech dobu analýzy přibližně o 30 sekund na vzorek.

Automatizace využívající:

• diskrétní dávkovací systém Agilent AVS MS,
• autosampler SPS 4,
• automatický ředicí systém ADS 2,

dále zvýšila produktivitu laboratoře a zajistila spolehlivé výsledky, včetně:

Systém Agilent 9500 ICP-QQQ umožňuje vysoce produktivní analýzu potravin v souladu s požadavky AOAC díky efektivnímu potlačení interferencí pomocí režimů AHM a Air Cell Mode. Představuje ideální řešení pro laboratoře, které požadují vysokou rychlost analýzy, spolehlivost a přesnost výsledků.