Sensitive and Rapid Analysis of Inorganic Arsenic in Food and Animal Feed Samples Using LC-ICP-MS

Význam tématu

Analýza anorganického arsenu (iAs) v potravinách a krmivech je kritická z hlediska veřejného zdraví, protože iAs je výrazně toxičtější než organické formy. Regulace v EU a USA stanovují přísné limity pro iAs v potravinách (včetně dětských potravin a mořských plodů), což vyžaduje spolehlivé, citlivé a rychlé analytické metody schopné rozlišit anorganické a organické formy arsenu a eliminovat matrikové a spektrální interference.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem prezentované studie bylo ověřit metodiku stanovení anorganického arsenu v široké škále potravin a krmiv pomocí aniontově-exkční LC-ICP-MS v souladu s normami EN 16802:2016 (potraviny) a EN 17374:2020 (krmiva). Studie hodnotila selektivitu vůči organickým formám arsenů a chloridovým interferencím, limity detekce, přesnost (spike recovery) a shodu s certifikovanými referenčními materiály (CRM).

Použitá metodika a instrumentace

Metodika (přehled):

• Vzorky: 14 různých matic včetně dětských potravin (rýžové cereálie, dětské želé), mléčných výrobků, mořských plodů (platýs, tuňák, chobotnice), ovoce/šťáv, sake, šunky a krmiva. Zahrnuty byly také 3 CRM (hnědá rýže NMIJ 7532-a/7533-a, hijiki NMIJ 7405-b).
• Extrakce: pevné vzorky ~0,5 g (krmivo ~0,2 g) s 10 mL extrakčního roztoku 1; kapalné vzorky 5 mL vzorku + 5 mL extrakčního roztoku 2. Extrakce probíhala při ~90 °C po dobu 60 min, následné odstředění (4 000 rpm, 10 min, 4 °C) a filtrace 0,45 µm PTFE.
• Oxidace: EN postup vyžaduje oxidaci As(III) na As(V) v průběhu předúpravy (H2O2 v extrakčním roztoku) tak, aby bylo měřeno celkové iAs jako As(V). Oxidace byla verifikována standardy As(III) před a po předúpravě.
• Kalibrace a interní standardy: kalibrace z As(V), DMA, MMA, AsB, AsC v rozsahu 0,1–20 µg/L; interní standard Ga online (0,5 mg/L); kontrola Cl interference roztokem NaCl 100 mg/L.

Použitá instrumentace (samostatná sekce):

• LC: Nexera XS inert (Shimadzu) s kolonkou HAMILTON PRP-X100 (10 µm, 250 × 4.1 mm).
• Eluent HPLC: 100 mM amonný karbonát + 3 % methanol + 400 mg/L Na2SO4, pH ~9.3; průtok 1,2 mL/min; teplota 30 °C; injekční objem 50 µL; doba měření 6,5 min na vzorek.
• ICP-MS: ICPMS-2040 / ICPMS-2050 (Shimadzu) s nebulizérem DC04, mini-torch (snížená spotřeba argonu), cyklónovou elektronicky chlazenou komorou, niklovými kužely; RF výkon 1,20 kW; plazmový plyn 9.0 L/min; pomocný 1.10 L/min; nosný plyn 0.77 L/min.
• Režim srážecí buňky: helium collision mode (He, 3.0 mL/min) pro odstranění 40Ar35Cl interference na m/z 75; online interní standardní přídavek (Ga).

Hlavní výsledky a diskuse

Separační výkon a interference:

• Chromatograficky byla anorganická forma iAs (As(V)) oddělena od hlavních organických forem (AsB, AsC, DMA, MMA) a od špičky chloridu v průběhu 6,5 minuty běhu. Tím byla splněna požadavky na rozlišení od 35Cl, které může tvořit 40Ar35Cl v plazmě a interferovat na m/z 75.
• He collision mode efektivně potlačil 40Ar35Cl interferenci; chromatogramy ukázaly, že v retenčním čase chloridu nebyl pozorován signifikantní signál na m/z 75.

Oxidace As(III):

• Testy s As(III) standardem před a po předúpravě potvrdily, že podmínky extrakce (H2O2 + ohřev 90 °C, 60 min) oxidují As(III) na As(V); kvantifikace pomocí kalibrace As(V) dávala hodnoty blízké očekávaným (např. 4.83 µg/L z 5 µg/L standardu).

Matrikové účinky a jejich potlačení:

• Některé kapalné matrice (např. pomerančový džus) vykazovaly posun retenčního času způsobený matricí; tento efekt byl výrazně potlačen 5× ředěním po filtraci (celkové 10× ředění). U jiných tekutin (sake) nebyl významný posun pozorován.
• U vzorků s vysokým obsahem organického As (tuňák, chobotnice) byla separace iAs zachována a velké organické špičky (AsB) neovlivnily kvantifikaci iAs při aplikovaném postupu.

Citlivost, přesnost a shoda s CRMs:

• LOD v analytickém roztoku byl stanoven jako 3× SD (10 opakování 0.1 µg/L), přepočteno dle ředicích faktorů do LOD v jednotlivých vzorcích. Pro přísné limity dětských potravin (0.01 mg/kg) byla dosažena dostatečná citlivost (typické LOD v jednotlivých vzorcích 0.0004 mg/kg u pevné matriky).
• Spike recovery testy na 11 vzorcích prokázaly dobré recovery 96–113 %, což ukazuje dobrou přesnost a robustnost metody přes různé matrice.
• Analýzy CRM (hnědá rýže, hijiki) poskytly kvantitativní výsledky v rámci certifikovaných hodnot (např. hijiki ~24.7 mg/kg vs cert. 24.4 ±0.7 mg/kg), potvrzující validitu postupu.

Výsledky reálných vzorků:

• Ve většině testovaných vzorků byly hodnoty iAs pod LOD. Významně vyšší koncentrace byly zjištěny u rýžových cereálií (0.0864 mg/kg) a některých krmiv (0.013 mg/kg), což odpovídá známému riziku zvýšeného iAs v obilovinách a zrnových produktech.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy:

• Rychlý analytický běh 6,5 min na vzorek umožňuje vysokou průchodnost laboratoře při zachování dobré separace a citlivosti.
• Metoda spolehlivě odděluje iAs od organických forem arsenu i od chloridových interferencí, což je nezbytné pro správnou kvantifikaci v různorodých matricích potravin a krmiv.
• Mini-torch snižuje spotřebu argonu až na ~2/3 ve srovnání s konvenčním systémem, což snižuje provozní náklady u LC-ICP-MS analýz s delší dobou měření.
• Aplikace v praxi: monitoring iAs v rámci souladu s legislativou (dětské potraviny, mořské plody, krmiva), kontrolní analýzy v potravinářských a zemědělských laboratořích, ověřování bezpečnosti surovin.

Budoucí trendy a možnosti využití

Směry dalšího rozvoje a implementace:

• Zpřísňování regulačních limitů pro iAs (rozšíření limitů pro mořské plody a dětské potraviny) bude vyžadovat ještě nižší LOD a spolehlivou speciační analýzu v běžném provozu.
• Automatizace předúpravy a použití autosamplerů s funkcí automatického ředění zvýší kapacitu a reprodukovatelnost analýz.
• Další optimalizace separace pro plné rozlišení všech známých arsenových forem (AsC, AsB, DMA, MMA, As(III), As(V)) v jedné metodě bude důležitá pro komplexní speciační studie.
• Integrace robustních kontrol kvality (širší panel CRM, rutinní kontroly Cl interference) a zavedení standardizovaných protokolů usnadní mezinárodní porovnatelnost výsledků.
• Snižování nákladů na spotřební materiál a provoz (např. mini-torch) a rozvoj softwarových nástrojů pro zpracování dat zvýší dostupnost metody pro komerční laboratoře.

Závěr

Metoda LC-ICP-MS popsaná ve studii poskytuje rychlé, citlivé a robustní řešení pro kvantifikaci anorganického arsenu v rozmanitých potravinových a krmivových matricích. Splňuje požadavky norem EN 16802 a EN 17374: oxiduje As(III) na As(V), odděluje iAs od organických forem a potlačuje Cl interference pomocí chromatografického rozlišení a He collision režimu. Validace zahrnující CRM a spike recovery testy potvrdila přesnost metody a dosažení dostatečně nízkých LOD pro regulační účely, včetně přísných limitů u dětských potravin.

Reference

1. COMMISSION REGULATION (EU) 2023/915 of 25 April 2023 on maximum levels for certain contaminants in food and repealing Regulation (EC) No 1881/2006.
2. DIRECTIVE 2002/32/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 7 May 2002.
3. Commission Regulation (EU) 2025/1891 of 17 September 2025 amending Regulation (EU) 2023/915 as regards maximum levels of inorganic arsenic in fish and other seafood.
4. US House of Representatives, The Baby Food Safety Act of 2021.
5. EN 16802:2016: Determination of inorganic arsenic in foodstuffs of marine and plant origin by anion-exchange HPLC-ICP-MS.
6. EN 17374:2020: Determination of inorganic arsenic in animal feed by anion-exchange HPLC-ICP-MS.
7. T. Taniguchi, H. Tao, M. Tominaga, A. Miyazaki, Sensitive determination of three arsenic species in water by ion exclusion chromatography-hydride generation-ICP-MS, J. Anal. At. Spectrom., 1999, 14, 651-655.
8. T. Nakazato, T. Taniguchi, H. Tao, M. Tominaga, A. Miyazaki, Ion-exclusion chromatography combined with ICP-MS and hydride generation-ICP-MS for the determination of arsenic species in biological matrices, J. Anal. At. Spectrom., 2000, 15, 1546-1552.