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同位素比质谱法测定低氘包装饮用水中氘含量

同位素质谱 氘水
发布:2020-09-30 16:52:12     来源:网易号

自然界的水中,氘含量约为150 μg/g(δ 2 H:-37‰)。研究表明,氘对生命体的生存和繁衍有害,可以导致衰老、病变、癌变等。含氘量偏低的低氘水能影响细胞分化过程,具有一系列的生物学效应,如抗肿瘤、抗氧化、防衰老、抗辐射、降血压、保护心血管系统等,在保健品、化妆品以及医学领域具有很大应用价值。目前,国内市场已有一些厂商加工生产了不同规格纯天然和人工低氘包装饮用水产品,价格昂贵,原料水产地各异,标签标识氘含量为25~146 μg/g(δ 2 H:-839‰~-60‰),这些产品已经在市场和网络电商平台上广泛流通,有些产品已成为癌症病人的辅助治疗饮用水。

目前我国关于低氘水中氘含量测定的研究较少,尚无对此类包装饮用水的氘含量定量分析的国家标准检测方法,使得低氘水的生产和销售市场监管缺乏技术支撑。因此,建立一种高精度、高准确度、高稳定性、低成本的测试方法满足低氘包装饮用水中氘含量的分析测定十分必要。同位素质谱(IRMS)分析技术在食品真实性鉴别和来源解析方面有较广泛的应用,碳还原高温热转换原理的测试技术可以用于固体和液体样品中碳、氮、氢、氧、硫等稳定同位素组成的测定。经过不断建立和完善,热转换元素分析(TC/EA)-IRMS测定水中氘同位素技术已经比较成熟。

湖北省食品质量安全监督检验研究院的韩莉、刘迪和余婷婷将采用TC/EA-IRMS技术对低氘包装饮用水中的氘同位素值比值δD测定适用性进行分析评价,根据氘同位素比值理论公式计算得到氘含量,建立低氘包装饮用水中氘含量的测试方法,以期为低氘包装饮用水品质和真实性的监测和管控提供有效的理论依据,保障人民健康和消费者权益。

1 系统稳定性

IRMS系统的性能优劣是确定水转化的H2中氢稳定同位素比值能否被认可的重要指标。验证IRMS系统的测定稳定性,连续10 次通入固定体积的高纯H2气体,测定H2中δ2H。其标准偏差(SD)为0.192‰,稳定性较好。

2 记忆效应对水δ2H测定影响

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如图1所示,8 个水样的第1次测定值受前一次测试的影响而产生了记忆效应,相对于参考气δ2H值比较偏负的GISP和DDW-3受记忆效应影响较大。以VSMOW剔除数据后的δ2H值SD变化为例,分别剔除1~3 个数据点,SD值变化如图2所示,剔除第1个点,SD可由1.31‰减小至0.54‰,剔除2 个点可降至0.35‰,再继续剔除其SD已无明显变化。剔除图1中每个水样测试的第1个数据点,处理得到的结果如图3所示,记忆效应消除明显。

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为了消除记忆效应,可以将水样在分析测试之前进行预测并分类,按氢同位素组成接近的水样归为一批次,将氢同位素组成接近的水样进行同批次测试;水样分析前,用待测水样清洗进样针至少3 次;对每个水样进行多次测试分析(不少于4 次),剔除第1~2个数据后取平均值作为最终结果。

3 样品瓶顶空体积对水δ2H测定影响

本研究设计了对照实验,考察样品瓶顶空体积对实验结果的影响。结果显示,顶空体积对测试值有较小的影响,但是在短期内影响不明显。考虑到水样测试时间可能较长,尽可能将水样充满进样瓶不留顶空,减少与空气的接触,样品更加稳定,测试精度也更高。

4 TC/EA-IRMS测试低氘包装饮用水氘含量的范围确证

低氘水中氘含量极低,一般低于150 μg/g,由式(6)换算即为δ2HVSMOW值为-36.980‰,目前市面上氘含量低至25 μg/g的 δ 2 H VSMOW 值为-839.497‰,氢同位素比值差值达802.517‰,为验证该方法对低氘水氢同位素比值极负以及较宽范围适用性,设计了相关系列实验。VSMOW和GISP标准水样在经过贫氘水稀释后,氘含量测定值与理论值相差范围为0.007~0.618 μg/g。TC/EA-IRMS测试超轻水氘含量在12.624~155.760 μg/g范围内较准确,测量值与理论值的RSD<0.6%。
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如图5所示,VSMOW和GISP标准水样经不同倍率稀释后稀释倍数和氘含量线性关系很好,线性相关系数均高达1。进一步说明标准水样中氘分布均匀,经氘含量低于1 μg/g的贫氘水按比例稀释后氘含量测定很准确,TC/EA-IRMS法适用于氢同位素比值极负的水样中氘含量的测定。

5 不同单点校正方式对结果的影响

水δ2H值表示样品2H/1H测定值相对于VSMOW 2H/1H测定值的千分差,对于贫氘水稀释的GISP水样,分别进行VSMOW标准水样单点校正(校正1)、实验室配制的与不同稀释比例GISP水样δ2H值接近的VSMOW标准水样单点校正(校正2),氘含量的值直接由VSMOW对GISP稀释水样进行单点校正,其δ2HVSMOW测定值与参考值SD高达2.785‰,如果用实验室稀释的VSMOW标准水样校正GISP水样(稀释后VSMOW水样和GISP水样δ2H差值小于100‰),δ2HVSMOW测定值与参考值的SD明显减小,采用校正2的方式得到的氘含量测定值与参考值SD也明显减小,但校正1方式下得到的氘含量测定值也在精度允许范围内。总之,校正方式对氢同位素比值范围较广的水氢同位素比值测定影响较大,最好采用校正标准水样和样品水样的δ2H差值小于100‰,氘含量的定量分析与校正方式的选择得到结果的偏差可以忽略不计。

6 方法稳定性

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按照上述样品处理方式和仪器运行程序,连续8 次测定同一瓶低氘包装饮用水的δ2H值见表4,剔除第1个点后得到δ2H值的SD为0.548‰,经计算得到的氘含量值SD为0.085 μg/g,重复性较好。在30 d内分3 次测定质控水样中δ2H,测试值在-59.102‰~-60.804‰内波动,SD为0.55‰,δ2H值在15 d内较稳定,超过30 d后值趋向偏正,但在误差允许范围内。氘含量146.639~146.289 μg/g范围内波动,SD为0.086 μg/g,说明该方法测定低氘水中氘含量再现性良好。

7 低氘包装饮用水样品测定结果

选用市场售卖的低氘包装饮用水样品8 个按照本法进行测试,采用上述校正2的方式对测试结果进行校正。结果显示,所选水样均为氘含量低于150 μg/g的低氘水,8 个样品氘含量测定值SD范围0.041~0.218 μg/g,重复性较好。与标识值比较,按照本研究方法测定的低氘包装饮用水中氘含量不合格率可达50%。

低氘水的饮用可以使得人体血液中的氘含量降低,可能增强生命体抗氧化性、新陈代谢、抗癌性等,有研究表明,水中氘含量越低,癌细胞增殖抑制越明显。低氘水对人的身体益处很大,因此商家会需要氘含量更低的水谋取更多利润,人工低氘饮用水氘含量越低,生产成本越高,#1、#3、#5、#6就是氘含量未达标的假冒伪劣产品典型。

8 不同方法测定低氘包装饮用水氘含量验证

选取贫氘水稀释的VSMOW和GISP水样以及低氘包装饮用水样,采用激光液态水稳定同位素分析仪测定水样中δ2H值并计算得到氘含量值,经2 种方法测定得到的δ2H值计算得到的氘含量SD值随着水样氘含量降低而呈现增大趋势,在氘含量较低的时候存在一定的差异性,但是均低于1 μg/g,在误差允许范围内。因此,2 种仪器测定低氘饮用水中氘含量结果一致。

结 论

建立了TC/EA-IRMS同位素质谱测定低氘水中氘含量的分析方法,适用于低氘包装饮用水中氘含量的测定。该法测定低氘饮用水中氘含量用样量少、前处理简单、结果稳定性和再现性好、记忆效应可明显消除。由于缺乏氘含量极低的标准水样,本研究采用贫氘水(氘含量<1 μg/g)稀释的标准水样校正与其氘含量接近的低氘水样,该法比传统的单点校正得到的结果准确度更高。采用TC/EA-IRMS法对市售低氘饮用水中氘含量进行测定分析,测定值与标识值不相符的现象明显,说明流通市场上的低氘包装饮用水监管存在很大问题,相关检测方法和法律法规亟需研制建立。TC/EA-IRMS测定水中氘含量方法的建立可以为低氘水这类包装饮用水品质和真实性进行有效的监测和管控提供技术支撑,谨防不法商贩以次充好,保障消费者的权益。

本文《热转换元素分析-同位素比质谱法测定低氘包装饮用水中氘含量》来源于《食品科学》2020年41卷16期266-271页,作者:韩莉,刘迪,余婷婷。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190716-219。

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