谷物（大米、小米、小麦、大豆、薯类等）中重金属检测方案(原子荧光光谱)

智能文字提取功能测试中

2018年 12月第37卷 第12期Vol. 37 No. 121389-1392分析试验室Chinese Journal of Analysis Laboratory ·1390·第37卷分析试验室 稀酸温和提取-火焰原子荧光光谱法快速测定谷物中镉的含量 周明慧，张洁琼，高树林，马静，王佳利，李志华?，王松雪 (1.国家粮食局科学研究院，北京100378；2.北京金索坤技术开发有限公司，北京101102) 摘 要：在火焰原子荧光光谱技术( FAFS) 的基础上，建立了稀酸温和提取-火焰原子荧光光谱法快速测定谷物中镉含量的方法。考察了硝酸浓度、体沉降方式等对前处理的影响，同时对干扰消除等仪器条件进行优化，确定了谷物中镉元素测定的最佳条件并进行方法性能测试。结果表明，该方法检出限和定量限分别为0.072 ng/g 和0.216ng/g，加标回收率在97.5%~105.0%之间，RSD 小于4%，单个样品前处理时间为10 min，测试时间为4s，所测试的有证标准物质均在定值范围内。 关键词：火焰原子荧光光谱法；稀酸温和提取；谷物；镉 中图分类号： S515；0657.3 文献标识码： A 文章编号：1000-0720(2018)12-1389-04 Rapid detection of Cd incereals using diluted acid extraction coupledwith flame atomic fluorescence spectrometer ZHOU Ming-hui'，ZHANG Jie-qong'， GAO Shu-lin’， MA Jing'， WANG Jia-i， LI Zhi-hua’ and WANG Song-xue*(1. Cereals and Oils Quality and Safety Research Group， Academy of StateA iistrataitionOIGrain， Beijing 100037；2. Beijing Jinsuokun Technology Developing Co. ， Ltd，Beijing 101102) Abstract： Based on the creative technology of flame atomic fluorescence spectrometer， the method forrapid determination of Cd in cereals was established by using diluted acid mild extraction coupled withflame atomicicfluorescence spectrometer. Someffactors were exploredincludinggnitricacidconcentration， extraction time， settlement way for pretreatment and the key instrument conditions wereoptimized including background subtractionetc. The best examination condition of Cd in cereals wasachieved and the performance of the method was tested. Results showed that， the detection limits andquantification limits of the method were 0.072 ng/g and 0.216 ng/g， respectively.The averagerecoveries of Cd in cereals reached 97.5%~105.0% at room temperature， the precision was less than4%， and the test results of certified reference materials were satisfactory. The pretreatment time anddetection time were 10 minutes and 4 seconds， respectively， so the method was appropriate for thedetection of large quantities of samples. Keywords： Diluted acid mild extraction； Flame atomic fluorescence spectrometer； Cereals； Cd 镉是谷物中主要有害元素之一，对人体健康危害极大，同时也具有较高的污染风险，国内外均制定了严格的限量标准1-2。而谷物中镉元素测定主要采用微波消解、湿法消化和干法灰化等以完全 消解为特点的前处理手段，存在费时费力，步骤繁琐，消耗大量强腐蚀性酸和氧化试剂，需要较高的温度或压力，对实验人员和环境友好性差等问题3-7。通过研究，提出了使用稀酸在常温下提取 ( 收稿日期：2018-03-12 ) ( 基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFF0201100)和公益性行业(粮食)科研专项(201513006) 资助 ) ( * 通 信作者， E-ma i l： wsx@ chinagrain. org ) 谷物中重金属元素的方法，有效解决了传统前处理方法的弊端18-10。。原子荧光光谱法是常见的重金属分析方法之一，通常采用经典的氢化物发生方式检测谷物中的镉元素2-14，，但由于稀酸在提取谷物中的目标重金属时，还可提取出部分可溶性蛋白和碳水化合物，需要后端仪器检测过程中能够对提取出的有机物进行分解，以消除基质干扰，所以此前处理方法在氢化物原子荧光光谱仪上应用困难，而火焰原子荧光光谱技术( FAFS) 的产生，突破了氢化物发生法原子荧光光谱法原理上的限制，为酸提取测定谷物中重金属的拓展应用提供了可能。 本文基于火焰原子荧光光谱技术和酸提取方法，建立了稀酸提取-火焰原子荧光光谱法快速测定谷物中镉的方法，该方法具有简单快速，灵敏度高，线性范围宽、检测成本低，人员要求不高的特点，较目前已有方法具有突出的优势。 实验部分 1. 1 测试样品 大米粉国家有证标准物质：GBW(E) 100351、100356~100361(北京钢研纳克公司)；小麦粉、糙米粉、玉米粉国家有证标准物质： GBW08503c、GBW(E) 080684a、100377~100380(国家粮食局科学研究院)；小麦粉、糙米粉质控样品： METAL-DJTZK-001、METAL-DJTZK-005、METAL-DJTZK-011(国家粮食局科学研究院)；稻样品：镉含量为(0.033±0.002) mg/kg，小麦样品：镉含量为(0.171±0.007) mg/kg，玉米样品：镉含量为(0.072±0.004) mg/kg(国家粮食局科学研究院2012年采集并定值)。 1.2 仪器与试剂 SK-880 火焰原子荧光光谱仪(北京金索坤技术开发公司)；Milli-Q超纯水处理系统(美国密理博公司)；3-30K台式高速离心机(德国西格玛公司)。 除 HNO， 为优级纯外，其余试剂均为分析纯。 1.3 仪器工作条件 光电倍增管(PMT)电压：-310V；灯电电：80 mA； AB 道选择：双光源扣背景；积分时间：4s；原子化器高度：10 mm；空气流量：6.0L/min；燃气流量：180~200 mL/min；测量方式：多点曲线浓度直读法；曲线拟合方式：一次曲线拟合。 2 结果与讨论 2.1 前处理方法的优化建立 以0.20~0.50g谷物粉末作为研究对象，针 对火焰原子荧光光谱法的方法和仪器特点，对硝酸浓度、沉降方式对样品中镉元素的检测结果的影响进行试验优化。在本实验室建立的稀酸温和提取前处理方法B-10基础上，根据仪器检测要求做相关调整后确定。 2.1.1 酸提取液浓度的确定 考察了 HNO，浓度对谷物中Cd检测结果的影响。结果表明，HNO，浓度不低于0.2%(V/V)时即可满足对于糙米、玉米和小麦样品中镉的充分提取，而一定酸度可同时起到对仪器管路的清清作用，避免 Cd在进样系统中沉积引起记忆效应，所以最终选择1.0%(V/V)HNO， 作为谷物样品中镉测定的浸提液。 2.1.2 沉降方式的选择 沉降方式和时间对于仪器的适用性和检测结果的精准性具有重要影响。实验表明，在静置10~60 min 条件下，随着时间的增加，玉米、小麦、糙米3种基体样品中镉含量的检出值没有显著变化(P>0.05)，同时将提取液4000 r/min离心5 min，上清液中镉的含量较静置上清液没有显著差别(P>0.05)，且均在参考样品定值范围内，为保证进样系统的干净，减少仪器日常维护，采用4000 r/min 离心5 min 的方式对浸提液中的杂质进行沉降。 2.2 实验条件优化 以不同浓度梯度的国家有证标准物质或质控样品从背景调节液浓度和作用方面进行背景扣除条件的实验优化。 2.2.1 干扰消除原理及方式选择 根据原子荧光产生的原理，采用双光源背景扣除技术(原理见图1)对干扰进行消除。在火焰法测试镉时，利用与镉光源(A道)波长接近的背景阴极灯做为背景光源(B道)，同时进行测试，镉光源所测试的信号为背景信号值加镉信号值，背景光源所测试的信号值为背景值，镉光源信号值减背景光源信号值为镉扣除背景后的信号值。 图i 双光道背景消除技术原理图 Fig.1 Schematic diagram of double path backgroundelimination technique 经测试，火焰原子荧光光谱仪测试稻谷中的Cd时，样品中高含量的Al以及含量为 Cd的数千到数万倍的高温难原子化的元素会对测试产生正干扰。谷物中Al的含量差异较大，Ca， Mg 属于高温难原子化元素，且普遍含量为 Cd 的上万倍，为保证方法的普遍适用性和结果的可靠性，采用 Ca，Mg， Al 混合溶液对其产生的干扰进行校正。 2.2.2 背景调试液浓度的选择 考察 100~30ug/mL 的 Ca， Mg， Al 的混合溶液对不同 Cd 含量样品检测结果的影响。结果表明，背景调试液浓度的大小对测试结果无影响，考虑到测试的稳定性，选择背景调试液浓度较高的作为测试背景调试液。 2.2. 3 背景扣除测试 使用 30 ug/mL 的 Ca，Mg， Al 的混合溶液作为扣背景调试液，背景扣除后的标准样品测试数据如表1所示。部分样品背景扣除的测试值与标准值接近，不扣背景的测试值偏高，说明背景扣除的必要性。 表1 背景扣除对测试结果的影响 Table 1 Effects of background deductions on results Sample Standard value /(mg/kg) Results/(mg/kg) With Background background deducted GBW(E) 100359 0.030 0.036 0.030 GBW(E) 100360 0.22 0.21 0.21 GBW( E) 080684a 0.482 0.491 0.476 GBW(E) 100377 0.261 0.294 0.263 METAL-DJTZK -005 0.435 0.460 0.439 2.3 方法性能测试 2.3.1 标准曲线的绘制 根据谷物中镉含量检测需求，选取适合的标准系列进行测试。在0~10 ng/mL的测试范围内线性相关系数为0.9999，与石墨炉原子吸收光谱法相比，此法线性范围宽，可极大减少样品稀释带来的工作量和引入的测量误差。 2.3.2 加标回收实验 针对不同基体镉污染的谷物样品进行1/2，1，2倍3水平的加标回收，如表2所示，加标回收率均在97.5%~105.0%之间，符合欧盟指令对于加标回收率的相关要求。 表2 样品加标回收率一览表 Table 2 Recovery of sample addition Sample Standard value Recovery /(mg/kg) /% GBW(E) 100360( Rice) 0.22 101.5~104.8 GBW(E) 100377( Brown rice) 0.261 98.5~105.0 METAL DJTZK -001 ( Wheat) 0.288 97.5~99.0 GBW(E) 100380( Corn) 0.046 97.5~103.7 2.3.3 方法准确性分别采用微波消解-电感耦合等离子质谱法( ICP-MS) 味和稀酸提取-火焰原子荧光光谱法( FAFS) 对不同谷物基体不同浓度水平的标准物质或质控样品进行测试，结果(表3)显示，本方法测定镉元素与国标方法测试结果一致，且均在标准物质定值范围。 表3 方法准确性测试结果 Table 3 Test results of reference materials Result/(mg/kg) Sample Standard value/(mg/kg) Microwave digestion-ICP-MS Diluted acid extractionFAFS GBW(E) 100361 0.11 0.11 0.11±0.01 GBW( E) 100360 0.22 0.21 0.22±0.02 GBW(E) 100351 0.43 0.41 0.42±0.02 GBW(E) 100377 0.260 0.263 0.261±0.020 METAL-DJTZK -005 0.431 0.439 0.435±0.033 METAL-DJTZK-011 0.587 0.586 0.583±0.048 GBW(E) 100379 0.153 0.155 0. 155±0.013 GBW08503c 0.213 0.205 0.211±0.014 METAL-DJTZK-001 0.293 0.289 0.308±0.024 GBW(E) 100380 0.044 0.045 0.045±0.004 2.3.4 方法重复性 对不同基体样品进行6次独立测试，结果显示(表4)，样品中Cd检测结果 的 RSD 均小于3.0%，说明该方法的重复性良好。 表4 不同基体标准样品多次检测重复性结果(n=6) Table 4 Repeatability of rice and brown rice sampleswith different contents (n=6) Sample Mean/(mg/kg) SD/(mg/kg) RSD/% Rice 0.031 0.001 2.9 Unpolished rice 0.172 0.002 1.2 Wheat 0.211 0.003 1.4 Corn 0.045 0.001 2.2 2.3.5 方法检出限及定量限 按照 JJG939-2009对于原子荧光光度计检出限的检定规定，进行检出限的测试，经计算方法检出限为0.0018 ng/mL，以称量0.500g样品定容至20 mL计算，则方法检出限为0.072 ng/g，方法定量限为0.0053 ng/mL，样 品浓度为0.216ng/g，较氢化物原子荧光光谱法测定镉元素，灵敏度有明显提高2-13]. 3 结论 通过本研究，建立了稀酸提取-火焰原子荧光光谱法测定谷物中镉含量的精准检测方法，突破了酸提取前处理方法不能在原子荧光光谱仪上的应用瓶颈，使前处理方法和检测方法同时实现快速高效，试剂能源消耗低，人员环境要求低，相对测试成本低的理想状态，极大缩短谷物样品中镉含量分析时间，减少处理步骤，避免样品在消解和处理过程中的砧污及损失，提高了谷物中Cd的检测效率及分析准确度，尤其适合大批量样品的检测，为谷物中重金属检测提供一个快速精准的可选方法。 ( 参考文献 ) ( [1] Geng A J ，Wang F H ， Yang H， Chen Y， Zh a o X L . Fo o d Nutr. Ch i na，2015，21(5) ： 14 耿安静，王富华，杨 慧，陈 岩，赵晓丽.中国食物与营养，2015，21(5)：14 ) ( 2] GB 2762-2017，National sta n dard for food sa f ety-Maximum lev e ls for contaminants in foodstuffs ) GB 2762-2017，食品安全国家标准食品中污染物限量 ( J ulshamn K，Maage A，Norli H S，et a l. J AOAC I n tern，2013，96(5)：1101 ) ( Zhang J H，Zhang J H，Zhang L ，Dai X， Yuan F J. F ood Sci，2016，37( 1 8)：185 张建辉，张继红，张 丽，戴 璇，袁凤君.食品科学，2016，37(18)：185 ) ( 5] GB 5009.15-2 0 14，National standard fo r food safety-Determination of cadmium in Food GB 5009.15-2014，食品安全国家标准食品中镉的测定 ) ( 6] GB 5009.268-20 1 6，National standard for food safe t y-Determination of Mul t ielement in F o od GB 5009.268-2016，食品安全国家标准食品中多元素的测定 ) ( [7] Y ang X J，Huang W，Lin T ， Yu Y G ， Zhao JE. M o dern Food Sci T e chnol，2008，10(24)：1051 杨雪娇，黄 伟，林 涛，余以刚，赵建恩.现代食品科技，2008，10(24)：1051 ) ( 8] Zhou M H，Wang S X， Wu Y X . J Chin. C e re a l Oil Ass. ，2015，30(2) ： 97 周明慧，王松雪，伍燕湘.中国 粮 油学报，2015，30(2)：97 ) ( 9] Zhou M H， Wang S X， Wu Y X . C h inese J . Anal. C hem.，2014，42(3)：459 周明慧，王 松 雪，伍燕湘.分析化学，2014，42(3)：459 ) ( [10] Wang S X，Zhou M H， Wu Y X ， X ie G，Zhang Y. Ch i n a. Pat e nt，2013 105 9 5297.6，2016. ) ( 王松雪，周明慧，伍燕湘，谢 刚，张艳.中国专利，2013 0595297.6，2016. ) ( [11] Qiu H O ，Bao Y Q，Kong B B . Chin. J A nal. Lab.，2018，01(37)：1 0 8 邱海鸥，包娅琪，孔贝贝.分析试验室，2018，01(37)：108 ) ( [12] Li X Y，Zhang S，Luo W M，Lu G C . J A ppl Preven t Med，2015，21(2)：135 李小燕，张 硕，罗文明，陆冠诚.应用预防医学，2015，21(2)：135 ) ( [13] Lu J P， Bu J L，Qin ML，Lu X F ， L i G L， L i ang H Q. P hys Test Chem A nal Part B，2016，52(2)：147 陆建平，布静龙，覃梦琳，卢秀芳，李广良，梁海青.理化检验-化学分册，2016，52(2)：147 ) ( 14] Li Y C，Li J H， Yang S M，Li Y L ， Zhang Z X， Y ang F J . Yunnan Chem Technol，2016，43(5)：45 李艳春，李佳华，杨松梅，李言鲁，张之翔，杨发军.云南化工，2016，43(5)：45 ) ( [15] Feng S C， Yuan D X ，Huang Y M ， Lin K N， Zh o u T J. An a l Chim Ac t a，2017，963：53 ) ?China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net 在火焰原子荧光光谱技术( FAFS) 的基础上，建立了稀酸温和提取－火焰原子荧光光谱法快速测定谷物中镉含量的方法。考察了硝酸浓度、体沉降方式等对前处理的影响，同时对干扰消除等仪器条件进行优化，确定了谷物中镉元素测定的最佳条件并进行方法性能测试。结果表明，该方法检出限和定量限分别为0. 072 ng /g 和0. 216 ng /g，加标回收率在97. 5% ～ 105. 0%之间，ＲSD 小于4%，单个样品前处理时间为10 min，测试时间为4s，所测试的有证标准物质均在定值范围内。