差分脉冲伏安法检测茶叶中痕量铅的研究

李 培,杨琰宁,谢云飞,姚卫蓉,*

(1.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;2.苏州市产品质量监督检验所,江苏苏州 215104)

差分脉冲伏安法检测茶叶中痕量铅的研究

李 培1,2,杨琰宁1,谢云飞1,姚卫蓉1,*

(1.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;2.苏州市产品质量监督检验所,江苏苏州 215104)

本文旨在建立差分脉冲伏安法快速测定茶叶中的铅元素的方法,利用同位镀汞阳极溶出伏安法对茶叶样品中铅元素的含量进行测定,并对测试条件进行了优化,最终选择了我国四大茶区共29种茶叶作为样品。线性范围为40～400 μg/L;检测限为:1.2×10-6g/L;加标回收率为:91.1%～104.2%;相对标准偏差(n=5)为0.86%;将测定结果与国标法检测结果进行对比,具有良好的线性关系(r=0.9979)。本研究为茶叶中铅的检测开发出了快速、简单、准确的方法,可以用于实际样品的检测。

铅,差分脉冲伏安法,茶叶

铅(Pb)一种高蓄积性、多亲和性的生理性和神经性毒物,几乎对人体所有器官都会产生毒害,对于神经系统的毒害尤为严重[1]。近年来,大量的研究和报道表明,我国茶叶重金属含量,特别是铅含量呈不断上升的趋势[2-6]。

目前对食品中Pb测定,比较常见的方法有原子吸收法、电感耦合等离子发射光谱法、分光光度法等[7]。阳极溶出伏安法是一种具有高灵敏度、选择性的电化学分析方法,并且结构简单,成本低,便于推广,在分析领域显出很大的潜力和优越性[8],目前已经广泛应用于食品分析检测等多种方面[9]。

本研究立足于研究分析茶叶铅含量情况与地域之间的关系,分析我国不同产区所生产的茶叶中痕量铅的含量[10]。运用电化学方法的性质特点,采用阳极溶出伏安法对茶叶中痕量铅进行测定[11],并且将本实验方法所检测出的茶叶铅含量与国标中原子吸收法进行对比分析,提高本研究的准确性与可靠性,随后讨论茶叶中铅含量随地域分布所存在的差异及联系。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

高氯酸、硝酸、无水乙醇、醋酸、醋酸钠、硝酸汞、铁氰化钾 A.R. 国药集团化学试剂有限公司生产;超纯水、10000 μg/mL铅ICP溶液 百灵威科技有限公司。

CHI660C电化学工作站、3 mm直径玻碳盘电极、Ag/AgCl参比电极、铂丝对极 上海辰华仪器有限公司;FE20K精密pH计、AB 204-N电子天平 Meltler-Toledo Instr Ltd;KQ-50E超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;AAS240原子吸收光谱仪(附石墨炉和铅空心阴极灯) 美国安捷伦公司;所用玻璃仪器均用0.1 mol/L硝酸溶液浸泡48 h以上,并用超纯水冲洗干净,烘干后备用。

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理 茶叶样品采用湿法消化进行预处理,称取试样1.0 g左右(精确到0.001 g)于锥形瓶中,放数粒玻璃珠,加10 mL混合酸(硝酸-高氯酸体积比为3∶1),加盖浸泡过夜后,于电炉上加热消解,若变棕黑色,再加混合酸,直至冒白烟,消化液呈无色透明或略带黄色,放冷,用滴管将试样消化液洗入或过滤入(视消化后试样的盐分而定)25 mL容量瓶中,用水少量多次洗涤锥形瓶,洗液合并并定容至25 mL容量瓶中备用[12]。

1.2.2 电极预处理 将玻碳电极在麂皮上用0.3 μm的氧化铝浆打磨,用超纯水冲洗后再用无水乙醇和超纯水分别超声波清洗2～3 min后,将玻碳电极用氮气吹干[13]。

1.2.3 测定方法 将10 mL pH4.0的0.1 mol/L的醋酸-醋酸钠辅助电解质溶液移入电解池中,加入20 μL的硝酸汞溶液及100 μL的样品消化液后,插入三极系统(3 mm直径玻碳盘电极、Ag/AgCl参比电极、铂丝对电极),先在恒定电位下沉积250 s,后使用差分脉冲伏安法进行溶出扫描,同时设置空白对照实验组。

在电解质溶液和pH的选择时,选用NaAc-HAc缓冲液、KCl溶液、氨水-氯化铵缓冲液、PBS缓冲液作为电解液,对Pb2+标准液进行对比测定。

在汞液浓度的选择时,本实验通过对Hg2+浓度分别为10、20、30、40、50 μg/L的五种浓度进行最佳条件的实验。

石墨炉原子吸收光谱仪测定条件:铅波长283.3 nm,光谱通带宽0.5 nm,灯电流10 mA。扣背景开校正,石墨炉升温程序见表1。

表1 石墨炉升温程序

吸取铅标准液15.0、30.0、45.0 μg/L各10 μL,注入石墨炉,测得其吸光值并求得吸光值与浓度关系的一元线性回归方程。然后分别吸取样液和试剂空白液各10 μL,注入石墨炉,测得其吸光值,代入标准系列的一元线性回归方程中求得样液中铅含量。

1.2.4 样品的选取 本实验主要针对不同茶区茶园的茶叶品种进行采样,研究不同茶区中茶叶中痕量铅。由于考虑到不同的加工过程[14]可能会导致茶叶不同程度受到铅离子的污染,因此,本次样品的选择四大茶区中生产的炒青绿茶[15]。由于西南茶区位于中国西南部,包括云南、贵州、四川三省以及西藏东南部,为确保实验采样具有代表性,因此选择云南地域炒青绿茶3种,贵州地域炒青绿茶1中,四川炒青绿茶2种;华南茶区位于中国南部,主要包括广东、广西、福建、海南等省(区),由于广东、福建地区为最具代表性茶叶产地,因此选择广东地域炒青4种,福建地域炒青3种;江南茶区位于中国长江中、下游南部,包括浙江、湖南、江西等省和皖南、苏南、鄂南等地,选择浙江、江西地域生产的炒青各3种,皖南炒青(安徽黄山)2种;江北茶区位于长江中、下游北岸,包括甘南、陕西、鄂北、豫南、皖北、苏北、鲁东南等地,选择鲁东南炒青2种,陕西地域炒青2种,甘南地域炒青2种,苏北地区1种,皖北1种(安徽六安),根据以上地域的不同,总共选用29种炒青绿茶样品。

2 结果与分析

2.1 电解质溶液和pH的选择

根据Pb2+的溶出电位和溶出峰电流确定最佳的电解液。图1表明,在NaAc-HAc缓冲液中铅离子的溶出峰峰形较好,峰值最大。因此本文选择pH4.0的0.1 mol/L的NaAc-HAc缓冲液作为电解液。

图1 电解液的种类对Pb2+的溶出峰电流的影响Fig.1 Different buffers on the stripping peak currents of Pb2+注:a是0.1 mol/L氨-氯化铵缓冲液,b是0.1 mol/L KCL溶液,c是0.1 mol/L PBS缓冲液,d是0.1 mol/L醋酸-醋酸钠缓冲液。

实验测定结果发现电解液酸度过高时,由于氢离子还原电流会干扰铅的溶出峰。随着溶液pH的变化,出峰电位随pH变化有所漂移,铅离子的出峰情况如图2所示的变化,因此,根据该实验可得出最佳的电解质溶液是pH为4.0的醋酸-醋酸钠溶液。

图2 电解液的pH对Pb2+的溶出峰电流的影响Fig.2 Effect of buffer's pH on the stripping peak currents of Pb2+

2.2 汞液浓度的选择

结果如图3,在Hg2+浓度为20 μg/L时,铅溶出峰的峰电流最大,且峰形较好。随Hg2+浓度变化溶出峰电位无明显变化。镀汞液的浓度会影响汞膜的形成,Hg2+浓度太低,形成的汞膜不够致密,厚度偏小,则检测的准确性有影响;Hg2+浓度太高,汞膜趋厚,灵敏度会下降。所以选择20 μg/L作为镀汞液最佳浓度。

图3 汞液浓度对Pb2+的溶出峰电流的影响Fig.3 Concentration of mercury on the stripping peak currents of Pb2+

2.3 富集电位及富集时间的影响

在不同的沉积时间的条件下,浓度为160 μg/L的铅标准溶液的峰电流变化趋势如图4所示,实验结果表明,在沉积时间为250 s时,铅溶出峰的峰电流最大,且峰形较好。所以选择沉积时间为250 s。

图4 富集时间对Pb2+的溶出峰电流的影响Fig.4 Effects of preconcentration time on the stripping peak currents of Pb2+

在不同的沉积电位条件下,浓度为160 μg/L的铅标准溶液的峰电流变化趋势如图5所示,实验结果表明,在沉积电位为-1.35 V时,铅溶出峰的峰电流最大,且峰形较好。所以选择-1.35 V作为最佳沉积电位。

图5 富集电位对Pb2+溶出峰电流的影响Fig.5 Effects of preconcentration potentials on the stripping peak currents of Pb2+

2.4 Pb2+在镀汞电极上的增敏行为

图6是100 μg/L的Pb2+在不同两种电极上的DPV曲线,由图可明显看出对于Pb2+而言,裸玻碳电极的电流响应信号比镀汞电极的弱很多。镀汞电极在-0.5 V处存在着峰型尖锐,信号强的溶出峰。

图6 Pb2+在0.1 mol/L的NaAc-HAc缓冲液(pH4.0)中的差分脉冲伏安曲线Fig.6 Differential pulse voltammetry curve of Pb2+ in 0.1 mol/L NaAc-HAc buffer solution(pH4.0)

2.5 线性范围与检测限

根据以上优化实验条件,采用差分脉冲伏安法对Pb2+进行测定。根据实验结果,浓度与峰电流的相关性如图6所示,铅的峰电流与其质量浓度在40～400 μg/L范围内呈良好线性关系,回归方程为I(μA)=0.0123C(μg/L)+0.5776,相关系数为R2=0.9967，检测限可以达到1.2×10-6g/L。

图7 不同浓度的Pb2+的标准曲线Fig.7 The calibration curves of Pb2+

使用同一根修饰电极对160 μg/L Pb2+溶液平行测定9次,得出的相对标准偏差(RSD)为0.86%。说明该电极的测定结果具有良好的精密度。

2.6 样品加标回收率

将每种样品进行3次加标(1倍、2倍、4倍)回收率实验,其测定结果见表3,通过计算得出铅的相对回收率在91.1%～104.2%之间,有较好的回收率,说明本实验的测量数据准确可靠。

表2 精密度实验结果

表3 茶叶中铅的测定结果(n=5)和回收率实验

GB 2762-2012标准[16]规定茶叶中铅含量限量标准为低于5 mg/kg,从以上实验结果可以看出所测茶叶均符合国家标准,依据NY/T 288-2012绿色食品标准[17]中对茶叶中铅含量限量标准为低于2 mg/kg,从以上实验结果可以看出炒青绿茶(江苏)、安徽高山野菜滴水香茶、炒青绿茶2(浙江)、炒青绿茶2(江西)、贵州针、峨眉山毛尖、炒青绿茶1(福建)、云南白色绿、云南碧螺春这9种茶叶中铅含量低于限量要求,符合绿色食品标准,另外,安徽黄山毛峰绿茶样品并未能检测出其铅离子含量,表明其铅离子含量低于该方法检测限,其余18种茶叶中铅含量高于限量要求,不符合绿色食品标准。另一方面,我国和国外科学家进行过不少分析得出,茶树鲜叶中铅含量较低,而通过炒制过程后,成茶中的铅含量较高[18]。

2.7 茶叶样品中Pb2+的石墨炉原子吸收法检测结果分析

采用石墨炉原子吸收法测定茶叶样品,将测定结果与阳极溶出伏安法的测定结果进行对比分析,如表4所示。

表4 阳极溶出伏安法与石墨炉原子吸收法对照实验结果

结果显示,通过以阳极溶出伏安法和国标方法对茶叶中痕量Pb2+的测定结果的比较,可以得出,实测样品中Pb2+的结果与石墨炉原子吸收法所测得Pb2+的含量相符合,相关系数r=0.9979,接近于1,表明两种方法检测出来的样品结果相关密切,且该方法操作快捷方便、重现性好、灵敏度较高,可以在日后的相关研究中广泛应用。

3 结论

通过分析表3的样品茶叶中所含铅离子含量可以初步分析我国一级茶叶产区中茶叶含铅量,其中,江北茶区所产茶叶铅含量约为1.5～3.2 mg/kg,江南茶区所产茶叶铅含量约为0.7～2.3 mg/kg(其东部某些区域茶叶铅含量达4.7 mg/kg),西南茶区所产茶叶铅含量约为0.9～2.7 mg/kg,华南茶区所产茶叶铅含量约为1.7～2.8 mg/kg。归纳整理以上数据可以得出在全国一级茶区中,茶叶中受铅离子污染的整体分布情况为江北茶区>华南茶区>江南茶区>西南茶区,其中,江南茶区的东部茶叶产区中,茶叶中铅离子含量要略高于江北茶区。

本文利用同位镀汞阳极溶出伏安法对茶叶样品中铅元素的含量进行测定,并对测试条件进行了优化,取得了较好的线性范围及检测限,该测定结果与国标法检测结果对比,具有良好的线性关系。该研究为本方法在茶叶中重金属的快速检测应用中奠定了较好的理论基础,并可应用于实际样品的检测。

[1]贡有成. 对重金属及其污染和危害的浅识[C]. 中国环境科学学会学术年会论文集,2013:6229-6234.

[2]钱华. 环境铅污染来源及其对人体健康的影响[J].环境检测管理与技术,1998,10(6):14-17.

[3]韩文炎,韩国柱 蔡雪雄. 茶叶铅含量现状及其控制技术研究进展[J]. 中国茶叶,2008,4:8-10.

[4]胡萍,于少文,周修琦,等. 深圳市2003～2005年茶叶中铅污染状况分析[J]. 中国卫生监督杂志,2006,2:94-96.

[5]金崇伟,郑绍建. 茶叶的铅污染问题及铅污染的来源[J]. 广东微量元素科学,2004,11(3):12-16.

[6]石元值. 我国茶叶中铅含量研究及思考[J]. 中国茶叶,2001,23(4):18-19.

[7]Xudong Yuan,Robert L. Chapman,Zhiqian Wu. Analytical methods for heavy metals in herbal medicines[J].Phytochemical Analysis,2011,22,189-198.

[8]Anastasios. Economou. Recent developments in on-line electrochemical stripping analysis-An overview of the last 12 years[J]. Analytica Chimica Acta 683,2010:38-51.

[9]马颢珺,左航,白明. 水中重金属在线监测技术发展概述[J]. 环境科学与管理,2011,36(8):130-132.

[10]赵广英,吴艳燕. 丝网印刷碳电极传感器检测茶叶中痕量铅研究[J]. 茶叶科学,2008,28(2):93-100.

[11]许贺. 食品中重金属检测的方法研究与仪器研制[D]. 上海:华东师范大学,2009.

[12]GB 5009.12-2010 食品安全国家标准食品中铅的测定[S].

[13]吕志进. 阳极溶出伏安法测定食品中铅、镉的含量[J]. 天津医科大学学报,2002,8(2):187-190.

[14]唐明熙. 茶区环境条件与名优茶种性形成的相关分析[J]. 茶叶科学简报,1991:29-33.

[15]韩文炎. 加工过程对茶叶铅和铜污染的影响[J]. 茶叶科学,2006,26(2):95-101.

[16]GB 2762-2012,食品安全国家标准食品中污染物限量[S].

[17]NY/T 288-2012 绿色食品茶叶[S].

[18]张娟. 陕南绿茶铅含量污染的分布初探[J]. 科技文苑,2012:75-77.

Determination of lead in tea by plating mercury anodic stripping voltammetry

LI Pei1,2,YANG Yan-ning1,XIE Yun-fei1,YAO Wei-rong1,*

(1.The School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;(2.Suzhou Institute of Supervision & Inspection of Product Quality,Suzhou 215104,China)

A successfully differential pulse stripping voltammetry analysis was established for simultaneous and rapid determination of lead by mercury plating method. In this study,29 kinds of tea from four main tea areas in China were as samples. And the test conditions were optimized during experiments. The linear domain rangeed from 40 μg/L to 400 μg/L and the limits of detection was 1.2×10-6g/L. The studied method was applied to the detection of lead in tea samples with average recoveries of 91.1%～104.2%,whose relative standard deviation(n=5)was 0.86%. Compared with the national standard method, this result had good linear relationship(r=0.9979). This study developed a fast,simple and accurate method for the detection of lead in tea,which can be used for the detection of real samples.

lead;anodic stripping voltammetry;tea

2014-12-24

李培(1966-),男,本科,研究方向：食品分析与食品安全,E-mail:947535270@qq.com。

*通讯作者:姚卫蓉(1970-),女,博士,教授,研究方向:食品质量与安全,E-mail:yaoweirongcn@jiangnan.edu.cn。

国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ170003);国家自然科学基金(21203076)。

TS201.6

B

1002-0306(2015)23-0301-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.054