食品中重金属元素痕量分析消解技术的进展与应用

李春哲

[摘要]本文对重金属元素痕量分析消解技术的研究现状进行分析，总结了该技术的进展以及应用。在食品快速检测中，合理应用该技术能够提高技术应用的效率，获得准确性较高的检测结果，具有推广应用的价值。

[关键词]重金属元素;痕量分析消解技术;食品

农作物种植、食品加工以及运输等全过程，都有可能会造成汞、铬等有毒重金属污染。重金属元素通过食物链进行生物浓缩，浓度得以增加，毒性会提高千万倍，进入人体后，会给人体造成极大危害，经过长时间的积累才能够显现，具有潜在危害性，因此做好食品重金属元素检测分析有着必要性。

1 食品中常见的重金属及其危害

从维持身体健康的角度来说，人体每天都需要补充适量的钙、铁、锌等矿物质。人体所需的矿物质主要来源于每日食用的食物巾，然而，如果食物巾的部分矿物质含量超标，如重金属无机砷和铅超标，则可能导致人体出现不适现象。长此以往，会对人体产生极大的危害，对婴儿的危害尤其大。例如，根茎类蔬菜的含铅率比较高，而婴幼儿添加辅食之初接触的食物就是根茎类蔬菜，如果婴幼儿食用了含铅量超标的蔬菜，则会出现多动和贫血等情况[1-3]。相对于其他作物，水稻更容易从河流或者土壤中吸收部分重金属，即使脱壳后，大米中也会留下一定量的重金属。因此，要做好检测把控，加大对重金属元素分析检测技术的研究，发展精准高效的检测技术，以确保食品安全。

2 重金属元素痕量分析消解技术的进展

2.1 微波消解

类似于高压消解和罐消解，在实际应用中，微波消解技术需要使用的溶剂包括硝酸和硫酸[4]。从技术发展的角度来说，基于传统微波消解系统，为了弥补其不足，研发了超级微波化学平台，除了使用SPC单反应室微波消解技术外，还结合运用了预加压技术，突破了传统技术的局限，实现了超高压以及超大量處理。从应用优点的角度来说，微波消解技术不仅加热快，热能利用率还很高。微波消解技术的具体应用包括以下四个方面：

（1）硝酸-硫酸体系[5-6]。在实际应用中，微波消解常用到的溶剂包括硝酸和硫酸。一般情况下为保证安全，在微波消解的过程中，多使用高氯酸。具体应用的过程中，利用硝酸一硫酸体系，能够增加反应温度，不过需要做好对温度的把控，因为温度过高很容易使得消解罐被破坏。

（2）硝酸-氢氟酸体系。若含硅量比较高，则可以利用硝酸一氢氟酸体系去除硅的干扰[7]。

（3）强氧化剂。在酸性条件下，利用过氧化氢作为强氧化剂，经过反应后，释放出大量的氧气，进而助力氧化以及样品分散。具体应用中，当加入过氧化氢后，需要经过预消化1-2h，再让样品进入微波系统，以免密闭体系的压力过大，引发酸气泄漏问题，造成极大的损失[8]。除此之外，要做好对过氧化氢使用量的把控，减少氧化影响。

（4）测定食品中的重金属。在实际应用中，微波消解适用于总汞和总铬等的测定。学者利用硝酸一过氧化氢体系，以BCR 422鳕鱼肌肉以及BCR 278贻贝组织为研究对象，进行微波消解试验。根据试验结果显示，微波系统消解并不完全，不适合总砷的测定[9]。

2.2 湿法消解

湿法消解是指在一定的温度和非氧化性酸或者氧化性酸存在的条件下，通过化学反应，实现对试样的分解，使得待测的组分能够以液态的形式存在。在实际应用中，具有设备简单和操作简便等优势，极易实现自动化[10-12]。不过消化需要使用玻璃仪器，极易产生吸附以及解吸作用，使得空白值较高。在实际应用中，常用的酸消解体系包括硝酸一硫酸体系和硝酸-高氯酸体系。结合金属元素的特点以及仪器方法选择具体的消解体系，如使用石墨炉原子吸收测定，可运用单一硝酸体系或者其他消解体系;进行铅和铝等的测定时，要避免使用高氯酸，以免灰化阶段产生气态氯化物，最终造成损失;采用此方法进行总汞的测定，若温度过高，极易造成汞的挥发，而且室温难以有效消解，因此可在加热的条件下，使用冷凝回流管实现消解，使用回流装置，虽然能够避免汞的挥发，保证加标回收率超过95%，但是操作较为繁杂[13-15]。

从该技术的发展情况而言，基于传统湿法消解的不足，现阶段研发的全自动湿法消解仪器，利用智能软件进行自动化控制，实现全自动升温，能够实现消解、赶酸以及定容的一站式处理，不需要人工干预[16-17]。除此之外，要结合聚四氟乙烯材料，确保在湿法消解中合理使用氢氟酸，为保证使用的效果，必须要做好对消解温度的把控，避免温度过高影响材料的使用效果[1]。

2.3 干灰化法

2.3.1 干灰化法概述

从方法运用原理的角度而言，于灰化法是利用高温实现对有机质的去除。简单而言，对样品进行灰化分解，经过分解后，用酸对剩下的灰分进行溶解，制作待测溶液。在食品重金属痕量分析中，很多金属元素比如铅和镉等在高温状态下极易挥发，进而影响金属元素的分析结果，很容易造成失真问题。除此之外，部分金属元素很容易形成酸不溶性混合物，引发滞留损失，在消解的全过程，存在着环境污染风险，具有一定的弊端[18-20]。干灰化法具有处理量大、便于操作、安全性较高等优点，能够克服上述问题。

2.3.2 干灰化法的进展

基于传统的电加热马弗炉，通过技术改进，升级为微波加热或者红外加热的马弗炉，在实际应用中，有效缩短了灰化时间。采用传统的灰化法，整个过程需要耗费5h，使用新型微波马弗炉，则只需要10min，同时去掉了碳化环节，能够直接进行灰化，耗费的能源少，同时具有速度快的优点。部分重金属如镉和砷等在高温条件下难以挥发，采用此方法进行消解，能够获得不错的效果。对于含有重金属砷的食品样品，采用于灰化法进行消解，即便是在温度小于400℃的条件下，砷也有可能出现损失的情况，同样在温度为100℃的干燥试样中，很大可能会造成损失。所以在消解的过程中，要适当加入灰化助剂，进而减少砷元素的损失。从实际应用而言，应用较为广泛的灰化助剂为氧化镁或者硝酸镁;从方法的原理而言，在高温条件下，通过添加氧化镁灰化助剂，进而对砷元素进行灰化分解，同时加入一定的轻质氧化钙吸收剂，形成具有不易挥发但是易溶解的焦砷酸盐[21]。干灰化法的应用流程如下：

（1）在实际操作中，每1g试样使用1g氧化镁灰化助剂，使用剂量为2-3mL的强氧化钙吸收剂。

（2）考虑到检测的需要，为便于检测工作的开展，要适当添加纤维素粉，使得混合物能够更加疏松。

（3）在有机砷化合物中，添加适当的硝酸以及溴酸钾，进行加热。在加热时，将温度控制在300℃以内。

（4）坩埚先放人马弗炉中再进行升温操作，增加马弗炉的温度。需要注意的是在灰化之初要缓慢增加温度，整个灰化的过程，温度要严格控制在500℃～600℃。

（5）在灰化的过程中，使用比例为1：1盐酸或者稀硫酸浸取。考虑到灰化助剂可能会造成砷元素损失，为确保检测分析结果的真实性和有效性，在具体的操作过程中，使用灰化助剂以及湿式样混合，并且采用一份单独的湿式样品，进行重量测试。

3 重金属元素痕量分析消解技术的具体应用

现结合微波消解技术在镉和砷元素检测中的应用，进行分析。

3.1 技术原理

微波加热具有快速和均匀的特点，多采取低压高通量以及高压低通量的方式。在菜籽油和粽叶等的检测中，应用微波消解技术能够获得不错的效果。在实际应用中，使用的消解容器会影响检测结果，建议使用一次性的聚丙烯容器，保证回收率。

3.2 技术应用对比分析

目前，微波消解作为常用的方法，能够消解土壤和食品等样品。利用ICP技术，对小麦种子和木材等进行镉和砷等的含量检测，对比湿法消解以及微波消解技术的应用效果，通过精密度以及准确度的对比分析，明确微波消解技术具有应用优势。微波消解法的应用，使用的密封系统能够避免元素蒸发，减少损失，不仅能够合理缩短消解时间、降低污染度，还能够减少试剂以及样品的使用量，从而增强检测操作的安全性[2-3]。

3.3 技术应用建议

从当前食品重金属元素痕量分析消解技术的发展现状而言，可以运用的技术手段较多，不过每个技术的优点和缺点不同，因此要做好严格把控。

（1）选择适合的微波消解技術。食品重金属元素的检测分析研究，对于常规如砷等重金属，可利用于灰化法进行检测。不同的技术方法适用的范围或者效果不同，在具体选择时，要严格按照国家相关规定，优选适合的检测方法，保证检测工作有序开展[22]。

（2）做好微波消解技术要点的把控。在进行食品重金属元素的检测分析时，为了保证痕量分析结果的真实性和有效性，要做好微波消解技术要点的把控。首先，对参与痕量检测工作的人员，要做好技术培训，使其能够掌握微波消解技术的应用流程和要求，进而做好检测结果的把控;其次，结合微波消解技术应用实际需求，准备所需的仪器设备，优化检测工艺，提高检测工作的质量;最后，规范微波消解技术的应用，做好痕量分析全过程的把控，最大程度上保障检测结果的质量[23]。

（3）加大微波消解技术的研究力度，不断优化工艺。在痕量分析实践中，现有的技术虽然能够满足部分食品重金属痕量检测的需要，但是食品中含有的重金属类型很多，为更好地进行检测，还需要进一步加大技术研究，发展适用范围更广泛的技术。

4 结论

传统的食品重金属元素痕量分析中，采取的消解技术虽然能够获得一定的效果，但是存在着诸多缺陷。随着技术的不断发展，微波消解和湿式消解法都得到了有效的发展，技术水平不断提升，在实际应用中能够获得不错的成效。

参考文献

[1]刘思春，吕家珑，梁圈社，等.微波消解技术在土壤重金属元素分析中的应用[J].生物技术世界，2016 （1）：25-26+53.

[2]胡曙光，苏祖俭，黄伟雄，等.食品中重金属元素痕量分析消解技术的进展与应用[J].食品安全质量检测学报，2014 （5）：1270-1278.

[3]王琴.当前食品重金属元素痕量的分析消解技术发展现状分析[J].食品安全导刊，2016 （6）：107-108.

[4]冯婧，重金属元素分析消解技术在镉、砷检测中的应用比较[J].食品研究与开发，2017 （16）：143-148.

[5]蔡霞，秦菊香.食品中Pb、Cd、Cr等重金属检测的前处理技术研究[J].科技经济市场，2017 （6）：16-18.

[6]陈利平，张宏雨，王福乐，等，草莓中4种重金属元素的快速定量测定方法研究[J].农产品质量与安全，2017 （3）：55-58.

[7]吴祖军，蒙华毅，梁书怀，等，螺肉中重金属元素含量的ICP-MS法检测及质量控制[J].食品工业，2017 （3）：308-310.

[8]章连香.食品中重金属元素检测方法研究进展[J]中国无机分析化学，2017 （1）：13-18.

[9]张秉璇.蔬菜中常见重金属的测定方法探究及应用[D].兰州：兰州大学，2017.

[10]王然然.谷物中汞砷快速检测方法研究[D].天津：天津科技大学，2017.

[11]李亚美.食品中重金属元素分离富集与检测方法研究[D].郑州：郑州大学，2016.

[12]曹淼.ICP-OES法检测石家庄开心农场土壤及蔬菜中多种重金属的研究[D].石家庄：河北科技大学，2015.

[13]刘亚芹.食品中重金属铬的检测[D].石家庄：河北科技大学，2015.

[14]闫珂，食品中重金属铅、镉的电化学检测方法研究[D].石家庄：河北科技大学，2015.

[15]张黎黎.农产品中重金属检测技术发展[J].中国西部科技，2015 （2）：66+70.

[16]聂容舂，罗乐，王允雨，等，样品的消解方法对定量分析重金属元素的影响[J].河南农业科学，2012 （11）：74-77.

[17]孙昕炀.中国大米重金属水平分析及其健康风险评估[D].南京：南京农业大学，2012.

[18]杨雪梅，韩伟立，刘洪涛，等.微波消解ICP-MS法测定药材预知子及其提取物中重金属含量[J].时珍国医国药，2011 （8）：2012-2013.

[19]王蕊.食品中重金属及有机锡农药残留分析方法的研究[D].南昌：南昌大学，2011.

[20]杭雅娟.电感耦合等离子体-质谱法测定番茄酱中多种重金属元素的研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2011.

[21]刘秋亚，覆膜对蔬菜中重金属形态分布及迁移的影响[D].杭州：浙江工业大学，2011.

[22]胡珊珊，钱秀芳.微波消解技术在土壤重金属元素测定中的应用[J].安徽师范大学学报（自然科学版），2010 （4）：363-366.

[23]黎志银.食用菌重金属、农药的吸收规律与残留研究[D].福州：福建农林大学，2010.