石墨炉原子吸收光谱法和胶体金快速定量法测定粮食中铅的对比研究

刘美辰

（北京市粮油食品检验所，北京100162）

随着社会经济的快速发展，以及城市化、工业化和现代化进程的推进，环境污染的问题正在不断加剧，从而导致粮食重金属污染问题也日趋严重[1-2]。铅对人体的神经系统、骨骼造血机能、消化系统和生殖系统等均有危害[3-4]，已被世界各国列为优先关注的污染物，并作为强制性检测项目进行检测[5]，我国GB 2762-2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》也明确规定了粮食中铅的限量要求。

目前粮食中铅的测定普遍采用的是GB 5009.12-2017《食品安全国家标准食品中铅的测定》石墨炉原子吸收光谱法（graphite furnace atomic absorption spectroscopy，GFAAS），该方法操作简单，灵敏度高，但对实验条件和操作人员有较高要求，适合在大型实验室使用[6]。而近年新兴的胶体金快速定量法[7-9]则具有简便、高效、低成本的特点，适合粮食收购现场的快速检测。为系统分析两种方法的适用性，对GFAAS 和胶体金快速定量法测定粮食中铅的检出限、定量限、准确性、重复性和检测时长等参数进行了测试，为粮食中铅的检测方法的选择提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

重金属铅快速定量检测试纸条：北京华安麦科生物技术有限公司（产品批次20180525，规格16 条/盒），盒内配有实验所需的样品提取液、萃取剂、反萃取剂、稀释液和螯合剂，未标注明确成分。

小麦有证标准物质（编号GBW（E）100379），玉米有证标准物质（编号GBW（E）100381）。

1.2 仪器与设备

原子吸收光谱仪（PinAAcle 900T）：Perkinelmer 公司；分析天平（PL-602E）：梅特勒-托利多、胶体金读数仪（BMZ 6000）：北京美正生物科技有限公司；干式加热器（HMG-GS）、计时器：北京华安麦科生物技术有限公司；移液器（200 μL）：赛多利斯（上海）贸易有限公司；离心管（20 mL 和50 mL）：洁特；离心机（DM0412）：大龙兴创实验仪器（北京）有限公司；涡旋混合器（TZL-5013）：苏州珀西瓦尔实验设备有限公司。

1.3 测试方法

GFAAS 按照国标GB 5009.12-2017《食品安全国家标准食品中铅的测定》第一法“石墨炉原子吸收光谱法”执行。

胶体金快速定量法按照重金属铅快速定量检测试纸条盒内附带的操作说明进行：称取（2.0±0.02）g 均质（过20 目筛网）样本于50 mL 离心管中，加入6 mL样品提取液和4 mL 萃取剂，具塞，充分振荡5 min 后，4 000 r/min 离心5 min；取1 mL 上清，加入2 mL 反萃取剂，振荡3 min，4 000 r/min 离心3 min；弃上清，取500 μL 下清，立即加入2 mL 稀释液（5 min 内），振荡混匀；取250 μL 该混合液，加入200 μL 螯合剂，振荡均匀，1 min 内待检。

1.4 测试样品

据国家统计局公告，2012年我国稻谷、小麦和玉米三大作物的总产量占整个粮食总产量的90.4%，确定本测试粮种为大米/糙米、小麦和玉米。测试采用阳性样品、阴性样品和阳-阴定量混配样品进行。

根据GB 2762-2017 《食品安全国家标准食品中污染物限量》中大米/糙米、小麦和玉米中铅限量值均为200 μg/kg 和实际样品的污染情况，选取50 μg/kg～100 μg/kg、200 μg/kg～250 μg/kg 和300 μg/kg～350 μg/kg 3 个浓度水平的大米/糙米样品；选取50μg/kg～100μg/kg、100 μg/kg～200 μg/kg 和200 μg/kg～300 μg/kg 3 个浓度水平的玉米和小麦样品进行测试。大米/糙米、小麦和玉米的阴性样品各20 份，大米/糙米的天然阳性样品3 份，小麦的有证标准物质1 份，小麦的阳-阴定量混配样品2 份，玉米的有证标准物质1 份，玉米的阳-阴定量混配样品2 份，共计69 份样品。

每份测试样品均从大样经粗碎与连续多次用四分法缩减至0.5 kg～1 kg，粉碎至80%以上过20 目筛，筛上物和筛下物混匀。

2 结果与分析

2.1 检出限及定量限

检出限是分析测试的重要指标，对于仪器性能的评价和方法的建立都是重要的基本参数之一。在日常检测过程中，检出限为具体量度指标，对于分析方法的选择具有重要意义。

石墨炉原子吸收光谱法：GB 5009.12-2017 中规定的GFAAS 测定粮食中铅的方法检出限和定量限为：当称样量为0.5 g，定容体积为10 mL 时，方法的检出限为20 μg/kg，定量限为40 μg/kg。在实际操作中，选取大米、小麦和玉米样品的阴性样品，各称取0.5 g，采用微波消解法进行前处理，定容到10 mL，对不同粮食样品的空白溶液连续测定20 次，根据LOD=3SA/k×V/m，LOQ=10SA/k×V/m（式中：LOD 为检出限；LOQ 为定量限；SA为空白样品多次测得吸光度值的标准偏差；k 为标准曲线在低浓度范围内的斜率；V 为样品消化液定容体积，mL；m 为样品质量，g）[10]，计算该方法测定粮食中铅的检出限和定量限。

胶体金快速定量法：根据“检出限=阴性样品测定平均值+3 倍标准偏差、定量限=阴性样品测定平均值+10 倍标准偏差”[11]，使用胶体金快速定量法连续独立测定20 个阴性样品，计算该方法测定粮食中铅的检出限和定量限。

两种方法的检出限和定量限结果见表1。

表1 两种方法的检出限和定量限Table 1 The test result of limit of detection and limit of quantitation of two methods

由于不同种类的粮食基质不同，背景校正的效果不同，对方法检出限的影响也不同。由表1可知，GFAAS 和胶体金快速定量法均为测定小麦时检出限最低、玉米次之，大米最高，两种方法的检出限和定量限均满足粮食中铅测定的质量控制要求。

2.2 准确性

使用石墨炉原子吸收光谱法和胶体金快速定量法分别对大米/糙米、小麦和玉米样品各3 份进行双实验检测，结果见表2。

表2 两种方法配对t检验表Table 2 Paired-samples T test of two methods

采用配对t 检验法比较两种方法的检测结果是否存在显著性差异。使用EXCEL 函数计算两种方法检测结果的差值Di、D 均值、SD和tD，具体数据见表2。查t 分布表可知，t0.05，8=2.306，tD=1.04＜t0.05，8，tD未超过查表值说明两种方法的测定结果之间无显著差异。

2.3 重复性

GB 5009.12-2017 规定重复性条件下GFAAS 测定粮食中铅两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的20%。使用胶体金快速定量法分别对中等浓度水平的大米/糙米、小麦和玉米样品进行6 次重复测定，采用χ2检验法判断该方法重复性测定标准差是否超过GB 5009.12-2017 中规定的重复性要求，同时采用6 次测定极差与GB 5009.12-2017 中规定的6次测定重复性临界极差进行对照，考察该方法的重复性。大米/糙米、小麦和玉米样品的重复性实验结果见表3，具体计算如下：

1）大米/糙米样品：测定次数n=6，平均值209.76 μg/kg，标准偏差S=19.23 μg/kg，极差=58.86 μg/kg；GB 5009.12-2017 规定重复性条件下，两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的20%，则大米样品两次测定绝对差（即重复性限r）≤41.95，GB 5009.12-2017 规定的重复性标准差Sr=r/2.8=14.98，6次测定的重复性临界极差CrR95（6）=f（6）×Sr=59.92，重复性标准差χ2=（n-1）S2/Sr2=8.24。显著性水平α=0.05情况下，查表得 χ20.95(5)=11.07，χ2=8.24＜χ20.95(5)，且极差58.86＜重复性临界极差CrR95（6），说明该方法测定大米/糙米样品中重金属铅的重复性标准差和极差均不超过国家标准方法中规定的重复性要求。

2）小麦样品：测定次数n=6，平均值220.47 μg/kg，标 准 偏 差S=17.54 μg/kg，极 差=44.44 μg/kg；GB 5009.12-2017 规定重复性条件下，两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的20%，则小麦样品两次测定绝对差（即重复性限r）≤44.09，GB 5009.12-2017 规定的重复性标准差Sr=r/2.8=15.75，6 次测定的重复性临界极差CrR95（6）=f（6）×Sr=63.00，重复性标准差 χ2=（n-1）S2/Sr2=6.20。显著性水平 α=0.05 情况下，查表得 χ20.95(5)=11.07，χ2=6.20＜χ20.95(5)，且极差44.44＜重复性临界极差CrR95（6），说明该方法测定小麦样品中重金属铅的重复性标准差和极差均不超过国家标准方法中规定的重复性要求。

3）玉米样品：测定次数n=6，平均值233.17 μg/kg，标 准 偏 差S=19.07 μg/kg，极 差=49.40 μg/kg；GB 5009.12-2017 规定重复性条件下，两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的20%，则玉米样品两次测定绝对差（即重复性限r）≤46.63，GB 5009.12-2017 规定的重复性标准差Sr=r/2.8=16.65，6 次测定的重复性临界极差CrR95（6）=f（6）×Sr=66.60，重复性标准差 χ2=（n-1）S2/Sr2=6.56。显著性水平 α=0.05 情况下，查表得 χ20.95(5)=11.07，χ2=6.56＜χ20.95(5)，且极差49.40＜重复性临界极差CrR95（6），说明该方法测定玉米样品中重金属铅的重复性标准差和极差均不超过国家标准方法中规定的重复性要求。

综上可知，用重复性实验的测试结果表示方法精密度，两种方法测定粮食中铅在精密度方面都能满足国标检测要求。

表3 重复性实验数据Table 3 The test result of repeatability

2.4 检测时长及适用性对比

石墨炉原子吸收光谱法的测试流程为称样→前处理（微波消解或湿法消解）→上机检测，由于前处理需要将样品进行消解，微波消解需要约12 h，湿法消解需要约24 h，而上机检测时间仅需3 min，存在样品前处理复杂耗时和仪器本身检测快的突出矛盾。另外，GFAAS 需要配备价格高昂的大型仪器设备、专门的实验室和专门的操作技术人员，消解过程需要消耗大量的强腐蚀性酸和氧化试剂，并且需要150 ℃以上的高温条件，必须在通风橱进行，检测中还需使用铅标准溶液，检测废弃物需要收集处理，因此适合在检测机构实验室使用。

胶体金快速定量法的测试流程为称样→前处理（萃取→离心→反萃取→稀释→鳌合）→检测，单个样品从称量到读取数据，35 min 内即可完成，大大缩短了检测时间。整套装置轻便易携，检测成本低，操作环境不受户外条件限制，检测过程中无需使用标准品及大量有机试剂，操作全程规避人员风险及富集污染源泄露风险，检测废弃物无任何污染风险，前处理过程简单，非专业技术人员略加培训即可操作，因此适合粮食收购现场和基层实验室的快速检测。

3 结论

通过使用胶体金快速定量法测定大米/糙米、小麦和玉米中的铅，并与石墨炉原子吸收光谱法在检出限、定量限、准确性、重复性、检测时长及适用性等方面进行了比较，证实胶体金快速定量法测定粮食中铅的可行性，且胶体金快速定量法具有前处理过程简单，检测速度快，无需使用标准品及大量有机试剂，对人员和环境危害小，测试结果可直接从读数仪上读取从而消除了人为误差，整套装置轻便易携检测成本低等优点，十分适合粮食收购现场和基层实验室的快速筛查。建议在进一步研究的基础上，制定胶体金快速定量法测定粮食中铅的技术规范和检测方法标准，使该方法能在粮食中铅检测中得到推广应用。