石墨炉原子吸收光谱法连续测定谷物中铅、铬、镉及不确定度评定

张 强，徐 惠，曹雅莉，王 萍*，张小琴

(1.遂宁市农业农村局，四川 遂宁 629000；2.四川省遂宁市农产品检验监测中心，四川 遂宁 629000；3.四川轻工业研究设计院，四川 成都 610000；4.国家轻工业食品质监督检测成都站，四川 成都 610000)

植物生长过程中，可通过根系作用将重金属富集到谷物中。如果长期摄入重金属含量高的谷物，可诱发人体产生各种疾病，严重危害健康。因此，我国食品安全国家标准《食品中污染物限量》[1]严格规定了谷物中铅、铬、镉的限量。谷物中铅、铬、镉3种重金属检测是农产品检测的重要指标，目前主要参照食品安全国家标准进行测定[2-4]，但各方法只适合单一元素的测定，对同一样品进行不同项目检测时需要进行多次前处理，导致试剂耗量大、工作效率低、环境污染大。因此，研究适合谷物中多种重金属连续测定的方法，在处理不同检测项目样品时，就能避免单一方法导致的不足。拟采用湿法消解-石墨炉原子吸收光谱法连续测定谷物中铅、铬、镉，以建立适用于谷物中三种重金属连续测定的快速、稳定、准确的检测方法，并对测试结果进行误差来源的分析，给出扩展不确定度，为实验室质量控制和边缘值判定提供依据。

1 材料与方法

1.1 主要仪器

AA-900石墨炉原子吸收分光光度计：新加坡Perkin-Elmer公司；20A plus电热板；电子天平：梅特勒-托利多仪器上海有限公司，d=0.0001g。

1.2 试剂与材料

硝酸：UP级；高氯酸：UP级；铅标准溶液(1 000 mg/L)、铬标准溶液(1 000 mg/L)、镉标准溶液(1 000 mg/L)：国家有色金属及电子材料分析测试中心；质控样品GSB-22小麦、GSB-2小麦：国家质检中心；机体改进剂(10% NaH2PO4溶液，临用时配成1%)：新加坡Perkin-Elmer公司；实验室用水均为超纯水(自制，优普超纯水制造系统)；样品由市场和网络渠道自行采购。

1.3 标准溶液的配制

用0.1%硝酸溶液分别将铅、铬、镉标准溶液稀释，配制成铅标准储备液(10 μg/mL)、铬标准储备液(10 μg/mL)、镉标准储备液(10 μg/mL)，于0～4℃保存。

铅标准储备液(10 μg/mL)逐级稀释，配制成20 ng/mL铅使用液，用石墨炉自动进样器自动配制成0，5 ，10 ，20 ，30 ng/mL 铅标准系列。

铬标准储备液(10 μg/mL)逐级稀释，配制成20 ng/mL铬使用液，用石墨炉自动进样器自动配制成0，4，6 ，8 ，12 ，16，20 ng/mL铬标准系列。

镉标准储备液(10 μg/mL)逐级稀释，配制成5.0 ng/mL镉使用液，用石墨炉自动进样器自动配制成0 ，0.5 ，1.0 ，2.0 ，3.5 ng/mL镉标准系列。

1.4 样品处理

称取谷物类样品0.50 g(准确到±0.01 g)于150 mL广口三角瓶中，加入10 mL硝酸(HNO3)，再加入1 mL高氯酸(HClO4)，盖上歪颈漏斗，浸泡过夜。在可调式电热炉上消解(参考条件：120 ℃ 1 h，升至180 ℃ 4 h，升至200 ℃)。若消化液呈棕褐色，再加少量硝酸，消解至冒白烟，消化液呈无色透明或略带黄色，取下三角瓶，冷却后用1%硝酸转移、定容至10 mL，混匀备用[5-7]。试剂空白按上述方法操作进行湿法消解。

1.5 测定

吸取待测样品20 μL(标准曲线按自动计算结果，自动吸取样品)，稀释液10 μL，机体改进剂5 mL(1% NaH2PO4溶液，测铬不加机体改进剂)，于石墨管中按预设升温程序升温，然后测定待测样品吸光度，待测样品含量计算式为

(1)

式中：X—被测物含量，mg/L；C1—消解液中被物含量，mg/L；C0—空白中被测物含量，mg/L；m—称样量，g。

2 结果与讨论

2.1 仪器条件筛选

优化仪器条件，有利于提高仪器灵敏度，提高样品检出率。本实验使用10 ng/mL 铅、10 ng/mL 铬和 2 ng/mL 镉，在不同仪器条件下分别优化干化温度、灰化温度和原子化温度。

2.1.1 干化温度优化

干化温度对铅、铬、镉测定结果的影响见图1。由图1可知，铅在120 ℃吸光度最大，之后响应值降低；铬在100～130 ℃吸光度基本不变，而后降低；镉吸光度在实验条件范围内基本不变。这是因为温度过低或温度过高，干化不完全，在进一步升温过后导致液体爆沸，喷溅不利于测定，导致测定结果吸光度降低。因此，铅、铬、镉的干化温度分别选择120，130，130 ℃。

图1 铅、铬、镉干化温度对吸光度的影响

2.1.2 灰化温度优化

灰化温度对铅、铬、镉测定结果的影响见图2。由图2可知，铅在500～1000 ℃吸光度基本一致；铬在800 ～1 400 ℃吸光度基本无变化，之后降低；镉在700 ℃吸光度最大。这是因为温度过低，灰化不完全，在进入原子化之前，相应的重金属元素没有形成有利于原子化的形态；温度过高，灰化后的目标元素部分原子化，从而导致测定结果降低。因此，铅、铬、镉的灰化温度分别选择1000，1400，700 ℃。

图2 铅、铬、镉灰化温度对吸光度的影响

2.1.3 原子化温度优化

原子化温度是样品测定的关键温度，恰当的原子化温度能保证样品检测的准确性，铅、铬、镉原子化温度对测定结果的影响见图3。由图3可知，铅在1400 ℃吸光度最大；铬在2 100 ～2 300 ℃吸光度基本不变；镉在1 100 ℃吸光度最大。原子化温度较低时吸光度较低，这是因为温度过低样品原子化不完全；原子化温度过高，待测元素原子过快，从而导致测定结果降低。

图3 铅、铬、镉原子化温度对吸光度的影响

2.1.4 石墨炉升温程序

根据实验优化结果筛选出适合铅、铬、镉3种重金属测定的石墨炉升温程序条件，见表1。

表1 石墨炉升温条件

2.2 方法评价

2.2.1 标准曲线及线性范围

石墨炉自动稀释配制铅、铬、镉3种重金属元素标准曲线见表2。由表2 可知，铅、铬、镉3种重金属元素分别在0～30 ng/mL， 0～20 ng/mL，0～3.5 ng/mL范围内线性关系良好。

表2 铅、镉、铬3种元素标准曲线及相关系数

2.2.1 方法精密度与准确度

采用空白样品加标进行铅、镉和铬3种元素的加标回收率实验及精密度实验，验证方法的可靠性。每种元素做高、中、低三平行加标，计算加标回收率及相对标准偏差(RSD)，结果见表3。由表3可知，高、中、低浓度加标，样品中铅、铬、镉回收率分别为98.97%～104.34%，97.13%～104.20%，98.93%～104.23%，精密度高；相对标准偏差(RSD)在1.72%～6.47%，3.34%～5.31%，4.03%～6.44%，能满足测定要求。

表3 铅、镉、铬三种元素高、中、低加标回收结果

2.2.2 方法检出限

按照试验方法重复分析7个空白低限加标样品，计算方法检出限。试验方法检出限计算参照美国 EPASW-846中规定，计算式为

MDL=St(n-1,1-a=0.99)

(2)

式中：MDL—方法检出限，mg/Kg；S—低浓度加标样品重复试验的标准偏差；n—重复试验次数；t(n-1,1-a=0.99)— 自由度为n-1、置信水平为99%时的t值。

称取样品0.5 g，定容至10 mL，根据检测结果，铅、镉、铬方法检出限分别为0.020，0.013，0.001 3 mg/kg，满足检测需要。

2.3 样品测定

优化条件下对谷物测定结果如表4所示。由表4可知，谷物中铬含量在0.308 5～0.954 9 mg/Kg，虽然处于国标规定的限量范围(≤1 mg/Kg)之内，但显著高于其他被测指标，这与植物对铬选择性富集的程度有关。将镉测定结果与国际食品准则委员会(CAC)《食品中污染物和毒素通用标准》(CODEX STAN 193-2010)[8]和欧盟食品污染限量标准(EC629-2008)[9]比较，我国标准高于欧盟标准，与国际标准一致。铅测定值均小于我国标准值，也小于国际标准值0.2 mg/Kg，表明我国食品安全标准与国际标准一致并高于部分地区标准。

表4 谷物样品测量结果

3 测量不确定度评定

以铬为列。本实验条件下，对铬测定时测量不确定的度评定方法按照国家标准《测量不确定度的评定与表示》[10]执行。

3.1 数学模型

本实验样品中铬的计算见式(1)。

3.2 测量不确定度来源

3.3 标准不确定度分量评定

(1)容量瓶引入的不确定度μV,1

(2)容量瓶因温度引起的不确定度μV,2

(3)定容时估读误差引入的标准不确定度μV,3

合成上述不确定度，则样品定容引入的不确定度为

(1) 标准溶液配制引入的标准不确定度μc,1

表5 玻璃器具校准的不确定度

(2) 样品重复测定引入的不确定度μc,2

(3)标准曲线拟合求得样品浓度引入的不确定度μc,3

表6 校准曲线引入不确定度及相关数据

(4)合成样品测定引入的相对标准不确定度

3.4 合成标准不确定度

石墨炉原子吸收光谱法连续测定谷物中铬不确定度来源及标准不确定度值见表7。由表7数据计算合成标准不确定度：

ux=0.020 2×0.207 8=0.004 2 mg/kg。

表7 谷物中铬测定的各个不确定度

3.5 扩展不确定度

扩展不确定度(置信度95%，k=2)：uk=k×u(x)=2×0.004 2=0.008 4 mg/kg。

结果表明，样品中铬的含量为(0.2078±0.0084)mg/kg。

4 结果与分析

谷物是我国重要的粮食，提高谷物检测技术是保障农产品安全和人民健康的重要手段。本文建立的石墨炉原子吸收光谱法连续测定谷物中铅、铬、镉的方法，能够满足谷物中重金属测定要求。该方法不仅有效解决了单个样品多检测指标不能连续、高效测定的问题，而且具有灵敏度、准确性和精密度高，简便稳定，节省试剂等优点。不确定评定表明该方法不确定度分量小，实验结果受实验过程的影响小。