基于能量色散X射线荧光光谱技术检测大米中镉的研究

桑晓霞,马江媛,温丹华,黄登宇,*

(1.山西大学生命科学学院,山西太原 030006;2.山西大学食品药品快检技术中心,山西太原 030006)

大米作为我国的主要粮食作物,不仅含有蛋白质、脂肪、糖类等主要营养成分,还能为机体提供铁、锰、铜和硒等微量元素[1]。近年来,大米中重金属元素含量超标的事件被曝光,最常见的就是重金属镉的超标,引起了群众的恐慌和公众的高度关注。镉作为毒害作用最大的重金属元素之一,若在人体内大量堆积,可引起慢性甚至急性中毒。据报道,镉离子进入人体后,能够将骨骼中的Ca2+替换成镉离子,进而引发一系列软骨疾病[2-3]。因此,应加强对大米生产流通环节的监管,而快速、有效的检测方法是实现有效监管的关键。

常见的食品中重金属镉的检测方法有以下几种:石墨炉原子吸收光谱法(Graphite furnace atomic absorption spectrometry,GFAAS)[4-5]、电化学分析法[6-7]、电感耦合-等离子体质谱法[8-9]、原子荧光光谱法[10],紫外分光光度法[11]等。其中石墨炉原子吸收光谱法[12]是我国国家标准中规定的食品中镉的检测方法。然而,该些方法样品预处理过程比较繁琐,耗时长且不能实现大量样本的现场快速筛查。所以目前需要找到一种效率高、速度快的现场快速筛查方法对大米中的重金属进行监测。能量色散型X射线荧光光谱(EDXRF)分析是对物质中元素成分和含量进行定性、定量分析的一种仪器方法,具有制样简单、无损分析、能够同时分析多种元素,分析速度快[13-14]等优点。近些年,EDXRF技术逐渐被用来检测食品中的重金属。张辉等[15]用EDXRF测定米粉中的镉元素,结果显示该方法检出限为0.030 mg/kg,定量限为0.14 mg/kg。倪子月等[16]建立了能量色散X射线荧光光谱法快速测定烟草中的镉和铅的方法。

本实验尝试使用EDXRF对大米中的镉进行检测,通过单因素实验,选择最佳粒径大小、检测时间、试样质量、压片压力、含水量,以期建立一种大米中镉的新的快速分析测试方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大米 金龙鱼东北大米雪粳稻;过氧化氢(H2O2,30%) 天津市天力;硝酸(HNO3，GR) 山东旭晨化工科技有限公司;Cd标准溶液 国家有色金属及电子材料分析测试中心;磷酸二氢铵(NH4H2PO4) 天津化学试剂三厂。

BSA224分析天平 德国Sartorius公司;UPT-I-10T超纯水机 四川优普超纯科技有限公司;PC-12粉末压片机 天津精拓仪器公司;HK-02A 100 g手提式粉碎机 广州旭朗机械设备有限公司;EDX8300H EDXR荧光光谱仪 苏州三值精密仪器有限公司;EH45可调温式电热板 LabTech莱伯泰科;ZEEnit650P原子吸收分光光计 德国耶拿分析仪器股份公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理 采用短时多次粉碎的方法(每次40 s,5次)将大米样品经粉碎机粉碎,过不同目筛,分别充分混匀,用四分法[17]缩分至50 g。80 ℃条件下干燥4～6 h,使其含水率<0.1%,稍冷却置于干燥器中备用。

1.2.2 EDXRF仪器工作参数 管压45 kV;管流300 μA;温度16 ℃;真空度93.0 KPa。

1.2.3 样品的检测 取一定质量经过前处理的大米样品,并在一定的检测时间以及压片机一定压片压力下压制成紧实的片状样品,即可上机进行检测。

1.2.4 EDXRF检测最佳条件的选择 除1.2.2仪器工作参数外,还有很多因素影响实验结果,例如检测时间、压片压力、大米样品的颗粒粒径、样品质量、样品含水量等。以仪器显示的X射线荧光计数率为检测指标,通过单因素实验,确定最佳检测条件。

1.2.4.1 样品粒径的选择 在EDXRF法[18]检测重金属的实验中,颗粒粒径的选择通常在20～200目范围内。取5.00 g粒径分别为80、100、120、140、160目的大米粉末5份,压片压力30 MPa下压片30 s,测量时间为180 s,快速测量3次计数率,取平均值。

1.2.4.2 检测时间的选择 取5.00 g干燥后的140目大米样品5份,压片压力30 MPa下压制30 s,测量时间分别设定为60、90、120、150、180 s,快速测量3次计数率,取平均值。

1.2.4.3 压片压力的选择 在EDXRF法[19]检测重金属的实验中,压片压力的选择通常在10～40 MPa范围内。取5.00 g干燥后的140目大米样品5份,分别在15、20、25、30、40 MPa 5种压力下压片30 s,测量时间为180 s,快速测量3次计数率,取平均值。

1.2.4.4 样品含水量的选择 取5.00 g干燥后的140目大米样品5份,向大米样品中滴加相当于其质量的0、2.5%、5.0%、7.5%和10.0%的18.25 MΩ超纯水,搅拌,在压片压力30 MPa下压片30 s,测量时间为180 s,快速测量3次计数率,取平均值。

1.2.4.5 样品质量的选择 分别称取4.00、4.50、5.00、5.50、6.00 g干燥后的140目大米样品,压片压力30 MPa下压片30 s,测量时间为180 s,快速测量3次计数率,取平均值。

1.2.5 EDXRF检测方法的建立与评价

1.2.5.1 EDXRF检测方法的建立 样品进行前处理,在1.2.4步骤得出的优化条件下进行检测,取3个大米样品检测Cd的含量,求平均值。

1.2.5.2 建立标准曲线 在1.2.4步骤得出的最优条件下,分别向大米样品中添加50、100、150、200、250 μL的Cd标准中间液(10 μg/mL),即0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/kg的含Cd大米进行检测,以EDXRF检测到的大米中Cd的含量为横坐标,Cd的谱峰强度为纵坐标绘制标准曲线,得出线性方程。

1.2.5.3 方法学评价 对EDXRF检测方法精密度、重现性、稳定性及加标回收率进行测定。取同一大米样品重复检测5次,评价方法精密度;称取5份等量大米样品,分别测定,评价方法重复性;取大米样品每间隔30 min进行一次检测,测定5次,评价方法稳定性;对加标0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/kg的大米样品,进行检测,计算加标回收率。所有试验均在优化条件下进行,重复3次,取平均值,计算RSD值进行方法评价。

1.2.6 国标法(石墨炉原子吸收光谱法)测定大米中Cd

1.2.6.1 测定方法 称取140目的大米样品0.3～0.5 g置于微波消解罐中,分别加入0、50、100、150、200、250、300 μL的镉标准使用液(1 μg/mL),5 mL硝酸和2 mL过氧化氢,按选定微波消解程序(见表1)执行消解。冷却至室温,放置在可调温式电热板上,温度设为190 ℃,加热至近干,取下。硝酸溶液(5‰)冲洗消解罐三次,转移至10 mL的比色管中,定容至刻度。取1 mL于比色管中,并用硝酸溶液(5‰)定容至10 mL,混匀,测定,同时做试剂空白实验。

表1 微波消解仪消解程序

1.2.6.2 仪器条件参数 根据操作要求将仪器调至最佳状态。原子吸收分光光度计(附石墨炉)测定参考条件如下:波长228.8 nm,狭缝0.8 nm,灯电流3.0 mA,升温程序见表2。背景校正为氘灯或塞曼效应。

表2 石墨炉升温程序

1.2.6.3 绘制标准曲线 将1000 μg/mL的镉标准溶液稀释成1 μg/mL的镉标准使用液后,仪器自动配制成0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 ng/mL的镉标准曲线工作液,并测其吸光度值,以标准曲线工作液的浓度为横坐标,相应的吸光度值为纵坐标,绘制标准曲线,并求出线性回归方程。

1.2.6.4 方法学评价 对石墨炉原子吸收光谱法精密度、重现性、稳定性及加标回收率进行测定。根据1.2.5 EDXRF方法学评价试验进行操作,所有试验均重复三次,取平均值。

1.2.7 国标法(石墨炉原子吸收光谱法)与EDXRF法比较 以石墨炉原子吸收光谱法测定结果为横坐标,EDXRF测定结果为纵坐标作图,评价这两种方法测量结果的相关性[20]。

1.3 数据处理

数据处理采用Microsoft Excel 2016软件,制图采用Oigin pro7.5软件。每组实验平行重复3次,取平均值作为最终的测量值。

2 结果与分析

2.1 EDXRF检测法的条件优化

2.1.1 大米粒径优化 由图1可见,当大米粒径为140目时,计数率达到最大值,当大米颗粒目数继续增大,大米粒径减小,其计数率趋于稳定。其原因可能是X射线与大米颗粒发生作用,在大米粒径为80～140目之间时,大米粒径越小,大米试样愈发均匀,引起的均匀性效应和粒度效应减弱,使得检测结果更加准确,大米粒径在140～160目时,其计数率趋于稳定。因此,选择大米粒径为140目。

图1 大米粒径优化

2.1.2 检测时间优化 由图2可见,从60～180 s之间,随着检测时间延长,计数率处于上升的趋势,当检测时间到达150 s,计数率变化不明显。可能是因为当检测时间较短时,大米样品中的元素没有X射线完全激发。综合考虑多种因素,并且大米中重金属的含量只有mg/kg级,适当延长其测量时间可以提高检测精度和准确度[21-22]。所以,选择检测时间为180 s。

图2 检测时间优化

2.1.3 压片压力优化 由图3可见,随着压片压力的加大,计数率呈现明显的上升趋势,当压片压力达到30 MPa时,随着压片压力的加大,计数率的检测值趋于稳定,压片压力达到40 MPa时,计数率达到最大。其原因可能是样品的紧实度不同,其所含的空气含量有差别,缝隙中的空气含量与X射线也会发生作用。所以选择在40 MPa的压片压力下压片。

图3 压片压力优化

2.1.4 含水量优化 由图4可见,当含水率接近0时,计数率的值最大,随着含水率的增加,计数率出现了明显变化,整体呈现下降的趋势。其原因可能是散射效应和吸收效应的存在,不同的含水量对初级X射线和二次荧光二次射线均会产生影响[23],同时,大米中的水分也会产生干扰。所以,选择含水率较低的大米,即大米中的含水率<5%。

图4 含水量优化

2.1.5 试样质量优化 由图5可见,随着试样质量增加,计数率明显上升,质量达到5.00 g时,计数率值最大,样品质量继续增大,其检测结果不再有明显变化。其原因可能是大米样品对X射线有吸收和散射作用。当大米试样的质量不足时,X射线会直接穿透样品发射出去,检测结果产生偏差。综合考虑,大米试样的质量应该选择5.00 g。

图5 试样质量优化

2.2 EDXRF检测方法的建立与评价

2.2.1 标准曲线的建立 EDXRF法检测大米中Cd的标准曲线见图6,线性回归方程为:y=0.0004x+0.00003,R2=0.9982,结果表明,加标量在0.1～0.5 mg/kg之间与峰强[24-25]有很好的线性关系。

图6 EDXRF法标准曲线

2.2.2 EDXRF法方法学评价 EDXRF法测定大米中重金属Cd的含量,同一样品连续检测五次得到的计数率分别为19752.7、19732.7、19777.9、19726.7、19734.9,计算RSD值为0.11%,表明准确度很高;测定5份等量样品,检测值分别为19739.1、19725.7、19745.4、19724.1、19729.6,计算得出RSD值为0.05%,表明重复性较好;对同一样品测定5次,每隔30 min测定一次,检测值分别为19733.8、19768.9、19689.5、19758.6、19550.2,计算所得RSD值为0.45%,表明稳定性较好;对样品加标后的结果如下表3所示,平均加标回收率达到114.8%。

表3 EDXRF法的加标回收率

2.3 国标法(石墨炉原子吸收光谱法)

2.3.1 石墨炉原子吸收光谱法标准曲线建立 Cd浓度测定的标准曲线如图7所示,线性回归方程为:y=0.0434x+0.0012,R2=0.9984,结果表明Cd浓度在0.6～3.0 ng/mL之间与吸光度有较好的线性关系。

图7 石墨炉原子吸收光谱法标准曲线

2.3.2 石墨炉原子吸收光谱法评价 根据1.2.6试验方法计算得出,该方法的精密度、重现性、稳定性的RSD值分别为0.03%、0.32%、1.20%,平均回收率为83.5%,表明该方法精密度很高,重现性、稳定性都较好,加标回收率也较高。

2.4 国标法(石墨炉原子吸收光谱法)与EDXRF法比较

石墨炉原子吸收光谱法和EDXRF法关于Cd的相关性见图8。结果表明,EDXRF法和石墨炉原子吸收光谱法测量结果的相关性非常好,相关系数达到0.9814,说明EDXRF测量结果准确可信。

图8 镉标准测定方法与EDXRF法测定结果相关性图

EDXRF法与国标法的结果比较如表4所示。相对于石墨炉原子吸收光谱法,EDXRF方法的重复性和稳定性都更高,加标回收率也较好,精密度不如国标规定的方法,但基本满足了现场快速检测的需求。

表4 EDXRF法与石墨炉原子吸收光谱法的比较

3 结论与展望

本试验建立了大米中镉的EDXRF快速检测方法。通过优化试验,确定EDXRF检测最优条件为:大米粒径140目,检测时间180 s,压片压力40 MPa下压制30 s,含水量<5%,大米质量5.00 g。通过EDXRF方法评价试验,结果显示,精密度、重现性、稳定性的相对标准偏差分别为0.11%、0.05%、0.45%,平均加标回收率为114.8%。与石墨炉原子吸收光谱法相比,EDXRF方法的重复性和稳定性都更高,加标回收率也较好,但精密度较差。总体而言,新建立的EDXRF方法能够满足快速检测的要求。