前处理方法对原子荧光光谱法检测大米中总砷含量的影响*

张玉超，程乐乐，韩 娟

(1 淮南师范学院化学与材料工程学院，安徽 淮南 232038；2 合肥市斯坦德优检测技术有限公司，安徽 合肥 230000；3 淮南师范学院生物工程学院，安徽 淮南 232038)

砷是广泛分布于自然界中的一种非金属元素[1]，由于含砷农药和含砷饲料的使用以及食品在加工过程中使用某些化学添加剂而引起食品中砷的污染，导致砷普遍存在于自然界环境和动植物中[2]。食品中总砷对身体健康存在潜在的危害，如果摄入量太多，就是会发生砷中毒[3]，因此是食品安全重点监测项目之一，其检测结果的准确性直接影响产品的合格性判定[4]。

作为我国三大粮食作物之一的水稻，是国民的主要粮食之一，种植面积约占全球的19%，在我国的粮食安全保障体系和农业生产中占有重要地位[5]。与其他农作物相比，水稻更容易吸收砷元素[6]，如果长期食用砷超标的大米，会引发各种疾病，严重影响人体健康，因此，我国早在1994年就开始对大米中的总砷含量制定限量标准0.7 mg/kg，尤其随着国家对食品安全问题的高度重视，大米中砷元素的检测是非常有必要的[7]。

目前，大米中总砷含量测定的方法有氢化物原子荧光光度法、银盐法以及硼氢化物还原比色法等，其中原子荧光光度法灵敏度高、精密度好、标准曲线线性关系好、提取操作简便、用时短，更为经济快捷[8]。庄建玲[9]研究用微波消解—原子荧光法测定大米中总砷含量，快速，易操作，使常规溶样方法中易挥发而损失的砷元素被全部保留，精密度高，回收率好。顾锦明与周瑾[10]采用液相色谱-原子荧光光谱(LC-AFS)法测定大米中的无机砷，并报道称该方法检测准确度高，检出限低，具有良好的精密度，稳定可靠，样品的保留时间短，节约时间，能有效提高大米中无机砷的检测效率。

现行国标方法GB 5009.11-2014[11]中第二法氢化物原子荧光法明确规定了湿法消解和干法灰化两种前处理方法，但在实际测定大米中总砷含量时需要考虑前处理效果、成本、消耗时间等因素，因此，需要不断探究和优化前处理方法和条件[12-13]，以期为准确测定大米中砷元素提供参考。本研究从电热板设定温度、硝酸添加量、硫酸添加量、高氯酸添加量以及干法灰化温度和时间等方面将两种前处理方法进行优化，以明确相关检测的条件。此外，从加标回收率、试剂成本和前处理耗时长短等方面对最优条件下的湿法消解和干法灰化进行比较，为大米中总砷含量的测定提供技术参考。

1 实 验

1.1 样品与试剂

质控大米(大米粉成分分析步骤物质，GBW(E)100361)，总砷标准值范围为(0.12±0.01)mg/kg，中国科技集团有限公司；砷单元素标准溶液 (BW30018-1000-N-50 1000 mg/L)，国家标准物质研究中心；硝酸、高氯酸、硫酸、盐酸、硝酸镁、氧化镁、硫脲、抗坏血酸、硼氢化钾均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器设备

SK-2003A型原子荧光光谱仪-非色散原子荧光光谱仪，金索坤技术开发有限公司；DB-XB型可调式电热板，上海力辰仪器科技有限公司；D8K型可调式电炉，南美鑫诚五金；FA2204型电子天平，上海力辰仪器科技有限公司；SX2-040型箱式电阻炉，沈阳市节能电炉厂。

1.3 容器的清洗

实验中所使用的的锥形瓶、比色管、坩埚，采用20%～35%的硝酸浸泡约24 h，再用超纯水冲洗干净。

1.4 湿法消解的单因素实验

称取标准物质大米1 g，精确到0.0001 g，按照GB 5009.11-2014《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》[11]中第二法氢化物原子荧光法前处理，通过湿法消解对质控大米进行前处理，采用原子荧光光谱仪对其总砷含量进行测定，测得的总砷值与标准值比较，以确定符合标准值范围的湿法消解条件。

(1)电热板设定温度：300 ℃，350 ℃，380 ℃，硝酸，硫酸和高氯酸使用量与GB 5009.11-2014《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》[11]中第二法氢化物原子荧光法前处理相同，进行实验，以探究电热板温度对质控大米总砷检测值的影响。

(2)在350 ℃电热板温度下，硝酸使用量分别为10 mL和20 mL进行实验，探究硝酸使用量对质控大米总砷检测值的影响。

(3)在350 ℃电热板温度下，硝酸使用量为10 mL，硫酸使用量分别为0 mL和1.25 mL进行实验，探究硫酸使用量对质控大米总砷检测值的影响。

(4)在350 ℃电热板温度下，硝酸使用量为10 mL，硫酸使用量为1.25 mL，高氯酸使用量分别为1 mL，2 mL，4 mL进行实验，探究高氯酸使用量对质控大米总砷检测值的影响。

1.5 干法灰化条件的单因素实验

称取标准物质大米2.5 g，精确到0.0001 g，按照GB 5009.11-2014《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》[11]中第二法氢化物原子荧光法进行前处理。通过干法灰化对质控大米进行前处理，使用原子荧光光谱仪对样品的总砷进行测定，其测定的总砷值与标准值比较，以确定符合标准值范围的干法消化条件，每组实验均重复2次。

(1)设定马弗炉温度分别为450 ℃，550 ℃，650 ℃进行实验，以探究灰化温度对质控大米总砷检测值的影响。

(2)改变灰化时间分别为2 h，4 h，6 h，在550 ℃下进行实验，以探究灰化时间对质控大米总砷检测值的影响。

1.6 质控大米的空白加标率的测定

根据单因素实验中得到干法和湿法的最佳实验条件，取0.1 mg/L砷标1.0 mL，向其中加入10 mL硝酸，2 mL高氯酸，用湿法消解进行前处理；取0.1 mg/L砷标2.5 mL用干法灰化进行前处理，两种前处理方法所得的待测液在相同的仪器条件下进行测定。通过比较两组实验的空白加标回收率的高低和前处理消耗时间的长短，得到效率更高的前处理方法。

1.7 原子荧光光谱仪工作参数

原子荧光光谱仪的工作参数，见表1。

表1 原子荧光光谱仪的工作参数Table 1 The parameter of atomic fluorescence spectrometry

2 结果与讨论

2.1 标准曲线及回归方程

分别配置浓度为：0 μg/L，2 μg/L，4 μg/L，6 μg/L，8 μg/L，10 μg/L的砷标准使用液，测定标准曲线见图1。在已设定的仪器参数下测定(表1)，以荧光强度为纵坐标(y)，标准溶液浓度为横坐标(x)，得出标准曲线的回归方程y=220.02x+19.948及相关系数R2=0.9999，在0～10 μg/L浓度范围内，线性关系良好。

图1 砷溶液标准曲线Fig.1 The standard line of arsenic solution

2.2 湿法消解条件对质控大米总砷检测值的影响

湿法消解之所以被广泛应用于元素分析的样品前处理，是因为它在消解温度、消解时间和消解酸用量等方面可以灵活调节，在实验中通过调节湿法消解中消解温度和酸的使用量，优化其消解条件，以更加准确地测定样品中总砷的含量。湿法消解条件对质控大米总砷检测值的影响见图2。

图2 湿法消解条件对质控大米总砷检测值的影响Fig.2 Influence of wet digestion conditions on total arsenic detection value of quality control rice

由图2(a)可以看出，电热板温度为350 ℃时所测质控大米的总砷值在标准值范围内，其它条件下测定结果均存在较大的偏差，这是因为原子荧光法检测总砷时，必须将样品中的有机砷彻底无机化才能进行测定[4]。前处理温度较高时，溶液的氧化性增强，消解能力提高，使大米中的有机态砷极大限度地转变成无机态砷，提高了检测的准确度；此外，硝酸沸点121 ℃，高氯酸沸点203 ℃，硫酸沸点338 ℃，而电热板温度为300 ℃时硫酸并不能被彻底挥发，而残留的硫酸可能会影响大米中化学元素的测定[14]。然而，消化温度过高时，会导致部分大米样品碳化，造成样品损失，进而导致样品中的总砷测定值与标准值之间的偏差。因此，湿法消解中的电热板加热温度会对质控大米总砷检测值有一定影响，本实验结果发现当电热板温度为350 ℃时，测定值与标准值吻合度较高。

由图2(b)可以看出，硝酸使用量为10 mL或者20 mL所测质控大米总砷的检测值均符合标准值，因为加硝酸是为了保证溶液呈酸性[2]，金属离子不会沉淀且不会吸附在器壁上，所以在样品出现糊化时均可加入硝酸缓解样品糊化现象，从而保证样品前处理的准确性。可见，硝酸使用量的不同对大米中总砷的检测值影响不大。因此，从节约成本角度考虑，选择硝酸使用量为10 mL。

由图2(c)可以看出，硫酸使用量为0 mL或1.25 mL时所测质控大米总砷的检测值均符合标准值，因为当样品溶液中含有较多重金属盐的时候会生成硫酸盐沉淀，可能会导致砷的共沉淀[2]，但大米中重金属盐含量很少，所以硫酸使用量对其检测结果无影响。因此，硫酸使用量的不同使测定出的质控大米总砷的检测值与标准值无明显差异。

由图2(d)可以看出，高氯酸使用量为2 mL或4 mL时所测质控大米总砷值均符合标准值，满足分析测试要求。高氯酸使用量为1 mL时样品总砷的测定值存在较大的偏差，这是因为高氯酸给溶液一个氧化还原电位，从最不稳定的元素被氧化的电位开始升到高氯酸冒烟状态时的电位为止。一般用硝酸来稀释高氯酸，然后逐渐提高温度。只要样品能溶解于热混合酸中，那么反应就会以平稳和受控制的方式进行，直到消化彻底[14]。但高氯酸含量为1 mL时，在前处理过程中硝酸无法充分作用，从而样品会经常糊化，需不断补加硝酸或者高氯酸，从而影响大米中的总砷检测结果，导致样品中总砷含量降低。故高氯酸使用量不同使测定出的质控大米总砷的检测值与标准值有明显差异。本研究发现高氯酸添加量为2 mL时，测定值与标准值偏差较小。

2.3 干法灰化条件对质控大米总砷检测值的影响

图3是干法灰化条件对质控大米总砷检测值的影响。样品在可调式电炉上碳化时先冒黑烟直至白烟冒尽呈白色固体，马弗炉内灰化后，均呈白色粉末，定容，溶液呈灰褐色，且马弗炉温度越低，灰褐色越深。由图3(a)可以看出，马弗炉温度为550 ℃测定质控大米总砷的检测值的准确度满足分析测试要求，其它条件下测定结果均存在较大的偏差，因为砷具有易挥发性，温度过高时导致被测元素损失[15]。灰化温度较低时，样品中有机砷不能完全转化成无机砷，从而导致样品中总砷含量会降低。故马弗炉温度的不同使测定出的质控大米总砷的检测值与标准值有明显差异。

样品在可调式电炉上碳化时先冒黑烟直至白烟冒尽呈白色固体，马弗炉内灰化后，均成白色粉末，灰化时间越长白色粉末越少，定容完后溶液呈灰褐色，且灰化时间越短，灰褐色越深。由图3(b)可知，灰化时间为4 h测定质控大米总砷的检测值的准确度均满足分析测试要求，其它条件下测定结果均存在较大的偏差，因为灰化时间较短时样品未能充分灰化，从而没有完全将样品中的有机砷转化成无机砷[16]，而灰化时间较长样品过碳化，会使样品中的砷元素损失，从而使总砷检测值偏低。因此，灰化时间的不同使测定出的质控大米总砷检测值与标准值有明显差异。

图3 干法灰化条件对质控大米总砷检测值的影响Fig.3 Influence of dry ashing conditions on total arsenic detection value of quality control rice

2.4 前处理方法对大米质控样加标回收率的影响

根据以上实验结果，得到较优的湿法消解条件和干法灰化条件。湿法消解的较优条件：电热板温度为350 ℃，硝酸使用量为10 mL，硫酸使用量为1.25 mL，高氯酸使用量为2 mL；干法灰化的较优条件：马弗炉温度为550 ℃，灰化时间为4 h。用这2种方法对质控大米样品进行加标试验，所加砷标液为离子态砷，结果见表2。两种前处理方式的加标回收率分别为105%和95%，加标回收率均比较满意，这两种前处理方法均可用于实验。但湿法消解的相对标准偏差显著低于干法灰化，这由于砷具有易挥发性，温度过高时，导致砷元素损失；或者高温使样品发生碳化，导致砷元素损失，考虑到实验的精密度，推荐使用湿法消解作为检测大米中总砷含量的前处理方法。

表2 不同前处理方法对质控大米加标回收率的影响(n=3)Table 2 Effect of different pretreatment methods on recovery rate of quality control rice (n=3)

结合实验成本和前处理所消耗的时间，对两种前处理方法进行比较，结果见表3。

表3 湿法消解和干法灰化条件所使用试剂的成本Table 3 Cost of reagents used in wet digestion and dry ashing conditions

上述结果表明，两种方法测定的质控大米总砷的检测值均符合标准值范围，且空白加标率也均符合要求，因此这2种方法均可用于大米的前处理。然而，从前处时间方面考虑，湿法消解的前处理耗时约90 min，而干法灰化的处理时间约为240 min(表3)，可见，湿法消解能够在一定程度上缩短大米的前处理时间。此外，从试剂成本方面，湿法消解的单个样品的试剂成本约为4.41元，干法灰化的试剂成本约为5.48元，湿法消解能够减少试剂消耗成本(试剂价格均查询来源于国药试剂官方网站)。在单批次处理量方面，本次湿法消解过程中使用的DB-XB型可调式电热板一批次可以处理50个左右的样品；干法灰化时，SX2-040型马弗炉可同时处理20个左右样品，其数量比湿法消解几乎少一半。综上，湿法消解处理在精密度、前处理时间和节约试剂成本方面具有一定的优势。

3 结 论

使用原子荧光光度法检测大米中总砷含量时，前处理方法对检测结果的准确性起到了关键作用。本研究参照GB 5009.11-2014《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》[11]，采用氢化物原子荧光法中湿法消解和干法消化的两种前处理方法。优化得到了原子荧光光度法检测大米中总砷含量的两种前处理条件。湿法消解：10 mL硝酸，1.25 mL硫酸，2 mL高氯酸于350 ℃电热板上对样品进行消解；干法消化：在550 ℃马弗炉温度下，灰化4 h，该两种方法的条件均符合测定要求。然而，湿法消解在精密度、前处理时间、试剂成本方面存在一定的优势。