快速消解-标准加入法测定粮食中镉的含量
2021-10-14王晓伟任凌云朱大伟朱梅洁
王晓伟，刘 敏，任凌云，朱大伟，朱梅洁
（1. 淄博市粮食和物资储备保障中心，山东 淄博 255039；2. 山东省粮油检测中心，山东 济南 250101）
镉是一种毒性较强的重金属元素，能通过食物链进入人体并在体内富集，导致慢性中毒，损伤肝、肾等器官，引起“痛痛病”、慢性肾功能衰竭等疾病。根据GB 2762—2017[1]，我国镉的限量标准为：谷物（稻谷除外）、谷物碾磨加工品（糙米、大米除外）≤0.1 mg/kg，稻谷、糙米、大米≤0.2 mg/kg。近年来，山东等多地发布了储备粮质量安全管理、超标粮食收购处置等制度，对粮食污染风险监测、储备粮出入库食品安全指标检测提出了明确要求。如何快速、准确地对大批量样品进行检测，成为粮食质检机构新的挑战。针对镉的检测，GB 5009.15—2014[2]规定了镉的石墨炉原子吸收光谱测定方法，并提供了四种前处理方法，其中压力消解罐消解法、湿式消解法、干法灰化法都存在操作繁琐、耗时长、用酸量大等弊端，干法灰化法还存在回收率偏低的问题，微波消解法是目前实验室用得较多的前处理方法，其优点是消解完全、准确性高，但也存在步骤繁琐、耗时长、用酸量大、消解罐价格昂贵等问题，极大地降低了消解效率。因此，开发快速、准确的前处理方法和定量方法成为提高重金属检测效率的首选。近几年，有采用不完全消解、快速消解等方法进行粮食中镉测定的研究[3-6]，但存在以下有待完善之处：处理粮食品种单一，未对多种不同基质粮食样品进行消解研究；仅对标准物质样品进行试验，未对真实阳性样品进行研究；采用外标法定量分析，因标准溶液与样品溶液基体不匹配造成结果偏差；未进行样品量与酸量的比例优化；未与标准方法进行有效的结果比对等。针对上述问题，本文建立了基于GFAAS 的快速消解-标准加入法测定粮食中镉的方法，在现有研究的基础上，丰富了粮食基质类型，以我国三大粮食品种小麦、稻谷、玉米及主食大米作为研究对象，优化了快速消解前处理条件和步骤，确定了样品与硝酸最佳比例，探索了标准加入法在不同粮食基质下检测的准确性，并与GB 5009.15—2014 中微波消解法进行了全面比较，为粮食中镉的测定提供了可选的快速处理、准确定量方法。
1 材料与方法
1.1 实验材料
AA600 原子吸收光谱仪，配备横向加热石墨炉：美国珀金埃尔默公司；ETHOS UP 微波消解仪：意大利迈尔斯通公司；GSN-48 石墨赶酸器：基创仪器；GL124-1SCN 电子分析天平：赛多利斯公司；ADW-2002-M 超纯水系统：重庆颐洋；JXFM110 锤式旋风磨：上海嘉定粮油；50 mLPP刻度离心管：广州洁特。
GBW（E）080119 镉单元素溶液标准物质（100 µg/mL），使用前用1%硝酸进行逐级稀释，得到2 µg/L 上机标准溶液母液：中国计量科学院；硝酸（UP 级）：苏州晶瑞；硝酸钯（10 000 mg/L），使用时稀释10 倍：美国珀金埃尔默公司。
GBW（E）100377 糙米粉标准物质、GBW（E）100380 玉米粉标准物质、GBW（E）100379 全麦粉标准物质：国家粮食和物资储备局科学研究院；GBW（E）100348a 大米粉标准物质：钢研纳克检测技术股份有限公司。
稻谷样品273#、玉米样品212#，小麦样品183#、大米样品166#、178#：本课题组采集。将稻谷脱壳后制成糙米273#，以上样品分别用锤式旋风磨制备成糙米粉、玉米粉、全麦粉、大米粉。
1.2 实验方法
1.2.1 快速消解前处理方法
称取0.3 g（精确到0.1 mg）样品，置于50 mL刻度离心管中，准确加入2.0 mL 硝酸，盖子旋转至适中松紧度（利于烟气散发，防止管内压力过大，同时避免硝酸快速蒸发而损失），将离心管置于石墨赶酸器中，120 ℃，消解15 min，取下并开盖放置10 min，待黄烟散尽并冷却后，用纯水定容至25 mL（可根据样品含量调整定容体积）。
1.2.2 标准曲线制作
采用标准加入法制作标准曲线。按照样品基质不同，分为糙米组、玉米组、小麦组、大米组，分组进行标准曲线制作。按照不同的组别，将所处理的单一粮种样品各吸取1 mL 进行混合，作为加标基质，记为Mix，标准空白为试剂空白，标准点进样程序见表1。样品进样程序：吸取16 µL样品、16 µL 稀释液（纯水）及5 µL 基体改进剂硝酸钯，总进样体积为37 µL。
表1 标准点进样程序Table 1 Sample injection program of calibration point µL
1.2.3 微波消解前处理方法
称取0.3 g（精确到0.1 mg）样品，置于消解罐中，准确加入8.0 mL 硝酸（国家标准方法为加入5 mL 硝酸和2 mL 过氧化氢，本研究根据微波消解仪使用方法推荐加入8 mL 硝酸，经前期比对，消解效果无显著差异），旋紧盖子，置于微波消解仪中，按照仪器运行程序消解52 min，通风降温30 min，温度降至50 ℃以下时，开罐，置于石墨赶酸器上，于160 ℃赶酸，约120 min 至近干，冷却后转移至10 mL 容量瓶中，用纯水定容。微波消解程序见表2。
表2 微波消解程序Table 2 Program of microwave digestion
1.2.4 仪器工作条件
石墨炉原子吸收光谱仪：测定波长228.8 nm，灯类型：HCL，灯电流4.0 mA，狭缝0.7 nm，纵向交流塞曼背景校正，升温程序见表3。
表3 石墨炉升温程序Table 3 Temperature-rising program of graphite furnace
1.3 数据分析
数据处理按照GB/T 4889—2008《数据的统计和解释正态分布均值和方差的估计与检验》[7]，其中，方差一致性检验即F检验按照“两总体方差或标准差比较的检验”规定的方法进行，两总体均值的比较检验即差异显著性检验按照附录B使用P值进行假设检验。
2 结果与分析
2.1 方法条件的确定
2.1.1 硝酸浓度、用量及样品粒径选择
有研究显示采用稀酸作为提取液收到了良好效果[8-9]，本研究为了确保消解效率，尽最大可能消解带种皮粮食样品中的复杂有机物，采用了68%硝酸作为消解液。采用了2 mL 硝酸加入量，在消解结束后，酸剩余量约为1～1.5 mL，定容到25 mL后，样品溶液酸度小于5%。在样品粒径选择上，试验了锤式旋风磨的粉碎效果，得到的粉样基本通过40 目筛（粒径约0.5 mm），试验结果显示，粒径为0.5 mm 粮食样品可以获得理想的消解效果。
2.1.2 样品与硝酸比例优化
考察了样品量与酸量最佳比例，以玉米粉标准物质（标准值为0.045 mg/kg）为消解样品，考察在0.3、0.4、0.5、0.6、1.0 g 称样量时的回收率，每组消解样品7 份，每份重复测定3 次，结果见图1。当固定酸量为2.0 mL 时，随着称样量增加，镉回收率逐渐降低。称样量为0.3～0.5 g 时，回收率>90%，符合该浓度水平回收率要求。当α= 0.05时，对5 组回收率进行F检验，并利用P值进行差异显著性检验。5 组回收率的精密度一致，称样量为0.3、0.4 g 时，两组回收率均值无显著性差异（F=1.02，F0.95(6,6)=4.28，F 图1 不同样品量镉的回收率（n=7）Fig.1 Recoveries of cadmium of different sample amounts (n=7) 2.1.3 消解温度、时间的确定 消解温度采用硝酸沸点120 ℃，比低温消解用时更少，消解效果更好。通过比较不同加热时间的消解效果发现，消解10 min 时溶液中有明显颗粒物，消解15 min 时，颗粒物基本消失且溶液呈透明状，20、25 min 后，无明显变化，因此确定消解时间为15 min。定容后大米粉样品呈近乎无色的均一溶液，糙米粉、玉米粉、全麦粉为淡黄色液体，有细小悬浮颗粒。 2.1.4 悬浮颗粒对测定结果的影响 消解了14 份全麦粉样品进行比对，其中7 份离心（6 000 r/min，10 min）后取上清液测定，7份直接上机测定，每份重复测定3 次，当α=0.05时，结果显示两组方差相等（F=3.13，F0.95(6,6)=4.28，F 2.2.1 标准加入法的设置 为减少背景值对检测结果的影响，使标准溶液与样品溶液基体相匹配，本研究采用1.2.2 作为定量方法，将加标基质Mix 中待测元素含量记为CX，吸光度值记为AX，以加入待测元素镉的标准浓度（C1、C2、C3、C4）为横坐标，以相应吸光度分别减去样品Mix 吸光度的值为纵坐标（A1-AX，A2-AX，A3-AX，A4-AX），制作标准曲线。根据试验结果，镉浓度在0～5 µg/L 时线性良好，设0、0.5、1.0、1.5、2.0 µg/L 作为标准加入法的标准点。 2.2.2 不同基质的标准曲线相关系数r 考虑到不同样品消解后的基质存在差异，测定曲长228.8 nm 下，对不同的样品分别绘制标准曲线（以糙米为例，见图2），来验证不同基质下标准曲线的线性，并在不同时间进行了10 次试验以考察线性的稳定性。根据结果（图3），4 种基质的标准曲线相关系数均达到了0.995（0.998 占比最大），符合相关系数要求，表明标准加入法线性关系良好，且在4 种基质中都有良好的适应性和稳定性。 图2 糙米标准加入法标准曲线Fig.2 Standard addition calibration curve of brown rice 图3 相关系数占比Fig.3 Proportion of correlation coefficients 2.3.1 有证标准物质（CRM）检测 使用3 种不同基质、不同含量的粮食CRM 进行检测试验，结果显示（表4），测定值与标准值的相对误差均在±10%范围内，符合GB/T32465—2015[10]规定的要求，且在标准值赋值范围内，表明该方法在准确度上有保证。上述结果也证明，在该方法下，2.1.4 所述消解液中的悬浮颗粒对镉元素提取及测定未产生明显影响。 表4 快速消解-标准加入法检测CRM 结果（n=7）Table 4 Detection results of CRM using rapid digestion-standard addition (n=7) 2.3.2 加标回收 选择本底值较低的大米166#作为加标基质，进行低、中、高3 个梯度镉加标，各处理3 份平行样，每份样品上机重复测定3 次。结果见表5，3 个浓度水平的加标回收率为99.1%～103.4%，平均回收率为101.7%，符合GB/T 27404—2008[11]规定的回收率范围，表明该方法在低、中、高浓度镉检测上能保证相应的准确度。 表5 镉加标回收结果（n=3）Table 5 Standard recoveries of cadmium (n=3) 2.3.3 方法精密度 根据GB/T32465—2015[10]进行方法精密度研究。样品基质类型n= 4，每种基质检测m= 7 个子样，每个子样独立重复测定r= 3 次，共进行了d= 8 天试验，自由度为（n–1）m=21，优于精密度独立重复检测次数最低要求。根据表6，RSD 为1.6%～2.7%；结合表4，3 种CRM 的RSD 为1.2%～2.4%，标准物质样品与实际样品的RSD 值均小于3%，远低于11%的精密度期望值。上述结果表明，该方法对不同基质的粮食以及是否具有种皮的同种粮食，都显示出良好的精密度和方法重复性。 表6 精密度结果（n=7）Table 6 Results of precision test (n=7) 采用空白标准偏差的倍数法进行方法检出限评估。按照1.2.1 方法获得空白溶液，独立测定11次，得到标准偏差S为0.011 7 µg/L，按照仪器检出限为3S，计算得到仪器检出限IDL 为0.035 1 µg/L，带入方法公式计算方法检出限MDL 为0.003 mg/kg。按照定量限为10S，计算方法定量限为0.01 mg/kg。本方法具有较低的试剂空白：≤0.05 µg/L（定容体积25 mL 时）。 2.5.1 GB 5009.15—2014 检测结果 按照1.2.3 处理CRM 及实际样品，用外标法定量，原子吸收光谱仪检测，结果见表7～8。 表7 CRM 检测结果（n=7）Table 7 Detection results of CRM (n=7) 表8 实际样品检测结果（n=7）Table 8 Detection results of real samples (n=7) 2.5.2 方法结果比对 根据表4～8 测定结果，对两种方法镉含量均值两两比对，进行F检验及差异显著性检验（结果见表9）。当α= 0.05 时，F0.95(6、6)=4.28，F 表9 两种方法结果显著性检验（n=7）Table 9 Results of significance test between the two methods (n=7) 2.5.3 方法比较 根据两种样品前处理方法的试验研究结果，从十个方面进行比较（表10），本文方法（快速消解–标准加入法）与国标方法（微波消解–外标法）在准确性、精密度等方面无显著性差异，比国标方法节约时间88%，节省硝酸75%，所用仪器设备更少、价格更低。 表10 两种方法比较结果Table 10 Results of the comparison between the two methods 本文建立了快速消解–标准加入法测定粮食中镉的方法，并与国家标准方法微波消解–外标法进行了全面比较。试验证实，采用68%硝酸作为消解液，优化样品与硝酸比例为0.3～0.4 g：2.0 mL，120 ℃消解15 min；按照样品基质不同分组，采用标准加入法进行标准曲线制作，标准曲线线性关系良好，且在4 种粮食基质中都显示出良好的适应性和稳定性。从方法性能指标看，该方法准确性高、精密度好、检出限低，与国家标准方法测定结果具有一致性，是一种准确的镉痕量测定方法；从效率和经济性方面看，该方法用时少、操作简便，前处理效率高，用酸量少、所需前处理仪器设备价格低，更加经济环保。该方法既保证了国家标准方法的准确度，又具有快速测定方法的高效率，是一种适用于大批量样品检测的高通量方法，在粮食质量日常监管、粮食清仓查库、食品安全应急快速检测中具有良好的应用前景。
2.2 方法线性
2.3 方法准确度研究
2.4 方法检出限、方法空白
2.5 与GB 5009.15—2014 微波消解-外标法比较
3 结论
