大米中重金属镉检测技术的研究进展

张凯淇，于 泽，陈怡霏，刘 柯，张春晓，孔钦冰

（河北农业大学理工学院，河北沧州 061100）

镉（cadmium）是一种通过工业生产和农业实践广泛传播的银白色有毒金属污染物，主要应用于电池和颜料的生产中，具有不可降解性和积聚性，是环境中毒性最强的重金属之一。金属铬普遍存在于环境中，会通过水源、土壤、空气流动等进入生态系统内循环，其中土壤中的镉可被水稻根系吸收到体内，严重影响水稻的正常生长，并通过食物链对人体健康造成危害。大米是膳食重金属摄入的主要来源，人们食用被镉污染的大米，会出现软骨病、骨质疏松、高血压、肺气肿等病症，还有致畸和致癌作用[1]。近年来，对大米中重金属镉的检测已经取得巨大进展。常规的检测方法操作繁琐、耗时耗力且灵敏度低，难以满足要求，总结了各种常规方法的局限性，同时结合市场上的实际需求，对大米中重金属的快速检测技术进行概述，为快速、准确检测大米中的镉提供依据。

1 大米中重金属镉检测的常规方法

大米作为我国主要的粮食作物，种植面积广阔，其重金属含量是一项重要的安全指标。随着金属镉污染的加剧，进行大米中重金属镉的检测满足当前社会需要，有利于加强市场监督，为人们的身体健康保驾护航。目前，大米中重金属镉检测的常规方法有石墨炉原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、原子荧光光谱法等。

1.1 石墨炉原子吸收光谱法

石墨炉原子吸收光谱法（Graphite furnace atomic absorption spectrometry，GFAAS），是用电流加热原子化进行原子吸收分析的方法。该法要用到原子化器，根据需要将石墨材料制成管、杯等形状，使用过程中样品经原子化器全部进行原子化吸收分析，并且避免了原子浓度在火焰气体中的稀释，因此该法分析灵敏度得到了显著的提高。现行有效的国家标准《食品安全国家标准 食品中镉的测定》（GB 5009.15—2014）便采用的石墨炉原子吸收光谱法，这种方法是将大米灰化或者酸消解后注入一定量样品液于原子吸收分光光度计石墨炉中，采用标准曲线法定量，检出限为0.001 mg/kg，定量限为0.003 mg/kg。该方法属于国家标准方法，在性能上优于其他众多方法，用于测定痕量金属元素。测定结果准确度、灵敏度高，精密度好，检出限低，应用领域广泛，并且可用于少量样品的直接分析。但在称样、消化、定容、进样上机测定等的过程中容易引起操作误差，且由于操作步骤复杂存在重复性差、检测费用高，只能应用于单元素检测等缺点[2-4]。彭斓兰等人[5]对石墨炉原子吸收光谱法的预处理条件进行了优化，采用超声和酸法联合提取，研究结果表明在三氟乙酸浓度为26 mol/L，大米与三氟乙酸的比例为1∶20，木粉度为100目筛，双频超声频率为25/40 kHz时，检出限为0.7 μg/L，大大提高了检出限，且结果准确可靠。

1.2 电感耦合等离子体质谱法

电感耦合等离子体质谱法[6-7]（Inductively coupled plasma/mass spectrometry，ICP/MS），是一种用来测量食品中元素含量的理想方法，它是以独特的接口技术将电感耦合等离子体的高温电离特性与质谱计的灵敏快速扫描的优点相结合而形成的一种高灵敏度的光谱分析技术，它的本质是分析样品中的质荷比来确定样品中重金属离子的含量。该方法用于痕量分析，由于光谱干扰少、线性范围广，它最大的优点是可以同时检测多种元素及其同位素，凌东辉等人[8]通过微波消除技术对大米进 行前处理，然后采用电感耦合等离子体质谱法实现了对大米中铅、镉、铬等13种元素的同时测定，各元素的加标回收率达到了85.7%，相对标准偏差为0.88%，这种方法灵敏度高，检出限低，精确度高，分析时间短，抗干扰能力强，但该法也存在应用范围较小，操作费用较高，并要求操作者要有一定的操作经验等缺点。

1.3 原子荧光光谱法

原子荧光光谱法[9]（Aomic fluorescence spectrometry，AFS）的基本原理是特定的基态吸收特定频率的辐射，其中部分受激发态原子在激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的荧光，检测器测定原子发出的荧光而实现对元素的测定。原子荧光光谱法是目前测定镉元素含量最为优良的方法，它的线性范围、测定时间、灵敏度优于石墨炉原子吸收光谱法等，但其测定结果会受到多种因素的交互影响。在原子荧光光谱法检测技术的基础上，李金桥等[10]以2%HCl作为酸的介质，再分别加入质量分数为0.5%的硫脲和3.0 mL的钴离子作为荧光增敏剂，与质量分数为0.5%的氢氧化剂和质量分数为3%的硼氢化钾还原剂反应，得到了最佳镉含量的荧光强度。

1.4 液相色谱法

液相色谱法是利用色谱柱将重金属离子与有机试剂发生反应形成的络合物分离成单个成分，再通过检测器对其进行检测，从而实现对重金属的一种定量分析方法。李明等[11]在测定食品中的重金属镉元素时，则采用的此方法。食品样品经微波消化后用四-（邻氯苯基）-卟啉（T2CPP）柱将其消化液中的镉进行前衍生，然后富集镉的络合物，以甲醇-四氢呋喃（92/8）为流动相，与其络合物进行快速分离，最后用二极管矩阵检测器进行检测。该方法具有较高的选择性与灵敏度，具有一定的专一性，适用于重金属离子含量低的样品检测。用此方法也可同时对多种重金属元素进行检测。

原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法等这些常规检测技术及其优化后的技术，准确度高、精密度好，但存在样品前处理操作复杂、仪器操作受时间地点限制、成本较高、耗时较长、效率较低等缺点，因此不利于相关部门对大米中的重金属镉进行实时实地检测。

2 大米中重金属镉的快速检测

我国相关法律规定大米中镉含量不得超过2.0 mg/kg，而市场上销售的大米重金属镉超标率则高达10.5%[12]，因此，政府有关部门必须加大监督力度来保证市场正常的秩序[13]。新兴的检测方法由于可以现场、准确、快速地获取检测结果而更有利于对市场进行有效监督。目前应用于大米中重金属镉检测的方法主要有酶联免疫吸附快速检测法、试纸比色检测法、电化学分析法。

2.1 酶联免疫吸附快速检测法

酶联免疫吸附快速检测法[14]是通过酶联免疫分析（Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA），设计合成重金属镉的半抗原，结合载体蛋白合成人工抗原，然后通过免疫动物（一般通过小鼠）获得相关特异性抗体，制得相应检测卡，利用抗原抗体特异性结合的原理进行检测。该方法快速、简便、灵敏、价廉，将时间大幅缩短，检测限方面也有一定的优势，可以肉眼观察结果。但酶联免疫吸附快速检测法对各项实验条件的选择较为严格。刘艳梅等人[15]用纳米TiO2对微波消解的大米样品中的镉富集，对富集过程进行优化发现在pH为9时，纳米TiO2对镉的吸附性最好，再用直接竞争ELISA检测大米中重金属镉的含量，灵敏度可达19 ng/mL，检测限为2.1 ng/mL。检测结果与仪器法一致，适用于市售大米中重金属镉的快速检测。

2.2 比色法

2.2.1 试纸比色检测法

试纸比色检测法（Colorimetric test paper，CTP）[16]是一种直接将显色剂涂抹于试纸表层，与试液接触，可以通过试纸颜色变化直接判断结果的方法。用试纸比色法检测大米中的重金属镉解决了常规检测方法因借助于大型仪器而不能进行现场检测的弊端。目前大多数镉离子的试纸制作和检测过程较为复杂，韩晓红等人[17]将镉显色剂和介孔二氧化硅制成复合荧光材料，对镉离子的检出限可达到0.1 μg/mL。该方法所用试纸特异性较强，受其他因素干扰小、稳定性好且成本较低。

2.2.2 大米中重金属镉快速检测仪检测法

快速检测仪检测法原理也基于比色法，被检测的重金属元素与显色剂在一定条件下会发生特异性反应，生成不同颜色深度的产物，这些产物会对不同波长的可见光进行选择性的吸收，将其结果与样品中的指标进行比对。大米中重金属镉快速检测仪是由光源、比色池、高灵敏度集成光电池、微处理器、集成芯片等部分构成，可在其大屏幕上直接显示出被检测样品镉的相关指标，并且可将结果进行打印，智能操作系统使其更加高效和人性化。使用该方法检测操作简单，且方便快速，检测成本也低，方便检测人员使用，适用于大米的批量检测。

2.3 电化学分析法

电化学分析法（Electrochemical analysis）[18]是根据物质的电化学性质对其组成和含量进行测定的一种常见的快速检测技术，是仪器分析的重要组成部分之一。它的本质是将样品溶解于特定溶液中，之后将样品的物质组成和溶液浓度建立联系。该方法的优点是检测装置小、检测时间短、重现性好、成本较低、分析范围广等。SIRIANGKHAWUT等人[19]对泰国样品大米进行检测时，利用超生辅助消化程序对大米进行前处理，然后利用电化学分析法测得镉的检出限为0.11 mg/L，相对标准偏差为3.5%。其中吸附溶出伏安法是一种灵敏度较高的电化学分析法。

2.4 能量色散X射线荧光光谱法

能量色散X射线荧光光谱法（Energy dispersive X-ray fluorescence spectrum）是利用不同元素辐射X射线荧光光子能量的不同来进行元素的鉴定。利用该方法检测大米中镉含量的关键首先是对前处理条件包括大米粒径、检测时间、压片压力、含水量和大米厚度这5个指标的优化，可以使探测器更好地接收元素能量进而用脉冲高度分析器区别。温丹华[20]对指标的优化结果是140目的粒径、180 s的检测时间、40 MPa的压片压力下压制30 s、5%含水量以及5 g的大米质量，用这种方法可以定性半定量地检测大米中镉的含量。该方法可以做到无损检测，分析速度较快，含量分析范围宽且对环境要求低，但它的检出下限高于GFAAS、ICP-MAS，且准确度不够，因此该方法一般用于初筛和现场快检。

随着快速检测技术的发展，精密度也已经得到极大的提高。罗凤莲等人[2]将原子吸收光谱法和重金属快速检测法测定大米中镉含量两种方法进行了比较，结果显示二者的相对误差分别是3.55%、3.28%，相对标准偏差分别是10.71%和0.48%。所以快速检测法可以更多地应用在粮食重金属检测方面，具有良好的应用前景。

2.5 特异性蛋白生物传感器法

重金属离子与电极上特异性蛋白结合后使得蛋白构象发生了改变，通过灵敏的电容信号传感器即可测定重金属的含量。将纯化后的蛋白固定在含有硫醇的电极表面作为一个工作电极，然后将重金属离子与其蛋白结合，结合后通过流动的分析系统，这样即可对重金属离子进行检测。该方法灵敏度高、操作迅速简便但容易受到环境的影响。

2.6 原子发射光谱法

原子发射光谱是利用电磁场和电流等形成的一种检测方法。该方法需要用射频发生器将其提供的能量加到感应耦合线圈上，然后将等离子炬管放在该线圈的中心，就会在管内产生电磁场，用电火花将其进行引燃，使其管内的氩气电离，从而产生电子和离子进行导电，导电后的气体在电磁场的作用下，会形成与耦合线圈同心的涡流区，在强大的电流产生高热的条件下，会形成等离子体，样品通过氩气进入雾化系统进行雾化，会以气溶胶的形式进入等离子体的轴向通道，最后在高温及惰性气体的条件下进行蒸发等一系列过程，最终发射出所含元素的特征谱线，然后根据是否存在特征谱线，即可鉴别出样品中是否含有镉等重金属元素，同时也可以测出该元素的含量。该法选择性强，灵敏度、精密度高，对常见的非金属元素的检测灵敏度低，但本实验的测定目标是大米中的镉，因此不受限制。然而该方法需要大型仪器操作，处理过程复杂，耗时较长，导致分析工作只能在室内进行，难以满足现场检测和在线检测的需要[21]。

3 结语

大米作为全世界人们的主要粮食，保障大米的安全性是我国必须重视的问题。近年来，由于重金属对粮食的污染，尤其是“镉大米”对我国人们的身体健康影响和农业经济增长都带来了巨大的挑战，其危害受到的关注度越来越高。

大米中镉含量的检测多种多样，此文对石墨炉原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法等常规的镉含量检测技术和酶联免疫吸附快速检测法、试纸检测法等快速检测技术进行了概述，了解到各个方法的优劣点：常规方法中，石墨炉原子吸收光谱法具有良好的选择性和结果准确可靠，但在线检测方法的基体干扰较为严重，尤其不适合同时检测多种金属元素；电感耦合等离子质谱法、原子荧光光谱法、液相色谱法准确度强，线性范围广，但仪器易受污染，价格昂贵；快速检测方法中，比色法和电化学分析法检测速度快且成本较低，但前期操作较为复杂；酶联免疫吸附快速检测法、原子发射光谱法和特异性蛋白生物传感器法灵敏度较高，但对条件要求较为严格且易受环境的影响；能量色散X射线荧光光谱法可以做到无损检测但准确度较低。为提高粮食中重金属检测技术的准确性、时效性、重复性，为镉含量超标地区基层单位和人们选食安全的大米提供技术保障，更有利于建立食品安全长效保护机制，保障食品安全。

随着科技的快速发展，食品中铬金属检测技术及设备日益改进完善，根据检测条件等综合考虑，可以选择不同的检测技术，虽然当下种种方法都存在一定的局限性，但未来的研究会向着3个方向发展。①操作简单，设备便携，重现性好，耗时短且效率高。②成本低，应用范围广，对环境要求低具有较高的时效性。③灵敏度、准确度、精确度进一步提高，并使之适用于现场多种重金属同时快速无损检测。