稻米中汞元素的样品前处理和检测关键因素研究

陈 曦， 周明慧， 伍燕湘， 张洁琼， 田 巍， 王松雪

(国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037)

汞是环境中毒性最强的重金属元素之一，具有持久性和生物累积性，其污染的严重性和复杂性在某些方面超过了持久性有机污染物[1]。在环境中的汞能够通过在大气、土壤和水体中一系列迁移转化过程，进入食物链从而危害人类健康[2]。水稻具有很强的汞富集能力，而我国作为世界稻作的起源地，有近三分之二的人口以稻米为主食[3]。国内外研究表明大米是人群汞暴露的途径之一，尤其对于大米摄食量大的东亚和东南亚的内陆居民，摄食汞污染的大米可以带来显著的健康风险[4 - 6]。因此，加强稻米中汞污染的检测和监测，发展更加准确快速的稻米中汞检测技术是行业一直关注的重点。

目前，食品中汞常用的前处理方法有压力罐消解法、微波消解法和回流消化法[7]；常用的检测方法有原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)和直接测汞仪法等传统检验法，以及酶联免疫法、生物传感器和化学显色法等快速检验法[8 - 10]。微波消解法作为经典的元素前处理方法，在易挥发元素的消解过程中能够很好的保持样品完整性，具有很高的回收率；在检测方法中，直接测汞仪法的称样量小，对操作水平要求较高；ICP-MS设备昂贵应用受限。AFS检测技术最成熟，在测定汞时具有检出限低和选择性高等优点。本文系统研究了影响微波消解前处理效率的关键因素及影响AFS检测准确性的主要因素。我国国家标准(GB5009.17-2014)《食品安全国家标准 食品中总汞及有机汞的测定》中规定了食品中总汞和甲基汞的检测方法，由于食品样品本身包含多种基体，该标准的适用范围过广，导致其针对某一特定基体样品规定的参考条件尚存在一定不足。基于此，本文以天然污染稻米样品作为检测对象，通过系统研究汞元素前处理和检测的关键影响因素，优化了稻米中痕量汞的前处理和检测参数，并进行方法学评价，以期为实现稻米中汞含量的精准检测提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

BAS-100A原子荧光光谱仪，配有汞空心阴极灯(北京宝德公司)；Topex微波消解仪(上海屹尧公司)；Milli-Q超纯水处理系统(美国，Millipore公司)；Pulverisette 14粉碎机(德国，Fritsch公司)。

HNO3(BV-Ⅲ级，德国Merck公司)；KBH4、KOH、K2CrO7(优级纯，上海安谱公司)。

1.2 实验材料

SRM1568b大米粉标准物质(美国NIST)；大米粉中汞含量检测质控样品(大连中食国实检测技术有限公司)；天然汞污染大米和糙米样品由国家粮食和物资储备局科学研究院实地扦取。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理稻米样品经粉碎机研磨至过60目(0.25 mm)样品筛，称取0.25 g均匀样品置于消解罐中，加入5 mL HNO3，冷却后取出，于110 ℃赶酸30 min，用超纯水定容至25 mL。同时做试剂空白。微波消解升温程序如表1所示。

表1 微波消解升温程序

1.3.2 AFS法工作条件负高压:270 V；汞空心阴极灯电流:40 mA；原子化器温度:200 ℃；载气流速:400 mL/min；屏蔽气流速:800 mL/min；载流:5%HNO3；还原剂:0.5%KBH4+0.5%KOH。

2 结果与讨论

2.1 前处理条件优化

2.1.1 消解温度消解温度是决定样品前处理完全程度的重要因素。国标(GB5009.17-2014)中规定粮食样品微波消解最高温度的参考条件为160 ℃。本研究选择大米粉中汞含量检测质控样品(QC442B)作为测试样品，汞标准值为0.0981±0.0066 mg/kg，设定微波消解最高温度分别为150、160、170、180、190和200 ℃，保持时间20 min，赶酸温度为100 ℃，赶酸时间为30 min，QC442B的检测结果如图1所示。由图1可以看出，消解温度为150～200 ℃，QC442B中汞的检测结果先增大后趋于平稳。消解温度低于170 ℃，样品消解不完全，影响汞元素的释放，导致检测结果偏低；随着消解温度的提高，消解液逐渐变得澄清透明，汞的检测结果符合其定值范围。考虑到长时间高温消解对于一般微波消解仪的使用和维护造成不利影响，故选择180 ℃作为稻米中汞元素的最佳消解温度。

图1 消解温度对Hg检测结果的影响(n=3)

2.1.2 赶酸温度汞属于挥发性元素，选择合适的赶酸温度能够有效减少前处理过程中汞含量的损失。国标(GB5009.17-2014)中建议“于80 ℃加热或超声脱气2～5 min，赶去棕色气体”。本研究经验证后发现，80 ℃加热20 min后依然无法赶尽消解罐内的红棕色气体。然后将赶酸温度分别升至90、100 ℃，发现100 ℃加热20 min后红棕色气体才明显减少。基于此，本研究设定赶酸温度分别为100、110、120、130和140 ℃，赶酸时间为30 min，QC442B的检测结果如图2所示。由图可知，赶酸温度为100～120 ℃，汞的检测结果接近定值中值；超过120 ℃检测值明显下降，说明汞发生逸出。综合考虑，选择110 ℃作为汞元素的赶酸温度。

图2 赶酸温度对Hg检测结果的影响(n=3)

2.1.3 赶酸时间在赶酸温度为110 ℃时，本研究考察赶酸时间分别为20、30、40、50和60 min的情况下，QC442B质控样品汞的检测结果。图3显示，赶酸时间为20 min时，汞的检测结果接近定值下限，原因可能为110 ℃下赶酸20 min后依然存在微量的NO2，NO2具有氧化性可能会影响后续AFS法检测中汞的还原反应；赶酸时间为20～40 min，汞的检测结果符合其定值范围；超过40 min，汞的检测值呈下降趋势，说明长时间的赶酸可能导致汞的逸出。综上，赶酸时间30 min为最佳。

图3 赶酸时间对Hg检测结果的影响(n=3)

2.2 检测方法优化

2.2.1 载流国标(GB5009.17-2014)中建议载流酸度为10%HNO3(体积分数)。参考该条件，本研究使用0.5%KBH4溶液作为还原剂，以0.5 μg/L汞标准溶液作为研究对象，分别考察了不同酸度载流溶液对汞元素测定的影响，结果见图4。由图4可知，HNO3酸度为5%～20%时，汞的荧光强度不随酸度的变化而变化，经检验不同载流酸度下汞的荧光值无显著性差异(P>0.05)。基于环保和方便配制原则，本研究选择5%HNO3作为载流溶液。

图4 HNO3浓度对Hg荧光强度的影响

2.2.2 还原剂国标(GB5009.17-2014)中建议还原剂为0.5%KBH4(以0.5%KOH溶液溶解)。本研究分别以0.2%、0.5%、0.8%、1.0%和2.0%KBH4溶液作为还原剂，载流为5%HNO3，以0.5 μg/L汞标准溶液为研究对象，测试不同还原剂浓度下汞荧光响应值的变化规律，结果如图5所示。随着KBH4浓度的增加，汞的荧光响应值先升后降。由于汞与其它金属元素不同，在KBH4的作用下不生成氢化物，仅需要被还原成原子态汞，因此过量的KBH4产生的氢气反而会稀释汞蒸气的浓度，影响检测灵敏度。从图5可以看出，0.2%KBH4条件下汞的荧光响应值明显低于其它浓度，0.5%KBH4作为还原剂的灵敏度已满足稻米中汞限量检测要求。故还原剂浓度确定为0.5%KBH4。

图5 KBH4浓度对Hg荧光强度的影响

2.2.3 负高压国标(GB5009.17-2014)中光电倍增管负高压参考条件为240 V，本研究所用AFS仪品牌工程师推荐使用的负高压为260～280 V。在优化过程中，我们分别设置负高压为240、250、260、270和280 V，以0.5 μg/L汞标准溶液为研究对象，测试负高压对汞荧光响应值的影响，结果见图6。结果表明，汞的荧光响应信号随着负高压的增加而上升，同理，载流空白(背景值)的荧光值也处于上升趋势。其中负高压为240 V时仪器灵敏度不满足稻米中汞元素检测要求。综合考虑灵敏度、载流背景值和稻米中汞限量指标，负高压参数设为270 V较适宜。

图6 负高压对Hg荧光强度的影响

2.2.4 样品溶液酸度对汞检测结果的影响国标(GB5009.17-2014)中规定使用10%HNO3配制系列标准溶液，但并未规定待测样品经前处理后，样品溶液酸度与标准溶液酸度需保持一致。为确认样品液酸度对汞元素测定结果的影响，本实验分别使用5%，10%，15%、20%和30%HNO3配制0.5 μg/L汞标准溶液，经计算10%、15%、20%和30%HNO3溶液配制汞标准溶液的荧光响应值分别是5%HNO3的1.20、1.25、1.27和1.30倍。经检验不同浓度HNO3配制汞标液的荧光值具有显著性差异(P<0.05)，证实溶液酸度对汞元素的测定结果有影响。故在日常检测时，标准溶液的酸度应与待测样品溶液的酸度保持一致。

2.3 方法学参数

2.3.1 线性方程和检出限本研究采用国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)对检出限的规定[11]:选取空白大米样品按本方法进行20次平行测定，按照空白值3倍标准偏差(Sb)除以标准曲线的斜率(k)作为检出限(LOD)，10倍Sb除以k作为定量限(LOQ)，同时在0.1～1 μg/L范围内对标准曲线的线性相关系数进行考察，结果见表2。

表2 本研究方法学参数

2.3.2 加标回收率和精密度本研究采用加标回收实验进行方法准确度研究，加标水平均设在50%稻米样品汞含量附近。表3显示，大米样品中汞的加标回收率为96.0%～102.5%，糙米样品中汞的加标回收为96.0%～101.3%，方法准确度符合检测要求。

表3 本方法加标回收率

采用本研究优化建立的微波消解-AFS法测定天然污染大米和糙米样品中的汞含量，分别进行6次独立平行实验，汞元素的相对标准偏差均小于3%，证实方法精密度良好。

3 结论

本研究采用微波消解作为样品的前处理方法，AFS法作为汞元素的检测手段，通过优化消解温度、赶酸温度和时间、载流和还原剂浓度、负高压、标准溶液和样品液酸度的匹配程度，建立了稻米样品中汞含量的精准检测方法。以天然污染稻米样品为检测对象，用加标回收实验进行方法准确度研究，加标回收率为96.0%～102.5%。本文从前处理和检测两个方面提高了天然污染稻米样品中痕量汞的检测效率和检测准确性，方法准确性和灵敏度满足国标(GB2762-2017)《食品中污染物限量》中规定糙米和大米中汞限量为0.02 mg/kg的检测要求，所优化方法对稻米样品的前处理和检测工作具有实际指导意义。