电热蒸发-原子吸收法直接进样快速测定小龙虾尾肉中镉

贾鸿宇 兰冠宇 冯 礼 毛雪飞

（1. 中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所， 农业农村部农产品质量安全重点实验室，北京 100081； 2.吉林农业大学食品科学与工程学院， 长春 130118； 3.长沙开元弘盛科技有限公司，长沙 410000）

“小龙虾” 又称克氏原螯虾， 是我国常见的一种淡水养殖虾类[1]。 近年来， 我国南方各地小龙虾养殖业快速发展， 消费市场持续升温[2]， 已成为产值规模超过3 000 亿元的大产业。 但是， 随着我国工矿业的高速发展[3]， 自然淋溶[4]、 “三废” 排放[5～7]等因素所造成的南方地区水体[8]、 土壤[9]、 作物[10]中的重金属污染问题十分突出。 特别是镉元素 （Cd），近年来一直是重金属污染问题焦点[11]。 而且由于小龙虾自身的杂食特性， 其可能比其他淡水生物更容易富集重金属[12]。 因此， 需要建立快速、 可靠、 高效的检测方法对小龙虾中重金属镉进行监测， 以及时获得重金属污染情况， 从而保障食品安全。

目前， 可用于小龙虾中重金属镉检测的常规方法主要包括石墨炉原子吸收光谱法 （GF－AAS）[13]、电感耦合等离子体质谱法 （ICP－MS）[14]、 阳极溶出伏安法（ASV）[15]等。 但是， 上述方法必须要对样品进行酸消解处理[16]， 将固体样品转化为液体状态后才能进行定量分析， 这个过程耗时、 复杂， 并且容易造成痕量元素的损失从而影响检测的精密度[17]。X 射线荧光光谱法 （XRF） 虽然可以实现固体样品的检测[18]， 但是其检出能力难以满足痕量镉的检测需求， 并且新鲜虾肉或组织样品对于XRF 的基体干扰[19]， 会直接影响检测的准确度。 与上述方法相比， 电热蒸发 （ETV） 是一种简单、 高效、 通用性强的固体进样手段。 已有研究利用多孔碳电热蒸发原子荧光光谱法测定了贝类中镉[20]， 检出限达到3 pg， 但是该技术需要使用钨丝作为预富集装置， 实际的捕获效率不到30%， 不仅影响分析的灵敏度，而且长时间使用会造成钨丝损耗从而改变捕获特性， 影响检测的精密度。 因此， 如果可以不使用钨丝装置， 直接利用测镉仪常用的催化热解技术来实现基体干扰的消除[21]， 则可以简化仪器装置， 提高检测的稳定性。 本研究利用电热蒸发－原子吸收光谱技术， 建立了直接进样测定小龙虾尾肉中镉的方法。

一、 材料与方法

（一） 仪器、 试剂与试验材料AA2288 测镉仪 （长沙开元弘盛科技有限公司）； AA－6880 原子吸收分光光度计（日本岛津公司）； TOPEX+微波消解仪 （中国上海屹尧技术科技发展有限公司）； 万分之一分析天平 （瑞士梅特勒托利多集团）； Gusto 3/55 肉制品滚揉机 （北京希诺德科技有限公司）。

Cd 标准溶液 （国家标准物质研究中心）， 标准工作溶液用超纯水逐级稀释； GBW （E）100716 虾仁成分分析标准物质 （国家标准物质研究中心），Cd 的标定值为 （56±3） ng/g； HNO3（分析纯） 用于消解样品， Pd （NO3）2作为基体改进剂用于 GFAAS， KOH （优级纯） 用于氢气发生器促进电解，上述试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。

样品： 市购湖南益阳、 湖北潜江、 江苏泰州、浙江温州、 安徽合肥、 江西九江共6 个地区的速冻小龙虾尾。 小龙虾尾先流水解冻， 脱除尾壳， 取虾尾肉粉碎、 匀浆后备用。

（二） 试验方法

1. 工作原理及分析过程。 测镉仪主要包括进样系统、 催化热解系统、 检测系统以及供气系统和电路系统等 （见图1）。 其中， 供气系统由空气过滤器、 气泵、 氢气发生器 （采用隔膜碱液电解法的原理对碱液中的水分子进行电解， 以获得流速稳定的氢气）、 混气炉、 气液分离器以及蠕动泵构成， 主要负责为样品热解过程提供氧化性气氛 （空气） 以及为电热蒸发过程提供还原性气氛 （氮氢混合气），同时氮氢混合气火焰还在原子吸收检测时起到Cd原子化作用； 进样系统主要包括自动进样器、 加热石英管和样品舟 （镍舟）； 催化热解系统主要包括加热石英管和催化热解填料， 后者主要由氧化钙（CaO）、 氧化镁 （MgO） 和高岭土 （Kaolin） 等材料造粒后构成； 检测系统位于石英准直管末端， 包括原子化器、 原子吸收光路、 检测器 （光电倍增管）。

图1 电热蒸发－原子吸收测镉仪的基本结构

测镉仪的具体分析流程如下： 准确称量0.1 g或以下的小龙虾组织样品 （精确至0.1 mg） 于样品舟， 自动进样装置将样品舟送至加热区； 在通空气条件下50℃进行样品干燥和预灰化， 之后快速升温至866℃， 完成样品的灰化， 在此条件下会有一小部分镉提前蒸发， 但是会被催化填料所捕获[22]；当载气成分转换为氮氢混合气时， 高温下还原性气氛促进Cd 的蒸发和原子化， 样品中的Cd 会快速蒸发并随载气与催化热解填料中捕获的Cd 一并进入准直管； 在氮氢混合气火焰作用下， 所有的Cd均被原子化， 并被原子吸收检测器定量检测。

2. 仪器工作条件。 测镉仪的原子吸收检测器光源为镉元素空心阴极灯， 分析波长为228.8 nm，灯电流4.0 mA， 光电倍增管负高压320 V。 其他程序参数见表1。

表1 测镉仪工作条件参数

3. 验证方法。 为了对建立的方法的准确度进行验证， 本研究采用GB 5009.15－2014 《食品安全国家标准 食品中镉的测定》 中的微波消解－石墨炉原子吸收光谱法 （方法和仪器条件在标准基础上稍作调整）， 对小龙虾组织中Cd 进行测定， 比较两种方法的测定结果。

二、 结果与分析

（一） 样品干燥与热解条件优化

1. 电热蒸发器的升温性能。 本研究使用K 型热电偶对电热蒸发器的加热温度（随时间）进行了监测， 结果见图2。 可以看出， 随着时间的增加， 蒸发温度成线性升高， 直至110 s 时温度达到866℃， 逐渐趋于稳定。 根据前人研究[23]， 在725℃条件下标准溶液中的Cd 完全灰化， 因此本研究选用866℃， 不仅可以满足小龙虾尾肉样品的灰化， 还可以在还原性气氛中实现Cd 的有效蒸发， 详细结果见下文。

图2 实时温度曲线

2. 样品干燥和热解条件优化。 样品干燥的目的是去除样品中过多的水分， 以利于后续灰化和热解过程。 本研究采用GBW（E）100716 虾仁成分分析标准物质进行了测试， 当干燥时间达到30 s 后，目测样品已经完全脱水（开始部分灰化）， 因此选择407℃到434℃干燥30 s 来进行样品的干燥处理。

样品干燥后， 还需要进一步灰化和热解以消除有机物干扰[24]， 此时样品中大部分镉盐转化成镉的氧化物残留于镍舟内， 而少量蒸发点较低的镉化合物会随载气至催化热解系统被填料所捕获。 本研究采用GBW（E）100716 虾仁成分分析标准物质进行热解温度的测试， 结果见图3。 随着热解温度的不断升高， 蒸发出的镉元素量也不断提升， 直至800℃以后镉信号值逐渐进入平台趋势， 相对标准偏差（RSD）也稳定在6%～9%。 因此， 选择从438℃到866℃ （升温时间为80 s） 作为最佳热解条件。

图3 热解温度的优化

（二） 气体流速的优化

1. 空气流速优化。 样品热解阶段使用空气作为载气， 其中起主要作用的是空气中的氧气。 空气流速优化结果见图4。 由图4 所示， 当载气流速为250 mL/min 时， Cd 的响应值是最高的， 并且 RSD较小， 之后信号基本进入平台趋势； 当流速过低时， 载气的携带能力不足， 造成Cd 响应值较低。因此， 选择250 mL/min 作为样品热解阶段的最佳空气流速条件。

图4 空气流速优化

2. 样品检测混合气流速优化。 在空气作为载气条件下， 大部分Cd 依然残存在样品舟中， 此时需要将载气成分转换为还原性气氛才能促进Cd 蒸发。 本研究选择由空气和氢气燃烧后形成的氮氢混合气作为还原性气氛， 优化结果见图5。 在混气炉中， 随着空气流速的升高， 不同氢气流速对应的Cd 响应值不断降低， 这是由于过高比例的空气会消耗掉氢气， 从而降低了最终形成的氮氢混合气中氢气的比例， 影响了 Cd 蒸发。 因此， 图 5 中 Cd响应值最高且RSD 较小的处理组合是120 mL/min空气+240 mL/min 或 300 mL/min 氢气。 由于 240 mL/min 和300 mL/min 氢气对应的Cd 响应值之间没有显著性差异 （P>0.05）， 且240 mL/min 处理的RSD 为 8.6%， 故最终选择 120 mL/min 空气+240 mL/min 氢气作为最优条件。

图5 样品蒸发阶段混合气（空气与氢气）流速优化

（三） 基质干扰验证虾尾肉组织富含脂肪、蛋白质、 矿物质等成分， 对于直接进样原子吸收光谱检测来说存在较大的基体干扰。 为了验证本研究仪器的抗干扰能力， 选取湖南益阳地区的小龙虾尾肉样品和虾仁成分分析标准物质 ［GBW（E）100716］， 各称量 100 mg， 与相同 Cd 含量的标准溶液进行检测结果对比， 结果见图6 和图7。 如图6和图7 所示， 小龙虾尾肉样品与标准溶液的峰形基本一致，其中峰面积比分别为1∶0.996（样品）和1∶0.998 （标准物质）， 虾尾肉的复杂基质并没有对样品中Cd 的测定造成干扰， 表明电热蒸发－原子吸收光谱法 （ETV－AAS） 具有较好的抗干扰能力。

图6 湖南益阳地区虾尾肉样品与标准溶液的Cd 信号对比

图7 虾仁成分分析标准物质与标准溶液的Cd 信号对比

（四） 方法性能的评价

1. 方法的线性范围、 回收率、 精密度和灵敏度。 当进样量为100 mg 时， 本方法的线性范围在0.01～1 mg/kg， 线性回归系数（R2）在 0.999 以上。根据空白溶液11 次测定的标准偏差SD 和标准曲线斜率K计算检出限 （LOD＝3×SD/K）， 结果为0.001 4 mg/kg。 当进样量为 100 mg 时， 方法检出限（LOD）为 0.07 ng/g， 定量限 （LOQ）为 0.23 ng/g。对虾仁成分分析标准物质进行11 次重复试验， 得到 Cd 含量平均值为 54.3 ng/g， RSD 为 2.6%， 在标准物质的不确定度范围内， 表明本方法稳定性较好。 对标准物质进行加标回收率试验， 在100 ng/g的Cd 添加水平下， 进行6 次重复实验， 测得加标回收率为104%， 表明本方法具有良好的测定准确性。

2. 实际样品检测与验证。 对采购的湖南益阳、湖北潜江、 江西九江、 浙江温州、 安徽合肥、 江苏泰州等地的真实小龙虾样品进行处理后， 检测其中的Cd 含量， 并与确证性方法微波消解石墨炉原子吸收光谱法的测定结果进行对比， 结果见表2。 对两组数据进行t检验， 结果显示两种方法无显著性差异 （P>0.05）； 且折算的回收率在93%～106%，这说明本研究建立的方法具有良好的准确度。 同时， 本研究建立的方法的样品分析时间仅为3.5 min， 且不需要样品消解， 可以极大地提高样品分析效率。

表2 方法验证 （n＝6）

三、 结论

本研究利用电热蒸发－原子吸收光谱技术， 建立了测定小龙虾尾肉中Cd 的快速检测方法。 本方法LOD 为0.07 ng/g， 多次测定真实样品的RSD 在1.5%～6.4%， 元素回收率在93%～106%， 与标准方法测定结果无显著性差异， 表明方法具有良好的精密度和准确度。 本方法避免了复杂的样品消解过程， 并且只需要使用空气和电解水反应作为载气， 不需要使用危险的氢气压力装置； 同时， 本方法的样品分析时间小于4 min， 包括样品制备的时间也仅需8 min， 特别适合用于水产品可食部分中重金属镉的快速检测。