石墨炉原子吸收光谱法检测凉粉中镉元素含量

刘常凯，昝川南

（广西-东盟食品检验检测中心，南宁 530021）

凉粉是一种小吃，主要原材料为凉粉草，深受老百姓青睐。随着生活水平的提高，人们对食品安全问题也越来越重视。食品污染物［1］是食品中生成或由环境污染带入的、非有意加入的化学性危害物质。凉粉草在生长过程中会吸收土壤中的镉元素导致凉粉易被镉污染，对人体造成危害。2014 年中国土壤污染状况调查公报表明，镉已成为点位超标率较高的污染物，镉污染和镉中毒已成为重要的公共卫生安全问题［2］。镉的共生性和含镉化合物溶解困难，易富集于生物体内，人体中的镉浓度过大，会出现慢性中毒，患“痛痛病”，轻者牙齿黄斑、骨质软化、全身疼痛，严重者会出现嗅觉丧失或自然骨折。研究证明，这些症状是因为镉在体内蓄量过大引发了肝、肾慢性中毒和钙吸收困难［3］。由于镉在凉粉中与有机物结合成稳定难溶的化合物，不能直接测定，需要对凉粉进行前期处理，破坏其有机结合体，释放出待测组分［4］，通常采用的前期处理方法有湿法消解［5］、干法灰化、高压消解和微波消解。微波消解法运用微波密闭加热原理［6］，在实际应用中，微波消解技术能够实现对样品快速有效消解，并且保证消解的彻底性［7］。微波消解法的消解过程密闭，使用酸单一且用量少，具有环境污染小、元素挥发损失小、回收率高、准确度高、检出限低等优点［8，9］。

检测方法常见的有火焰原子吸收光谱法、石墨炉原子吸收光谱法及双硫腙分光光度法、ICP-MS 法等。原子吸收光谱法在重金属检测中的应用广泛，其具有灵敏、高效、准确等优点［10］。在采用石墨炉原子吸收光谱法对凉粉中镉进行测定时，石墨管的选择及仪器参数优化相当重要，选择不合适的石墨管会导致检测结果不准确。原子吸收光谱仪工作程序分为4 个阶段，干燥、灰化、原子化和清洁，其中灰化阶段及原子化阶段对结果影响较大［11］。本研究通过优化仪器条件、取样量、石墨管及基体改进剂，加标回收试验等进行考察，找出较优仪器参数条件，按优化的试验条件进行试验，获得凉粉中重金属镉元素的含量，检测结果准确。该方法为凉粉中重金属镉含量的风险监测提供一定数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

900T 型原子吸收分光光度计，PE 公司；Milli-Q超纯水系统（电导率大于等于18.2 MΩ/cm）、硝酸（色谱级），默克化工技术（上海）有限公司广州分公司。镉单元素溶液标准物质（Cd）GBW08612 浓度为1 000 μg/mL，中国计量科学研究院。样品购于南宁市、梧州市、北海市3 个城市的各大超市、便利店及农贸市场，共计108 批凉粉样品。

1.2 仪器工作条件

镉元素波长为228.8 nm，狭缝宽为0.7 nm，灯电流为4 mA，载气为高纯度（99.999%）的氩气，气流量为250 mL/min，AA-BG 扣背景，进样体积为25 μL，基体改进剂为50%硝酸钯，进样量为5 μL，测量条件为峰面积，以标准线性进行定量，对仪器条件进行优化，获得凉粉中镉元素检测的最优石墨炉升温程序，结果见表1。

表1 石墨炉升温程序优化结果

1.3 镉单元素标准线性的制备

精密量取镉单元素标准溶液（1 000 μg/mL）0.05 mL 置于50 mL 量瓶中，加硝酸溶液定容至刻度，得到镉单元素标准工作液，浓度为1 μg/mL，再精密量取镉标准工作液（1 μg/mL）0.25 mL 置于50 mL量瓶中，加硝酸溶液定容至刻度，得到镉元素标准使用液，浓度为5 ng/mL，上机，由仪器自动逐级稀释镉标准溶液，镉标准线性质量浓度为0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 μg/L。

1.4 样品前处理

称取凉粉干样品约0.2 g 置于微波消解罐中，加5 mL 硝酸，先在电热消解仪上进行预消解1 h 后在微波消解仪上按程序进行消解［12，13］，消解程序见表2。消解结束后打开盖子，转移到电热消解仪上赶酸至近2 mL 后冷却至室温，用超纯水冲洗转移至50 mL 量瓶中，用超纯水定容至刻度，待测。

表2 微波消解仪消解程序

2 结果与分析

2.1 仪器条件的优化

2.1.1 背景扣除方式的选择 当原子化温度不足以将基体中的所有分子分解时就可能产生分子吸收，分子吸收所产生的信号加上原子所产生的信号，就可能产生较高的虚假信号，在火焰法中，背景信号通常在0.05 吸光度以下，但对某些类型的样品（特别是在低紫外波段），背景干扰可能较高，石墨炉分析中，背景信号则可能达2.0 吸光度以上，背景校正就十分重要。本研究所用的PE 原子吸收分光光度计900T，背景扣除方式有氘灯扣背景和塞曼扣背景2种，通常氘灯扣背景是采用连续光源，在氘灯工作周期，氘灯宽谱线所测得的是背景信号（此时元素灯所产生的窄谱线原子吸收可忽略不计），2 次测量的差值，即为所需的原子吸收信号。氘灯扣背景方法灵敏度好、动态线性范围好、费用低，但灯的强度有时会不合适，空心阴极灯和氘灯的强度匹配需要精心调整，扣除由窄谱线分子吸收而造成的背景校正误差大；而塞曼扣背景最主要的优点是背景的扣除准确地在被分析元素的共振谱线处进行，且只需1 个光源，波长覆盖整个波段范围，可准确扣除结构背景，扣除某些谱线干扰，背景校正速度快，因此选择塞曼扣背景方式对背景进行校正。

2.1.2 石墨管及基体改进剂的选择 各种石墨管改进技术陆续应用于实际工作，热解石墨管、钨钽热解石墨管、衬钽热解石墨管、难熔碳化物石墨管、玻璃状碳管等已有文献报道，在食品检验中最常用的是热解石墨管。热解石墨管在石墨炉分析中一直占据着重要地位，石墨管还分有带端盖石墨管和不带端盖石墨管，分析挥发性元素，如镉，铬等，选择带端盖的石墨管可提高挥发性元素的检出限，进样孔增大，可更快地灰化复杂基质，但石墨管经过多次加热后，进样孔会形成积碳并结块，从而导致孔道变小，加入的样品进入不了管壁内的平台，而且由于加热次数过多，石墨管壁会越烧越薄，管道平台增大，导致样品吸收值过低，进而使检测结果偏低。为了保证检测的准确度，石墨管在使用达到800 次左右时，就应该及时更换［14］，且选择普通热解石墨管既经济实惠也能达到分析要求；参照GB 5009.15—2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》中所用基体改进剂为磷酸二氢铵（10 g/L），基体改进剂的作用为在测定基体复杂的样品时提高灰化温度减少样品基体的存在，避免待测元素在原子化阶段前的损失，提高灵敏度，为了获得更好的稳定性、重现性，消除双峰现象，抑制电离干扰等，基于这些因素，在基体改进剂的选择上，就需要考虑这些因素带来的干扰，磷酸二氢铵溶液是一种消除Cl 元素干扰的基体改进剂，测定铅（Pb）、镉（Cd）时可以作为首选。本研究样品为凉粉，凉粉基质复杂，含有果胶、淀粉等大分子杂质，磷酸二氢铵不能很好地消除除Cl 离子以外的干扰，通过试验考察，将硝酸钯溶液作为本次试验基体改进剂，钯能够很好地与镉形成稳定的络合物，使镉在灰化过程中不易损失，同时硝酸的作用是溶解氯化钯，起到助溶作用。

2.1.3 石墨炉升温程序的优化 石墨炉升温程序4个步骤中对检测结果影响比较大的是灰化和原子化，原子化温度是由元素及其化合物自身的性质决定的，原子化温度的选择原则是选用达到最大吸收信号的最低温度作为原子化温度，原子化时间应以保证完全原子化为准，原子化阶段停止通保护气，以延长自由原子在石墨炉内的平均停留时间。本研究采用上机测定镉标准溶液（浓度为5 ng/mL）所得峰型对原子化温度进行优化，固定灰化温度，调整原子化温度，将原子化温度分别调整为1 300、1 500、1 700 ℃，获得镉元素的峰，结果见图1。从图1 中可见，当原子化温度为1 300 ℃时，基体成分未完全去除，导致待测元素峰型基线略有抬高，影响吸光度值，检测结果偏低；原子化温度为1 700 ℃时，峰尖出现平头或峰值低于基线［15］，同时石墨管长期在高温下，使用寿命也会大大缩短，需要经常更换石墨管，增加检测成本；原子化温度为1 500 ℃时，镉元素峰型较对称，峰高、吸收值都能够达到最大吸收信号。故选择原子化温度为1 500 ℃，在保证镉元素完全原子化的情况下选择最低原子化温度，以提高石墨管的寿命及获得最大吸收值。

图1 各原子化温度下镉元素峰型

2.2 样品前处理的优化

凉粉的主要原料是凉粉草，凉粉草中主要成分是果胶，样品采用微波消解方式进行消解，微波消解所用聚四氟乙烯管因空间限制，样品的取样量要合适才能完全消解，按GB 5009.15—2014 中微波消解前处理要求的取样量0.3～0.5 g 进行考察，选取检测结果为未检出的样品作为加标基质，取样量分别为0.2、0.3、0.5 g，采用样品加标回收试验进行验证，加标量为150 ng，结果见表3。由表3 可知，取样量为0.5 g 时，回收率最低，取样量为0.3 g 时，回收率达不到检测要求，且二者消解后的溶液均出现浑浊，液面漂浮细小颗粒；取样量为0.2 g 时，消解后的样品溶液澄清透明略带淡黄色溶液，回收率最高。GB 5009.15—2014 中直接微波消解，会造成消解罐中大量泡沫溢至消解罐顶部，导致测定回收率偏低。对于凉粉样品，取样量为0.2 g较理想。

表3 样品取样量加标回收结果

2.3 线性试验

按优化条件将配制的镉元素标准使用液5 ng/mL由仪器自动逐级稀释，由吸光度值与浓度建立线性方程y=0.056 56x+0.004 97，相关系数r=0.999 3。在优化好的仪器条件下线性较好，标准溶液的信号稳定。

2.4 重复性及稳定性、精密度试验

称取检出镉元素含量约为0.13 mg/kg 的凉粉样品6 份，平行测定2 次，以测得的镉元素含量作为指标，计算所测镉元素含量的RSD［16］。凉粉中镉元素的重复性RSD为0.17%，从6 份样品溶液中取其中1份连续进样6 次，所测精密度RSD为0.09%（表4），将该样品溶液分别于4、12、16、24、48 h 进行镉含量的测定，稳定性RSD为0.19%（表5）。结果表明，凉粉中镉元素的重复性、精密度较好，样品在48 h 内结果稳定。

表4 凉粉中镉元素测定重复性、精密度、稳定性结果

表5 不同时间凉粉中镉元素测定稳定性结果

2.5 加标回收试验

选取1 份镉含量为0.019 9 mg/kg 的凉粉样品，称取样品9 份，编号为样品1 至9，编号1 至3 的样品精密加入标准使用液（1 000 ng/mL）0.05 mL，加标量为50 ng，编号4 至6 的样品精密加入标准使用液0.15 mL，加标量为150 ng，编号7 至9 的样品精密加入标准使用液0.20 mL，加标量为200 ng，按“1.4 样品前处理”项下方法制备样品溶液，上机测定镉元素回收情况，计算回收率，结果见表6。由表6 可知，凉粉中镉元素回收率高，表明该方法检测凉粉中镉元素准确度高。

表6 凉粉样品回收率试验结果

2.6 实际样品的检测

将采购所得108 批样品按上述优化好的条件进行消解、赶酸、定容上机测定，测定结果见表7。由表7 可知，以GB 5009.15—2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》中镉元素的定量限（0.003 mg/kg）为依据，判定结果是否检出。参阅GB 2762—2022《食品安全国家标准食品中污染物限量》，尚无凉粉中镉元素的限量指标，查阅DB45/T 1471—2016《凉粉草》，对于凉粉中重金属镉元素无相关惟一检验标准。

表7 实际样品检测结果

然而在实际检测过程，凉粉中镉元素有些检出含量较大，具有一定的安全风险。检测的108 批样品在上述优化条件下检出镉元素的样品有41 批次，检测样品检出的最高含量为0.135 7 mg/kg，最低含量为0.005 9 mg/kg。

3 小结

采用微波消解法对凉粉样品进行前处理，通过对仪器条件的优化，取样量、石墨管及基体改进剂的选择等条件进行考察，石墨炉原子吸收光谱法进行检测，镉元素在质量浓度0～5 ng/mL 线性范围内，信号及吸光度值比较稳定，3 个水平加标回收率分别为96.06%～98.32%、99.76%～101.25%、103.78%～106.19%，精密度RSD为0.09%。凉粉按照产品大类划分，属于方便食品，GB 2762—2022《食品安全国家标准食品中污染物限量》中未对该类食品做出镉元素的相应限量值规定。而凉粉的主要配料为淀粉和凉粉草，将本研究测试结果对比GB 2762—2022《食品安全国家标准食品中污染物限量》“谷物碾磨加工品”中镉的限量值0.1 mg/kg，超该限度值的样本占总样本数量的11.11%。本研究针对凉粉中镉元素的测定，开发出精密度好、回收率高、结果可靠的试验方法，对凉粉中镉元素进行风险监测具有一定的指导意义。