食品中重金属污染物的检测方法研究

2023-12-16杨立佳霍宝阳马国庆张雅雯

食品安全导刊 2023年25期

杨立佳，霍宝阳，马国庆，张雅雯

（天津量信检验认证技术有限公司，天津 300462）

近年来，食品安全问题频发，其中食品中重金属污染成为最受关注的公共事件之一。重金属污染物可能会对人类健康产生严重影响，因此对其进行可靠、快速的检测具有重要意义。食品中常见的重金属污染物包括铅、汞、镉和铬等，其主要来源涉及工业排放和环境污染。为了确保食品的质量和安全性，有必要对食品中重金属污染物的检测方法进行研究。随着科学技术的进步，已出现了许多新的检测方法，如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、X射线荧光光谱法等。这些方法具有快速、准确和灵敏等特点，能够适应不同类型的食品样品的检测需求，为食品安全监测提供了重要工具。

1 食品中重金属污染物的种类

食品中重金属污染物主要包括铅、汞、镉和铬等。铅是食品中最常见的重金属污染物之一，铅污染主要来自铅管的腐蚀、陶土制品的釉面、农药和肥料中的铅等。长期摄入铅会导致神经系统损害、贫血、生殖系统异常等健康问题。汞也是一种常见的食品中重金属污染物，汞污染主要来源于工业废水和废气中的排放以及含汞鱼类的摄入。长期摄入过量的汞会造成神经系统受损、免疫系统功能下降等健康问题。铬污染可能导致皮肤过敏、免疫系统异常等健康问题。

2 食品中重金属污染物的危害

2.1 重金属的摄入途径

（1）食物摄入。重金属可以通过污染的农产品、水产品和食品加工过程中的材料进入人体。农产品和水产品的重金属污染主要来自土壤和水源的污染，而食品加工过程中使用的材料和容器也可能含有重金属物质[1-3]。人们通过食物摄入的方式，将重金属带入消化系统，并进一步吸收到血液中。

（2）吸入。人们也可以通过呼吸系统吸入重金属。重金属可以以固体粉尘或气体的形式存在于空气中，如工业排放和燃煤产生的烟尘。

2.2 重金属的健康风险和危害

（1）神经系统。重金属如铅、汞和镉能够累积在神经系统中，干扰神经细胞的正常功能。长期接触重金属可能导致神经系统损伤，引发头痛、肌肉无力、记忆力减退以及神经衰弱等症状。

（2）呼吸系统。长期吸入含有重金属（如铅、镉和铬）的空气，会对人体呼吸系统产生危害。重金属能够引起肺部炎症和纤维化，导致呼吸困难、气喘、咳嗽等症状。

（3）消化系统。摄入过量的重金属可能对消化系统产生损害。例如，铅和镉能够引起胃溃疡、腹泻和恶心等胃肠道症状。

（4）肾脏和肝脏。重金属的积累会对肾脏和肝脏产生严重的影响。镉、铅和汞等重金属会使肾脏和肝脏脏器功能减退，导致肾脏病和肝脏疾病的发生。

（5）生殖系统。重金属对生殖系统也具有潜在的危害。某些重金属如铅和汞可能损害男性和女性的生殖能力，影响生育能力和胎儿发育。

3 食品中重金属污染物的检测方法

3.1 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS）是一种经典、准确的重金属分析方法，它通过测量金属离子特定波长的可见光吸收来确定食品样品中金属元素的含量。常见的AAS方法包括火焰原子吸收光谱法（Flame Atomic Absorption Spectrometry，FAAS）和石墨炉原子吸收光谱法（Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry，GFAAS）。FAAS是一种广泛应用于食品中重金属污染物检测的方法，它利用火焰产生的高温条件，将样品中的金属元素原子化，并通过测量其在特定波长下吸收的可见光强度计算金属元素的含量。FAAS具有分析速度快、仪器成本低、易于操作等特点，适合大批量样品的快速分析。但FAAS的灵敏度较低，对于低浓度金属元素的分析有一定限制。GFAAS是一种在FAAS基础上改进的原子吸收光谱方法，它使用石墨炉作为样品的加热装置，通过控制加热过程中的温度程序，可以提高金属元素的灵敏度和准确性。GFAAS能够分析更小的样品量，并具有较低的检测限，适用于对低浓度金属元素进行分析，如铅、镉等[4-7]。

进行AAS分析时，需要对食品样品进行消解处理，将金属元素从食品基质中释放出来，常用的消解方法包括酸溶解和微波消解。消解处理后需要将消解液进行稀释，并使用气体燃烧（如乙炔-氧气火焰或氢-氧氧化钾火焰）或石墨炉进行分析。分析过程中，需要测量样品吸收的可见光强度，并与标准曲线或标准溶液进行比较，从而计算样品中金属元素的含量。

3.2 原子荧光光谱法

原子荧光光谱法（Atomic Fluorescence Spectrometry，AFS）利用金属离子在电磁场中发射荧光的特性，通过测量荧光光谱信号进行定量分析。AFS具有高灵敏度、高选择性和较低检测限等优势，特别适用于微量重金属分析。AFS的原理是基于荧光现象，当样品中含有金属元素时，经过适当的激发条件（如光源或电磁辐射），金属离子会吸收能量并发射荧光。荧光的发射波长和强度与样品中金属元素的种类和浓度相关。因此，通过测量荧光光谱信号的特定波长、强度和时间，可以确定样品中金属元素的含量。AFS可以对多种金属元素进行同时分析，包括铜、锌、铅、汞和镉等重金属。

与其他分析方法相比，AFS具有许多优势。①AFS具有高灵敏度，可以检测到低浓度的重金属。②AFS具有高选择性，可以准确区分和定量分析食品中不同的金属元素[8-10]。③AFS的仪器设备相对简单、操作方便，可以实现快速分析，适用于大批量样品的检测。

3.3 电感耦合等离子体质谱法

电感耦合等离子体质谱法（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）是一种常用的重金属分析方法，具有高灵敏度、高选择性和广泛的分析范围。ICP-MS利用专用的仪器设备，通过将样品中的金属元素离子化，从而进行质量和离子信号分析。该方法结合了电感耦合等离子体源和质谱检测器的特点，能够同时检测多种金属元素，并达到极低的浓度检测限。ICP-MS的原理是在高温下，使用电感耦合等离子体源将样品中的金属元素转化为离子，并将其引入质谱仪中进行分析。在ICP源中，离子化的金属元素经过加热并与惰性气体（通常是氩气）发生碰撞，从而形成高温等离子体。在此等离子体中，金属离子会被电场加速并从等离子体中抽出。在质谱仪中，经过分子分散区和离子筛分区，质量和离子信号将被分析器捕获，并根据其质量和离子信号进行定量检测和分析。

ICP-MS具有众多的优点。①具有高灵敏度，能够检测到非常低浓度的金属元素，达到ppb（μg·L-1）甚至ppt（ng·L-1）级别的检测限。②ICP-MS具有高选择性，能够对多种金属元素进行同时分析。③ICP-MS具有广泛的分析范围，能够检测周期表中大部分金属元素，包括铁、铜、锌、铅、汞和镉等重金属元素。

3.4 电感耦合等离子体发射光谱法

电感耦合等离子体发射光谱（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer，ICP-OES）使用专用的仪器设备，其中包括一个电感耦合等离子体源和一个光谱分析器[11]。在ICP源中，样品被喷入高温等离子体中，与电极产生的放电相互作用，导致样品中的金属元素离子化。在此过程中，样品中的金属离子被激发，并在退激过程中放出特定波长的光。这些发射的光信号被光谱分析器捕获，并转化为光谱图像。通过比对标准品测量结果或利用校准曲线，可以计算出样品中金属元素的含量。

ICP-OES的优点之一是具有广泛的线性范围，可以在不同浓度范围内进行多种金属元素的定量分析。此外，ICP-OES还具有低检测限的优势，通常可以达到ppb至ppt级别的检测限。这使得ICPOES成为高灵敏度的分析技术，可以检测到食品中微量的重金属污染物。

3.5 X射线荧光光谱法

X射线荧光光谱（X-ray fluorescence spectrometry，XRF）检测采用的是非破坏性的方法，无须对样品进行预处理，可以直接进行分析。这使得XRF成为一种快速、高效的分析技术，通常只需要几分钟就可以得到分析结果，特别适用于大批量样品的分析[12-13]。此外，XRF还具有多元素分析的能力，可以同时分析样品中的多种重金属元素，这对于食品样品中可能同时存在多个重金属污染物的情况非常重要。

XRF检测的原理是将样品暴露于X射线中，X射线与样品中的原子相互作用，在此过程中，样品中的原子核被激发，并以特定能量释放出特征X射线。这些特征X射线的能量和强度与样品中的元素种类和含量有关。XRF仪器通过捕捉、分离和测量这些特征X射线，可以确定样品中重金属元素的含量。

在XRF实际检测过程中，还需要对样品进行前期处理。通常情况下，待测样品需要经过磨粉或者压片处理，以增加X射线与样品的相互作用。磨粉处理是将样品转化为细小的颗粒，通常使用球磨机或者振荡研磨仪进行研磨。磨粉后的样品可通过特定筛网进行分级，并选择适当颗粒大小的样品进行后续分析。压片处理则是将粉末样品压制成固体片状，通常使用液相压机或者干燥压机进行操作。压片可以避免因磨粉所引入的氧化和污染等问题。准备好的样品会被放置在X射线束下进行照射。