粮食重金属检测技术的研究进展

◎ 越婷婷

（白城市粮油质量监测站，吉林 白城 137000）

检测粮食中重金属元素含量，在保障食品安全、维护人体健康、保护生态环境以及促进农产品质量监管和国际贸易等方面均具有重要意义[1]。因此，探讨粮食中重金属检测技术的发展态势具有非常重要的意义。

1 粮食中重金属检测的传统方法

1.1 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）结合了电感耦合等离子体（ICP）和质谱仪（MS）的技术。原理是将样品转化为离子状态并导入高温的电感耦合等离子体中，形成稳定且高温的等离子体[2]；在等离子体中，样品中的原子和分子会被电离，形成正离子，随后这些离子进入质谱仪根据质荷比被分离和检测，从而确定不同元素的含量。

ICP-MS 系统需要复杂的仪器设备，包括电感耦合等离子体发生器、质谱仪和气体供应系统，设备成本较高。同时该方法对环境要求严格，包括洁净区域、高纯度气体等，因此运行和维护成本相对较高。

1.2 原子荧光光谱法

原子荧光光谱法（Atomic Fluorescence Spectroscopy，AFS）具有基于原子的光谱吸收和发射特性。AFS 通过激发待测样品中的目标元素原子使其跃迁到高能级，然后通过测量其发射出的特定波长的荧光信号强度来确定目标元素的含量。

AFS 在元素分析范围上存在一定的限制，主要用于检测可被激发产生荧光的元素，对于其他元素可能不太适用。因此，在某些情况下，样品可能需要使用其他分析方法进行全面的元素检测。在使用AFS 进行分析之前，通常需要对样品进行前处理，如酸溶解、稀释或萃取等[3]。这些前处理步骤可能会影响分析的准确性和效率，并增加分析的复杂性。在某些样品或基质中，可能存在来自基质的干扰，导致测量的准确性和灵敏度降低，需要采取适当的校正和补偿方法予以解决。

1.3 火焰原子吸收光谱法

火焰原子吸收光谱法（Flame Atomic Absorption Spectroscopy，FAAS）是利用原子吸收光谱仪来分析样品中金属元素的吸收特性，从而确定元素的含量[4]。该方法是基于原子吸收光谱原理进行分析，样品经过适当的前处理（如溶解、稀释等），然后被喷入具有高温火焰的燃烧器中[5]；在火焰中，样品中的重金属元素被激发成原子态，并吸收特定波长的光；通过测量样品吸收光的强度，可以确定样品中重金属元素的浓度。

FAAS 通常一次只能分析一个元素，因此对于多元素需要进行多次分析或使用其他技术。样品中的某些成分可能会对分析结果产生干扰，导致准确性降低，因此对于成分复杂的样品，可能需要进行适当的前处理或者采用其他更适合的技术。

2 粮食中重金属检测技术新发展及应用价值

2.1 石墨炉原子吸收光谱法

石墨炉原子吸收光谱法（Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy，GFAAS）是基于原子吸收光谱对样品进行分析的技术。样品中的重金属元素要通过适当的前处理（如溶解、稀释等），转化为可测量的形式，然后注入石墨炉中，升温至较高温度，使样品中的重金属元素被蒸发和原子化；在石墨炉中，通过外部光源引入特定波长的光，样品中的重金属元素会吸收光的特定波长；通过测量吸收光的强度，可以确定样品中重金属元素的浓度。

GFAAS 相对于传统的火焰AAS，在粮食重金属检测中有一些新技术突破。GFAAS 对于某些重金属元素具有比AAS 更高的灵敏度，石墨炉的特殊结构和温度控制可以集中样品中的重金属，使其在测量过程中更容易被检测到，提高了灵敏度。GFAAS 能够通过选择合适的分析波长，并结合元素的多种谱线，提高对不同重金属元素的选择性。由于高灵敏度和选择性，GFAAS 可以实现较低的检出限，即可以检测到浓度非常低的重金属元素。

2.2 液相色谱-质谱联用法

应用液相色谱-质谱联用法（Liquid Chromatography-Mass Spectrometry，LC-MS）检测粮食重金属元素前，需对待测样品进行适当的前处理，如溶解、提取、稀释等。将前处理后的样品注入液相色谱系统中，在液相色谱柱中，样品中的化合物会根据其化学性质和相互作用特点被分离成不同的组分；在色谱柱的出口处，将分离的化合物引入质谱仪中，化合物会被电离为带电粒子，并根据其质荷比进行加速、分离和检测；通过质谱仪接收到的离子信号，可以确定样品中各化合物的质量和相对丰度；通过与标准物质比对和校准曲线，可以确定待测样品中重金属元素的含量。

LC-MS 结合了液相色谱和质谱的优势，具有非常高的灵敏度，即使在样品中存在微量的重金属元素，也能够被准确、可靠地检测到。由于质谱分析的特点，LC-MS 可通过监测化合物的特定质荷比提高选择性，避免样品中其他干扰物质的影响，提高了分析的准确性和可靠性。同时，LC-MS 可以覆盖宽泛的线性范围，即从低浓度到高浓度该方法都能保持可靠的定量结果，这对于分析不同浓度水平的样品非常重要。

2.3 电化学方法

电化学方法作为粮食重金属检测的一种技术手段，在灵敏度、选择性、快速性和多元素分析等方面有显著的技术突破，这些突破使电化学方法在粮食重金属检测领域具有广泛的应用前景。电化学方法主要包括恒电位阶梯伏安法、阳极溶出法、极谱法等新型检测技术。

电化学方法具有很高的灵敏度，可以检测出浓度低至μg·L-1甚至更低浓度的重金属元素。电化学方法可以通过选择合适的工作电极和电位，针对不同的重金属元素进行检测，从而排除其他干扰物质的影响，提高对样品特定重金属元素分析的选择性和准确性。电化学方法具有实时性和快速性优势，分析过程简单，操作便捷，省时省力。相比其他分析方法，如原子吸收光谱法等，电化学方法的分析时间更短，适用于大批量样品的快速分析。电化学方法具有同时测定多种重金属元素的能力，可实现多元素的同时分析，这对于粮食重金属检测来说非常重要，因为粮食中可能含有多种重金属元素，需要一次性进行全面和综合的分析。

2.4 光学传感技术

光学传感技术基于指定配体与金属离子之间的相互作用，通过测量光学信号的变化来定量分析重金属含量。检测过程中，根据目标金属离子的性质和特点，选择适合的配体。配体通常是一种具有高亲和力的分子，可以与目标金属离子发生特异性的配位反应。当配体与金属离子结合时，会导致光学性质的变化（如吸收、荧光或散射等），产生的光学信号经过光学传感器内部的信号转换和放大机制，在光学检测器中转化为电信号。通过信号处理和数据分析过程，并与预先建立的标准曲线或校准样品进行比对，得出目标金属离子的浓度值。

光学传感技术在粮食重金属检测中在检测速度、选择性、灵敏度、便携性和实时监测方面有所突破。①光学传感技术使用光学信号进行检测，具有快速响应和实时监测的特点，相比其他传统方法，它可以更快地完成样品分析，提高检测效率。②光学传感技术可以通过设计合适的配体，利用与目标金属离子之间的相互作用，实现对特定重金属离子的选择性识别和检测。③光学传感技术基于光学信号进行检测，因此可以实现对低浓度重金属离子的高灵敏度检测。④光学传感技术可以采用便携式设备进行操作，无须复杂的仪器和实验条件，这使得它在实际应用中具有广泛的适用性，并且可以实现实时监测和快速反馈。

2.5 电子束诱导衍射光谱技术

电子束诱导衍射光谱技术（Electron Backscatter Diffraction Spectroscopy，EBDS）是一种用于材料表征和晶体结构分析的技术，利用电子束与材料表面发生背散射现象，通过分析背散射电子的能量和角度，获得样品的晶体结构信息。在检测粮食中的重金属时，对样品照射电子束并收集衍射信号，通过电子背散射图像的处理和解析，得到晶体结构的取向、相位和晶粒等信息，结合样品的详细特征和相关数据，可以对粮食中的重金属含量和分布进行定量和定性评估。

EBDS 技术在粮食重金属检测中具有非破坏性、高灵敏度、高空间分辨率和快速分析等技术优势。通过对晶界、晶粒和晶体取向的观察和测量，可以了解重金属元素在粮食样品中的分布情况和形态特征，这对于粮食中重金属来源、迁移和转化规律的研究具有重要意义。

3 结语

粮食重金属检测在保障食品安全、合规监管、质量控制与追溯、农产品出口和生态环境保护方面有重要意义。重金属检测技术在不断发展和创新的过程中，逐渐突破了传统检测技术壁垒，在提高检测质量和速度的同时，也在很大程度上压缩了检测成本。石墨炉原子吸收光谱法、液相色谱-质谱联用法、电化学方法、光学传感技术和电子束诱导衍射光谱技术等新技术的突破提高了重金属元素含量检测和分析的准确性，为粮食安全监测和控制提供了可靠保障。未来，希望各种技术能够得到继续优化和完善，为粮食产业提供更加可靠和有效的重金属检测方法，从而加强对粮食生产环节的监管和控制，减少重金属污染物的输入，共同营造安全可靠的粮食环境。