基于能量色散X射線熒光光譜技術檢測大米中鎘的研究

桑曉霞,馬江媛,溫丹華,黃登宇,*

(1.山西大學生命科學學院,山西太原 030006;2.山西大學食品藥品快檢技術中心,山西太原 030006)

大米作為我國的主要糧食作物,不僅含有蛋白質、脂肪、糖類等主要營養成分,還能為機體提供鐵、錳、銅和硒等微量元素[1]。近年來,大米中重金屬元素含量超標的事件被曝光,最常見的就是重金屬鎘的超標,引起了群眾的恐慌和公眾的高度關注。鎘作為毒害作用最大的重金屬元素之一,若在人體內大量堆積,可引起慢性甚至急性中毒。據報道,鎘離子進入人體后,能夠將骨骼中的Ca2+替換成鎘離子,進而引發一系列軟骨疾病[2-3]。因此,應加強對大米生產流通環節的監管,而快速、有效的檢測方法是實現有效監管的關鍵。

常見的食品中重金屬鎘的檢測方法有以下幾種:石墨爐原子吸收光譜法(Graphite furnace atomic absorption spectrometry,GFAAS)[4-5]、電化學分析法[6-7]、電感耦合-等離子體質譜法[8-9]、原子熒光光譜法[10],紫外分光光度法[11]等。其中石墨爐原子吸收光譜法[12]是我國國家標準中規定的食品中鎘的檢測方法。然而,該些方法樣品預處理過程比較繁瑣,耗時長且不能實現大量樣本的現場快速篩查。所以目前需要找到一種效率高、速度快的現場快速篩查方法對大米中的重金屬進行監測。能量色散型X射線熒光光譜(EDXRF)分析是對物質中元素成分和含量進行定性、定量分析的一種儀器方法,具有制樣簡單、無損分析、能夠同時分析多種元素,分析速度快[13-14]等優點。近些年,EDXRF技術逐漸被用來檢測食品中的重金屬。張輝等[15]用EDXRF測定米粉中的鎘元素,結果顯示該方法檢出限為0.030 mg/kg,定量限為0.14 mg/kg。倪子月等[16]建立了能量色散X射線熒光光譜法快速測定煙草中的鎘和鉛的方法。

本實驗嘗試使用EDXRF對大米中的鎘進行檢測,通過單因素實驗,選擇最佳粒徑大小、檢測時間、試樣質量、壓片壓力、含水量,以期建立一種大米中鎘的新的快速分析測試方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米 金龍魚東北大米雪粳稻;過氧化氫(H2O2,30%) 天津市天力;硝酸(HNO3，GR) 山東旭晨化工科技有限公司;Cd標準溶液 國家有色金屬及電子材料分析測試中心;磷酸二氫銨(NH4H2PO4) 天津化學試劑三廠。

BSA224分析天平 德國Sartorius公司;UPT-I-10T超純水機 四川優普超純科技有限公司;PC-12粉末壓片機 天津精拓儀器公司;HK-02A 100 g手提式粉碎機 廣州旭朗機械設備有限公司;EDX8300H EDXR熒光光譜儀 蘇州三值精密儀器有限公司;EH45可調溫式電熱板 LabTech萊伯泰科;ZEEnit650P原子吸收分光光計 德國耶拿分析儀器股份公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 采用短時多次粉碎的方法(每次40 s,5次)將大米樣品經粉碎機粉碎,過不同目篩,分別充分混勻,用四分法[17]縮分至50 g。80 ℃條件下干燥4～6 h,使其含水率<0.1%,稍冷卻置于干燥器中備用。

1.2.2 EDXRF儀器工作參數 管壓45 kV;管流300 μA;溫度16 ℃;真空度93.0 KPa。

1.2.3 樣品的檢測 取一定質量經過前處理的大米樣品,并在一定的檢測時間以及壓片機一定壓片壓力下壓制成緊實的片狀樣品,即可上機進行檢測。

1.2.4 EDXRF檢測最佳條件的選擇 除1.2.2儀器工作參數外,還有很多因素影響實驗結果,例如檢測時間、壓片壓力、大米樣品的顆粒粒徑、樣品質量、樣品含水量等。以儀器顯示的X射線熒光計數率為檢測指標,通過單因素實驗,確定最佳檢測條件。

1.2.4.1 樣品粒徑的選擇 在EDXRF法[18]檢測重金屬的實驗中,顆粒粒徑的選擇通常在20～200目范圍內。取5.00 g粒徑分別為80、100、120、140、160目的大米粉末5份,壓片壓力30 MPa下壓片30 s,測量時間為180 s,快速測量3次計數率,取平均值。

1.2.4.2 檢測時間的選擇 取5.00 g干燥后的140目大米樣品5份,壓片壓力30 MPa下壓制30 s,測量時間分別設定為60、90、120、150、180 s,快速測量3次計數率,取平均值。

1.2.4.3 壓片壓力的選擇 在EDXRF法[19]檢測重金屬的實驗中,壓片壓力的選擇通常在10～40 MPa范圍內。取5.00 g干燥后的140目大米樣品5份,分別在15、20、25、30、40 MPa 5種壓力下壓片30 s,測量時間為180 s,快速測量3次計數率,取平均值。

1.2.4.4 樣品含水量的選擇 取5.00 g干燥后的140目大米樣品5份,向大米樣品中滴加相當于其質量的0、2.5%、5.0%、7.5%和10.0%的18.25 MΩ超純水,攪拌,在壓片壓力30 MPa下壓片30 s,測量時間為180 s,快速測量3次計數率,取平均值。

1.2.4.5 樣品質量的選擇 分別稱取4.00、4.50、5.00、5.50、6.00 g干燥后的140目大米樣品,壓片壓力30 MPa下壓片30 s,測量時間為180 s,快速測量3次計數率,取平均值。

1.2.5 EDXRF檢測方法的建立與評價

1.2.5.1 EDXRF檢測方法的建立 樣品進行前處理,在1.2.4步驟得出的優化條件下進行檢測,取3個大米樣品檢測Cd的含量,求平均值。

1.2.5.2 建立標準曲線 在1.2.4步驟得出的最優條件下,分別向大米樣品中添加50、100、150、200、250 μL的Cd標準中間液(10 μg/mL),即0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/kg的含Cd大米進行檢測,以EDXRF檢測到的大米中Cd的含量為橫坐標,Cd的譜峰強度為縱坐標繪制標準曲線,得出線性方程。

1.2.5.3 方法學評價 對EDXRF檢測方法精密度、重現性、穩定性及加標回收率進行測定。取同一大米樣品重復檢測5次,評價方法精密度;稱取5份等量大米樣品,分別測定,評價方法重復性;取大米樣品每間隔30 min進行一次檢測,測定5次,評價方法穩定性;對加標0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/kg的大米樣品,進行檢測,計算加標回收率。所有試驗均在優化條件下進行,重復3次,取平均值,計算RSD值進行方法評價。

1.2.6 國標法(石墨爐原子吸收光譜法)測定大米中Cd

1.2.6.1 測定方法 稱取140目的大米樣品0.3～0.5 g置于微波消解罐中,分別加入0、50、100、150、200、250、300 μL的鎘標準使用液(1 μg/mL),5 mL硝酸和2 mL過氧化氫,按選定微波消解程序(見表1)執行消解。冷卻至室溫,放置在可調溫式電熱板上,溫度設為190 ℃,加熱至近干,取下。硝酸溶液(5‰)沖洗消解罐三次,轉移至10 mL的比色管中,定容至刻度。取1 mL于比色管中,并用硝酸溶液(5‰)定容至10 mL,混勻,測定,同時做試劑空白實驗。

表1 微波消解儀消解程序

1.2.6.2 儀器條件參數 根據操作要求將儀器調至最佳狀態。原子吸收分光光度計(附石墨爐)測定參考條件如下:波長228.8 nm,狹縫0.8 nm,燈電流3.0 mA,升溫程序見表2。背景校正為氘燈或塞曼效應。

表2 石墨爐升溫程序

1.2.6.3 繪制標準曲線 將1000 μg/mL的鎘標準溶液稀釋成1 μg/mL的鎘標準使用液后,儀器自動配制成0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 ng/mL的鎘標準曲線工作液,并測其吸光度值,以標準曲線工作液的濃度為橫坐標,相應的吸光度值為縱坐標,繪制標準曲線,并求出線性回歸方程。

1.2.6.4 方法學評價 對石墨爐原子吸收光譜法精密度、重現性、穩定性及加標回收率進行測定。根據1.2.5 EDXRF方法學評價試驗進行操作,所有試驗均重復三次,取平均值。

1.2.7 國標法(石墨爐原子吸收光譜法)與EDXRF法比較 以石墨爐原子吸收光譜法測定結果為橫坐標,EDXRF測定結果為縱坐標作圖,評價這兩種方法測量結果的相關性[20]。

1.3 數據處理

數據處理采用Microsoft Excel 2016軟件,制圖采用Oigin pro7.5軟件。每組實驗平行重復3次,取平均值作為最終的測量值。

2 結果與分析

2.1 EDXRF檢測法的條件優化

2.1.1 大米粒徑優化 由圖1可見,當大米粒徑為140目時,計數率達到最大值,當大米顆粒目數繼續增大,大米粒徑減小,其計數率趨于穩定。其原因可能是X射線與大米顆粒發生作用,在大米粒徑為80～140目之間時,大米粒徑越小,大米試樣愈發均勻,引起的均勻性效應和粒度效應減弱,使得檢測結果更加準確,大米粒徑在140～160目時,其計數率趨于穩定。因此,選擇大米粒徑為140目。

圖1 大米粒徑優化

2.1.2 檢測時間優化 由圖2可見,從60～180 s之間,隨著檢測時間延長,計數率處于上升的趨勢,當檢測時間到達150 s,計數率變化不明顯?？赡苁且驗楫敊z測時間較短時,大米樣品中的元素沒有X射線完全激發。綜合考慮多種因素,并且大米中重金屬的含量只有mg/kg級,適當延長其測量時間可以提高檢測精度和準確度[21-22]。所以,選擇檢測時間為180 s。

圖2 檢測時間優化

2.1.3 壓片壓力優化 由圖3可見,隨著壓片壓力的加大,計數率呈現明顯的上升趨勢,當壓片壓力達到30 MPa時,隨著壓片壓力的加大,計數率的檢測值趨于穩定,壓片壓力達到40 MPa時,計數率達到最大。其原因可能是樣品的緊實度不同,其所含的空氣含量有差別,縫隙中的空氣含量與X射線也會發生作用。所以選擇在40 MPa的壓片壓力下壓片。

圖3 壓片壓力優化

2.1.4 含水量優化 由圖4可見,當含水率接近0時,計數率的值最大,隨著含水率的增加,計數率出現了明顯變化,整體呈現下降的趨勢。其原因可能是散射效應和吸收效應的存在,不同的含水量對初級X射線和二次熒光二次射線均會產生影響[23],同時,大米中的水分也會產生干擾。所以,選擇含水率較低的大米,即大米中的含水率<5%。

圖4 含水量優化

2.1.5 試樣質量優化 由圖5可見,隨著試樣質量增加,計數率明顯上升,質量達到5.00 g時,計數率值最大,樣品質量繼續增大,其檢測結果不再有明顯變化。其原因可能是大米樣品對X射線有吸收和散射作用。當大米試樣的質量不足時,X射線會直接穿透樣品發射出去,檢測結果產生偏差。綜合考慮,大米試樣的質量應該選擇5.00 g。

圖5 試樣質量優化

2.2 EDXRF檢測方法的建立與評價

2.2.1 標準曲線的建立 EDXRF法檢測大米中Cd的標準曲線見圖6,線性回歸方程為:y=0.0004x+0.00003,R2=0.9982,結果表明,加標量在0.1～0.5 mg/kg之間與峰強[24-25]有很好的線性關系。

圖6 EDXRF法標準曲線

2.2.2 EDXRF法方法學評價 EDXRF法測定大米中重金屬Cd的含量,同一樣品連續檢測五次得到的計數率分別為19752.7、19732.7、19777.9、19726.7、19734.9,計算RSD值為0.11%,表明準確度很高;測定5份等量樣品,檢測值分別為19739.1、19725.7、19745.4、19724.1、19729.6,計算得出RSD值為0.05%,表明重復性較好;對同一樣品測定5次,每隔30 min測定一次,檢測值分別為19733.8、19768.9、19689.5、19758.6、19550.2,計算所得RSD值為0.45%,表明穩定性較好;對樣品加標后的結果如下表3所示,平均加標回收率達到114.8%。

表3 EDXRF法的加標回收率

2.3 國標法(石墨爐原子吸收光譜法)

2.3.1 石墨爐原子吸收光譜法標準曲線建立 Cd濃度測定的標準曲線如圖7所示,線性回歸方程為:y=0.0434x+0.0012,R2=0.9984,結果表明Cd濃度在0.6～3.0 ng/mL之間與吸光度有較好的線性關系。

圖7 石墨爐原子吸收光譜法標準曲線

2.3.2 石墨爐原子吸收光譜法評價 根據1.2.6試驗方法計算得出,該方法的精密度、重現性、穩定性的RSD值分別為0.03%、0.32%、1.20%,平均回收率為83.5%,表明該方法精密度很高,重現性、穩定性都較好,加標回收率也較高。

2.4 國標法(石墨爐原子吸收光譜法)與EDXRF法比較

石墨爐原子吸收光譜法和EDXRF法關于Cd的相關性見圖8。結果表明,EDXRF法和石墨爐原子吸收光譜法測量結果的相關性非常好,相關系數達到0.9814,說明EDXRF測量結果準確可信。

圖8 鎘標準測定方法與EDXRF法測定結果相關性圖

EDXRF法與國標法的結果比較如表4所示。相對于石墨爐原子吸收光譜法,EDXRF方法的重復性和穩定性都更高,加標回收率也較好,精密度不如國標規定的方法,但基本滿足了現場快速檢測的需求。

表4 EDXRF法與石墨爐原子吸收光譜法的比較

3 結論與展望

本試驗建立了大米中鎘的EDXRF快速檢測方法。通過優化試驗,確定EDXRF檢測最優條件為:大米粒徑140目,檢測時間180 s,壓片壓力40 MPa下壓制30 s,含水量<5%,大米質量5.00 g。通過EDXRF方法評價試驗,結果顯示,精密度、重現性、穩定性的相對標準偏差分別為0.11%、0.05%、0.45%,平均加標回收率為114.8%。與石墨爐原子吸收光譜法相比,EDXRF方法的重復性和穩定性都更高,加標回收率也較好,但精密度較差?？傮w而言,新建立的EDXRF方法能夠滿足快速檢測的要求。