微型氫化物發生原子熒光儀簡便快速測定稻米中痕量鎘

李咸宇,羅明標*,王為民,程雪萌,曾凱,2,董云雅,楊梅

1(東華理工大學 江西省合成化學重點實驗室,江西 南昌,330013) 2(國家環境保護重金屬污染監測重點實驗室,湖南 長沙,410019) 3(重慶民泰新農業科技發展集團有限公司,重慶,400060)

糧食是人類賴以生存的寶藏資源,更是關系到國計民生的重要戰略性物資。中國作為世界第一人口大國,有近三分之二的人口以稻米為主食[1],因此,稻米的食品安全問題非常關鍵。鎘作為稻米中常見的重金屬污染元素,其污染事件在我國仍有發生,2020年4月21日,云南昭通市鎮雄縣在發電廠銷毀99.4 t的“鎘大米”,引發了社會的廣泛關注。GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》指出食品中鎘元素限量值≤0.2 mg/kg。鎘的攝入量超標將會導致多種疾病,可引起“痛痛病”,導致骨軟化、骨質疏松、腎損傷等[2]。而鎘超標大米流入社會的主要原因是個別地區土壤中重金屬鎘污染嚴重,導致土壤中的Cd遷移到水稻當中。為了避免這些鎘超標大米進入人體,尋找一個簡單、快速、準確的測定方法去測定鎘含量顯得尤為重要。

常見的鎘元素檢測方法有石墨爐原子吸收法(graphite furnace atomic absorption spectrometry,GFAAS)[3-8]、火焰原子吸收法(flame atomic absorption spectroscopy,FAAS)[9-10]、電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)[11-16]、原子發射光譜法(atomic emission spectrometry,AES)[17-18]、氫化物發生原子熒光法(hydride generation-atomic fluorescence spectrometry,HG-AFS)[19-23]等,但上述的前4種檢測方法的核心技術均由國外掌控,且儀器體積較大、價格昂貴、對操作人員要求較高。而本研究使用的儀器是CAF18-YG202雙道氫化物發生原子熒光儀,該儀器不僅體積小[61 cm(長)×42 cm(寬)×50 cm(高)]、重量輕(僅35 kg),而且檢出限好、靈敏度高,非常適用于痕量鎘測定。

測定鎘元素的前處理方法有濕法消解法[16,20]、微波消解法[7-9]、干灰化法[3-4]、壓力罐消解法、稀酸浸提法[5,10,17]等,而濕法消解法、干灰化法、壓力消解法等傳統方法雖然比較成熟,但其實驗步驟繁瑣且耗時較長。為此,本研究建立了一種只需稀酸溶樣超聲輔助浸提的前處理方法,再通過使用微型氫化物發生原子熒光儀進行檢測,以實現簡單、快速、準確的測定稻米中的痕量鎘。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鎘標準溶液(國家標準樣品,GSB 04-1721—2004),1 000 μg/mL,國家有色金屬及電子材料分析測試中心;大米標準物質GBW10025(GSB-1)、四川大米標準物質GBW10043(GSB-22),地球物理地球化學勘查研究所;鎘增敏劑,多彩實驗室;氫氧化鈉、硼氫化鈉、鹽酸、硫脲,分析純,西隴科學股份有限公司;稻米樣品(大米、糯米、紅米、黑米),市售。

1.2 儀器與設備

CAF18-YG202雙道微型氫化物發生原子熒光儀,東華理工大學與重慶民泰新農業科技發展集團有限公司聯合研發;高強度鎘空心陰極燈,國標(北京)檢驗認證有限公司;KQ5200DB超聲波清洗器,江蘇省昆山市超聲儀器有限公司;TG16-WS臺式高速離心機,上海盧湘儀有限公司;WGL-125B電熱鼓風干燥器,南京伊若達儀器設備有限公司;FA2004電子天平,上海舜宇恒平科學儀器有限公司;ZWY-240恒溫培養振蕩器,上海智城分析儀器制造有限公司。

優化后的CAF18-YG202工作條件:燈電流30 mA、負高壓240 V、進樣泵轉速100 r/min、屏蔽氣流量1 200 mL/min、載帶氣流量500 mL/min、取樣時間4 s、換插時間3 s、讀數時間8 s、讀數方式:峰面積。

1.3 實驗方法

1.3.1 溶液配制

硫脲溶液(50 g/L):稱取5.0 g硫脲溶于100 mL水中,混勻后備用。鎘增敏劑(25 g/L):稱取2.5 g鎘增敏劑溶于100 mL水中,混勻后備用。鹽酸(50%,體積分數):量取100 mL水于250 mL燒杯中,再量取100 mL 濃鹽酸與水混合,攪拌均勻。還原劑溶液(硼氫化鈉-氫氧化鈉混合溶液):稱取0.8 g氫氧化鈉溶于100 mL水中,混勻后,再稱取3.0 g硼氫化鈉溶于其中,混勻后備用(使用前現配)。鎘標準溶液配制:將1 mg/mL鎘標準溶液(含5% HNO3)稀釋至100 ng/mL(含5% HNO3),臨用時將此溶液稀釋成1 ng/mL的鎘標準溶液(含2% HCl),移取0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL的1 μg/L鎘標準溶液于1～6號25 mL容量瓶中,每個容量瓶中加入50%(體積分數)鹽酸2 mL,50 g/L硫脲2.5 mL,25 g/L鎘增敏劑2.5 mL,加水定容至刻度,混勻備用,配制成系列質量濃度為0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 ng/mL的鎘溶液。

1.3.2 樣品制備

(1)將購買的稻米樣品置于干燥箱中于45 ℃下烘干,將烘干后的樣品用研磨機進行研磨后過60目,室溫[(25±2) ℃]下于離心管中密封保存。

(2)將大米置于不同濃度鎘溶液中進行浸泡污染,浸泡48 h后,將污染后的大米放于干燥箱中烘干,研磨,室溫下于離心管中密封保存,并編號為125大米、126大米、165大米、190大米、214大米。

1.3.3 提取方法

稱取制備好的稻米樣品0.100 0 g(精確至0.000 1 g),置于50 mL容量瓶中,加入50%(體積分數)鹽酸4 mL,50 g/L硫脲5 mL,25 g/L鎘增敏劑5 mL,定容至50 mL并混勻。輔助浸提10 min后用0.45 μm濾膜過濾后上機檢測,同時做試劑空白實驗。

2 結果與分析

2.1 條件優化

本研究采用輔助稀酸浸提法提取稻米中的痕量鎘。由于不同的輔助浸提方式、超聲時間、超聲功率、鹽酸體積分數和硫脲的用量對提取鎘會產生不同的影響,同時,儀器的參數設置對元素的測定也會有不同程度的影響。因此,實驗通過單因素變量法對不同因素進行對比分析,從而選擇出最佳配比組分。

2.1.1 不同輔助浸提方式選擇

實驗過程中發現,在進行稀酸浸提取時,使用不同的輔助浸提法會對測定得到的數值產生影響,所以需要探究確定最佳的輔助浸提法。按照1.3.3對紅米樣品進行試驗,結果見表1。由表1可以明顯觀察到超聲輔助浸提法處理的實驗結果相對離心、振蕩和靜置這3種輔助浸提方式更加充分、穩定、可靠,主要是因為超聲輔助提取法利用超聲傳播時所產生的機械效應、空化效應和熱效應,可實現短時間提取且提取率較高[24],故選擇超聲為測量的最佳輔助浸提方式。

表1 不同輔助浸提方式測定紅米中鎘(n=3)Table 1 Determination of cadmium in red rice by different auxiliary extraction methods (n=3)

2.1.2 超聲時間的選擇

按照1.3.3試驗方法,分別對紅米樣品超聲輔助浸提3、5、10、15、30 min。結果如圖1所示,結果表明,隨著超聲時間的延長,鎘的浸提效率逐步提高,并在10 min后趨于穩定,其原因可能超聲引起的空化效應和機械效應能夠促使料液分散均勻,空化泡的產生及崩潰能有效破壞植物細胞壁[24],使鎘組分分散到溶劑中,因此能在短時間內最大限度地將紅米中的鎘提取出來,在10 min后浸提完全并保持穩定。因此,選擇最佳超聲時間為10 min。

圖1 超聲時間對測定值的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on the measured value

2.1.3 超聲功率的選擇

按照1.3.3試驗方法,對紅米樣品進行超聲輔助浸提,但超聲功率分別設置為50%、60%、70%、80%、90%、100%。結果如圖2所示,結果表明,超聲功率的大小對鎘的浸提效果有一定的影響,其呈現出先增大后趨于穩定趨勢,其原因可能是超聲功率增大有助于強化空化效應,提高傳質速率,于80%達到最佳,而隨著超聲功率繼續增大,導致空氣氣泡過多,產生空化作用,無法繼續增大,因此鎘提取效率趨于穩定。因此,選擇超聲功率為80%。

圖2 超聲功率對測定值的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on the measured value

2.1.4 鎘增敏劑用量的選擇

在測定鎘的過程中,需要使用到含鈷離子(Co2+)的鎘增敏劑,以提高測定鎘的靈敏度和穩定性[23]。按照1.3.1標準溶液的配制過程,選定0.2 ng/mL鎘標準溶液作為研究對象,將鎘增敏劑用量分別改變為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mL,使得鎘增敏劑質量濃度為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 g/L。結果如圖3所示,結果表明,隨著鎘增敏劑用量的加大,鎘的熒光強度呈現出先增大后減小的趨勢,因此選擇最佳鎘增敏劑質量濃度為2.5 g/L。

圖3 鎘增敏劑質量濃度對熒光強度的影響Fig.3 Effect of cadmium sensitizer concentration on fluorescence intensity

2.1.5 硫脲用量的選擇

硫脲與Co2+混合使用,熒光增敏效果有明顯增強[25]。按照1.3.1標準溶液的配制過程,選定0.2 ng/mL鎘標準溶液作為研究對象,將硫脲用量分別改變為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mL,使得硫脲濃度為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 g/L。結果如圖4所示,結果表明,隨著硫脲用量的加大,鎘的熒光強度呈現出先增大后幾乎保持不變的趨勢,因此選擇最佳硫脲質量濃度為5.0 g/L。

圖4 硫脲質量濃度對熒光強度的影響Fig.4 Effect of thiourea concentration on fluorescence intensity

2.1.6 鹽酸體積分數的選擇

不同的酸度對氫化物與蒸汽發生有顯著影響[26],因而選擇合適的酸度很關鍵。實驗按照1.3.3,固定其他變量,選擇控制鹽酸的體積分數為2%、3%、4%、5%、6%進行分析測定,結果見圖5。由圖5可以看出,隨著鹽酸體積分數的增大,鎘的熒光強度呈現出先增大后減小的趨勢,鹽酸體積分數為4%時熒光強度最佳,本研究選定4%(體積分數)的鹽酸進行實驗。

圖5 鹽酸體積分數對熒光強度的影響Fig.5 Effect of hydrochloric acid concentration on fluorescence intensity

2.1.7 還原劑溶液濃度的選擇

硼氫化鈉作為實驗的還原劑,其質量濃度的大小直接影響氫化物的產生效率[26]。質量濃度過小會使生成的氫化物偏少,導致測得的熒光強度偏低;質量濃度過大則會使得反應產生大量的氫氣稀釋了氫化物濃度,也會導致測得的熒光強度偏低且穩定性變差。通過固定其他變量,分別選擇質量濃度為15、20、25、30、35 g/L的硼氫化鈉溶液 進行測定,結果見圖6。

圖6 還原劑質量濃度對熒光強度的影響Fig.6 Effect of reducing agent concentration on fluorescence intensity

圖6實驗結果表明,鎘元素熒光強度隨硼氫化鈉質量濃度的增大呈現出拋物線趨勢,其中硼氫化鈉質量濃度為30 g/L時熒光強度最大,因此,本研究選取30 g/L的硼氫化鈉進行實驗。

2.1.8 燈電流的選擇

根據原子熒光原理,盡管光源輻射強度與熒光強度成正比,但并不意味著燈電流越大越好,燈電流太大不僅噪聲較大,而且會產生自吸,減少燈的使用壽命;電流太小會導致熒光強度偏低,不利于實驗的測定[26]。因此,本研究對儀器的信噪比進行研究,以純水做研究對象,固定其他變量,通過改變燈電流,計算體系的靈敏度(信號存在)和體系噪音(信號不存在)的數據的商,即信噪比,結果見圖7。

圖7 燈電流大小對信噪比的影響Fig.7 Effect of lamp current on signal-to-noise ratio

由圖7可以得出,隨著燈電流的增大,信噪比也在增大,但其增大的趨勢呈現出先快速增大后緩慢增大的趨勢,考慮到燈管壽命的因素,選擇拐點處30 mA作為本研究的最佳燈電流。

2.1.9 負高壓的選擇

負高壓對原子熒光空白值的影響十分明顯,它能夠起到很好的調節作用,使得所測的數據準確、可靠[27]。增大負高壓,所測的信號強度也會隨之增大,同時背景噪聲也會增大,負高壓太高會使信號不穩定,太低會使靈敏度不夠。因此,本研究對儀器的信噪比進行研究,以純水做研究對象,通過改變負高壓大小,探究儀器的信噪比的變化,結果見圖8。

圖8 負高壓大小對信噪比的影響Fig.8 Effect of negative high pressure on signal-to-noise ratio

由圖8可知,隨著負高壓的增大,儀器的信噪比也在增大,但是在240 V以后增加的幅度較為平緩,并有趨于穩定的趨勢,考慮到負高壓太大時也會縮短光電倍增管的使用壽命,最終選定240 V為最佳負高壓。

2.2 標準曲線與檢出限

配制質量濃度為0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 ng/mL 的鎘標準溶液,按照試驗方法在儀器最佳條件下考查其線性范圍,在0～0.25 ng/mL范圍內,鎘標液回歸方程為y=9 365.9x+6.9,相關系數r=0.999 8。對樣品空白溶液按照試驗方法測定11次,計算鎘元素的檢出限,得本法的儀器檢出限為0.001 22 ng/mL,根據稱樣量可換算方法檢出限為0.000 61 mg/kg。

2.3 重復性實驗與加標回收試驗

按照優化好的試驗條件,對紅米樣品進行7次平行實驗,通過計算得其RSD為3.82%,表明該方法的重現性良好。

取紅米樣品0.1 g于容量瓶中,分別加入3個水平的鎘標準溶液,在優化好的實驗條件下進行測定,并計算紅米的加標回收率,測定結果見表2。結果表明,加標回收率為93.3%～106.7%,RSD為1.62%～4.06%,加標回收率較好,說明該方法測定鎘含量準確可靠。

表2 超聲輔助浸提法測定紅米中鎘的含量(n=3)Table 2 Determination of cadmium content in red rice by ultrasonic-assisted extraction method (n=3)

2.4 質控樣品校驗

為進一步驗證方法的準確性,按照優化的前處理方法對用國家標準物質GSB-1大米和GSB-22四川大米進行測定,測得結果見表3。由表3可知,測定結果均在標準值范圍內,符合證書要求。

表3兩種大米標準物質中鎘的含量測定(n=3)Table 3 Determination of cadmium in two rice reference materials (n=3)

2.5 與文獻方法比較

該方法與文獻方法在樣品前處理時間、前處理試劑消耗、檢測儀器、方法檢出限、操作簡潔性方面進行了綜合比較,結果見表4。由表4可以看出,本研究方法相較于文獻中的方法更加簡單、快速、準確,更加適用于稻米中痕量鎘的測定。

表4 方法比較Table 4 Methods comparison

2.6 稻米樣品分析

采用優化好的前處理及檢測方法,對市售稻米樣品和不同污染程度大米中的鎘進行測定,同時與國標方法GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》中的濕法消解法進行對比,結果見表5。結果顯示,稻米樣品中紅米、大米中含有痕量鎘,但均未超過GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》指出的鎘元素限量值0.2 mg/kg,其他的均為未檢出。對比本方法與國標方法測定值,發現兩者的值基本相符,相比較之下,超聲輔助稀酸浸提法具有耗時短、試劑消耗小、反應條件溫和等優點,而且測定結果準確可靠,用于稻米中痕量鎘的測定具有一定的普適性。

表5 各稻米樣品的鎘含量(n=3)Table 5 Cadmium content in rice samples (n=3)

3 結論

本研究基于微型氫化物發生原子熒光儀,建立了一種簡單、快速、準確的測定稻米中痕量鎘的分析方法——超聲輔助稀酸浸提法。通過對比4種輔助浸提方式及其他條件,優選出最佳試驗條件。該方法的精密度和準確度較好,對國家標準物質GSB-1大米和GSB-22四川大米進行分析,測定結果均在標準值范圍內。與國標中濕法消解法對比,稻米中鎘的測定值保持一致;與傳統方法對比,該方法更加快速高效,不僅操作簡單,試劑用量少,而且不需要趕酸,前處理時間僅需10 min。相比之下,該方法更加適用于稻米樣品的快速篩選,可用于稻米等谷物糧食中鎘元素的現場測定。