桑曉霞,馬江媛,溫丹華,黃登宇,*

(1.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山西太原 030006;2.山西大學(xué)食品藥品快檢技術(shù)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(zhì)、脂肪、糖類等主要營養(yǎng)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(biāo)的事件被曝光,最常見的就是重金屬鎘的超標(biāo),引起了群眾的恐慌和公眾的高度關(guān)注。鎘作為毒害作用最大的重金屬元素之一,若在人體內(nèi)大量堆積,可引起慢性甚至急性中毒。據(jù)報道,鎘離子進(jìn)入人體后,能夠?qū)⒐趋乐械腃a2+替換成鎘離子,進(jìn)而引發(fā)一系列軟骨疾病[2-3]。因此,應(yīng)加強對大米生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)的監(jiān)管,而快速、有效的檢測方法是實現(xiàn)有效監(jiān)管的關(guān)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(xué)分析法[6-7]、電感耦合-等離子體質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的食品中鎘的檢測方法。然而,該些方法樣品預(yù)處理過程比較繁瑣,耗時長且不能實現(xiàn)大量樣本的現(xiàn)場快速篩查。所以目前需要找到一種效率高、速度快的現(xiàn)場快速篩查方法對大米中的重金屬進(jìn)行監(jiān)測。能量色散型X射線熒光光譜(EDXRF)分析是對物質(zhì)中元素成分和含量進(jìn)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(yōu)點。近些年,EDXRF技術(shù)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(jié)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(jìn)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)試劑三廠。

BSA224分析天平 德國Sartorius公司;UPT-I-10T超純水機 四川優(yōu)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(shè)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(diào)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(jīng)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(shù) 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(zhì)量經(jīng)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(jìn)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(shù)外,還有很多因素影響實驗結(jié)果,例如檢測時間、壓片壓力、大米樣品的顆粒粒徑、樣品質(zhì)量、樣品含水量等。以儀器顯示的X射線熒光計數(shù)率為檢測指標(biāo),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(nèi)。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(shù)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(shè)定為60、90、120、150、180 s,快速測量3次計數(shù)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(nèi)。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(shù)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(dāng)于其質(zhì)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(shù)率,取平均值。

1.2.4.5 樣品質(zhì)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(shù)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(jìn)行前處理,在1.2.4步驟得出的優(yōu)化條件下進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)曲線 在1.2.4步驟得出的最優(yōu)條件下,分別向大米樣品中添加50、100、150、200、250 μL的Cd標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行檢測,以EDXRF檢測到的大米中Cd的含量為橫坐標(biāo),Cd的譜峰強度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得出線性方程。

1.2.5.3 方法學(xué)評價 對EDXRF檢測方法精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及加標(biāo)回收率進(jìn)行測定。取同一大米樣品重復(fù)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(fù)性;取大米樣品每間隔30 min進(jìn)行一次檢測,測定5次,評價方法穩(wěn)定性;對加標(biāo)0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/kg的大米樣品,進(jìn)行檢測,計算加標(biāo)回收率。所有試驗均在優(yōu)化條件下進(jìn)行,重復(fù)3次,取平均值,計算RSD值進(jìn)行方法評價。

1.2.6 國標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(zhí)行消解。冷卻至室溫,放置在可調(diào)溫式電熱板上,溫度設(shè)為190 ℃,加熱至近干,取下。硝酸溶液(5‰)沖洗消解罐三次,轉(zhuǎn)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(shù) 根據(jù)操作要求將儀器調(diào)至最佳狀態(tài)。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(yīng)。

表2 石墨爐升溫程序

1.2.6.3 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線 將1000 μg/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成1 μg/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線工作液,并測其吸光度值,以標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液的濃度為橫坐標(biāo),相應(yīng)的吸光度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,并求出線性回歸方程。

1.2.6.4 方法學(xué)評價 對石墨爐原子吸收光譜法精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及加標(biāo)回收率進(jìn)行測定。根據(jù)1.2.5 EDXRF方法學(xué)評價試驗進(jìn)行操作,所有試驗均重復(fù)三次,取平均值。

1.2.7 國標(biāo)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(jié)果為橫坐標(biāo),EDXRF測定結(jié)果為縱坐標(biāo)作圖,評價這兩種方法測量結(jié)果的相關(guān)性[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)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(fù)3次,取平均值作為最終的測量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 EDXRF檢測法的條件優(yōu)化

2.1.1 大米粒徑優(yōu)化 由圖1可見,當(dāng)大米粒徑為140目時,計數(shù)率達(dá)到最大值,當(dāng)大米顆粒目數(shù)繼續(xù)增大,大米粒徑減小,其計數(shù)率趨于穩(wěn)定。其原因可能是X射線與大米顆粒發(fā)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(fā)均勻,引起的均勻性效應(yīng)和粒度效應(yīng)減弱,使得檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確,大米粒徑在140～160目時,其計數(shù)率趨于穩(wěn)定。因此,選擇大米粒徑為140目。

圖1 大米粒徑優(yōu)化

2.1.2 檢測時間優(yōu)化 由圖2可見,從60～180 s之間,隨著檢測時間延長,計數(shù)率處于上升的趨勢,當(dāng)檢測時間到達(dá)150 s,計數(shù)率變化不明顯?？赡苁且驗楫?dāng)檢測時間較短時,大米樣品中的元素沒有X射線完全激發(fā)。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(dāng)延長其測量時間可以提高檢測精度和準(zhǔn)確度[21-22]。所以,選擇檢測時間為180 s。

圖2 檢測時間優(yōu)化

2.1.3 壓片壓力優(yōu)化 由圖3可見,隨著壓片壓力的加大,計數(shù)率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,當(dāng)壓片壓力達(dá)到30 MPa時,隨著壓片壓力的加大,計數(shù)率的檢測值趨于穩(wěn)定,壓片壓力達(dá)到40 MPa時,計數(shù)率達(dá)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(fā)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(yōu)化

2.1.4 含水量優(yōu)化 由圖4可見,當(dāng)含水率接近0時,計數(shù)率的值最大,隨著含水率的增加,計數(shù)率出現(xiàn)了明顯變化,整體呈現(xiàn)下降的趨勢。其原因可能是散射效應(yīng)和吸收效應(yīng)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(chǎn)生影響[23],同時,大米中的水分也會產(chǎn)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(yōu)化

2.1.5 試樣質(zhì)量優(yōu)化 由圖5可見,隨著試樣質(zhì)量增加,計數(shù)率明顯上升,質(zhì)量達(dá)到5.00 g時,計數(shù)率值最大,樣品質(zhì)量繼續(xù)增大,其檢測結(jié)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(dāng)大米試樣的質(zhì)量不足時,X射線會直接穿透樣品發(fā)射出去,檢測結(jié)果產(chǎn)生偏差。綜合考慮,大米試樣的質(zhì)量應(yīng)該選擇5.00 g。

圖5 試樣質(zhì)量優(yōu)化

2.2 EDXRF檢測方法的建立與評價

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 EDXRF法檢測大米中Cd的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖6,線性回歸方程為:y=0.0004x+0.00003,R2=0.9982,結(jié)果表明,加標(biāo)量在0.1～0.5 mg/kg之間與峰強[24-25]有很好的線性關(guān)系。

圖6 EDXRF法標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2.2 EDXRF法方法學(xué)評價 EDXRF法測定大米中重金屬Cd的含量,同一樣品連續(xù)檢測五次得到的計數(shù)率分別為19752.7、19732.7、19777.9、19726.7、19734.9,計算RSD值為0.11%,表明準(zhǔn)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(fù)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(wěn)定性較好;對樣品加標(biāo)后的結(jié)果如下表3所示,平均加標(biāo)回收率達(dá)到114.8%。

表3 EDXRF法的加標(biāo)回收率

2.3 國標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)曲線建立 Cd濃度測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖7所示,線性回歸方程為:y=0.0434x+0.0012,R2=0.9984,結(jié)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(guān)系。

圖7 石墨爐原子吸收光譜法標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.3.2 石墨爐原子吸收光譜法評價 根據(jù)1.2.6試驗方法計算得出,該方法的精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)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(xiàn)性、穩(wěn)定性都較好,加標(biāo)回收率也較高。

2.4 國標(biāo)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(guān)于Cd的相關(guān)性見圖8。結(jié)果表明,EDXRF法和石墨爐原子吸收光譜法測量結(jié)果的相關(guān)性非常好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9814,說明EDXRF測量結(jié)果準(zhǔn)確可信。

圖8 鎘標(biāo)準(zhǔn)測定方法與EDXRF法測定結(jié)果相關(guān)性圖

EDXRF法與國標(biāo)法的結(jié)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(fù)性和穩(wěn)定性都更高,加標(biāo)回收率也較好,精密度不如國標(biāo)規(guī)定的方法,但基本滿足了現(xiàn)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(jié)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(yōu)化試驗,確定EDXRF檢測最優(yōu)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(zhì)量5.00 g。通過EDXRF方法評價試驗,結(jié)果顯示,精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.11%、0.05%、0.45%,平均加標(biāo)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(fù)性和穩(wěn)定性都更高,加標(biāo)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。