董淑霞， 謝寧寧， 韓繼慶， 熊俊彪， 吳少尉*

(1.湖北民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 恩施 445000；2.硒食品營養(yǎng)與健康智能技術(shù)湖北省工程研究中心， 湖北 恩施 445000)

油籽粒是榨制食用油的主要原料，菜籽品質(zhì)及有毒重金屬含量直接關(guān)系到人類的生活健康?！妒称钒踩珖H標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中嚴格規(guī)定了食品中Cd、Pb、Cr、As等重金屬的限量標準。若無額外污染，菜籽中有毒元素含量一般低于200ng/g。正常菜籽及其菜油中As、Sb、Cd和Tl等重金屬含量屬于痕量水平[1]，且這些元素單質(zhì)及其氧化物的熔沸點低，在樣品前處理過程中易揮發(fā)損失、易污染，對油菜籽中有毒重金屬的含量進行準確測定有利于對食用油生產(chǎn)原材料的監(jiān)控把關(guān)。

目前，國內(nèi)外對油菜籽及相關(guān)產(chǎn)品菜油中重金屬的研究主要體現(xiàn)在痕量測定[2-4]和分布形態(tài)分析[5-7]兩個方面。張友峰等[5]對油菜籽皮仁中重金屬含量的差異及分布規(guī)律研究表明Cd和As主要分布于油菜籽皮中。劉全吉等[6]對油菜籽中四種形態(tài)As的溫和提取方法進行了探討。劉玲婭等[7]通過菜籽產(chǎn)油率，對食用油菜籽中Se和Tl的分布形態(tài)分析開展了研究，誤差范圍內(nèi)菜油和菜渣餅中Se和Tl含量加和分別等于其菜籽中的總含量。武琳霞等[8]從中國油菜Cd污染、Cd分布形態(tài)、菜籽油質(zhì)量安全性評估三個角度作了較系統(tǒng)研究。在分布形態(tài)分析實驗研究中，從生理結(jié)構(gòu)劃分的各個部分，如對純菜油部分采取了乳化方式[9]前處理，其他部分依然通過強酸消解后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜/質(zhì)譜(ICP-OES/MS)技術(shù)檢測重金屬含量。Medek等[10]借助無機酸微波消解樣品，使用ICP-MS對捷克土壤和冬油菜中As、Cd和Tl等元素含量作了相關(guān)性調(diào)研。Llorent-Martínez等[11]采用相同消解手段及測試技術(shù)對西班牙食用菜油中As、Sb、Cd和Tl等重金屬作了測定分析。張飛鴿等[12]采取微波消解ICP-MS法測定油菜籽中6種重金屬含量。

從分析應(yīng)用來看，對糧油食品中As、Sb、Cd和Tl等有毒元素的測定，前處理手段大多采取濕法消解。采用無機強酸消解后，加熱趕酸耗時長，易受污染，酸霧排放也污染環(huán)境，有時方法檢出限滿足不了實際樣品的分析，需相應(yīng)加大稱樣量進行消解前處理，基體效應(yīng)風(fēng)險無形增加，分析時間更延長，操作手續(xù)相對繁雜。避開消解，設(shè)法將固體進行直接進樣分析[13-15]，則可以大大簡化試樣制備過程，節(jié)省分析成本和時間，提高分析速度，增大樣品通量。對于易揮發(fā)的目標分析物[16-18]而言，直接進行固體樣品分析可以最大程度地降低分析物的損失。以ICP-OES/MS技術(shù)檢測，試樣中目標物的氣化、原子化和基態(tài)原子激發(fā)或電離可同在ICP中完成，常見的溶液霧化進樣分析[19-21]乃屬此種情況。而激光剝蝕(LA)[22-24]和電熱蒸發(fā)(ETV)[25-27]進樣ICP-OES/MS檢測，樣品的蒸發(fā)氣化和激發(fā)是在兩個獨立單元中分別完成，進樣效率高于溶液霧化進樣，分析靈敏度進一步提高。從進樣器件價格及運行成本上比較，ETV優(yōu)于LA。將固體樣品制備成均勻穩(wěn)定的懸浮體，用移液槍將其定量引入ETV蒸發(fā)器，進樣方便快捷且有代表性。該方法早已廣泛用于生物樣品如蔬菜葉[28-29]、魚[30]、米粉[31]，環(huán)境地質(zhì)樣品如煤[32]及煤飛灰[33]，光阻材料[34]中有益或有毒元素的ICP-OES/MS直接測定。

為了滿足菜籽中重金屬準確檢測及質(zhì)量監(jiān)控的需要，建立簡便、經(jīng)濟、快速、無需消解、靈敏度高的固體樣品直接分析方法很有必要。鑒于油菜籽在研磨過程中會壓榨出油酯，不易粉碎和分散，要想得到均勻的分散體系，讓一定粒徑的菜籽殘渣顆粒懸浮，均勻分散在試液中，同時使大油珠乳化成細小的水包油型均質(zhì)乳液穩(wěn)定共存于懸浮液中，將懸浮和乳化協(xié)同起來制樣，開始就加入乳化劑研磨，一邊使油珠乳化并分散，一邊使菜餅渣顆粒細化，研制得均勻穩(wěn)定的懸浮-乳化試液(Slurry-Emulsion Solution, SES)。本文實驗重點在于探索研究油菜籽懸乳液的制備流程及影響因素，優(yōu)化ETV-ICP-MS測定As、Sb、Cd和Tl的操作條件，包括烘烤溫度、酸化試劑硝酸的濃度、乳化劑濃度、化學(xué)改進劑硝酸鈀的用量及菜籽取樣量等，以建立懸乳液進樣ETV-ICP-MS測定油菜籽中As、Sb、Cd和Tl的簡便快速、低廉準確的分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器裝置及工作條件

WF-4C型石墨爐(北京北分瑞利公司)：用作電熱蒸發(fā)器。用內(nèi)徑6mm、總長為0.7m的聚乙烯塑料管將電熱蒸發(fā)器與ICP-MS儀器(Agilent 7500型，美國Agilent公司)連接。

激光粒度分布測試儀(Mastersizer 2000型，英國馬爾文儀器有限公司)。08-2G恒溫磁力攪拌器(上海梅穎浦東儀器儀表制造有限公司)。UC-120E超聲儀(上海儀天科學(xué)儀器有限公司)。

ETV-ICP-MS聯(lián)用儀器的主要操作參數(shù)以及懸乳液制備條件列于表1。

1.2 標準溶液和主要試劑

1mg/mL的As標準儲備液：準確稱取0.1320g氧化砷(分析純)溶于少量的氫氧化鈉溶液(200g/L)中，轉(zhuǎn)入100.0mL容量瓶中，滴加2滴酚酞指示劑，用鹽酸中和并少許過量，然后用1%的鹽酸定容至刻度。

1mg/mL的Cd標準儲備液：稱取0.1000g金屬鎘溶于少量6mol/L鹽酸中，再用1%的鹽酸定容至100.0mL。

1mg/mL的Sb標準儲備液：稱取0.1000g金屬銻溶于濃鹽酸和過氧化氫(10%)中，煮沸除去過氧化氫，再用3mol/L鹽酸定容至100.0mL。

1mg/mL的Tl標準儲備液：稱取金屬鉈0.1000g溶于5mL硝酸中，用水定容至100.0mL。

100.0μg/L、10.0μg/L的As、Sb、Cd和Tl混合標準工作溶液：由各自的標準儲備液混合并用0.1mol/L硝酸逐級稀釋制備。

曲拉通X-100(美國Sigma-Aldrich公司)，硝酸鈀溶液(10g/L，以Pd計，西北有色金屬研究院)，硝酸(分析純)，水為高純?nèi)ルx子水。

所用器皿先在20%的硝酸-鹽酸混合酸(V∶V=1∶1)中浸泡24h，自來水清洗干凈，再置于10%的硝酸中浸泡24h，最后用去離子超純水清洗2～3次。

1.3 實驗樣品

本項目組在油菜籽收割期5月份在湖北省恩施州建始縣(編號JS-1)、巴東縣(編號BD-2)采集2個油菜籽樣品，以及由湖北武漢油料作物研究所提供的2個油菜籽樣品(編號YLS-3和YLS-4)。

1.4 懸乳液試樣的制備

爐溫140℃烘干2h至恒重的油菜籽樣品，直接稱取25mg于瑪瑙研缽中，引入0.05mL的Triton X-100粘住菜籽，用研矸搗粹擠壓出油脂并研磨5min，直到形成均勻溶漿，隨后加入4.0mL 3%(V/V，下同)硝酸于溶漿，研磨并轉(zhuǎn)移到5.0mL容量瓶中，再加入0.15mL硝酸鈀溶液，并用3%硝酸定容至刻度。超聲分散20min，進一步打碎殘渣顆粒并對目標分析物預(yù)提取。最后在磁力攪拌下取樣10μL，注入電熱蒸發(fā)器中進行ICP-MS測定，操作參數(shù)如表1所列。

表1 懸乳液進樣-電熱蒸發(fā)-電感耦合等離子體質(zhì)譜工作條件

2 結(jié)果與討論

2.1 懸乳液的制備

2.1.1烘烤溫度對懸乳液微粒粒徑的影響

讓油菜籽烘烤干燥至恒重而不炭化，有利于油脂壓出和籽殼脫離[5]殘渣的研磨。實驗考察了烘烤溫度對制備懸乳液粒徑的影響。在120℃、140℃、160℃、180℃下烘烤2h的油菜籽，分別準確稱取50mg于研缽中，引入0.1mL的曲拉通X-100粘住圓顆粒的菜籽，用杵矸搗碎菜籽并研磨5min，直到成均勻溶漿，隨后加入8.0mL 3%硝酸于溶漿并轉(zhuǎn)移定容到10.0mL容量瓶中。用激光粒度分布測試儀分別測定上述各懸乳液微粒粒徑，粒徑分布如圖1所示。樣品1、2、3、4對應(yīng)菜籽烘烤溫度120℃、140℃、160℃和180℃。粒徑在1μm以下的顆粒在4個樣品中占比均在1%附近，區(qū)別不明顯。粒徑在1～10μm的顆粒在4個樣品中的加和占比大小是：樣品2>樣品4>樣品3>樣品 1，在120℃溫度下烘烤相對不便油脂榨出乳化分散，溫度高有烤焦炭化跡象，反而不利油渣裹夾顆粒研磨細化?？傮w上，經(jīng)過120～180℃溫度下烘烤2h后，懸乳液90%微粒的粒徑處在30μm以下，樣品 2中粒徑在5μm以下的顆粒占比最大。后續(xù)實驗中設(shè)定140℃對油菜籽烘烤2h后，立即趁熱用于懸乳液制樣。

圖1 懸乳液微粒粒徑分布[菜籽試樣濃度0.5%(m/V)]Fig.1 Particle size distribution of slurry-emulsion solution [0.5% (m/V) rapeseed]

2.1.2乳化劑的選擇和濃度影響

常用的表面活性劑曲拉通X-100可用作乳化劑，有著適中的親油親水平衡值(格里芬比值13.6)、較高黏稠性及一定的懸托作用，選用曲拉通X-100作為油菜籽懸乳液制備中的乳化劑。曲拉通X-100濃度對目標分析物信號強度的影響考察實驗結(jié)果如圖2所示。當懸乳液中曲拉通X-100濃度在1.0%～2.5%(V/V，下同)時，As、Sb、Cd和Tl的信號維持在一個平臺水平，且此時的信號強度高于0.5%曲拉通X-100濃度時試樣的信號值，目標分析物As、Sb、Cd和Tl的相對信號強度高出20%～80%。若曲拉通X-100的濃度過大，會使更加黏稠的試液不便用移液槍移取和引入ETV中。故試樣制備中選取曲拉通X-100濃度為1.0%。

圖2 曲拉通X-100濃度對目標物信號強度的影響 [菜籽0.5%(m/V)并添加10ng/mL As、Cd、Sb]Fig.2 Effect of concentration of Triton X-100 on analyte signal [0.5%(w/V) rapeseed and spiked with 10ng/mL As, Cd, Sb]

2.1.3硝酸濃度的選擇

一定濃度的硝酸介質(zhì)有利于對As、Sb、Cd和Tl的預(yù)提取，使它們進入液相，若更大比例的目標分析物被提取進入液相，則懸乳液進樣測定信號的重現(xiàn)性將更接近于水溶液試樣測定的精密度。圖3a反映出硝酸濃度對As、Sb、Cd和Tl質(zhì)譜測定計數(shù)值相對信號的影響，相比于無硝酸的懸乳液試樣來看，1%～4%的硝酸使As、Cd、Sb和Tl的信號強度增加10%～50%，當硝酸在2%～4%濃度范圍內(nèi)，目標分析物As、Sb、Cd和Tl的信號強度維持在一個平臺水平。故本文選擇3%硝酸作為懸乳液體系的介質(zhì)。

2.2 電熱蒸發(fā)操作條件的優(yōu)化

2.2.1化學(xué)改進劑的濃度

As、Sb、Cd和Tl屬于易揮發(fā)的有毒元素，為了讓它們在ETV中耐受一個較高的灰化溫度減少揮發(fā)損失，考慮到貴金屬能與這類元素在石墨爐中形成固熔體而穩(wěn)定下來，如Hsu等[35]采用鈀納米顆粒作ETV中的改進劑來測定菜油中揮發(fā)性重金屬As、Hg和Pb。本文選用相對易得硝酸鈀作為As、Sb、Cd和Tl在ETV中的化學(xué)改進劑，實驗考察了硝酸鈀溶液用量對以上4個元素信號強度的影響，結(jié)果如圖3b所示?？梢钥吹?，當硝酸鈀的濃度從100μg/mL增加到300μg/mL時，所有的目標分析物As、Sb、Cd和Tl的信號強度都逐漸增加并達到一個恒定水平。當硝酸鈀溶液的濃度超過300μg/mL續(xù)增到700μg/mL時，As、Cd、Sb和Tl的信號強度又逐漸下降，這可能是由于硝酸鈀溶液的濃度過高，大量的鈀同時蒸發(fā)，反而抑制了目標分析物As、Sb、Cd和Tl在蒸發(fā)階段的瞬間蒸發(fā)。最終本實驗選擇硝酸鈀溶液的濃度為300μg/mL。

2.2.2灰化溫度的選擇

固定懸乳液中硝酸鈀溶液的濃度為300μg/mL，介質(zhì)硝酸的濃度為3%，曲拉通X-100的濃度為1.0%，在此條件下，考察了灰化溫度對目標分析物As、Sb、Cd和Tl信號強度的影響，結(jié)果如圖3c所示。對于Cd、Sb和Tl；當灰化溫度由300℃增加到600℃時，其信號強度保持不變，當灰化溫度超過600℃后，分析信號開始出現(xiàn)不同程度地下降。對于As而言，當灰化溫度由300℃升到600℃時，其信號一直呈現(xiàn)下降的趨勢；當灰化溫度由600℃繼續(xù)升至800℃時，信號基本維持恒定；超過800℃后信號又開始略微下降。這可能是因為隨著灰化溫度的增加，樣品中的基體Cl逐漸被蒸發(fā)除去，由氯氬多原子離子40Ar35Cl形成的對75As同位素的干擾程度逐漸減?。灰驗樵趯嶒灉囟?00～1000℃范圍內(nèi)，同時監(jiān)控的35Cl和37Cl信號變化趨勢如同75As。在600～800℃之間，沒有明顯的氯氬干擾，此時也沒有明顯的As灰化損失；溫度超過800℃后，As的信號開始出現(xiàn)灰化損失，致使分析信號下降。實驗過程中未有監(jiān)測到81Br, 選擇豐度幾乎持平的121Sb和123Sb計數(shù)，未見溴氬多原子離子干擾。綜合考慮，在后續(xù)實驗中選擇600℃作為灰化溫度。

2.2.3蒸發(fā)溫度的選擇

蒸發(fā)溫度的設(shè)定應(yīng)最好保證對懸乳液試樣中目標元素As、Sb、Cd和Tl的同時完全蒸發(fā)。實驗考察了蒸發(fā)溫度對信號強度的影響，結(jié)果如圖3d所示?？梢钥闯?，當蒸發(fā)溫度從1900℃增加到2200℃時，Tl、Sb、Cd和As的信號強度均逐漸增大;在2200～2500℃溫度范圍內(nèi)，所有目標分析物的信號強度基本變化不大，這表明試樣中所有的目標分析物均已蒸發(fā)完全，最后選定蒸發(fā)溫度為2400℃。

a—硝酸濃度； b—硝酸鈀濃度； c—灰化溫度； d—蒸發(fā)溫度。實驗中菜籽0.5%(m/V)并添加10ng/mL As、Cd、Sb。圖3 實驗條件對目標物信號強度測定結(jié)果的影響Fig.3 Effect of experimental conditions on the results of signal intensity measurements of the target: (a) HNO3 concentration; (b) Pd concentration; (c) pyrolysis temperature; (d) vaporization temperature. Adding 0.5%(w/V) rapeseed and 10ng/mL As, Cd, Sb in the experiment

2.2.4菜籽基體濃度對目標物信號強度的影響

樣品基體元素會存在同步蒸發(fā)進入電感耦合等離子體中，使其中的電離平衡發(fā)生多重平行移動，造成待測物分析信號的波動變化，在ICP-MS中通常表現(xiàn)為負效應(yīng)。懸乳液直接進樣ETV-ICP-MS同時測定As、Sb、Cd和Tl，要求油菜籽懸乳液的基體效應(yīng)必須嚴格考察，基體濃度適當把控，保證分析結(jié)果準確。就油菜籽實際樣品而言，無法進行基體匹配操作，實驗嘗試了配制一系列不同基體濃度的懸乳液。依照1.4節(jié)步驟，分別稱取12.5、25、50、75mg油菜籽(YLS-3)制樣，但其他介質(zhì)用量不變。即制備油菜籽一定濃度梯度的懸乳液，用ETV-ICP-MS分別測定各懸乳液中As、Sb、Cd和Tl的信號強度，并以基體濃度對As、Sb、Cd和Tl的信號強度作圖，結(jié)果如圖4所示。實驗表明，目標分析物75As、111Cd、121Sb和205Tl的信號強度在菜籽濃度0.25%～1.5%(m/V)的范圍內(nèi)，都基本呈線性增長。在YLS-3菜籽0.5%(m/V) 濃度懸乳液中As、Sb、Cd和Tl的信號強度分別同As 450ng/L、Sb 150ng/L、Cd 300ng/L、Tl 600ng/L水標準溶液(共存介質(zhì)3%硝酸、1%曲拉通X-100、300μg/mL硝酸鈀溶液)的ETV-ICP-MS計數(shù)值相當，說明在此制樣條件和測定參數(shù)下沒有明顯的基體效應(yīng)。實際檢測應(yīng)用中，選取0.5%(m/V)油菜籽用量，制備油菜籽懸乳液用于ETV-ICP-MS直接測定分析。

圖4 菜籽濃度對目標物信號強度的影響(樣品YLS-3)Fig.4 Effect of rapeseed concentration on signal intensity of the targets (sample YLS-3)

2.3 分析性能

按照懸乳液試樣的制備方法，平行制備5個試樣，對懸乳液直接進樣ETV-ICP-MS測定方法的重現(xiàn)性進行評價，得到該方法對As、Sb、Cd和Tl的相對標準偏差(RSD)分別為10.1%、8.8%、8.9%、6.4% [c=0.5%(m/V)，n=5]。根據(jù)IUPAC的定義，制作水溶液標準曲線及試劑空白(含有3%硝酸、1%曲拉通X-100、300μg/mL硝酸鈀溶液)，在最佳測定條件下，得到本法對As、Sb、Cd和Tl的檢出限(3σ)分別為40.0ng/L、20.0ng/L、50.0ng/L和10.0ng/L，對應(yīng)原始固體樣品的檢出限(3σ)分別為8.0ng/g、4.0ng/g、10.0ng/g和2.0ng/g。

2.4 樣品分析

對采自恩施州建始縣、巴東縣的油菜籽樣品和武漢油料作物研究所提供的菜籽樣品按照1.4節(jié)懸乳液制備方法制樣，用ETV-ICP-MS進行直接測定。所測油菜籽樣品中As、Sb、Cd和Tl的含量范圍分別在50.4～90.5ng/g、28.0～59.9ng/g、51.3～69.1ng/g、91.3～216.6ng/g(表2)。另外，為了克服多原子離子40Ar35Cl等對75As質(zhì)譜干擾，采用氦氣(He)動態(tài)碰撞池模式DC-ICP-MS測定相應(yīng)的菜籽樣品。適當增大稱樣量前處理，加入硝酸和H2O2放置過夜后，在低溫電熱板上緩慢加熱消解完全，最后通過溶液霧化 DC-ICP-MS測定，相應(yīng)含量結(jié)果一同列于表2，可以看出兩者測定結(jié)果較一致。

表2 樣品測定分析結(jié)果(n=3)

3 結(jié)論

本文改變了無機強酸濕法消解樣品前處理步驟，將懸浮和乳化同步快速進行，制備了油菜籽均勻穩(wěn)定的懸乳試液體系。通過優(yōu)化油菜籽懸乳液制備的影響因素及ETV-ICP-MS測定As、Sb、Cd和Tl的工作條件，在電熱蒸發(fā)器中，水溶液標準系列可以校準菜籽懸乳體試樣，成功建立了油菜籽懸乳體直接進樣ETV-ICP-MS同時測定As、Sb、Cd和Tl易揮發(fā)有毒重金屬的新方法。該方法前處理簡便快速，充分發(fā)揮ETV進樣優(yōu)勢，克服了常規(guī)四極桿ICP-MS檢測中多原子離子干擾問題，助推ICP-MS固體直接進樣分析的應(yīng)用。

松仁、木姜子、芝麻等也含有較高的不飽和液態(tài)油脂，產(chǎn)油率接近油菜籽，能達10%～20%。對基體效應(yīng)針對性考察后，本文方法有望應(yīng)用于這些高油脂食品中有毒易揮發(fā)元素的快捷測定。