劉淑萍 喬繼浩

(甘肅省計(jì)量研究院，蘭州 730000)

Pb、Cd、As和Cr污染屬于全球問(wèn)題，這些有毒有害元素超過(guò)耐受攝入量會(huì)對(duì)人的器官造成不同程度的傷害，引發(fā)不同的病癥[1-3]，甚至危及生命。因此，各個(gè)國(guó)家針對(duì)當(dāng)?shù)厍闆r制定了適合自己國(guó)情或區(qū)域的食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)-食品污染物限量》中對(duì)不同食品種類中的Pb、Cd、As和Cr含量作了明確的規(guī)定，其中谷物中Pb、Cd、As和Cr含量分別不高于0.2、0.1、0.5和1.0 mg/kg。歐盟發(fā)布的(EC)NO 1881/2006號(hào)法規(guī)中谷物中Pb含量不超過(guò)0.2 mg/kg，Cd含量不高于0.1 mg/kg。國(guó)際食品法典委員會(huì)(CAC)在2010年第72次會(huì)議頒布了《食品和飼料中污染物和毒素通用標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定谷物中鉛限量為0.2 mg/kg，小麥中Cd限量為0.2 mg/kg，精米中As限量為0.2 mg/kg。

目前，小麥粉中Pb，Cd，As和Cr的測(cè)量方法主要有電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法[4]，電感耦合等離子體光譜(ICP-OES)法[5]，原子吸收光譜(AAS)法，As也常用原子熒光光譜(AFS)法測(cè)量[6]。其中ICP-MS方法線性范圍寬，靈敏度好，而且能同時(shí)進(jìn)行多元素測(cè)量，具有簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確和高效等特點(diǎn)，已成為復(fù)雜基體多元素檢測(cè)的重要工具[7-8]。

本實(shí)驗(yàn)采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定小麥樣品中的Pb、Cd、As和Cr，從多方面優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件。通過(guò)對(duì)GBW(E) 100493小麥粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和 NIST SRM 1567 Wheat Flour標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值一致，可為小麥粉中多元素準(zhǔn)確可靠的檢驗(yàn)檢測(cè)提供方法參考，對(duì)保護(hù)人民身體健康具有非常重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

7900電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS (安捷倫科技有限公司)，XPR204電子天平(Mettler-Toledo公司，最小分度0.1 mg)，Multiwave PRO微波消解儀(Anton Paar公司)，ZM200碾磨儀(Retsch公司)，AS200篩分儀(Retsch公司)，Milli-Q Integral 5超純水機(jī)(Millipore公司)；DHG-9920A鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒公司)；Mastersizer2000激光粒度分析儀(馬爾文公司)。

鉛單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(GBW08619，標(biāo)準(zhǔn)值1 000 μg/mL，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院)，鎘單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(GBW08612，標(biāo)準(zhǔn)值1 000 μg/mL，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院)，砷單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(GBW08611，標(biāo)準(zhǔn)值1 000 μg/mL，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院)，鉻單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(GBW08614，標(biāo)準(zhǔn)值1 000 μg/mL，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院)，Wheat Flour(SRM 1567b，NIST)，小麥粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E) 100493，鋼研納克檢測(cè)技術(shù)有限公司)，內(nèi)標(biāo)溶液(Agilent公司)，優(yōu)級(jí)純硝酸(默克公司)，超純水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

小麥粉原材料采自于白銀市東大溝沿岸重金屬嚴(yán)重污染區(qū)，首先將采集到的小麥由脫皮機(jī)脫殼并除雜，然后進(jìn)行清洗，再置于鼓風(fēng)干燥箱中在80 ℃的條件下烘干24 h；接著用碾磨機(jī)碾磨，再用150 μm篩網(wǎng)經(jīng)篩分儀篩分；篩分后的樣品放置在360°旋轉(zhuǎn)的滾筒式均分儀中，搖至12 h，從不同位置取樣6次，用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定，計(jì)算其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%時(shí)，樣品可認(rèn)為均勻。隨后將樣品在潔凈工作臺(tái)上進(jìn)行雙層分裝，先取樣品按20 g/瓶的規(guī)格，裝入50 mL的棕色玻璃瓶中，再裝入復(fù)合膜鋁箔袋抽真空熔封。以雙層包裝主要避免樣品穩(wěn)定性遭受外界環(huán)境的影響。最后所有樣品采用60Co輻照殺菌處理，儲(chǔ)存于避光干燥處。

1.2.2 樣品消解

消解樣品前，首先在各消解罐中分別加入6 mL的分析純濃硝酸，設(shè)置清洗消解方法(見(jiàn)表1)，在微波消解儀中消解，完成后冷卻然后依次使用自來(lái)水和純凈水各沖洗2遍，重復(fù)上述清洗操作步驟1次，以保證前處理整個(gè)系統(tǒng)清潔，防止樣品污染。其次采用重量法在罐中依次稱取約0.5 g(準(zhǔn)確到0.000 1 g)的小麥粉樣品6份，小麥粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E)100493) 4份，NIST SRM 1567b標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)4份，空白2份。然后在各消解罐中依次加入優(yōu)級(jí)純濃硝酸6 mL，置于微波消解儀中消解(消解方法見(jiàn)表2)。接著將消解好的樣品轉(zhuǎn)移到帶蓋的50 mL聚乙烯管中，使用超純水清洗消解管內(nèi)壁多次，再轉(zhuǎn)移到聚乙烯管中，盡可能讓消解罐中的殘留樣品轉(zhuǎn)移完全，以防損失；最后用超純水定容至大約50 mL，準(zhǔn)確稱量，記錄稱量數(shù)據(jù)。

表1 微波消解清洗方法

表2 微波消解小麥粉方法

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線配制

用重量法依次稱取一定量(精確到0.000 1 g)Pb、Cd、As和Cr的單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)到帶蓋50 mL聚乙烯管中，加HNO3(2%)逐級(jí)稀釋成Pb為0、0.25、0.5、1、2.5和5.0 μg/kg，Cd為0、2.5、5.0、10、25和50 μg/kg，As和Cr為0、0.5、1.0、2.0、5.0和10 μg/kg的系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2.4 內(nèi)標(biāo)溶液配制

采用重量法稱量1 mg/kg的內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備溶液2.5 g(準(zhǔn)確到0.000 1 g)到50 mL聚乙烯管中配制成50 μg/kg的內(nèi)標(biāo)溶液，通過(guò)自動(dòng)進(jìn)樣方式引入。

1.2.5 樣品測(cè)定

首先對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)諧，使其靈敏度達(dá)到最佳水平，保證氧化物產(chǎn)率156CeO+/140Ce+低于1.5%，雙電荷產(chǎn)率70Ce++/140Ce+低于2.0%。

調(diào)諧后的儀器條件：RF功率1 500 W，載氣流速0.90 L/min，He流速4.3 mL/min，Omega透鏡電壓為10.8 V，Omega偏轉(zhuǎn)電壓為-80 V，提取透鏡-160 V，Deflect 1.4 V，截取錐和采樣錐均為鉑錐，PFA同心霧化器，積分時(shí)間0.3 s，采樣深度8 mm。

2 結(jié)果和討論

2.1 粒徑分布分析

小麥粉樣品粒徑分布分析采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀，將約0.2 g小麥粉樣品置于清潔的800 mL燒杯中，加入約700 mL蒸餾水作為分散劑，在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌12 s，超聲1.5 min；其后，在小麥粉的折射參數(shù)為1.52，吸光值為0.01，折光率為10%～20%的條件下，置于激光粒徑分析儀中進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)3次，通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得分析結(jié)果和樣品的粒徑分布的頻率曲線圖，小麥粉樣品分析結(jié)果和頻率分布分別見(jiàn)表3和圖1。表3中d(0.1)、d(0.5)和d(0.9)分別表示粒徑大小占10%、50%和90%的微粒量。由表3和圖1可知，此樣品中，粒徑小于130 μm的粒子大于90%，符合篩分時(shí)使用的篩網(wǎng)孔徑(150 μm)值；另外，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3%，說(shuō)明制作的小麥粉樣品粒徑分布比較均勻。

表3 小麥粉粒徑分析結(jié)果

圖1 小麥粉粒徑分布Figure 1 Particle size distribution of wheat flour.

2.2 樣品失水率

小麥粉樣品在整個(gè)制備過(guò)程中，經(jīng)過(guò)很多步驟，因此成品中會(huì)引入少量水分，尤其是打開(kāi)包裝后泄真空的樣品，易吸收外界環(huán)境中的水分。為保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，一方面消解樣品時(shí)在一定條件下提前烘干樣品；另一方面通過(guò)失水驗(yàn)證，計(jì)算樣品中的失水率進(jìn)行水分校正。本次實(shí)驗(yàn)分別在60、80和100 ℃三個(gè)溫度下進(jìn)行水分測(cè)定，首先準(zhǔn)確稱量約0.5 g(精確到0.000 1 g)的樣品，置于烘箱中干燥，每隔1 h稱量一次，記錄稱量結(jié)果，連續(xù)測(cè)量9 h，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。圖2表示，當(dāng)在60 ℃ 時(shí)，樣品烘至5 h后失水率趨向穩(wěn)定；當(dāng)溫度處于80 ℃時(shí)，烘至2 h后樣品失水率呈穩(wěn)定趨勢(shì)；而溫度處于100 ℃時(shí)，烘至2 h樣品失水率已趨向穩(wěn)定。綜合上述分析，建議在溫度為80 ℃，烘干時(shí)間為2 h時(shí)，進(jìn)行小麥粉樣品測(cè)量前的失水校正，既確保效率，也防樣品中易揮發(fā)成分損耗。

圖2 小麥粉樣品在不同溫度下的失水率對(duì)比Figure 2 Comparison of the water loss rate for different temperature in wheat folur.

2.3 同位素的選擇

元素周期表中絕大多數(shù)元素有多個(gè)同位素，選擇待測(cè)元素同位素除考慮同位素天然豐度外，還要考慮同位素的受干擾情況，通常用豐度高，干擾小的同位素為待測(cè)元素的質(zhì)量數(shù)。在Pb、Cd、As和Cr中，Pb、Cd和Cr均為多同位素元素。Pb的同位素有204Pb、206Pb、207Pb和208Pb，其相對(duì)豐度分別為1.4%、24.1%、22.1%和52.4%，其中204Pb和204Hg是同量異位素；Cd的同位素有106Cd、108Cd、110Cd、111Cd、112Cd、113Cd、114Cd和116Cd，其相對(duì)豐度分別為1.25%、0.89%、12.49%、12.80%、24.13%、12.22、28.73%和7.49%，其中106Cd、108Cd、110Cd、113Cd、114Cd、116Cd分別與106Pd、108Pd、110Pd、113In、114Sn、116Sn是同量異位素；Cr的同位素為50Cr、52Cr、53Cr和54Cr，其相對(duì)豐度分別為4.34%、83.79%、9.50%和2.37%，且50Cr、54Cr與50V、50Ti、54Fe是同量異位素。為消除ICP-MS方法測(cè)量過(guò)程中同量異位素的干擾，并結(jié)合各元素在自然界中同位素相對(duì)豐度的高低，選擇208Pb、111Cd、75As和53Cr為待測(cè)同位素。

2.4 質(zhì)譜干擾和消除

Pb、Cd、As和Cr的質(zhì)譜干擾有多原子離子、氧化物、雙電荷和同量異位素等干擾。多原子離子干擾主要有氫氧化物、氬化物和氯化物等，如40Ar35Cl+和40Ca35Cl+干擾75As+，38Ar15N+、36Ar16O1H+和40Ar13C+干擾53Cr+，94Zr16O1H+干擾111Cd+；氧化物35Cl18O+和36Ar17O+干擾53Cr+，59Co16O+干擾75As+，98Mo16O+干擾111Cd+，192Pd16O+干擾208Pb+；雙電荷是因元素的第二電離能低于Ar的第一電離能導(dǎo)致的，在這四種元素中主要是150Nd2+和150Sm2+對(duì)75As+的干擾；上述三種干擾通過(guò)優(yōu)化ICP-MS測(cè)量條件和選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)模式來(lái)消除，此次使用具有八極桿質(zhì)量分析器技術(shù)并結(jié)合He碰撞池模式來(lái)消除以上干擾。而同量異位素導(dǎo)致的干擾通過(guò)同位素的選擇予以避免。

2.5 內(nèi)標(biāo)元素選擇

小麥粉樣品基體比較復(fù)雜，既有常見(jiàn)的質(zhì)譜干擾又有復(fù)雜基體導(dǎo)致的基體效應(yīng)，而基體效應(yīng)也是元素準(zhǔn)確測(cè)量的重要干擾因素之一[9-10]。研究發(fā)現(xiàn)使用適當(dāng)?shù)膬?nèi)標(biāo)元素既可彌補(bǔ)樣品本身引起的基體效應(yīng)，提高測(cè)量的靈敏度，并能準(zhǔn)確定量各質(zhì)量段的元素[9，11]。一般用于內(nèi)標(biāo)的元素有Li、Sc、Ge、Y、Rh、In、Lu、Tb、Ho和Bi等，選擇內(nèi)標(biāo)元素時(shí)要求樣品本身應(yīng)不含有內(nèi)標(biāo)元素；而且內(nèi)標(biāo)元素的質(zhì)量數(shù)和第一電離能與待測(cè)的元素相接近，加入內(nèi)標(biāo)的濃度最好是標(biāo)準(zhǔn)曲線的中間范圍，多元素分析時(shí)最好選用雙內(nèi)標(biāo)和多內(nèi)標(biāo)。加入內(nèi)標(biāo)前，首先對(duì)樣品進(jìn)行全元素半定量分析，發(fā)現(xiàn)樣品中含有Li、Sc、Ge的量較大，而Y是調(diào)諧的關(guān)鍵元素，故Pb、Cd、As和Cr分別選擇Bi、In和Rh作為內(nèi)標(biāo)元素，內(nèi)標(biāo)在線加入濃度為50 μg/kg，其回收率在85.0%～115%。

圖3 小麥粉中Pb、Cd、As 和Cr元素ICP-MS分析內(nèi)標(biāo)回收率Figure 3 Internal standard recovery of Pb，Cd，As and Cr in wheat flour by ICP-MS.

2.6 校準(zhǔn)曲線繪制

用配制的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，待測(cè)元素的信號(hào)和內(nèi)標(biāo)元素信號(hào)的比值(比率)為縱坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度為橫坐標(biāo)，見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)Pb、Cd、As和Cr分別在0～5、0～50、0～10和0～10 μg/kg質(zhì)量濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均大于0.999 9。

圖4 ICP-MS法測(cè)量小麥粉中Pb Cd As 和Cr的校準(zhǔn)曲線Figure 4 Calibration curve of Pb Cd As and Cr in wheat flour by ICP-MS.

2.7 檢出限和定量限

首先，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線校正重復(fù)測(cè)量空白溶液11次，計(jì)算11次空白結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)，標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍(3s)，即為檢出限(DL)；而標(biāo)準(zhǔn)偏差的10倍(10s)則為定量限(QL)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 小麥粉中Pb Cd As 和Cr元素的檢出限和定量限

2.8 測(cè)量結(jié)果

將消解好的樣品溶液通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對(duì)Pb、Cd、As和Cr元素按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品平行測(cè)定2次，由表5計(jì)算結(jié)果可知Pb、Cd、As和Cr元素在小麥粉樣品中含量分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)表示為0.110、2.70、0.289和0.416 mg/kg，其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.003 1、0.042 6、0.005 4和0.017 1 mg/kg；相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.82%、1.58%、1.87%和4.11%，均小于5%，說(shuō)明該方法測(cè)量精度較好。

表5 小麥粉中Pb、Cd、As、Cr元素含量測(cè)定結(jié)果

2.9 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確可靠，選擇了NIST SRM1567b和GBW(E)100493小麥粉有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行方法驗(yàn)證，同時(shí)用歸一化偏差(En)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。由表6中驗(yàn)證和評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，各元素的測(cè)定結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值是一致的，說(shuō)明用于各元素定值的方法是準(zhǔn)確可靠的。

表6 小麥粉中Pb Cd As和Cr元素測(cè)定方法驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)論

采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定小麥粉中的Pb、Cd、As和Cr含量，Pb、Cd、As和Cr分別在0～5、0～50、0～10和0～10 μg/kg質(zhì)量濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均大于0.999 9；各元素測(cè)定結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%；通過(guò)檢出限和定量限的結(jié)果顯示該方法可滿足絕大部分類似基體樣品的測(cè)定。同時(shí)使用NIST SRM 1567b和GBW(E)100493標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)所采用的方法是準(zhǔn)確可靠的，可用于類似食品基體中這些元素的檢驗(yàn)檢測(cè)。