劉淑萍 喬繼浩

(甘肅省計量研究院，蘭州 730000)

Pb、Cd、As和Cr污染屬于全球問題，這些有毒有害元素超過耐受攝入量會對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，各個國家針對當?shù)厍闆r制定了適合自己國情或區(qū)域的食品污染物限量標準。我國GB 2762—2017《食品安全國家標準-食品污染物限量》中對不同食品種類中的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號法規(guī)中谷物中Pb含量不超過0.2 mg/kg，Cd含量不高于0.1 mg/kg。國際食品法典委員會(CAC)在2010年第72次會議頒布了《食品和飼料中污染物和毒素通用標準》，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)法測量[6]。其中ICP-MS方法線性范圍寬，靈敏度好，而且能同時進行多元素測量，具有簡便、快捷、準確和高效等特點，已成為復雜基體多元素檢測的重要工具[7-8]。

本實驗采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定小麥樣品中的Pb、Cd、As和Cr，從多方面優(yōu)化了實驗條件。通過對GBW(E) 100493小麥粉成分分析標準物質(zhì)和 NIST SRM 1567 Wheat Flour標準物質(zhì)進行驗證，測定結果與標準值一致，可為小麥粉中多元素準確可靠的檢驗檢測提供方法參考，對保護人民身體健康具有非常重要的意義。

1 實驗部分

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(Millipore公司)；DHG-9920A鼓風干燥箱(上海一恒公司)；Mastersizer2000激光粒度分析儀(馬爾文公司)。

鉛單元素標準儲備溶液(GBW08619，標準值1 000 μg/mL，中國計量科學研究院)，鎘單元素標準儲備溶液(GBW08612，標準值1 000 μg/mL，中國計量科學研究院)，砷單元素標準儲備溶液(GBW08611，標準值1 000 μg/mL，中國計量科學研究院)，鉻單元素標準儲備溶液(GBW08614，標準值1 000 μg/mL，中國計量科學研究院)，Wheat Flour(SRM 1567b，NIST)，小麥粉成分分析標準物質(zhì)(GBW(E) 100493，鋼研納克檢測技術有限公司)，內(nèi)標溶液(Agilent公司)，優(yōu)級純硝酸(默克公司)，超純水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 實驗方法

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重污染區(qū)，首先將采集到的小麥由脫皮機脫殼并除雜，然后進行清洗，再置于鼓風干燥箱中在80 ℃的條件下烘干24 h；接著用碾磨機碾磨，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)譜法測定，計算其相對標準偏差小于5%時，樣品可認為均勻。隨后將樣品在潔凈工作臺上進行雙層分裝，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，設置清洗消解方法(見表1)，在微波消解儀中消解，完成后冷卻然后依次使用自來水和純凈水各沖洗2遍，重復上述清洗操作步驟1次，以保證前處理整個系統(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(準確到0.000 1 g)的小麥粉樣品6份，小麥粉成分分析標準物質(zhì)(GBW(E)100493) 4份，NIST SRM 1567b標準物質(zhì)4份，空白2份。然后在各消解罐中依次加入優(yōu)級純濃硝酸6 mL，置于微波消解儀中消解(消解方法見表2)。接著將消解好的樣品轉移到帶蓋的50 mL聚乙烯管中，使用超純水清洗消解管內(nèi)壁多次，再轉移到聚乙烯管中，盡可能讓消解罐中的殘留樣品轉移完全，以防損失；最后用超純水定容至大約50 mL，準確稱量，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 標準曲線配制

用重量法依次稱取一定量(精確到0.000 1 g)Pb、Cd、As和Cr的單元素溶液標準物質(zhì)到帶蓋50 mL聚乙烯管中，加HNO3(2%)逐級稀釋成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的系列混合標準溶液。

1.2.4 內(nèi)標溶液配制

采用重量法稱量1 mg/kg的內(nèi)標儲備溶液2.5 g(準確到0.000 1 g)到50 mL聚乙烯管中配制成50 μg/kg的內(nèi)標溶液，通過自動進樣方式引入。

1.2.5 樣品測定

首先對儀器進行調(diào)諧，使其靈敏度達到最佳水平，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，積分時間0.3 s，采樣深度8 mm。

2 結果和討論

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行測定，每個樣品重復3次，通過數(shù)據(jù)處理獲得分析結果和樣品的粒徑分布的頻率曲線圖，小麥粉樣品分析結果和頻率分布分別見表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%，符合篩分時使用的篩網(wǎng)孔徑(150 μm)值；另外，每個樣品重復測定3次，測定結果的標準偏差均小于3%，說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

小麥粉樣品在整個制備過程中，經(jīng)過很多步驟，因此成品中會引入少量水分，尤其是打開包裝后泄真空的樣品，易吸收外界環(huán)境中的水分。為保證測量結果準確可靠，一方面消解樣品時在一定條件下提前烘干樣品；另一方面通過失水驗證，計算樣品中的失水率進行水分校正。本次實驗分別在60、80和100 ℃三個溫度下進行水分測定，首先準確稱量約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，記錄稱量結果，連續(xù)測量9 h，測量結果如圖2所示。圖2表示，當在60 ℃ 時，樣品烘至5 h后失水率趨向穩(wěn)定；當溫度處于80 ℃時，烘至2 h后樣品失水率呈穩(wěn)定趨勢；而溫度處于100 ℃時，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 ℃，烘干時間為2 h時，進行小麥粉樣品測量前的失水校正，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)元素有多個同位素，選擇待測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方法測量過程中同量異位素的干擾，并結合各元素在自然界中同位素相對豐度的高低，選擇208Pb、111Cd、75As和53Cr為待測同位素。

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的第一電離能導致的，在這四種元素中主要是150Nd2+和150Sm2+對75As+的干擾；上述三種干擾通過優(yōu)化ICP-MS測量條件和選擇適當?shù)谋O(jiān)測模式來消除，此次使用具有八極桿質(zhì)量分析器技術并結合He碰撞池模式來消除以上干擾。而同量異位素導致的干擾通過同位素的選擇予以避免。

2.5 內(nèi)標元素選擇

小麥粉樣品基體比較復雜，既有常見的質(zhì)譜干擾又有復雜基體導致的基體效應，而基體效應也是元素準確測量的重要干擾因素之一[9-10]。研究發(fā)現(xiàn)使用適當?shù)膬?nèi)標元素既可彌補樣品本身引起的基體效應，提高測量的靈敏度，并能準確定量各質(zhì)量段的元素[9，11]。一般用于內(nèi)標的元素有Li、Sc、Ge、Y、Rh、In、Lu、Tb、Ho和Bi等，選擇內(nèi)標元素時要求樣品本身應不含有內(nèi)標元素；而且內(nèi)標元素的質(zhì)量數(shù)和第一電離能與待測的元素相接近，加入內(nèi)標的濃度最好是標準曲線的中間范圍，多元素分析時最好選用雙內(nèi)標和多內(nèi)標。加入內(nèi)標前，首先對樣品進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)諧的關鍵元素，故Pb、Cd、As和Cr分別選擇Bi、In和Rh作為內(nèi)標元素，內(nèi)標在線加入濃度為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)標回收率Figure 3 Internal standard recovery of Pb，Cd，As and Cr in wheat flour by ICP-MS.

2.6 校準曲線繪制

用配制的標準系列溶液繪制標準工作曲線，待測元素的信號和內(nèi)標元素信號的比值(比率)為縱坐標，標準溶液的濃度為橫坐標，見圖4。由圖4可見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)呈線性關系，其相關系數(shù)均大于0.999 9。

圖4 ICP-MS法測量小麥粉中Pb Cd As 和Cr的校準曲線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，通過標準曲線校正重復測量空白溶液11次，計算11次空白結果的標準偏差(s)，標準偏差的3倍(3s)，即為檢出限(DL)；而標準偏差的10倍(10s)則為定量限(QL)，結果見表4。

表4 小麥粉中Pb Cd As 和Cr元素的檢出限和定量限

2.8 測量結果

將消解好的樣品溶液通過電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對Pb、Cd、As和Cr元素按照實驗方法進行測定，每個樣品平行測定2次，由表5計算結果可知Pb、Cd、As和Cr元素在小麥粉樣品中含量分別用質(zhì)量分數(shù)(w)表示為0.110、2.70、0.289和0.416 mg/kg，其標準偏差分別為0.003 1、0.042 6、0.005 4和0.017 1 mg/kg；相對標準偏差分別為2.82%、1.58%、1.87%和4.11%，均小于5%，說明該方法測量精度較好。

表5 小麥粉中Pb、Cd、As、Cr元素含量測定結果

2.9 準確度實驗

為了驗證該方法的準確可靠，選擇了NIST SRM1567b和GBW(E)100493小麥粉有證標準物質(zhì)進行方法驗證，同時用歸一化偏差(En)對結果進行評價。由表6中驗證和評價結果顯示，各元素的測定結果和標準值是一致的，說明用于各元素定值的方法是準確可靠的。

表6 小麥粉中Pb Cd As和Cr元素測定方法驗證結果

3 結論

采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定小麥粉中的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)呈良好的線性關系，其相關系數(shù)均大于0.999 9；各元素測定結果相對標準偏差均小于5%；通過檢出限和定量限的結果顯示該方法可滿足絕大部分類似基體樣品的測定。同時使用NIST SRM 1567b和GBW(E)100493標準物質(zhì)驗證了本實驗所采用的方法是準確可靠的，可用于類似食品基體中這些元素的檢驗檢測。