劉秀紅，劉偉偉，路貝佳，趙墨濃，林聰

江西科技師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南昌 330038

1 引言

鎘作為一種環(huán)境污染物，因具有極大毒性和致突變性被美國(guó)毒物管理委員會(huì)列為第六位危及人類健康的有毒物質(zhì)[1]。在正常環(huán)境狀態(tài)下，鎘含量極低，不會(huì)影響人體健康。近幾十年由于國(guó)家工業(yè)、礦業(yè)的大力發(fā)展，而環(huán)保設(shè)施的投入又未能同步跟進(jìn)，導(dǎo)致部分企業(yè)直接將含重金屬鎘的廢水直排入土壤、農(nóng)田或其他水源中，嚴(yán)重污染了土地和水質(zhì)，被污染的土地種植的作物也會(huì)被污染[2]，其中水稻對(duì)鎘具有較強(qiáng)的吸收和富集能力，是典型的“受害作物”。人長(zhǎng)期食用被鎘污染的大米會(huì)產(chǎn)生慢性中毒，損害骨骼、腎臟和消化系統(tǒng)[3]，造成嚴(yán)重的危害，例如1968年發(fā)生在日本富山縣的“痛痛病”，即是由于人們食用了鎘污染的稻米引起的[4]。因此指導(dǎo)學(xué)生對(duì)大米中的鎘含量進(jìn)行定量分析既具有非常重大的環(huán)保意義，又貼近日常生活，容易激發(fā)學(xué)生的研究興趣。

目前高校開(kāi)設(shè)的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括經(jīng)典分析實(shí)驗(yàn)和儀器分析實(shí)驗(yàn)，前者注重讓學(xué)生掌握規(guī)范的實(shí)驗(yàn)基本操作技能，后者則側(cè)重于指導(dǎo)學(xué)生掌握儀器的工作原理和基本操作，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較單一[5,6]，均以教師的講授為主，學(xué)生照著操作步驟練習(xí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中師生的互動(dòng)和研討較少，而且主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主[7,8]，對(duì)基質(zhì)較復(fù)雜的實(shí)際樣品的全過(guò)程分析實(shí)驗(yàn)則較少，忽視了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)分析全過(guò)程的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的能力，無(wú)法獲得準(zhǔn)確度高的分析結(jié)果，不能真正達(dá)到“分析”的要求[9,10]。針對(duì)這些問(wèn)題，我們挖掘出一項(xiàng)以分析全過(guò)程為導(dǎo)向的分析化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)——石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定大米中的鎘含量，本實(shí)驗(yàn)做了如下設(shè)計(jì)：

(1) 為了加深學(xué)生對(duì)分析全過(guò)程的理解，并掌握如何關(guān)注到分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，本實(shí)驗(yàn)以大米作為分析試樣，內(nèi)容涵蓋從樣品的制備、方法的適用性驗(yàn)證、前處理、上機(jī)分析和數(shù)據(jù)處理以及每一步如何做好質(zhì)量保證和質(zhì)量控制等步驟，確保獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，并能依據(jù)判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該結(jié)果進(jìn)行合格與否的判定(是否符合限量要求)。具體的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制措施包括空白實(shí)驗(yàn)平行樣的測(cè)定、多平行精密度實(shí)驗(yàn)、添加回收實(shí)驗(yàn)、有證參考物質(zhì)(或質(zhì)控樣品)的使用，增強(qiáng)學(xué)生質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的意識(shí)，過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 大米中鎘含量的分析全過(guò)程

(2) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇和應(yīng)用是分析工作者應(yīng)具備的一項(xiàng)基本能力。本實(shí)驗(yàn)綜合考慮實(shí)驗(yàn)室條件和安全性因素，參考了國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.15–2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》中的干法灰化法對(duì)樣品進(jìn)行前處理，但由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定干法灰化法對(duì)食品的灰化溫度為500 °C，灰化時(shí)間6–8 h，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)不但耗時(shí)長(zhǎng)而且大米樣品難以一次性灰化完全[11]，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程需耗時(shí)約18 h，不符合教學(xué)的要求，因此我們對(duì)樣品的前處理進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使得整個(gè)灰化效果提升，灰化時(shí)間大大縮短，分析結(jié)果準(zhǔn)確，能夠保證實(shí)驗(yàn)在規(guī)定8學(xué)時(shí)內(nèi)完成。

(3) 為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)消除系統(tǒng)誤差的重要性的認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了樣品空白污染實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生如何分析系統(tǒng)誤差，提高學(xué)生探究問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

本實(shí)驗(yàn)將應(yīng)用與研究合二為一，難度適中、可操作性強(qiáng)、與所學(xué)的分析化學(xué)理論知識(shí)聯(lián)系緊密、綜合性較強(qiáng)，適用于高校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室以小組制、項(xiàng)目化的形式向?qū)W生開(kāi)放，激發(fā)學(xué)生的研究性思維。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

大米試樣經(jīng)灰化消解后，注入一定量樣品消化液于原子吸收分光光度計(jì)石墨爐中，電熱原子化后吸收228.8 nm共振線，在一定濃度范圍內(nèi)，其吸光度值與鎘含量成正比，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法定量。

2.2 試劑或材料

(1) 試劑：硝酸溶液(1%，取10.0 mL硝酸加入100 mL水中，稀釋至1000 mL)。

(2) 國(guó)家認(rèn)證并授予標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：鎘的標(biāo)準(zhǔn)溶液(1000 mg·L-1，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心，GSB 04-1721–2004，純度≥ 99.8%)。

(3) 國(guó)家認(rèn)證并授予標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書的實(shí)物標(biāo)樣：大米粉(鎘含量0.116 ± 0.014 mg·kg-1，國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院，METAL-DJTZK-028)。

(4) 試樣：大米(鄱陽(yáng)縣金田米業(yè)有限公司，生產(chǎn)日期：2021/4/11，保質(zhì)期：6個(gè)月，10 kg包裝)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

(1) 鎘標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(100 μg·L-1)：準(zhǔn)確吸取鎘的標(biāo)準(zhǔn)溶液(1000 mg·L-1) 1.0 mL于100 mL容量瓶中，用硝酸溶液(1%)定容至刻度，如此經(jīng)逐級(jí)稀釋法稀釋成100 μg·L-1的鎘的標(biāo)準(zhǔn)使用液。

(2) 鎘標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液：準(zhǔn)確吸取鎘的標(biāo)準(zhǔn)使用液0、0.20、0.50、1.0、2.0、3.0 mL于100 mL容量瓶中，用硝酸溶液(1%)定容至刻度，即得0、0.20、0.50、1.0、2.0、3.0 μg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。

2.4 儀器和表征方法

(1) 儀器名稱、型號(hào)與生產(chǎn)廠家見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及規(guī)格

(2) 測(cè)定條件見(jiàn)表2。

表2 石墨爐原子吸收光譜儀測(cè)定鎘含量的儀器條件

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 樣品的縮分和制備。

縮分：將購(gòu)得的大米堆裝好，在堆的各處分別采樣，混合均勻后按四分法對(duì)角取樣，縮分至200 g。

制樣：將大米研磨成均勻的樣品，過(guò)40目篩，使其顆粒度不大于0.425 mm，分成兩份，一份留樣，另一份供分析檢測(cè)用。兩份樣品均儲(chǔ)于潔凈的密封袋中，并標(biāo)明標(biāo)記，于室溫、通風(fēng)良好條件下保存?zhèn)溆?，?shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 樣品的采集、縮分和制備過(guò)程

(2) 樣品空白的測(cè)定。

為了加深學(xué)生對(duì)系統(tǒng)誤差的認(rèn)識(shí)，我們選擇了兩批玻璃儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中一批只用去離子水清洗干凈，而另一批則按照要求以硝酸-水溶液(V(硝酸) :V(水) = 1 : 4)浸泡24 h以上，用水反復(fù)沖洗，最后用去離子水沖洗干凈。然后分別用兩批玻璃儀器進(jìn)行樣品空白的測(cè)定，除不加入試樣以外，其他實(shí)驗(yàn)條件均相同，均平行測(cè)定6份。

(3) 干法灰化法實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化。

稱取制備好的大米粉試樣0.3–0.5 g(精確到0.1 mg)于坩堝中，在電熱板上小火炭化至無(wú)煙，然后移入馬弗爐中分別在550、600、650 °C溫度下灰化1 h后取出坩堝，冷卻后小心加入1 mL濃硝酸，在電熱板上小火炭化至酸蒸干后，繼續(xù)移入馬弗爐中分別在550、600、650 °C溫度下灰化1 h，要求試樣消化至呈灰白色。取出冷卻后用硝酸(1%)將消解液洗入10 mL容量瓶中，定容至刻度。同時(shí)做試劑空白實(shí)驗(yàn)和添加回收實(shí)驗(yàn)。

(4) 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

設(shè)定好儀器測(cè)定條件后，準(zhǔn)確吸取10 μL鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液(0、0.20、0.50、1.00、2.00、3.00 μg·L-1)置于石墨爐中測(cè)定吸光度值，根據(jù)吸光光度值與濃度的線性關(guān)系建立標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。

(5) 方法檢出限和定量限的測(cè)定。

測(cè)定20次樣品空白溶液的吸光度值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)公式計(jì)算檢出限和定量限。

(6) 樣品的測(cè)定。

精密度實(shí)驗(yàn)：稱取6份已制備好的大米粉試樣0.3–0.5 g(精確到0.1 mg)至坩堝中；

準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)：稱取2份已制備好的大米粉試樣0.3–0.5 g(精確到0.1 mg)，往其中加入標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg·L-1，100 μL) 至坩堝中；另外稱取2份國(guó)家認(rèn)證并授予標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書的實(shí)物標(biāo)樣0.3–0.5 g(精確到0.1 mg)至坩堝中。

將稱量好的樣品移至電熱板上小火炭化至無(wú)煙后，在優(yōu)化好的灰化條件下進(jìn)行灰化至試樣消化完全呈灰白色或淺灰色。取出冷卻后用硝酸(1%)將消解液洗入10 mL容量瓶中，定容至刻度。同時(shí)進(jìn)行樣品空白測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品空白的測(cè)定，排除系統(tǒng)誤差

樣品空白實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。由于所測(cè)定試樣中的鎘含量在痕量級(jí)別，空白值的高低對(duì)于準(zhǔn)確定量非常重要，若空白值太高則考慮存在系統(tǒng)誤差，需要消除。從表中數(shù)據(jù)可以看出未用硝酸浸泡過(guò)的玻璃容器表面容易附著污染物，樣品空白值較高，而浸泡過(guò)后的樣品空白值正常，系統(tǒng)誤差被消除。

表3 樣品空白測(cè)定值

3.2 干法灰化法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同灰化溫度和灰化時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。數(shù)據(jù)表明灰化溫度達(dá)到600 °C和650 °C時(shí)樣品可以灰化完全，雖然650 °C時(shí)樣品灰化至完全所需的時(shí)間較短，但是回收率有所下降，說(shuō)明在灰化過(guò)程中鎘元素有損失。因此，對(duì)大米樣品的灰化最佳溫度為600 °C，前后分別灰化1 h，大大縮短了實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間，而且不會(huì)造成鎘損失，可以保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。

表4 不同灰化溫度下灰化時(shí)間和添加回收率

3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

對(duì)不同濃度的鎘標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液進(jìn)行吸光度的測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5，根據(jù)結(jié)果繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，見(jiàn)圖3。所得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y= 0.0994x+ 0.0048，R2= 0.998，表明吸光度與鎘的標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度之間的線性關(guān)系良好，符合分析的要求[12]。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

表5 不同濃度的鎘標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液的吸光度

3.4 檢出限和定量限

在相同實(shí)驗(yàn)條件下用石墨爐原子吸收光譜法對(duì)20份空白樣品溶液進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表6，按照式(1)計(jì)算檢出限[12,13]：

按照式(2)計(jì)算定量限：

由表6可知，鎘的檢出限為0.0003 mg·kg-1，定量限為0.001 mg·kg-1，能滿足國(guó)標(biāo)要求的檢出限和定量限[14]。由此可見(jiàn)，現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)條件能滿足大米中鎘含量的檢測(cè)要求。

表6 方法檢出限的測(cè)定結(jié)果

3.5 樣品的測(cè)定及數(shù)據(jù)分析

從表7可以看出樣品空白中的鎘為未檢出，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由試劑或環(huán)境引入的系統(tǒng)誤差在可控狀態(tài)。對(duì)該試樣中的鎘含量進(jìn)行6次平行測(cè)定，RSD值為5.7%，可見(jiàn)精密度符合標(biāo)準(zhǔn)的要求[12]；試樣添加回收實(shí)驗(yàn)的回收率范圍為104%–109%，滿足在80%–110%范圍內(nèi)[12]。此外，對(duì)實(shí)物標(biāo)樣的分析結(jié)果也在0.116 ± 0.014 mg·kg-1范圍之內(nèi)。添加回收實(shí)驗(yàn)和實(shí)物標(biāo)樣分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明結(jié)果的準(zhǔn)確度是可靠的，表明了整個(gè)分析過(guò)程均是在可控狀態(tài)下進(jìn)行。對(duì)6次平行分析試樣中的鎘含量求平均值得0.0247 mg·kg-1，根據(jù)GB 2762–2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》可以判定該試樣中的鎘含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求[15]。

表7 大米樣品檢測(cè)及分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本教學(xué)實(shí)驗(yàn)以分析全過(guò)程為導(dǎo)向，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)與探索如何對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化處理，縮短了國(guó)標(biāo)中干法灰化法消解試樣的時(shí)間，便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用；如何實(shí)施質(zhì)量保證和質(zhì)量控制措施以保證分析的全過(guò)程可控，培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用質(zhì)量保證和質(zhì)量控制技術(shù)的能力；如何對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和結(jié)果判定，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大米中鎘含量的準(zhǔn)確定量。本實(shí)驗(yàn)將應(yīng)用與研究合二為一，難度適中、可操作性強(qiáng)、與所學(xué)的分析化學(xué)理論知識(shí)聯(lián)系緊密、綜合性較強(qiáng)，適用于高校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室以小組制、項(xiàng)目化的形式向?qū)W生開(kāi)放，環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能提升學(xué)生的探究興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、激發(fā)學(xué)生的研究性思維。