農(nóng)作物樣品重金屬檢測的試樣制備與質(zhì)量控制

楊喜愛，肖愛平，冷鵑，程毅，廖麗萍，聶晴嵐

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南長沙410205)

據(jù)21世紀(jì)經(jīng)濟報道，至2012年我國受重金屬污染的耕地面積已達2000萬公頃，占全國總耕地面積的1/6。由于根系吸收，土壤中的重金屬進入農(nóng)作物體內(nèi)，然后通過食物鏈進入人體，對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此通過直接檢測和監(jiān)控農(nóng)作物的重金屬污染狀況，了解其發(fā)生危害的機制和規(guī)律，可以制定有效的預(yù)防和治理措施，為指導(dǎo)農(nóng)作物的安全生產(chǎn)和實行農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全認(rèn)證等方面提供有效的技術(shù)支持。

目前，用于重金屬的檢測分析一般都采用高靈敏度和高選擇性的測定技術(shù)，已具備成熟的標(biāo)準(zhǔn)分析方法，主要包括原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectroscopy，AAS)、原子熒光光譜法(A-tomic Fluorescence Spectrometry，AFS)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Inductively Coupled Plasma－Mass Spectrometry，ICP － MS)［1，4，8，13］。這三種檢測方法均要求分析試樣為離子型液體試樣，因此必須將樣品充分分解，對于農(nóng)作物樣品則必須使其中的有機物質(zhì)充分分解，使待測金屬離子形成可溶鹽后轉(zhuǎn)入溶液才能用于測試分析。主要步驟包括樣品前處理、試樣制備和檢測分析。其中前兩個步驟是檢測分析階段的前提條件，重金屬在作物體內(nèi)含量一般低于10 μg/g，屬于痕量分析，如果樣品前處理和試樣制備過程稍有不當(dāng)，就會造成樣品污染或者待檢重金屬元素成分的損失，導(dǎo)致最后的測定值和真值的偏差加大，因此必須對樣品前處理和試樣制備這兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行嚴(yán)格的過程質(zhì)量控制。

1 樣品前處理

樣品前處理過程包括樣品的采集、清洗、干燥和粉碎。采集有代表性的農(nóng)作物植株部位，比如是整株取樣還是根、莖、葉等部位的獨立取樣，如需獨立取樣應(yīng)將樣品獨立包裝，并且用不含有被測重金屬元素的材料袋包裝，盡快送達分析室，置于4℃冰箱中保存，避免與其他化學(xué)試劑混放，防止污染。將采集的樣品先用自來水洗掉附著的泥砂，然后用去離子徹底清洗以除盡其他雜質(zhì)，晾干。四分法取樣縮分，稱取一定量樣品，置于燒杯中放人烘箱，于80～105℃下烘干，然后放入干燥器中冷卻、稱量，計算樣品含水量。用不銹鋼粉碎機將干燥后的樣品粉碎，過40～60目尼龍篩，放人聚乙烯瓶中，混勻備用，經(jīng)過干燥粉碎的樣品可以儲放很長時間。對于果蔬類新鮮樣品，用組織搗碎機搗碎，制成勻漿樣品。新鮮樣品應(yīng)立即進行試樣制備，不能久放。每處理一個樣品后應(yīng)將處理工具徹底清理干凈，再用于下一個樣品的處理，以免樣品交叉污染。［2，11，14］

2 試樣制備方法與質(zhì)量控制

2.1 常壓濕法消解

又稱濕灰化法或濕氧化法，即在常壓條件下將樣品直接放在玻璃或聚四氟乙烯燒杯中，用氧化性強酸直接加熱消煮樣品，使有機物質(zhì)分解，獲得試樣溶液的過程。此法設(shè)備簡單，易于操作，危險性相對較小，因此應(yīng)用最為廣泛，適用于多種類型樣品的消解。缺點是反應(yīng)條件相對溫和，反應(yīng)時間長，消解能力一般，不適合難溶樣品的分解，不過消解時可同時加入合適催化劑以加速氧化分解。該法酸的用量大，酸中雜質(zhì)容易造成試劑空白偏高。由于是敞開式消煮，易引入外源性的交叉污染，同時一些揮發(fā)性的重金屬元素如Hg等，容易產(chǎn)生揮發(fā)損失并且造成環(huán)境污染。

常用的混酸有:HN03－HCLO4、HN03－HCl03－HClO4、HN03－HClO4－H2SO4、HN03－H2S04、H2SO4－H2O2和HNO3－H202。一般用硝酸+高氯酸或濃硫酸+高氯酸，比例一般為4:1，但如果是高脂肪、高蛋白或者高糖的樣品混酸比例則應(yīng)用5:1，該比例可以防止在加熱消解過程中爆沸。消解溫度一般低于200℃。當(dāng)瓶口開始冒白煙了而溶液顏色還是深棕色時，這說明消解還沒有達到終點，這時應(yīng)加適量硝酸繼續(xù)反應(yīng)。最后需加蒸餾水趕酸，當(dāng)有白色煙霧時即可。

該法應(yīng)防止消解過程中發(fā)生炭化，可在消解杯上面蓋一個表面皿使其產(chǎn)生回流或者加裝個漏斗減少水分的蒸發(fā)。同時注意控制溫度，剛開始控制在100℃，當(dāng)紅棕色煙散后再逐漸緩慢升高溫度。消化過程中當(dāng)溶液顏色一變深應(yīng)立即滴加硝酸，使顏色恢復(fù)到原來狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)碳化應(yīng)立即取下消煮杯放置到室溫后再滴加混合酸繼續(xù)消解，直到樣品清亮透明。盡量避免炭化，絕對避免燒干。

常壓濕法消解要注意的另一個問題就是盡可能降低污染，在消解過程中樣品與酸和容器長時間接觸，酸及容器往往就成了最大的污染源，因此應(yīng)嚴(yán)格使用優(yōu)級純酸，但市售的高純試劑也含有一定的雜質(zhì)，試劑購回后應(yīng)做空白試驗，并進行校正，扣除所得空白值后才是樣品分析值。同時通過空白試驗確定所購買的酸是否可用，否則需要對酸進行提純。應(yīng)試驗得出消解完全時酸的最少加入量，樣品消解完全后盡量將酸趕盡，以免干擾測定。其次應(yīng)選擇合適的消化容器，各種消化容器都不同程度含有無機雜質(zhì)。當(dāng)待測溶液濃度大于10－5時，器皿材料雜質(zhì)含量影響不大，當(dāng)待測溶液濃度小于10－7時，溶液中的重金屬離子可能吸附在容器上，容器中的雜質(zhì)也可能溶出而進入溶液，吸附和溶出都嚴(yán)重影響分析結(jié)果。玻璃材料器皿不適用于該法的消解處理，聚四氟乙烯材料耐化學(xué)腐蝕和熱穩(wěn)定性很好，是最合適的消解器皿［5，6，7］。

2.2 高溫干法消解

又稱干法灰化，即在較高溫度條件下破壞分解有機質(zhì)，使分析目標(biāo)礦物殘留在灰份中，用少量的酸將殘留礦物溶解，使被測元素呈可溶解狀態(tài)后制成待測液即可進行測定。干法灰化在高溫電爐中進行，適于大批量試樣分析，灰化過程受污染較少，空白值低。缺點是周期長，爐溫不均勻，灰化溫度難控制，高溫?fù)]發(fā)損失及坩堝上滯留損失嚴(yán)重，有時還會形成酸不溶性混合物，產(chǎn)生沉淀滯留損失，導(dǎo)致回收率偏低，準(zhǔn)確度下降。如何減少損失，提高方法的準(zhǔn)確度是干法灰化需要特別注意的重要問題。

灰化法需要的干樣樣品量一般小于10 g，鮮樣小于50 g，樣品量過大，易引起灰化困難或時間太長，這可能會引入新的誤差;相反，樣品太少，則可能會引入樣品缺乏均勻性的誤差，使檢測結(jié)果缺乏代表性?；一瘻囟纫话憧刂圃?00～600℃。時間通?？刂圃?～8 h。纖維素和蛋白質(zhì)含量高的樣品灰化時間較短，而脂肪和糖類含量高的樣品則需要較長時間。通常根據(jù)灰分的顏色判斷灰化是否完全，當(dāng)灰分呈白色或灰白色但不含炭粒時，則認(rèn)為灰化完全。

該法比較適用于有機物含量高的農(nóng)作物樣品，不適用于土壤和礦質(zhì)樣品。由于樣品中的汞、鉛、鎘、錫、硒等元素因高溫易揮發(fā)，導(dǎo)致測試結(jié)果偏低，因此該法也不太適合含易揮發(fā)性元素樣品的分析。但在試樣中加入一定量的助灰化劑，可以防止或降低某些重金屬元素的揮發(fā)，并且灰化前加入助劑，可促進有機物氧化分解，降低灰化溫度，使易揮發(fā)元素轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性較小的硫酸鹽和磷酸鹽，從而減少揮發(fā)損失。比如加入MgO+Mg(N03)2可以防止As的灰化損失，ZnO+Na2C03可以防止Sb的灰化損失，ZnO可以防止Hg的揮發(fā)，堿性溶劑可以防止Ge的揮發(fā)，加入少量HN03可以適當(dāng)降低Pb的揮發(fā)。

為減少樣品因溫度過高而導(dǎo)致重金屬元素的揮發(fā)，在高溫電爐灰化以前，可預(yù)先將樣品在電熱板上低溫炭化至無煙，然后移入冷的高溫電爐中，緩慢升溫至預(yù)定溫度，溫度一般控制500～550℃，并經(jīng)常變換坩堝在高溫電爐中的位置，使樣品受熱均勻，防止樣品局部過熱?；一么擅蟮挠詫討?yīng)保持完好，因為高溫時有蝕痕或部分脫釉的瓷皿器壁容易吸附金屬元素，形成難溶的硅酸鹽而產(chǎn)生損失。如果坩堝內(nèi)還有炭粒，說明灰化不徹底，這時應(yīng)取出坩堝，放冷，滴加硝酸并用小火蒸干，然后放入高溫電爐中繼續(xù)完成灰化［9，10］。

2.3 微波消解

微波消解法是將樣品放置在密閉消解罐中，通過微波加熱，在高溫高壓條件下，用強酸和氧化劑混合液快速高效分解有機質(zhì)樣品的過程。微波消解具有以下顯著優(yōu)點而成為目前最快速、準(zhǔn)確、安全的樣品消解方法。1.消解時間短。樣品直接吸收微波能以及罐內(nèi)迅速形成的高溫高壓，可使樣品在幾分鐘到二十幾分鐘內(nèi)消解完成，是電熱板消解速度的10～100倍;2.試劑用量少，空白值低。消解一個樣品一般只需15 mL的酸溶液，只有傳統(tǒng)方法用酸量的幾分之一。因為消解是在密閉罐內(nèi)進行，酸不會揮發(fā)損失，不必為保持酸的體積而繼續(xù)加酸，不僅節(jié)省試劑，也降低了分析空白值;3.避免揮發(fā)損失和樣品的污染，提高分析的準(zhǔn)確度和精密度。由于一直處于密閉狀態(tài)下反應(yīng)基本能避免樣品之間的相互污染和外部雜質(zhì)元素的干擾，同時能避免揮發(fā)性重金屬元素的損失，保證了檢測結(jié)果的可靠性，能解決含高脂肪和蛋白質(zhì)植物性難消解樣品和易揮發(fā)元素汞、砷等樣品的試樣制備難的問題;4.易于控制。微波消解系統(tǒng)能實時顯示反應(yīng)過程中密閉罐內(nèi)的壓力、溫度和時間三個參數(shù)，并能準(zhǔn)確控制，反應(yīng)的重復(fù)性好;5.降低勞動強度，改善工作環(huán)境。由于揮發(fā)的酸大大減少，能有效改善工作環(huán)境，保護測試人員的身體健康。微波消解不足之處在于儀器昂貴，一次消解樣品個數(shù)少，樣品處理量小。

使用微波消解法應(yīng)特別注意避免安全事故隱患，農(nóng)作物類樣品富含脂肪和蛋白質(zhì)類有機物質(zhì)，在密閉狀態(tài)下吸收微波能發(fā)生消解反應(yīng)，快速產(chǎn)生的CO2和NO2等氣體副產(chǎn)物產(chǎn)生很高壓力，容易發(fā)生安全事故。在進行微波消解之前，應(yīng)對消解儀器的結(jié)構(gòu)、性能、安全控制及消解罐的材料組成和理化指標(biāo)等有充分的了解。根據(jù)樣品的性質(zhì)特點以及所使用的酸的種類和用量，設(shè)定微波消解反應(yīng)壓力、溫度和時間，采用程序升溫控制模式，逐步增大功率和升高溫度，避免因快速升溫、反應(yīng)劇烈而引起的爆炸事故。微波消化植物性樣品使用HNO3－H2O2、HNO3－HClO4消解體系能得到很好的消解效果。單獨使用HNO3消解不完全。HClO4不易提純也可能會引起爆炸，應(yīng)避免使用。HNO3－H2O2是常用的混合酸，具有較強的氧化性，消解完畢后易于揮發(fā)除去，能減少對測定的干擾。為提高消解速度，在進行微波處理前可預(yù)先用混酸浸泡樣品20 min。放入樣品后，擰緊和密封好所有罐蓋，消解完畢后，待消解罐冷卻至室溫壓力下降至零后將消解罐移至通風(fēng)柜，再打開罐，以避免因溫度過高，壓力過大消解液濺出而造成檢測人員受傷害［5，7］。

3 其他控制要點

首先實驗環(huán)境的清潔程度要求非常重要，實驗室空氣中的灰塵、氣溶膠、交叉實驗產(chǎn)生的廢氣以及實驗室內(nèi)的裝置設(shè)備等都可能成為污染源，所以實驗室以及實驗設(shè)備應(yīng)保持清潔無污染，室內(nèi)盡量少開窗，避免使用金屬材料的設(shè)備。如果條件許可設(shè)置獨立的重金屬痕量分析實驗室，配備超凈工作間、通風(fēng)柜、工作臺等封閉裝置。通過這些措施可以使空氣污染降低10～100倍。其次測試人員的專業(yè)理論水平和操作習(xí)慣也直接影響著分析結(jié)果的可靠性，如分析人員污染防范意識不強、操作不規(guī)范或不細(xì)心，如用手直接觸摸樣品或?qū)嶒炂髅蟆⑹褂媒饘倨餍堤幚順悠返?，都可能?dǎo)致污染。因此分析人員應(yīng)經(jīng)過專項培訓(xùn)，具備良好的責(zé)任心和衛(wèi)生習(xí)慣，能熟練掌握痕量分析的各項要求和技能。實驗室要配備防護手套、防毒口罩和面罩，盡量減少測試人員和樣品的直接接觸，保護實驗人員免受有毒有害氣體等物質(zhì)的傷害。其次所有容器在使用前需用清洗劑仔細(xì)清洗，采用超聲波清洗器清洗，可同時升高溫度以加快清洗速度和洗滌效果，然后用自來水、蒸餾水反復(fù)沖洗，再用硝酸(1+1)充分浸泡，用去離子水沖洗干凈并在超凈環(huán)境中干燥后方可使用。如暫時不用，應(yīng)密封存放，避免空氣污染［3，6，10］。

4 結(jié)語

農(nóng)作物樣品不同于土壤等其他無機物樣品，內(nèi)含大量脂肪、蛋白質(zhì)等有機成分，整個試樣制備過程也要復(fù)雜些，首先要破壞、消解樣品中的有機質(zhì)體，使待測元素完全轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子狀態(tài)，制備成液體試樣后才能有效地進入下一步的測試分析過程。試樣(試液)的制備過程是整個測試分析過程中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是最耗時、費力的處理過程，對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性有著直接的影響。因此必須充分重視試樣制備的各個處理環(huán)節(jié)，盡量減少外來因素的污染和待測元素的損失。

農(nóng)作物樣品重金屬的分析檢測屬于痕量分析，是一個十分嚴(yán)肅精細(xì)的操作過程，對樣品本身、操作人員、環(huán)境、儀器設(shè)備、試劑以及試樣制備和檢測過程都有嚴(yán)格的要求，其中任何一環(huán)有污染或者操作不當(dāng)都有可能導(dǎo)致檢測結(jié)果的誤差，因此必須對整個檢測環(huán)境、材料和操作過程進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制才能保證檢測結(jié)果的可靠性，才能為農(nóng)作物的安全生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全、環(huán)境監(jiān)測和治理提供可靠的指導(dǎo)依據(jù)。

［1］陳煒彬，黃俊生，池泳浩，等.火焰原子吸收法測定植物葉片中Pb、Cd、Cu、Zn含量［J］.廣東微量元素科學(xué)，2004，11(7):48－51.

［2］傅素虹，林專紅.茶葉重金屬含量分析消化方法改進［J］.中國衛(wèi)生檢驗雜志，2005，15(9):1141－1143.

［3］高芹，邵勁松，余云飛.農(nóng)產(chǎn)品中重金屬痕量分析樣品制備的質(zhì)量控制［J］.監(jiān)測分析，2007，(5):102－104.

［4］金航，王元忠，楊維澤，等.電感耦合等離子體－原子發(fā)射光譜法測定滇龍膽中的鎘和鉛［J］.光譜實驗室，2010，27(5):1872－1874.

［5］羅頌華.常用食品和藥材的微波消解的條件［J］.計量與測試技術(shù)，2007，34(9):41－43.

［6］駱新崢.食品中常見的重金屬污染及檢測技術(shù)研究進展［J］.質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，201 0，(6):39－43.

［7］倪小英.稻米重金屬檢測及前處理方法研究.碩士學(xué)位論文，2008.

［8］覃志英，陳廣林，盛家榮.微波消解－火焰原子吸收光譜法測定植物樣品中的鐵［J］.檢測技術(shù)，2003，19(2):108－110.

［9］姚振興，辛?xí)詵|，司維，等.重金屬檢測方法的研究進展［J］.分析測試技術(shù)與設(shè)備，2011，17(1期):29－35.

［10］余若禎，王紅梅，方征，等.重金屬離子快速檢測技術(shù)研究與應(yīng)用進展［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2011，第1卷，5期439－442.

［11］張春盛，吳舜芳，林炳國，等.西洋參等8種中藥的重金屬檢測［J］.藥物鑒定，2009，18(17):20－22.

［12］張軍，束文圣.植物對重金屬鎘的耐受機制［J］.植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報，2006，32(1):1－8.

［13］趙愛紅，王建華，宋志剛，等.ICP—AES法測定丹參中的鎘和鉛［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2006，26(11):2137－2139.

［14］趙明，蔡葵，趙征宇.微波消解技術(shù)在農(nóng)業(yè)樣品分析中的應(yīng)用［J］.理化檢驗－化學(xué)分冊.2006，42(11):923－925.