食品中重金屬快速檢測的前處理研究進(jìn)展

韓晉輝，翟培

(廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510520)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染所導(dǎo)致的食品安全問題引起了社會的廣泛關(guān)注。國土部門數(shù)據(jù)顯示，我國每年受重金屬污染的糧食高達(dá)1 200萬t，約10%的稻米存在鎘超標(biāo)的問題;國家海洋局《2008年中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》提供的數(shù)據(jù)表明，我國近岸海域部分貝類體內(nèi)的鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)殘留水平超過第Ⅳ類海洋生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中個(gè)別站位貝類體內(nèi)As的殘留超第3類海洋生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。重金屬污染已成為引起食品安全問題的主要原因之一。為了避免重金屬引起的食品安全問題，不僅需要加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管力度，杜絕環(huán)境污染事件發(fā)生，也需要在食品原料、生產(chǎn)、流通的過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)重金屬污染問題。

食品中重金屬的含量較少而且形態(tài)多樣，檢測時(shí)需要采用適當(dāng)?shù)臉悠非疤幚矸椒?，以提取分離待測元素。實(shí)驗(yàn)室檢測常用的前處理方法有:干法消化法和濕法消化法，但都耗時(shí)較長。樣品前處理已成為食品安全快速檢測重金屬的主要限速因素之一，目前已引起了廣大學(xué)者的關(guān)注，快速、簡便、提取率高、適合現(xiàn)場檢測的樣品前處理方法已成為重金屬檢測研究的熱點(diǎn)。高效的樣品前處理技術(shù)與食品安全快檢技術(shù)聯(lián)用，可以有效減少基體干擾對快檢過程的影響，提高快檢準(zhǔn)確度，是發(fā)展準(zhǔn)確定量食品安全快檢技術(shù)的關(guān)鍵所在［1］。目前常見的快速檢測重金屬樣品的預(yù)處理方法有:微波消解技術(shù)、酸浸提技術(shù)、萃取技術(shù)等。

1 微波消解技術(shù)

微波消解法是近年來比較熱門的樣品處理技術(shù)，即將樣品置于聚四氟乙烯消解罐中，加入濃酸，再將消解罐置于消解儀的微波場中，在微波電場的作用下，分子間由于高速的碰撞和摩擦而產(chǎn)生高熱，迅速加熱了酸和溶質(zhì)，密封罐內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)及放熱，并產(chǎn)生大量氣體，形成容器內(nèi)的高壓氛圍，提高了溶樣酸的沸點(diǎn)、氧化能力和活性。微波消解食品樣品時(shí)最常使用的酸是硝酸，硝酸是一種強(qiáng)氧化劑，是可獲得超高純度、適用于痕量元素分析所需的強(qiáng)酸之一，廣泛用于釋放生物和植物樣品中痕量元素。食物樣品中大部分為有機(jī)成分，在消解過程中會產(chǎn)生大量CO2及硝酸的還原產(chǎn)物NO2，因此當(dāng)消解反應(yīng)開始后，反應(yīng)體系內(nèi)壓強(qiáng)會迅速增加，硝酸在1.01×105Pa下，沸點(diǎn)是120℃，而當(dāng)壓力提升到5.05×105Pa時(shí)，其沸點(diǎn)可達(dá)到176℃，可以大大加快樣品的消解速度。食物樣品一般不含難消解的物質(zhì)，微波消解時(shí)應(yīng)注意樣品和加入酸的量，減少消解過程中體系內(nèi)的氣體量，大量的氣體不利于消解結(jié)束時(shí)系統(tǒng)的降溫和降壓。研究表明，當(dāng)食物中油脂含量較大時(shí)，應(yīng)采用更大的消解壓力、增加消解時(shí)間或加入H2O2等試劑以保證樣品的完全消解。

微波消解法結(jié)合了高壓消解和微波快速加熱2個(gè)方面的性能進(jìn)而加快了樣品的消解速度。大量研究表明，微波消解法能更有效地萃取各種固體樣品中的金屬元素，且由于樣品處于密閉容器中，也避免了待測元素的損失和可能造成的污染。微波消解法已被收錄為美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)的標(biāo)準(zhǔn)方法，許多重金屬快速檢測的研究都把微波消解作為樣品處理的主要手段，加之商品化的微波消解裝置已經(jīng)成熟，使得該技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品中重金屬的實(shí)驗(yàn)室檢測和食品安全現(xiàn)場快速檢測當(dāng)中。大量的試驗(yàn)證明(表1)，微波消解法適用于不同重金屬檢測方法的樣品前處理，利用微波消解法進(jìn)行食品樣品前處理，和國標(biāo)方法相比消化時(shí)間短、消解完全、結(jié)果準(zhǔn)確，精密度和準(zhǔn)確度都較好［2］。

2 酸提取技術(shù)

酸提取法又叫酸浸提法，是利用HCl、HNO3等酸對金屬元素具有強(qiáng)的溶解能力，選擇提取樣品中的待測元素。對于食品樣品，酸浸提時(shí)濃度不宜過高，尤其是謹(jǐn)慎使用H2SO4及HClO4，原因是當(dāng)酸濃度較高時(shí)基質(zhì)分解程度加劇，易造成較強(qiáng)的基體干擾。酸提取方法操作簡便、快速準(zhǔn)確、干擾少，是一種較為理想的樣品預(yù)處理方法。目前在食品重金屬快速檢測中有較廣泛的應(yīng)用，具體見表2。與常規(guī)樣品預(yù)處理技術(shù)相比，酸提取時(shí)加熱溫度不超過100℃，可以有效減少金屬元素的損失，尤其是在測定鉛、砷、汞3種元素時(shí)，李海等用超聲輔助酸提取，測定油脂類食品中鉛的條件試驗(yàn)，方法回收率為86.7% ～103.0%［8］。

表1 微波消解法分離提取重金屬的應(yīng)用

表2 酸提取技術(shù)分離重金屬的應(yīng)用

由表2可以知，酸提取技術(shù)對于重金屬的提取率因重金屬以及提取方法不同而有差異，在使用過程中對于試驗(yàn)設(shè)備和條件要求不高。因此，酸提取技術(shù)可以作為食品中重金屬快速檢測的樣品前處理技術(shù)適用于半定性、半定量的現(xiàn)場快速檢測，便于食品安全監(jiān)管人員在現(xiàn)場進(jìn)行問題樣品的篩選。

3 萃取技術(shù)

食品中限量元素含量甚微，不少金屬元素的含量很低，一般在10-3～10-6g/L水平，有的甚至達(dá)到10-9g/L，萃取技術(shù)被廣泛用于食品測定前進(jìn)行富集提取，以提高檢測方法的靈敏度。常用的方法主要有固相萃取、微萃取、絡(luò)合溶劑萃取等富集分離技術(shù)。目前，萃取技術(shù)已能與食品安全快檢技術(shù)聯(lián)用，建立適于復(fù)雜食品樣品分析的快檢方法，該方法多運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室快速檢測或檢測車中的車載色譜檢測。

3.1 固相萃取 固相萃取技術(shù)(SPE)是一種用于樣品分離、純化、濃縮的重要的樣品前處理手段。主要利用樣品流經(jīng)固體吸附劑時(shí)，不同化合物與吸附劑間的吸附與解吸附作用，將液體樣品中的目標(biāo)化合物與樣品基底以及干擾化合物分離，再通過洗脫液迅速洗脫，達(dá)到分離和富集的效果。SPE具有回收率和富集倍數(shù)高、有機(jī)溶劑用量少、無相分離操作、能處理微量樣品和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。近年來，高分子材料合成技術(shù)、分子印跡技術(shù)等新技術(shù)與傳統(tǒng)固相萃取技術(shù)相結(jié)合，衍生出眾多技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新。常用的固相萃取劑有:鍵合硅膠、樹脂、分子印跡聚合物等。

3.1.1 鍵合硅膠。目前使用最為廣泛的固相萃取材料是鍵合硅膠，它的應(yīng)用推動(dòng)了固相萃取技術(shù)的迅速發(fā)展。在所有的鍵合硅膠中，目前使用最多的是C18鍵合硅膠。與其他材料比較，鍵合硅膠在重金屬檢測樣品前處理中具有吸附速度快、吸附容量高、選擇性好、無溶脹等優(yōu)點(diǎn)。樊靜等采用二苯卡巴腙化學(xué)鍵合硅膠，萃取Hg2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+4種金屬離子，在pH 8.5的條件下，4種金屬離子的富集百分率為93% ～100%［16］;Amin等采用C18SPE膜富集5-(4-氯苯基偶氮)-6-羥基嘧啶二酮與Ni(Ⅱ)快速反應(yīng)形成的復(fù)合物，結(jié)合紫外-可見分光光度法可快速檢測食品樣品中痕量Ni(Ⅱ)，方法富集倍數(shù)達(dá) 100，定量下限達(dá) 0.01 μg/ml［17］。

3.1.2 分子印跡技術(shù)。分子印跡技術(shù)(MIT)是制備對特定目標(biāo)分子具有分子識別性能的分子印跡聚合物(MIP)的技術(shù)。分子印跡聚合物模擬酶-底物或抗體-抗原之間相互作用，對印跡分子(也稱模板分子)進(jìn)行專一識別。該技術(shù)集分離與富集于一體，可選擇性識別富集復(fù)雜樣品中的目標(biāo)物。MIT與分析技術(shù)聯(lián)用后，具有較高的靈敏度，在重金屬檢測方面有很大的發(fā)展空間。目前，分子印跡技術(shù)已經(jīng)成功制備出了以 Ni2+、Cu2+、Pd2+、Cd2+、Cr3+、Zn2+等多種金屬離子為模板分子的金屬離子印跡聚合物［18］。Li等的研究小組以Cu2+為模板分子，以硝酸纖維素膜為支撐物，制備了聚乙烯醇-離子印跡復(fù)合膜，該復(fù)合膜結(jié)構(gòu)中形成了對Cu2+具有良好選擇性的空穴，采用室溫磷光法測定了頭發(fā)和茶葉樣品中的Cu2+，檢出限達(dá)1.1 ng/L［19］。孫軍德等利用根霉工業(yè)發(fā)酵中的廢棄菌絲體進(jìn)行表面分子印跡，研究了根菌霉絲體殼聚糖表面印跡吸附劑對廢水中Cr6+的吸附性能和影響因素，結(jié)果表明，在最佳條件下pH為3.5～4.5時(shí)，吸附容量為45 mg/g［20］。江偉等采用分子印跡技術(shù)通過制備鉛印跡殼聚糖包覆硅藻土微球(pbCSDE)，研究了PbCSDE對重金屬Pb2+、Cu2+的吸附［21］。

3.1.3 樹脂。樹脂分為天然樹脂和合成樹脂。樹脂做為重金屬檢測的固相萃取劑具有吸附快、脫除效率高等優(yōu)點(diǎn)，且樹脂型號較多，可以根據(jù)重金屬的種類加以選擇。有研究表明，對羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)后，可以實(shí)現(xiàn)與多種重金屬離子的分離富集。近年來，基于過渡元素的成螯傾向而合成的螯合樹脂，也可以實(shí)現(xiàn)痕量重金屬離子的定量檢測，如:氨基羧酸類、肟類等不同螯合樹脂在重金屬萃取方面的應(yīng)用都有較高的萃取率。錢濤等研究了LS-5000型氨基磷酸型螯合樹脂對Pb2+的吸附性能及在模擬濃縮果汁鉛的去除中的應(yīng)用［22］。結(jié)果表明，氨基磷酸型螯合樹脂在酸性條件下對Pb2+具有良好的吸附性能，靜態(tài)吸附平衡時(shí)間為1 h，最大吸附量為5 527.45 μg/g樹脂，負(fù)載Pb2+的樹脂可用1 mol/L的HNO3解吸，解吸后的樹脂可以再利用。常用的螯合樹脂如Amberlite XAD和merrifield氯甲基樹脂，其中Amberlite XAD 包括 Amberlite XAD-2000，Amberlite XAD-2，Amberlite XAD-1180等一系列常用的樹脂，可直接用來富集金屬離子，也可作為被修飾的基體。Kumar等用1，2，4-三唑-2-硝基苯基-3-硫酮(NPTT)修飾Amberlite XAD-2樹脂得到Amberlite XAD-2-NPTT，對鉛的富集因子為60，此法成功用于測定水和蔬菜中的鉛［23］。

3.1.4 納米材料。利用納米材料具有不同于其他傳統(tǒng)固體材料的特異性質(zhì)，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等能夠充分發(fā)揮其對痕量物質(zhì)的快速吸附富集，尤其是針對食品中的重金屬可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)分離富集技術(shù)存在的響應(yīng)速度慢、靈敏度低、選擇性差的這些缺陷，成為在食品安全快速檢測技術(shù)中對于食品中微量的重金屬進(jìn)行分離富集的較為理想的吸附材料。Vassileva等以納米二氧化鈦及二氧化鈰作為吸附劑對重金屬離子吸附性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，它具有高吸附容量、吸附和洗脫快捷以及良好的重現(xiàn)性［24］。Behbahani等用雙硫腙功能化修飾納米多孔SiO2(SBA-15)制備了一種新的吸附劑，結(jié)合固相萃取來分離和測定食品和農(nóng)產(chǎn)品中微量的鎘、銅、鎳、鉛離子，萃取效率均大于97%，提供了一種簡單、快速、重復(fù)性好、選擇性高的檢測方法［25］。Nagihan M等將納米技術(shù)與固相萃取技術(shù)相結(jié)合，制備了摻雜巰基的新型磺酰胺樹脂，并作為一種新型萃取吸附劑用于水中二價(jià)鉛離子的富集吸附，與石英縫管捕集原子吸收光譜聯(lián)用，將檢測靈敏度提高280倍［26］。目前氧化物納米材料、表面修飾氧化物納米材料、磁性氧化物納米材料、碳納米管、納米鈦酸鍶鋇粉體(BST)、有機(jī)-無機(jī)雜化納米材料和復(fù)合材料等都被作為樣品處理技術(shù)應(yīng)用于飲用水及部分食品檢測過程中重金屬的快速檢測。3.2 液相微萃取 目前與食品安全快檢聯(lián)用的液相微萃取(LPME)主要包括單滴微萃取(SDME)及分散液液微萃取(DLLME)。SDME是采用懸掛在進(jìn)樣器針端的小體積有機(jī)相液滴對大體積樣品溶液中目標(biāo)物進(jìn)行富集、萃取的一種前處理技術(shù)。Wen等將“綠色溶劑”離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽作為SDME萃取劑，結(jié)合分光光度法建立了茶葉以及脫脂奶粉樣品中痕量重金屬Cu2+的快檢方法，檢出限達(dá) 0.15 μg/L［20，27］。Rezaee 等于 2006 年提出了 DLLME 技術(shù)，在樣品溶液中加入少量萃取劑混合分散得到乳濁液，再經(jīng)離心分層后取微量萃取劑進(jìn)樣分析［28］。DLLME操作簡便、適用性廣，經(jīng)常與光譜技術(shù)聯(lián)用實(shí)際用于食品安全快檢。Wen等采用DLLME-分光光度法聯(lián)用技術(shù)建立了大米、茶葉等食品中痕量Cd(Ⅱ)的快檢方法，該方法環(huán)境友好、靈敏度高［29］。

4 結(jié)語

綜上所述，食品組成成分復(fù)雜，重金屬在食品中的存在形態(tài)多樣，因此檢測時(shí)受到嚴(yán)重的基體干擾?？焖贆z測方法對靈敏度、準(zhǔn)確性和檢測速度都有較高的要求，但同時(shí)要求檢測方法簡便易行，適合基層執(zhí)法的使用。目前應(yīng)用的有害重金屬快檢分析方法在樣品前處理和快檢方法2個(gè)方面都受到技術(shù)的局限。樣品前處理方面，應(yīng)用較多的微波消解法雖然較傳統(tǒng)消解方法效率有所提升，但該方法對儀器設(shè)備有較高要求，并且難以大量處理樣品。酸浸提法對試驗(yàn)設(shè)備和條件要求不高，但該方法存在空白值較高、穩(wěn)定性欠佳等缺點(diǎn)。此外，目前快檢方法對目標(biāo)物的選擇性不高，導(dǎo)致快檢結(jié)果的準(zhǔn)確度較低。重金屬分離富集方法較多，但操作大多比較復(fù)雜，僅適用于實(shí)驗(yàn)室檢測。將高效的樣品前處理技術(shù)與食品安全快檢技術(shù)聯(lián)用，可以有效減少基體干擾對快檢過程的影響，提高快檢準(zhǔn)確度，是目前發(fā)展準(zhǔn)確定量食品安全快檢技術(shù)的關(guān)鍵所在?？焖?、簡便、自動(dòng)化的前處理技術(shù)不僅省時(shí)、省力，而且可以減少由于不同人員操作及樣品多次轉(zhuǎn)移帶來的誤差，能夠極大地簡化現(xiàn)場快速檢測和實(shí)驗(yàn)室快速檢測的工作步驟。隨著便攜儀器及車載儀器的研究開發(fā)，固相萃取、微萃取以及磁分離等樣品前處理技術(shù)與先進(jìn)分析儀器的聯(lián)用將大大提高重金屬元素分析的準(zhǔn)確性和效率，這將成為未來食品安全快檢技術(shù)的關(guān)鍵。

［1］黃怡淳，丁煒煒，張卓旻，等.食品安全分析樣品前處理-快速檢測聯(lián)用方法研究進(jìn)展［J］.色譜，2013，31(7):613-619.

［2］宋洪強(qiáng)，郝云彬，吳益春，等.原子熒光光度法中濕法消解、微波消解、干灰化前處理法測定水產(chǎn)品中總砷含量的比較［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(4):367-372.

［3］倪張林，湯富彬，屈明華，等.微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定油茶籽油中的5種重金屬元素［J］.食品科學(xué)，2013，34(4):165-167.

［4］陳超，陳妍召，張草，等.動(dòng)物性食品中氯化亞汞、硝酸亞汞和醋酸汞的總汞殘留測定方法研究［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(3):78-79.

［5］李向力，章建軍，王永，等.微波消解-微分電位溶出法同時(shí)測定面制食品中鉛、鎘含量［J］.河南科學(xué)，2013，31(7):961-963.

［6］李智瑾，姜兆興，包懿，等.微波消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定味噌中的微量鉛［J］.中國調(diào)味品，2013(10):88-89，116.

［7］張貴林，王娟，張波，等.微波消解-氫化物原子熒光測定醬油中總砷［J］.當(dāng)代醫(yī)學(xué)，2012(24):161-162.

［8］李海，羅建波.超聲萃取GFAAS法測定油脂類食品中鉛［J］.中國公共衛(wèi)生，2001，17(7):598.

［9］袁建，楊曉蓉，浮東寶，等.食品中鉻 (Ⅲ)與鉻 (Ⅵ)分析方法的探討［J］.中國糧油學(xué)報(bào)，1999，14(4):59-62.

［10］袁建，鞠興榮，汪海峰，等.茶葉中有害金屬元素的快速檢測技術(shù)研究［J］.食品科學(xué)，2004，25(11):259-262.

［11］郝文，曲青，宋旭巖.酸提取法測定食用植物油中砷的條件研究［J］.預(yù)防醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)信息，2000，6(1):56-57.

［12］趙廣英，吳艷燕.電化學(xué)方法檢測茶葉中痕量鉛的前處理方法比較［J］.食品科技，2008(7):221-223.

［13］汪慧.適于蛋白類食品重金屬酶聯(lián)免疫檢測的樣品前處理研究［D］.廣州:暨南大學(xué)，2011.

［14］李支薇.用于碳水化合物類農(nóng)產(chǎn)品重金屬ELISA檢測的樣品前處理研究［D］.廣州:暨南大學(xué)，2011.

［15］汪青.糧油食品汞測定的樣品預(yù)處理方法淺析［J］.糧油加工，2004(2):56-57.

［16］樊靜，秦玉霞，馮素玲，等.二苯卡巴腙鍵合硅膠的制備及對廢水中重金屬的分離與富集［J］.分析化學(xué)，2005，33(8):1151-1154.

［17］AMIN S A，AL-ATTAS A S.Study of the solid phase extraction and spectrophotometric determination of nickel using 5-(4'-chlorophenylazo)-6-hydroxypyrimidine-2，4-dione in environmental samples［J］.Journal of Sa-udi Chemical Society，2012，16(4):451.

［18］宋秉政，趙亞萍，蔡再生，等.金屬離子印跡技術(shù)［J］.印染，2013(15):46-50.

［19］LI Z M，LIU J M，LIU Z B，et al.Preparation for nitrocellulose membranepoly(vinyl alcohol)-ionic imprinting and its application to determine trace copper by room temperature phosphorimetry［J］.Anal Chim Acta，2007，589(1):44-50.

［20］孫軍德，于艷敏，梁啟明.稻根霉菌絲體表面印跡吸附劑對Cr6+的吸附特性研究［J］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40(1):92-94.

［21］江偉，蘇海佳，譚天偉.分子印跡吸附劑對紅景天水煎液中重金屬的吸附［J］.化工學(xué)報(bào)，2008，59(5):1179-1183.

［22］錢濤，李夢耀，王瑩，等.LS-5000氨基磷酸型螯合樹脂吸附Pb2+的研究及應(yīng)用［J］.應(yīng)用化工，2013，42(13):2237-2242.

［23］KUMAR B N，RAMANA D K，YAPATI H，et al.Separation and preconcentration of Cd(II)，Cu(II)，Ni(II)，and Pb(II)in water and food samples using amberlite XAD-2 functionalized with 3-(2-Nitrophenyl)-1H-1，2，4-triazole-5(4H)-thione and determination by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry［J］.Agricultural and Food Chemistry，2011，59(20):11352-11358.

［24］VASSILEVA E，PRONINOVA I，HADJIIVANOV K.Solid-phase extraction of heavy metal ions on a high surface area titanium dioxide(anatase)［J］.Analyst，1996，121(5):607-612.

［25］BEHBAHANI M，SALARIAN M，AMINI M M，et al.Application of a new functionalized nanoporous silica for simultaneous trace separation and determination of Cd(II)，Cu(II)，Ni(II)，and Pb(II)in food and agricultural products［J］.Food Analytical Methods，2013，6(5):1320-1329.

［26］NAGIHAN M，KARAASLAN B，F(xiàn)ILIZ S，et al.Novel polymeric resin for solid phase extraction and determination of lead in waters［J］.J Clean-Soil，Air，Water，2010，38(11):1047-1054.

［27］WEN X D，DENG Q，GUO J.Ionic liquid-based single drop micro extraction of ultra-trace copper in food and water samples before spectrophotometric determination［J］.Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2011，79(5):1941-1945.

［28］REZAEE M，ASSADI Y，MILANI HOSSEINI M R，et al.Determination of organic compounds in water using dispersive liquid-liquid microextraction［J］.J Chromatogr A，2006，1116(1/2):1-9.

［29］WEN X D，DENG Q，WANG J Q，et al.Determination of cadmium and copper in water and food samples by dispersive liquid-liquid microextraction combined with UV-vis spectrophotometry［J］.Microchemical Journal，2011，79(5):249-254.