食品中重金屬元素痕量分析消解技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用

李春哲

[摘要]本文對(duì)重金屬元素痕量分析消解技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)了該技術(shù)的進(jìn)展以及應(yīng)用。在食品快速檢測(cè)中，合理應(yīng)用該技術(shù)能夠提高技術(shù)應(yīng)用的效率，獲得準(zhǔn)確性較高的檢測(cè)結(jié)果，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]重金屬元素;痕量分析消解技術(shù);食品

農(nóng)作物種植、食品加工以及運(yùn)輸?shù)热^(guò)程，都有可能會(huì)造成汞、鉻等有毒重金屬污染。重金屬元素通過(guò)食物鏈進(jìn)行生物濃縮，濃度得以增加，毒性會(huì)提高千萬(wàn)倍，進(jìn)入人體后，會(huì)給人體造成極大危害，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累才能夠顯現(xiàn)，具有潛在危害性，因此做好食品重金屬元素檢測(cè)分析有著必要性。

1 食品中常見(jiàn)的重金屬及其危害

從維持身體健康的角度來(lái)說(shuō)，人體每天都需要補(bǔ)充適量的鈣、鐵、鋅等礦物質(zhì)。人體所需的礦物質(zhì)主要來(lái)源于每日食用的食物巾，然而，如果食物巾的部分礦物質(zhì)含量超標(biāo)，如重金屬無(wú)機(jī)砷和鉛超標(biāo)，則可能導(dǎo)致人體出現(xiàn)不適現(xiàn)象。長(zhǎng)此以往，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生極大的危害，對(duì)嬰兒的危害尤其大。例如，根莖類蔬菜的含鉛率比較高，而嬰幼兒添加輔食之初接觸的食物就是根莖類蔬菜，如果嬰幼兒食用了含鉛量超標(biāo)的蔬菜，則會(huì)出現(xiàn)多動(dòng)和貧血等情況[1-3]。相對(duì)于其他作物，水稻更容易從河流或者土壤中吸收部分重金屬，即使脫殼后，大米中也會(huì)留下一定量的重金屬。因此，要做好檢測(cè)把控，加大對(duì)重金屬元素分析檢測(cè)技術(shù)的研究，發(fā)展精準(zhǔn)高效的檢測(cè)技術(shù)，以確保食品安全。

2 重金屬元素痕量分析消解技術(shù)的進(jìn)展

2.1 微波消解

類似于高壓消解和罐消解，在實(shí)際應(yīng)用中，微波消解技術(shù)需要使用的溶劑包括硝酸和硫酸[4]。從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，基于傳統(tǒng)微波消解系統(tǒng)，為了彌補(bǔ)其不足，研發(fā)了超級(jí)微波化學(xué)平臺(tái)，除了使用SPC單反應(yīng)室微波消解技術(shù)外，還結(jié)合運(yùn)用了預(yù)加壓技術(shù)，突破了傳統(tǒng)技術(shù)的局限，實(shí)現(xiàn)了超高壓以及超大量處理。從應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)的角度來(lái)說(shuō)，微波消解技術(shù)不僅加熱快，熱能利用率還很高。微波消解技術(shù)的具體應(yīng)用包括以下四個(gè)方面：

（1）硝酸-硫酸體系[5-6]。在實(shí)際應(yīng)用中，微波消解常用到的溶劑包括硝酸和硫酸。一般情況下為保證安全，在微波消解的過(guò)程中，多使用高氯酸。具體應(yīng)用的過(guò)程中，利用硝酸一硫酸體系，能夠增加反應(yīng)溫度，不過(guò)需要做好對(duì)溫度的把控，因?yàn)闇囟冗^(guò)高很容易使得消解罐被破壞。

（2）硝酸-氫氟酸體系。若含硅量比較高，則可以利用硝酸一氫氟酸體系去除硅的干擾[7]。

（3）強(qiáng)氧化劑。在酸性條件下，利用過(guò)氧化氫作為強(qiáng)氧化劑，經(jīng)過(guò)反應(yīng)后，釋放出大量的氧氣，進(jìn)而助力氧化以及樣品分散。具體應(yīng)用中，當(dāng)加入過(guò)氧化氫后，需要經(jīng)過(guò)預(yù)消化1-2h，再讓樣品進(jìn)入微波系統(tǒng)，以免密閉體系的壓力過(guò)大，引發(fā)酸氣泄漏問(wèn)題，造成極大的損失[8]。除此之外，要做好對(duì)過(guò)氧化氫使用量的把控，減少氧化影響。

（4）測(cè)定食品中的重金屬。在實(shí)際應(yīng)用中，微波消解適用于總汞和總鉻等的測(cè)定。學(xué)者利用硝酸一過(guò)氧化氫體系，以BCR 422鱈魚(yú)肌肉以及BCR 278貽貝組織為研究對(duì)象，進(jìn)行微波消解試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，微波系統(tǒng)消解并不完全，不適合總砷的測(cè)定[9]。

2.2 濕法消解

濕法消解是指在一定的溫度和非氧化性酸或者氧化性酸存在的條件下，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的分解，使得待測(cè)的組分能夠以液態(tài)的形式存在。在實(shí)際應(yīng)用中，具有設(shè)備簡(jiǎn)單和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，極易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[10-12]。不過(guò)消化需要使用玻璃儀器，極易產(chǎn)生吸附以及解吸作用，使得空白值較高。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的酸消解體系包括硝酸一硫酸體系和硝酸-高氯酸體系。結(jié)合金屬元素的特點(diǎn)以及儀器方法選擇具體的消解體系，如使用石墨爐原子吸收測(cè)定，可運(yùn)用單一硝酸體系或者其他消解體系;進(jìn)行鉛和鋁等的測(cè)定時(shí)，要避免使用高氯酸，以免灰化階段產(chǎn)生氣態(tài)氯化物，最終造成損失;采用此方法進(jìn)行總汞的測(cè)定，若溫度過(guò)高，極易造成汞的揮發(fā)，而且室溫難以有效消解，因此可在加熱的條件下，使用冷凝回流管實(shí)現(xiàn)消解，使用回流裝置，雖然能夠避免汞的揮發(fā)，保證加標(biāo)回收率超過(guò)95%，但是操作較為繁雜[13-15]。

從該技術(shù)的發(fā)展情況而言，基于傳統(tǒng)濕法消解的不足，現(xiàn)階段研發(fā)的全自動(dòng)濕法消解儀器，利用智能軟件進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)升溫，能夠?qū)崿F(xiàn)消解、趕酸以及定容的一站式處理，不需要人工干預(yù)[16-17]。除此之外，要結(jié)合聚四氟乙烯材料，確保在濕法消解中合理使用氫氟酸，為保證使用的效果，必須要做好對(duì)消解溫度的把控，避免溫度過(guò)高影響材料的使用效果[1]。

2.3 干灰化法

2.3.1 干灰化法概述

從方法運(yùn)用原理的角度而言，于灰化法是利用高溫實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)質(zhì)的去除。簡(jiǎn)單而言，對(duì)樣品進(jìn)行灰化分解，經(jīng)過(guò)分解后，用酸對(duì)剩下的灰分進(jìn)行溶解，制作待測(cè)溶液。在食品重金屬痕量分析中，很多金屬元素比如鉛和鎘等在高溫狀態(tài)下極易揮發(fā)，進(jìn)而影響金屬元素的分析結(jié)果，很容易造成失真問(wèn)題。除此之外，部分金屬元素很容易形成酸不溶性混合物，引發(fā)滯留損失，在消解的全過(guò)程，存在著環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的弊端[18-20]。干灰化法具有處理量大、便于操作、安全性較高等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服上述問(wèn)題。

2.3.2 干灰化法的進(jìn)展

基于傳統(tǒng)的電加熱馬弗爐，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，升級(jí)為微波加熱或者紅外加熱的馬弗爐，在實(shí)際應(yīng)用中，有效縮短了灰化時(shí)間。采用傳統(tǒng)的灰化法，整個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)5h，使用新型微波馬弗爐，則只需要10min，同時(shí)去掉了碳化環(huán)節(jié)，能夠直接進(jìn)行灰化，耗費(fèi)的能源少，同時(shí)具有速度快的優(yōu)點(diǎn)。部分重金屬如鎘和砷等在高溫條件下難以揮發(fā)，采用此方法進(jìn)行消解，能夠獲得不錯(cuò)的效果。對(duì)于含有重金屬砷的食品樣品，采用于灰化法進(jìn)行消解，即便是在溫度小于400℃的條件下，砷也有可能出現(xiàn)損失的情況，同樣在溫度為100℃的干燥試樣中，很大可能會(huì)造成損失。所以在消解的過(guò)程中，要適當(dāng)加入灰化助劑，進(jìn)而減少砷元素的損失。從實(shí)際應(yīng)用而言，應(yīng)用較為廣泛的灰化助劑為氧化鎂或者硝酸鎂;從方法的原理而言，在高溫條件下，通過(guò)添加氧化鎂灰化助劑，進(jìn)而對(duì)砷元素進(jìn)行灰化分解，同時(shí)加入一定的輕質(zhì)氧化鈣吸收劑，形成具有不易揮發(fā)但是易溶解的焦砷酸鹽[21]。干灰化法的應(yīng)用流程如下：

（1）在實(shí)際操作中，每1g試樣使用1g氧化鎂灰化助劑，使用劑量為2-3mL的強(qiáng)氧化鈣吸收劑。

（2）考慮到檢測(cè)的需要，為便于檢測(cè)工作的開(kāi)展，要適當(dāng)添加纖維素粉，使得混合物能夠更加疏松。

（3）在有機(jī)砷化合物中，添加適當(dāng)?shù)南跛嵋约颁逅徕?，進(jìn)行加熱。在加熱時(shí)，將溫度控制在300℃以內(nèi)。

（4）坩堝先放人馬弗爐中再進(jìn)行升溫操作，增加馬弗爐的溫度。需要注意的是在灰化之初要緩慢增加溫度，整個(gè)灰化的過(guò)程，溫度要嚴(yán)格控制在500℃～600℃。

（5）在灰化的過(guò)程中，使用比例為1：1鹽酸或者稀硫酸浸取。考慮到灰化助劑可能會(huì)造成砷元素?fù)p失，為確保檢測(cè)分析結(jié)果的真實(shí)性和有效性，在具體的操作過(guò)程中，使用灰化助劑以及濕式樣混合，并且采用一份單獨(dú)的濕式樣品，進(jìn)行重量測(cè)試。

3 重金屬元素痕量分析消解技術(shù)的具體應(yīng)用

現(xiàn)結(jié)合微波消解技術(shù)在鎘和砷元素檢測(cè)中的應(yīng)用，進(jìn)行分析。

3.1 技術(shù)原理

微波加熱具有快速和均勻的特點(diǎn)，多采取低壓高通量以及高壓低通量的方式。在菜籽油和粽葉等的檢測(cè)中，應(yīng)用微波消解技術(shù)能夠獲得不錯(cuò)的效果。在實(shí)際應(yīng)用中，使用的消解容器會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，建議使用一次性的聚丙烯容器，保證回收率。

3.2 技術(shù)應(yīng)用對(duì)比分析

目前，微波消解作為常用的方法，能夠消解土壤和食品等樣品。利用ICP技術(shù)，對(duì)小麥種子和木材等進(jìn)行鎘和砷等的含量檢測(cè)，對(duì)比濕法消解以及微波消解技術(shù)的應(yīng)用效果，通過(guò)精密度以及準(zhǔn)確度的對(duì)比分析，明確微波消解技術(shù)具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。微波消解法的應(yīng)用，使用的密封系統(tǒng)能夠避免元素蒸發(fā)，減少損失，不僅能夠合理縮短消解時(shí)間、降低污染度，還能夠減少試劑以及樣品的使用量，從而增強(qiáng)檢測(cè)操作的安全性[2-3]。

3.3 技術(shù)應(yīng)用建議

從當(dāng)前食品重金屬元素痕量分析消解技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀而言，可以運(yùn)用的技術(shù)手段較多，不過(guò)每個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)不同，因此要做好嚴(yán)格把控。

（1）選擇適合的微波消解技術(shù)。食品重金屬元素的檢測(cè)分析研究，對(duì)于常規(guī)如砷等重金屬，可利用于灰化法進(jìn)行檢測(cè)。不同的技術(shù)方法適用的范圍或者效果不同，在具體選擇時(shí)，要嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定，優(yōu)選適合的檢測(cè)方法，保證檢測(cè)工作有序開(kāi)展[22]。

（2）做好微波消解技術(shù)要點(diǎn)的把控。在進(jìn)行食品重金屬元素的檢測(cè)分析時(shí)，為了保證痕量分析結(jié)果的真實(shí)性和有效性，要做好微波消解技術(shù)要點(diǎn)的把控。首先，對(duì)參與痕量檢測(cè)工作的人員，要做好技術(shù)培訓(xùn)，使其能夠掌握微波消解技術(shù)的應(yīng)用流程和要求，進(jìn)而做好檢測(cè)結(jié)果的把控;其次，結(jié)合微波消解技術(shù)應(yīng)用實(shí)際需求，準(zhǔn)備所需的儀器設(shè)備，優(yōu)化檢測(cè)工藝，提高檢測(cè)工作的質(zhì)量;最后，規(guī)范微波消解技術(shù)的應(yīng)用，做好痕量分析全過(guò)程的把控，最大程度上保障檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量[23]。

（3）加大微波消解技術(shù)的研究力度，不斷優(yōu)化工藝。在痕量分析實(shí)踐中，現(xiàn)有的技術(shù)雖然能夠滿足部分食品重金屬痕量檢測(cè)的需要，但是食品中含有的重金屬類型很多，為更好地進(jìn)行檢測(cè)，還需要進(jìn)一步加大技術(shù)研究，發(fā)展適用范圍更廣泛的技術(shù)。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的食品重金屬元素痕量分析中，采取的消解技術(shù)雖然能夠獲得一定的效果，但是存在著諸多缺陷。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微波消解和濕式消解法都得到了有效的發(fā)展，技術(shù)水平不斷提升，在實(shí)際應(yīng)用中能夠獲得不錯(cuò)的成效。

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