前處理方法對(duì)原子熒光光譜法檢測(cè)大米中總砷含量的影響*

張玉超，程樂樂，韓 娟

(1 淮南師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 淮南 232038；2 合肥市斯坦德優(yōu)檢測(cè)技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230000；3 淮南師范學(xué)院生物工程學(xué)院，安徽 淮南 232038)

砷是廣泛分布于自然界中的一種非金屬元素[1]，由于含砷農(nóng)藥和含砷飼料的使用以及食品在加工過程中使用某些化學(xué)添加劑而引起食品中砷的污染，導(dǎo)致砷普遍存在于自然界環(huán)境和動(dòng)植物中[2]。食品中總砷對(duì)身體健康存在潛在的危害，如果攝入量太多，就是會(huì)發(fā)生砷中毒[3]，因此是食品安全重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一，其檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響產(chǎn)品的合格性判定[4]。

作為我國(guó)三大糧食作物之一的水稻，是國(guó)民的主要糧食之一，種植面積約占全球的19%，在我國(guó)的糧食安全保障體系和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[5]。與其他農(nóng)作物相比，水稻更容易吸收砷元素[6]，如果長(zhǎng)期食用砷超標(biāo)的大米，會(huì)引發(fā)各種疾病，嚴(yán)重影響人體健康，因此，我國(guó)早在1994年就開始對(duì)大米中的總砷含量制定限量標(biāo)準(zhǔn)0.7 mg/kg，尤其隨著國(guó)家對(duì)食品安全問題的高度重視，大米中砷元素的檢測(cè)是非常有必要的[7]。

目前，大米中總砷含量測(cè)定的方法有氫化物原子熒光光度法、銀鹽法以及硼氫化物還原比色法等，其中原子熒光光度法靈敏度高、精密度好、標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系好、提取操作簡(jiǎn)便、用時(shí)短，更為經(jīng)濟(jì)快捷[8]。莊建玲[9]研究用微波消解—原子熒光法測(cè)定大米中總砷含量，快速，易操作，使常規(guī)溶樣方法中易揮發(fā)而損失的砷元素被全部保留，精密度高，回收率好。顧錦明與周瑾[10]采用液相色譜-原子熒光光譜(LC-AFS)法測(cè)定大米中的無(wú)機(jī)砷，并報(bào)道稱該方法檢測(cè)準(zhǔn)確度高，檢出限低，具有良好的精密度，穩(wěn)定可靠，樣品的保留時(shí)間短，節(jié)約時(shí)間，能有效提高大米中無(wú)機(jī)砷的檢測(cè)效率。

現(xiàn)行國(guó)標(biāo)方法GB 5009.11-2014[11]中第二法氫化物原子熒光法明確規(guī)定了濕法消解和干法灰化兩種前處理方法，但在實(shí)際測(cè)定大米中總砷含量時(shí)需要考慮前處理效果、成本、消耗時(shí)間等因素，因此，需要不斷探究和優(yōu)化前處理方法和條件[12-13]，以期為準(zhǔn)確測(cè)定大米中砷元素提供參考。本研究從電熱板設(shè)定溫度、硝酸添加量、硫酸添加量、高氯酸添加量以及干法灰化溫度和時(shí)間等方面將兩種前處理方法進(jìn)行優(yōu)化，以明確相關(guān)檢測(cè)的條件。此外，從加標(biāo)回收率、試劑成本和前處理耗時(shí)長(zhǎng)短等方面對(duì)最優(yōu)條件下的濕法消解和干法灰化進(jìn)行比較，為大米中總砷含量的測(cè)定提供技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品與試劑

質(zhì)控大米(大米粉成分分析步驟物質(zhì)，GBW(E)100361)，總砷標(biāo)準(zhǔn)值范圍為(0.12±0.01)mg/kg，中國(guó)科技集團(tuán)有限公司；砷單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液 (BW30018-1000-N-50 1000 mg/L)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心；硝酸、高氯酸、硫酸、鹽酸、硝酸鎂、氧化鎂、硫脲、抗壞血酸、硼氫化鉀均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

SK-2003A型原子熒光光譜儀-非色散原子熒光光譜儀，金索坤技術(shù)開發(fā)有限公司；DB-XB型可調(diào)式電熱板，上海力辰儀器科技有限公司；D8K型可調(diào)式電爐，南美鑫誠(chéng)五金；FA2204型電子天平，上海力辰儀器科技有限公司；SX2-040型箱式電阻爐，沈陽(yáng)市節(jié)能電爐廠。

1.3 容器的清洗

實(shí)驗(yàn)中所使用的的錐形瓶、比色管、坩堝，采用20%～35%的硝酸浸泡約24 h，再用超純水沖洗干凈。

1.4 濕法消解的單因素實(shí)驗(yàn)

稱取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)大米1 g，精確到0.0001 g，按照GB 5009.11-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定》[11]中第二法氫化物原子熒光法前處理，通過濕法消解對(duì)質(zhì)控大米進(jìn)行前處理，采用原子熒光光譜儀對(duì)其總砷含量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得的總砷值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，以確定符合標(biāo)準(zhǔn)值范圍的濕法消解條件。

(1)電熱板設(shè)定溫度：300 ℃，350 ℃，380 ℃，硝酸，硫酸和高氯酸使用量與GB 5009.11-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定》[11]中第二法氫化物原子熒光法前處理相同，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以探究電熱板溫度對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響。

(2)在350 ℃電熱板溫度下，硝酸使用量分別為10 mL和20 mL進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究硝酸使用量對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響。

(3)在350 ℃電熱板溫度下，硝酸使用量為10 mL，硫酸使用量分別為0 mL和1.25 mL進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究硫酸使用量對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響。

(4)在350 ℃電熱板溫度下，硝酸使用量為10 mL，硫酸使用量為1.25 mL，高氯酸使用量分別為1 mL，2 mL，4 mL進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究高氯酸使用量對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響。

1.5 干法灰化條件的單因素實(shí)驗(yàn)

稱取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)大米2.5 g，精確到0.0001 g，按照GB 5009.11-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定》[11]中第二法氫化物原子熒光法進(jìn)行前處理。通過干法灰化對(duì)質(zhì)控大米進(jìn)行前處理，使用原子熒光光譜儀對(duì)樣品的總砷進(jìn)行測(cè)定，其測(cè)定的總砷值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，以確定符合標(biāo)準(zhǔn)值范圍的干法消化條件，每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)2次。

(1)設(shè)定馬弗爐溫度分別為450 ℃，550 ℃，650 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以探究灰化溫度對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響。

(2)改變灰化時(shí)間分別為2 h，4 h，6 h，在550 ℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以探究灰化時(shí)間對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響。

1.6 質(zhì)控大米的空白加標(biāo)率的測(cè)定

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)中得到干法和濕法的最佳實(shí)驗(yàn)條件，取0.1 mg/L砷標(biāo)1.0 mL，向其中加入10 mL硝酸，2 mL高氯酸，用濕法消解進(jìn)行前處理；取0.1 mg/L砷標(biāo)2.5 mL用干法灰化進(jìn)行前處理，兩種前處理方法所得的待測(cè)液在相同的儀器條件下進(jìn)行測(cè)定。通過比較兩組實(shí)驗(yàn)的空白加標(biāo)回收率的高低和前處理消耗時(shí)間的長(zhǎng)短，得到效率更高的前處理方法。

1.7 原子熒光光譜儀工作參數(shù)

原子熒光光譜儀的工作參數(shù)，見表1。

表1 原子熒光光譜儀的工作參數(shù)Table 1 The parameter of atomic fluorescence spectrometry

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線及回歸方程

分別配置濃度為：0 μg/L，2 μg/L，4 μg/L，6 μg/L，8 μg/L，10 μg/L的砷標(biāo)準(zhǔn)使用液，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。在已設(shè)定的儀器參數(shù)下測(cè)定(表1)，以熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)(y)，標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)(x)，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程y=220.02x+19.948及相關(guān)系數(shù)R2=0.9999，在0～10 μg/L濃度范圍內(nèi)，線性關(guān)系良好。

圖1 砷溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard line of arsenic solution

2.2 濕法消解條件對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響

濕法消解之所以被廣泛應(yīng)用于元素分析的樣品前處理，是因?yàn)樗谙鉁囟?、消解時(shí)間和消解酸用量等方面可以靈活調(diào)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)濕法消解中消解溫度和酸的使用量，優(yōu)化其消解條件，以更加準(zhǔn)確地測(cè)定樣品中總砷的含量。濕法消解條件對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響見圖2。

圖2 濕法消解條件對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響Fig.2 Influence of wet digestion conditions on total arsenic detection value of quality control rice

由圖2(a)可以看出，電熱板溫度為350 ℃時(shí)所測(cè)質(zhì)控大米的總砷值在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，其它條件下測(cè)定結(jié)果均存在較大的偏差，這是因?yàn)樵訜晒夥z測(cè)總砷時(shí)，必須將樣品中的有機(jī)砷徹底無(wú)機(jī)化才能進(jìn)行測(cè)定[4]。前處理溫度較高時(shí)，溶液的氧化性增強(qiáng)，消解能力提高，使大米中的有機(jī)態(tài)砷極大限度地轉(zhuǎn)變成無(wú)機(jī)態(tài)砷，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確度；此外，硝酸沸點(diǎn)121 ℃，高氯酸沸點(diǎn)203 ℃，硫酸沸點(diǎn)338 ℃，而電熱板溫度為300 ℃時(shí)硫酸并不能被徹底揮發(fā)，而殘留的硫酸可能會(huì)影響大米中化學(xué)元素的測(cè)定[14]。然而，消化溫度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分大米樣品碳化，造成樣品損失，進(jìn)而導(dǎo)致樣品中的總砷測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差。因此，濕法消解中的電熱板加熱溫度會(huì)對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值有一定影響，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)電熱板溫度為350 ℃時(shí)，測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值吻合度較高。

由圖2(b)可以看出，硝酸使用量為10 mL或者20 mL所測(cè)質(zhì)控大米總砷的檢測(cè)值均符合標(biāo)準(zhǔn)值，因?yàn)榧酉跛崾菫榱吮ＷC溶液呈酸性[2]，金屬離子不會(huì)沉淀且不會(huì)吸附在器壁上，所以在樣品出現(xiàn)糊化時(shí)均可加入硝酸緩解樣品糊化現(xiàn)象，從而保證樣品前處理的準(zhǔn)確性?？梢姡跛崾褂昧康牟煌瑢?duì)大米中總砷的檢測(cè)值影響不大。因此，從節(jié)約成本角度考慮，選擇硝酸使用量為10 mL。

由圖2(c)可以看出，硫酸使用量為0 mL或1.25 mL時(shí)所測(cè)質(zhì)控大米總砷的檢測(cè)值均符合標(biāo)準(zhǔn)值，因?yàn)楫?dāng)樣品溶液中含有較多重金屬鹽的時(shí)候會(huì)生成硫酸鹽沉淀，可能會(huì)導(dǎo)致砷的共沉淀[2]，但大米中重金屬鹽含量很少，所以硫酸使用量對(duì)其檢測(cè)結(jié)果無(wú)影響。因此，硫酸使用量的不同使測(cè)定出的質(zhì)控大米總砷的檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值無(wú)明顯差異。

由圖2(d)可以看出，高氯酸使用量為2 mL或4 mL時(shí)所測(cè)質(zhì)控大米總砷值均符合標(biāo)準(zhǔn)值，滿足分析測(cè)試要求。高氯酸使用量為1 mL時(shí)樣品總砷的測(cè)定值存在較大的偏差，這是因?yàn)楦呗人峤o溶液一個(gè)氧化還原電位，從最不穩(wěn)定的元素被氧化的電位開始升到高氯酸冒煙狀態(tài)時(shí)的電位為止。一般用硝酸來(lái)稀釋高氯酸，然后逐漸提高溫度。只要樣品能溶解于熱混合酸中，那么反應(yīng)就會(huì)以平穩(wěn)和受控制的方式進(jìn)行，直到消化徹底[14]。但高氯酸含量為1 mL時(shí)，在前處理過程中硝酸無(wú)法充分作用，從而樣品會(huì)經(jīng)常糊化，需不斷補(bǔ)加硝酸或者高氯酸，從而影響大米中的總砷檢測(cè)結(jié)果，導(dǎo)致樣品中總砷含量降低。故高氯酸使用量不同使測(cè)定出的質(zhì)控大米總砷的檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值有明顯差異。本研究發(fā)現(xiàn)高氯酸添加量為2 mL時(shí)，測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較小。

2.3 干法灰化條件對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響

圖3是干法灰化條件對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響。樣品在可調(diào)式電爐上碳化時(shí)先冒黑煙直至白煙冒盡呈白色固體，馬弗爐內(nèi)灰化后，均呈白色粉末，定容，溶液呈灰褐色，且馬弗爐溫度越低，灰褐色越深。由圖3(a)可以看出，馬弗爐溫度為550 ℃測(cè)定質(zhì)控大米總砷的檢測(cè)值的準(zhǔn)確度滿足分析測(cè)試要求，其它條件下測(cè)定結(jié)果均存在較大的偏差，因?yàn)樯榫哂幸讚]發(fā)性，溫度過高時(shí)導(dǎo)致被測(cè)元素?fù)p失[15]?；一瘻囟容^低時(shí)，樣品中有機(jī)砷不能完全轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)砷，從而導(dǎo)致樣品中總砷含量會(huì)降低。故馬弗爐溫度的不同使測(cè)定出的質(zhì)控大米總砷的檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值有明顯差異。

樣品在可調(diào)式電爐上碳化時(shí)先冒黑煙直至白煙冒盡呈白色固體，馬弗爐內(nèi)灰化后，均成白色粉末，灰化時(shí)間越長(zhǎng)白色粉末越少，定容完后溶液呈灰褐色，且灰化時(shí)間越短，灰褐色越深。由圖3(b)可知，灰化時(shí)間為4 h測(cè)定質(zhì)控大米總砷的檢測(cè)值的準(zhǔn)確度均滿足分析測(cè)試要求，其它條件下測(cè)定結(jié)果均存在較大的偏差，因?yàn)榛一瘯r(shí)間較短時(shí)樣品未能充分灰化，從而沒有完全將樣品中的有機(jī)砷轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)砷[16]，而灰化時(shí)間較長(zhǎng)樣品過碳化，會(huì)使樣品中的砷元素?fù)p失，從而使總砷檢測(cè)值偏低。因此，灰化時(shí)間的不同使測(cè)定出的質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值有明顯差異。

圖3 干法灰化條件對(duì)質(zhì)控大米總砷檢測(cè)值的影響Fig.3 Influence of dry ashing conditions on total arsenic detection value of quality control rice

2.4 前處理方法對(duì)大米質(zhì)控樣加標(biāo)回收率的影響

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到較優(yōu)的濕法消解條件和干法灰化條件。濕法消解的較優(yōu)條件：電熱板溫度為350 ℃，硝酸使用量為10 mL，硫酸使用量為1.25 mL，高氯酸使用量為2 mL；干法灰化的較優(yōu)條件：馬弗爐溫度為550 ℃，灰化時(shí)間為4 h。用這2種方法對(duì)質(zhì)控大米樣品進(jìn)行加標(biāo)試驗(yàn)，所加砷標(biāo)液為離子態(tài)砷，結(jié)果見表2。兩種前處理方式的加標(biāo)回收率分別為105%和95%，加標(biāo)回收率均比較滿意，這兩種前處理方法均可用于實(shí)驗(yàn)。但濕法消解的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著低于干法灰化，這由于砷具有易揮發(fā)性，溫度過高時(shí)，導(dǎo)致砷元素?fù)p失；或者高溫使樣品發(fā)生碳化，導(dǎo)致砷元素?fù)p失，考慮到實(shí)驗(yàn)的精密度，推薦使用濕法消解作為檢測(cè)大米中總砷含量的前處理方法。

表2 不同前處理方法對(duì)質(zhì)控大米加標(biāo)回收率的影響(n=3)Table 2 Effect of different pretreatment methods on recovery rate of quality control rice (n=3)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)成本和前處理所消耗的時(shí)間，對(duì)兩種前處理方法進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

表3 濕法消解和干法灰化條件所使用試劑的成本Table 3 Cost of reagents used in wet digestion and dry ashing conditions

上述結(jié)果表明，兩種方法測(cè)定的質(zhì)控大米總砷的檢測(cè)值均符合標(biāo)準(zhǔn)值范圍，且空白加標(biāo)率也均符合要求，因此這2種方法均可用于大米的前處理。然而，從前處時(shí)間方面考慮，濕法消解的前處理耗時(shí)約90 min，而干法灰化的處理時(shí)間約為240 min(表3)，可見，濕法消解能夠在一定程度上縮短大米的前處理時(shí)間。此外，從試劑成本方面，濕法消解的單個(gè)樣品的試劑成本約為4.41元，干法灰化的試劑成本約為5.48元，濕法消解能夠減少試劑消耗成本(試劑價(jià)格均查詢來(lái)源于國(guó)藥試劑官方網(wǎng)站)。在單批次處理量方面，本次濕法消解過程中使用的DB-XB型可調(diào)式電熱板一批次可以處理50個(gè)左右的樣品；干法灰化時(shí)，SX2-040型馬弗爐可同時(shí)處理20個(gè)左右樣品，其數(shù)量比濕法消解幾乎少一半。綜上，濕法消解處理在精密度、前處理時(shí)間和節(jié)約試劑成本方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

使用原子熒光光度法檢測(cè)大米中總砷含量時(shí)，前處理方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性起到了關(guān)鍵作用。本研究參照GB 5009.11-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定》[11]，采用氫化物原子熒光法中濕法消解和干法消化的兩種前處理方法。優(yōu)化得到了原子熒光光度法檢測(cè)大米中總砷含量的兩種前處理?xiàng)l件。濕法消解：10 mL硝酸，1.25 mL硫酸，2 mL高氯酸于350 ℃電熱板上對(duì)樣品進(jìn)行消解；干法消化：在550 ℃馬弗爐溫度下，灰化4 h，該兩種方法的條件均符合測(cè)定要求。然而，濕法消解在精密度、前處理時(shí)間、試劑成本方面存在一定的優(yōu)勢(shì)。