電熱蒸發(fā)-催化熱解-原子吸收法直接測(cè)定茶葉中鎘

邢培哲 李雪 章劍揚(yáng) 馮禮 劉貴巧 毛雪飛

摘 要：重金屬鎘（Cd）一直是茶葉產(chǎn)品質(zhì)量安全關(guān)注的重點(diǎn)。本研究基于電熱蒸發(fā)-催化熱解-原子吸收光譜儀（SS-ETV-AAS），使用鎳材質(zhì)樣品舟，在300 mL/min空氣條件下，350 ℃干燥20 s，350～725 ℃灰化55 s;引入300 mL/min氫氣與空氣反應(yīng)形成氮?dú)浠旌蠚夥?，?25～800 ℃（50 s）下完成Cd的蒸發(fā);之后，在高嶺土填料催化熱解爐800 ℃和準(zhǔn)直管700 ℃條件下，氮?dú)浠鹧嬖游諟y(cè)定鎘的含量。方法檢出限（LOD）為0.3 ng/g、定量限（LOQ）為1.0 ng/g，R2>0.998，多次測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.8%～8.6%，多種茶葉樣品中Cd的測(cè)定值與微波消解石墨爐原子吸收光譜法（GFAAS）無顯著性差異（P>0.05），Cd的回收率在92%～107%之間。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法靈敏度高、穩(wěn)定性好、簡(jiǎn)單高效，且無需消解處理，樣品分析時(shí)間僅為3min，適用于茶葉中Cd的快速檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：固體進(jìn)樣;電熱蒸發(fā);催化熱解;原子吸收;茶葉;鎘

受三廢排放、農(nóng)業(yè)投入品濫用和土壤酸化等因素的影響，特別是我國(guó)南方地區(qū)，土壤中重金屬污染嚴(yán)重影響到了食品安全[1-2]。茶葉是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，在生長(zhǎng)過程也會(huì)吸收和積累土壤中的鎘（Cd），從而對(duì)消費(fèi)者健康構(gòu)成潛在威脅[3-4]。雖然現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中暫未設(shè)定Cd的污染限量，但作為飲食的一部分，大量飲用茶葉所攝入Cd的風(fēng)險(xiǎn)仍然不容忽視[5-7]，因此對(duì)茶葉中Cd進(jìn)行檢測(cè)十分必要。目前，Cd的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法已經(jīng)較為成熟，常用的石墨爐原子吸收法（GF-AAS）[8]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[9]、電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP-OES）[10]、氫化物發(fā)生原子熒光光譜法（HG-AFS）[11]等液體進(jìn)樣的原子光譜方法，都可以準(zhǔn)確測(cè)定茶葉中的Cd元素。但是，上述方法需要復(fù)雜耗時(shí)的消化過程，通常會(huì)使用到大量的無機(jī)酸，造成環(huán)境污染。因此，茶葉中痕量Cd的非消解快速測(cè)定，依然是研究的難點(diǎn)。

電熱蒸發(fā)（ETV）是固體進(jìn)樣元素分析常用的技術(shù)，樣品導(dǎo)入效率高，無需消解處理，可與AAS、AFS、ICP-OES和ICP-MS聯(lián)用[12-15]。但是，固體進(jìn)樣過程會(huì)導(dǎo)入大量基體干擾，常見的基體改進(jìn)劑、基體匹配和氣相富集（GPE）[13，16-18]等方法可以不同程度改善基質(zhì)效應(yīng)。直接進(jìn)樣測(cè)汞儀是一個(gè)良好范例，其中催化熱解對(duì)干擾基體的吸附和汞原子的傳輸過程起到了關(guān)鍵作用。與之相似，本研究的測(cè)鎘儀將高嶺土填料用于高溫催化熱解，可以有效消除固體進(jìn)樣對(duì)Cd帶來的基體干擾;同時(shí)利用空氣與H2反應(yīng)形成氮?dú)浠旌蠚庾鳛殡姛嵴舭l(fā)載氣，替代了價(jià)格昂貴的氬氣或氬氫混合氣，實(shí)現(xiàn)了只用水和空氣的氣體發(fā)生，進(jìn)一步節(jié)約了運(yùn)行成本，從而為實(shí)現(xiàn)茶葉中Cd的快速、準(zhǔn)確測(cè)定提供了解決方案。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑、材料

AA2288全自動(dòng)測(cè)鎘儀，長(zhǎng)沙開元弘盛科技有限公司;AA-6880原子吸收分光光度計(jì)，日本島津公司;TOPEX+微波消解儀，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司;萬分之一分析天平，瑞士梅特勒托利多集團(tuán)。

Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，標(biāo)準(zhǔn)工作溶液用超純水逐級(jí)稀釋;GBW10052綠茶標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，Cd的標(biāo)定值為（76±4）ng/g;HNO3和H2O2（分析純）用于微波消解茶葉樣品、Pd（NO3）2作為基體改進(jìn)劑用于GFAAS、KOH（優(yōu)級(jí)純）用于氫氣發(fā)生器促進(jìn)電解，均購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

樣品：市購紅茶、綠茶、烏龍茶、黑茶、花茶共5種茶葉。研磨過40目篩，混勻備用。

1.2 方法

1.2.1 工作原理及分析過程 測(cè)鎘儀的主要儀器結(jié)構(gòu)見圖1，主要由電熱蒸發(fā)區(qū)、催化熱解區(qū)、準(zhǔn)直管、AAS檢測(cè)器、氣體發(fā)生器等部分組成，其中電熱蒸發(fā)區(qū)、催化熱解區(qū)、準(zhǔn)直管是由一體化石英管組成（準(zhǔn)直管Φ2 mm，其他部分Φ19 mm）。氣體發(fā)生器主要由空氣泵、氫氣發(fā)生器、燃燒頭、水循環(huán)泵、冷凝器等組件構(gòu)成，當(dāng)需要輸入空氣時(shí)，由空氣泵直接泵入;當(dāng)需要氮?dú)浠旌蠚鈺r(shí)，空氣和氫氣經(jīng)燃燒后消耗掉氧氣，留下氮?dú)夂瓦^量的氫氣，再將氮?dú)浠旌蠚鈱?dǎo)入到電熱蒸發(fā)區(qū)。

準(zhǔn)確稱取100 mg及以下茶葉粉末樣品（精確至0.1 mg）至鎳材質(zhì)樣品舟，送入電熱蒸發(fā)區(qū)。在空氣條件下進(jìn)行脫水（350 ℃）和灰化（350～725 ℃），去除大量有機(jī)基體干擾物，減小了Cd蒸發(fā)時(shí)共存的有機(jī)物干擾。相對(duì)于還原性氣氛，Cd在氧化氣氛中更不易蒸發(fā)[19]，所以在725 ℃含氧氣氛中，大部分Cd還留在灰化后的樣品殘?jiān)?少部分蒸發(fā)出來的Cd則被800 ℃的高嶺土填料捕獲。當(dāng)切換為氮?dú)浠旌蠚鈺r(shí)，在還原性氣氛下樣品殘?jiān)械腃d和被填料捕獲的Cd快速蒸發(fā)出來，傳輸至準(zhǔn)直管;準(zhǔn)直管在700 ℃點(diǎn)燃氮?dú)浠旌蠚猓珻d被保持原子態(tài)，并被AAS檢測(cè)。

1.2.2 儀器工作程序 測(cè)鎘儀的AAS檢測(cè)器光源為鎘空心陰極燈，分析波長(zhǎng)為228.8 nm，燈電流5.0 mA，光電倍增管（PMT）負(fù)高壓260 V。程序及其他參數(shù)見表1。確證性方法GFAAS的儀器條件參考GB 5009.15—2014。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品干燥與灰化條件優(yōu)化

2.1.1 干燥時(shí)間優(yōu)化 干燥過程是通過除去樣品中的水分，防止灰化過程中反應(yīng)劇烈，損耗進(jìn)樣舟或造成樣品損失。本研究使用Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液來優(yōu)化干燥時(shí)間，結(jié)果表明，350 ℃干燥20 s可完全去除水分對(duì)后續(xù)測(cè)定的干擾。

2.1.2 灰化時(shí)間優(yōu)化 對(duì)于固體進(jìn)樣元素分析技術(shù)來說，灰化是消除有機(jī)物干擾的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于茶葉中富含纖維素、蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)組分，如果伴隨Cd同時(shí)蒸發(fā)，則可能會(huì)干擾Cd的后續(xù)傳輸和檢測(cè)。本研究的測(cè)鎘儀采用PID控制器（比例/積分/微分控制器）來控制電熱蒸發(fā)區(qū)的加熱功率與升溫。使用100 ng/mL的Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)灰化時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示，黑線為Cd信號(hào)歸一化強(qiáng)度，紅線為灰化時(shí)間對(duì)應(yīng)的溫度），Cd的信號(hào)強(qiáng)度隨灰化時(shí)間增加而提高。在20～30 s（500～570 ℃）信號(hào)強(qiáng)度不足0.6，此時(shí)間段下樣品中的Cd蒸出不足;在30～50 s時(shí)（570～700 ℃），Cd的蒸出達(dá)到90%左右，且信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定性也得到了明顯的提高;當(dāng)灰化時(shí)間達(dá)到55 s（725 ℃）及以上時(shí)，Cd信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到了平臺(tái)，且RSD僅為2%。在后續(xù)真實(shí)茶葉樣品的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了，55 s（725 ℃）完全能夠滿足樣品灰化的要求，并可以獲得良好的Cd信號(hào)。因此，選擇55 s作為最佳灰化時(shí)間（溫度）。

2.2 氣體流量的優(yōu)化

2.2.1 空氣流量的優(yōu)化 含氧氣氛有利于樣品的灰化，而空氣是最直接、簡(jiǎn)便的含氧氣氛來源，因此，氣體發(fā)生器中空氣泵負(fù)責(zé)定量提供空氣來輔助灰化，去除有機(jī)物干擾。本研究用100 ng/mL的Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行空氣流量的優(yōu)化，圖3顯示，300 mL/min空氣能夠獲得良好的Cd信號(hào)，同時(shí)在后續(xù)真實(shí)茶葉樣品的檢測(cè)試驗(yàn)中也證實(shí)了300 mL/min空氣完全能夠滿足樣品灰化的要求。

2.2.2 氫氣流量的優(yōu)化 氫氣由氫氣發(fā)生器提供，作用是通過反應(yīng)消耗掉空氣中的氧氣，并在過量的情況下形成氮?dú)浠旌蠚庾鳛镃d蒸發(fā)時(shí)的載氣，這主要利用的是氫氣或還原性氣氛有利于Cd蒸發(fā)的原理[13，20-21]。因此，本研究對(duì)H2流量進(jìn)行了優(yōu)化，以探索H2以及氮?dú)浠旌蠚鈱?duì)Cd蒸發(fā)的影響（圖4），結(jié)果表明，H2流量為200 mL/min時(shí)未檢測(cè)到信號(hào)值，說明樣品中的Cd沒有被蒸發(fā)出來，同時(shí)之前灰化時(shí)被高溫填料捕獲的部分Cd也沒有釋放出來，這是由于H2流量過低，整個(gè)電熱蒸發(fā)和催化熱解區(qū)域依然是在含氧氣氛中。當(dāng)H2過量時(shí)，Cd的信號(hào)強(qiáng)度明顯上升;300～400 mL/min是Cd信號(hào)強(qiáng)度的平臺(tái)期，之后有顯著下降，這主要可能是H2流速過高從而導(dǎo)致分析物被稀釋。因此，最終選擇300 mL/min作為最佳氫氣流量。

2.3 催化熱解爐溫度的優(yōu)化

在本研究的測(cè)鎘儀中，高溫高嶺土填料在消除基體干擾和保證Cd原子傳輸方面發(fā)揮了重要的作用?；一^程中產(chǎn)生的大量氮氧化物、硫化物以及固體顆?？梢员惶盍纤?，從而在Cd蒸發(fā)和檢測(cè)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生干擾;同時(shí)，填料還可以捕獲灰化時(shí)蒸發(fā)出來的少量Cd，并在切換還原性氣氛時(shí)快速釋放出來，從而不會(huì)造成Cd信號(hào)的損失。為了探究催化熱解爐溫度對(duì)檢測(cè)的影響，本研究在溫度條件下測(cè)定Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液。如圖5所示，在500～550 ℃時(shí)，信號(hào)值強(qiáng)度極低，表明此溫度下Cd釋放率低;在600 ℃時(shí)，信號(hào)值有明顯提升;之后溫度穩(wěn)定在800 ℃，信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最高并穩(wěn)定下來。因此，選擇800 ℃為催化熱解爐和填料的最佳溫度。

2.4 準(zhǔn)直管的溫度條件

準(zhǔn)直管的主要作用是利用改變內(nèi)徑（變?。鬏?shù)腃d原子約束在更小的空間內(nèi)，以提高AAS中空心陰極燈光束的照射效率，從而提高信號(hào)強(qiáng)度。但是，一般情況下，低溫的石英材料會(huì)捕獲冷卻的Cd元素，從而造成殘留。因此，本研究對(duì)比了常溫和高溫條件下，準(zhǔn)直管對(duì)Cd傳輸?shù)挠绊?。如圖6所示，當(dāng)準(zhǔn)直管未加熱時(shí)（黑線），Cd峰形極不規(guī)則，表明Cd的傳輸過程不穩(wěn)定;當(dāng)準(zhǔn)直管二次加熱（700 ℃）時(shí)，之前殘留在石英壁上的Cd（紅線）再次釋放出來，且氮?dú)浠旌蠚饪梢员稽c(diǎn)燃形成穩(wěn)定的氮?dú)湓踊鹧妗Ｉ鲜鼋Y(jié)果表明，不加熱的準(zhǔn)直管會(huì)造成Cd的殘留;當(dāng)加熱形成氮?dú)湓踊鹧鏁r(shí)，可以獲得穩(wěn)定、良好的Cd信號(hào)（見圖7、8）。因此，700 ℃加熱準(zhǔn)直管是必須的。

2.5 基質(zhì)干擾消除效果的驗(yàn)證

茶葉樣品富含纖維素、蛋白質(zhì)、多糖、鞣質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等，如果直接伴隨Cd蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生大量的基體干擾，影響Cd的測(cè)定。本研究的測(cè)鎘儀，通過在線灰化、催化熱解等技術(shù)，有效消除了樣品基質(zhì)的干擾。為了驗(yàn)證這種效果，本試驗(yàn)挑選出綠茶與黑茶兩種代表性基質(zhì)的茶葉樣品，稱量100 mg，與同Cd質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行對(duì)比。由圖7、8可以看出，茶葉真實(shí)樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰形高度重合，且茶葉樣品與Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰面積比分別為0.94∶1（綠茶）和0.98∶1（黑茶）。上述結(jié)果表明，本研究建立的固體直接進(jìn)樣測(cè)Cd方法具有良好的抗基體干擾能力。

2.6 方法性能的評(píng)價(jià)

2.6.1 方法的線性范圍、回收率、精密度和靈敏度此方法的線性范圍在0.1～ 100 ng之間，線性回歸系數(shù)（R2）在0.998以上;根據(jù)空白溶液11次測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD和標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率K計(jì)算檢出限LOD=3*SD/K，結(jié)果為0.03 ng。當(dāng)進(jìn)樣量為100 mg時(shí)，方法LOD為0.3 ng/g，定量限LOQ為1.0 ng/g。對(duì)黑茶樣品進(jìn)行11次重復(fù)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果Cd濃度為87.1 ng/g，RSD為3.8%，表明此方法穩(wěn)定性較好;對(duì)黑茶樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn)，在100 ng/g的Cd添加水平下，進(jìn)行6次重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得回收率為102.5%，表明方法具有良好的測(cè)定準(zhǔn)確性。

2.6.2 實(shí)際樣品檢測(cè)與驗(yàn)證 對(duì)自制的綠茶、黑茶、烏龍茶、紅茶、花茶等真實(shí)茶葉樣品和綠茶標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10052進(jìn)行檢測(cè)，并與確證性方法微波消解-GFAAS的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（表2）。對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示兩方法無顯著性差異（P>0.05）。這說明本方法具有良好的方法準(zhǔn)確性和適用性。同時(shí)，本方法的樣品分析時(shí)間僅為3 min，且不需要樣品消解，可以極大地提高樣品分析效率。

3 結(jié)論

本研究建立了基于電熱蒸發(fā)和催化熱解原理的固體進(jìn)樣測(cè)Cd分析方法，用于茶葉中Cd含量的測(cè)定，優(yōu)化儀器的灰化、電熱蒸發(fā)、檢測(cè)以及氣體條件，并對(duì)線性范圍、回收率、精密度和靈敏度等進(jìn)行方法學(xué)評(píng)價(jià)，最后與已有的確證性標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩方法的檢測(cè)結(jié)果無顯著差異。該方法快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，且無需樣品酸消解，分析時(shí)間僅為3 min，極大地提高了茶葉重金屬Cd檢測(cè)的效率;同時(shí)，該方法僅使用空氣和水作為氣體發(fā)生條件，綠色、環(huán)保，并可以有效節(jié)省試驗(yàn)成本。因此，本研究建立的固體進(jìn)樣電熱蒸發(fā)-催化熱解-原子吸收方法，可以為保障茶葉的質(zhì)量安全提供一種可靠的重金屬快速檢測(cè)手段。

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