快速消解-標準加入法測定糧食中鎘的含量

王曉偉，劉 敏，任凌云，朱大偉，朱梅潔

（1. 淄博市糧食和物資儲備保障中心，山東 淄博 255039；2. 山東省糧油檢測中心，山東 濟南 250101）

鎘是一種毒性較強的重金屬元素，能通過食物鏈進入人體并在體內(nèi)富集，導致慢性中毒，損傷肝、腎等器官，引起“痛痛病”、慢性腎功能衰竭等疾病。根據(jù)GB 2762—2017[1]，我國鎘的限量標準為：谷物（稻谷除外）、谷物碾磨加工品（糙米、大米除外）≤0.1 mg/kg，稻谷、糙米、大米≤0.2 mg/kg。近年來，山東等多地發(fā)布了儲備糧質(zhì)量安全管理、超標糧食收購處置等制度，對糧食污染風險監(jiān)測、儲備糧出入庫食品安全指標檢測提出了明確要求。如何快速、準確地對大批量樣品進行檢測，成為糧食質(zhì)檢機構(gòu)新的挑戰(zhàn)。針對鎘的檢測，GB 5009.15—2014[2]規(guī)定了鎘的石墨爐原子吸收光譜測定方法，并提供了四種前處理方法，其中壓力消解罐消解法、濕式消解法、干法灰化法都存在操作繁瑣、耗時長、用酸量大等弊端，干法灰化法還存在回收率偏低的問題，微波消解法是目前實驗室用得較多的前處理方法，其優(yōu)點是消解完全、準確性高，但也存在步驟繁瑣、耗時長、用酸量大、消解罐價格昂貴等問題，極大地降低了消解效率。因此，開發(fā)快速、準確的前處理方法和定量方法成為提高重金屬檢測效率的首選。近幾年，有采用不完全消解、快速消解等方法進行糧食中鎘測定的研究[3-6]，但存在以下有待完善之處：處理糧食品種單一，未對多種不同基質(zhì)糧食樣品進行消解研究；僅對標準物質(zhì)樣品進行試驗，未對真實陽性樣品進行研究；采用外標法定量分析，因標準溶液與樣品溶液基體不匹配造成結(jié)果偏差；未進行樣品量與酸量的比例優(yōu)化；未與標準方法進行有效的結(jié)果比對等。針對上述問題，本文建立了基于GFAAS 的快速消解-標準加入法測定糧食中鎘的方法，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，豐富了糧食基質(zhì)類型，以我國三大糧食品種小麥、稻谷、玉米及主食大米作為研究對象，優(yōu)化了快速消解前處理條件和步驟，確定了樣品與硝酸最佳比例，探索了標準加入法在不同糧食基質(zhì)下檢測的準確性，并與GB 5009.15—2014 中微波消解法進行了全面比較，為糧食中鎘的測定提供了可選的快速處理、準確定量方法。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

AA600 原子吸收光譜儀，配備橫向加熱石墨爐：美國珀金埃爾默公司；ETHOS UP 微波消解儀：意大利邁爾斯通公司；GSN-48 石墨趕酸器：基創(chuàng)儀器；GL124-1SCN 電子分析天平：賽多利斯公司；ADW-2002-M 超純水系統(tǒng)：重慶頤洋；JXFM110 錘式旋風磨：上海嘉定糧油；50 mLPP刻度離心管：廣州潔特。

GBW（E）080119 鎘單元素溶液標準物質(zhì)（100 μg/mL），使用前用1%硝酸進行逐級稀釋，得到2 μg/L 上機標準溶液母液：中國計量科學院；硝酸（UP 級）：蘇州晶瑞；硝酸鈀（10 000 mg/L），使用時稀釋10 倍：美國珀金埃爾默公司。

GBW（E）100377 糙米粉標準物質(zhì)、GBW（E）100380 玉米粉標準物質(zhì)、GBW（E）100379 全麥粉標準物質(zhì)：國家糧食和物資儲備局科學研究院；GBW（E）100348a 大米粉標準物質(zhì)：鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司。

稻谷樣品273#、玉米樣品212#，小麥樣品183#、大米樣品166#、178#：本課題組采集。將稻谷脫殼后制成糙米273#，以上樣品分別用錘式旋風磨制備成糙米粉、玉米粉、全麥粉、大米粉。

1.2 實驗方法

1.2.1 快速消解前處理方法

稱取0.3 g（精確到0.1 mg）樣品，置于50 mL刻度離心管中，準確加入2.0 mL 硝酸，蓋子旋轉(zhuǎn)至適中松緊度（利于煙氣散發(fā)，防止管內(nèi)壓力過大，同時避免硝酸快速蒸發(fā)而損失），將離心管置于石墨趕酸器中，120 ℃，消解15 min，取下并開蓋放置10 min，待黃煙散盡并冷卻后，用純水定容至25 mL（可根據(jù)樣品含量調(diào)整定容體積）。

1.2.2 標準曲線制作

采用標準加入法制作標準曲線。按照樣品基質(zhì)不同，分為糙米組、玉米組、小麥組、大米組，分組進行標準曲線制作。按照不同的組別，將所處理的單一糧種樣品各吸取1 mL 進行混合，作為加標基質(zhì)，記為Mix，標準空白為試劑空白，標準點進樣程序見表1。樣品進樣程序：吸取16 μL樣品、16 μL 稀釋液（純水）及5 μL 基體改進劑硝酸鈀，總進樣體積為37 μL。

表1 標準點進樣程序Table 1 Sample injection program of calibration point μL

1.2.3 微波消解前處理方法

稱取0.3 g（精確到0.1 mg）樣品，置于消解罐中，準確加入8.0 mL 硝酸（國家標準方法為加入5 mL 硝酸和2 mL 過氧化氫，本研究根據(jù)微波消解儀使用方法推薦加入8 mL 硝酸，經(jīng)前期比對，消解效果無顯著差異），旋緊蓋子，置于微波消解儀中，按照儀器運行程序消解52 min，通風降溫30 min，溫度降至50 ℃以下時，開罐，置于石墨趕酸器上，于160 ℃趕酸，約120 min 至近干，冷卻后轉(zhuǎn)移至10 mL 容量瓶中，用純水定容。微波消解程序見表2。

表2 微波消解程序Table 2 Program of microwave digestion

1.2.4 儀器工作條件

石墨爐原子吸收光譜儀：測定波長228.8 nm，燈類型：HCL，燈電流4.0 mA，狹縫0.7 nm，縱向交流塞曼背景校正，升溫程序見表3。

表3 石墨爐升溫程序Table 3 Temperature-rising program of graphite furnace

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理按照GB/T 4889—2008《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和解釋正態(tài)分布均值和方差的估計與檢驗》[7]，其中，方差一致性檢驗即F檢驗按照“兩總體方差或標準差比較的檢驗”規(guī)定的方法進行，兩總體均值的比較檢驗即差異顯著性檢驗按照附錄B使用P值進行假設(shè)檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 方法條件的確定

2.1.1 硝酸濃度、用量及樣品粒徑選擇

有研究顯示采用稀酸作為提取液收到了良好效果[8-9]，本研究為了確保消解效率，盡最大可能消解帶種皮糧食樣品中的復雜有機物，采用了68%硝酸作為消解液。采用了2 mL 硝酸加入量，在消解結(jié)束后，酸剩余量約為1～1.5 mL，定容到25 mL后，樣品溶液酸度小于5%。在樣品粒徑選擇上，試驗了錘式旋風磨的粉碎效果，得到的粉樣基本通過40 目篩（粒徑約0.5 mm），試驗結(jié)果顯示，粒徑為0.5 mm 糧食樣品可以獲得理想的消解效果。

2.1.2 樣品與硝酸比例優(yōu)化

考察了樣品量與酸量最佳比例，以玉米粉標準物質(zhì)（標準值為0.045 mg/kg）為消解樣品，考察在0.3、0.4、0.5、0.6、1.0 g 稱樣量時的回收率，每組消解樣品7 份，每份重復測定3 次，結(jié)果見圖1。當固定酸量為2.0 mL 時，隨著稱樣量增加，鎘回收率逐漸降低。稱樣量為0.3～0.5 g 時，回收率>90%，符合該濃度水平回收率要求。當α= 0.05時，對5 組回收率進行F檢驗，并利用P值進行差異顯著性檢驗。5 組回收率的精密度一致，稱樣量為0.3、0.4 g 時，兩組回收率均值無顯著性差異（F=1.02，F(xiàn)0.95(6,6)=4.28，F(xiàn)0.05）。稱樣量為0.3、0.5 g 時，兩組回收率均值具有顯著性差異（F=1.17，F(xiàn)0.95(6,6)=4.28，F(xiàn)

圖1 不同樣品量鎘的回收率（n=7）Fig.1 Recoveries of cadmium of different sample amounts (n=7)

2.1.3 消解溫度、時間的確定

消解溫度采用硝酸沸點120 ℃，比低溫消解用時更少，消解效果更好。通過比較不同加熱時間的消解效果發(fā)現(xiàn)，消解10 min 時溶液中有明顯顆粒物，消解15 min 時，顆粒物基本消失且溶液呈透明狀，20、25 min 后，無明顯變化，因此確定消解時間為15 min。定容后大米粉樣品呈近乎無色的均一溶液，糙米粉、玉米粉、全麥粉為淡黃色液體，有細小懸浮顆粒。

2.1.4 懸浮顆粒對測定結(jié)果的影響

消解了14 份全麥粉樣品進行比對，其中7 份離心（6 000 r/min，10 min）后取上清液測定，7份直接上機測定，每份重復測定3 次，當α=0.05時，結(jié)果顯示兩組方差相等（F=3.13，F(xiàn)0.95(6,6)=4.28，F(xiàn)0.05），說明離心與不離心效果無明顯差別，殘留顆粒不影響測定，為減少操作環(huán)節(jié)，本方法采用定容后靜置再進行上機測定。

2.2 方法線性

2.2.1 標準加入法的設(shè)置

為減少背景值對檢測結(jié)果的影響，使標準溶液與樣品溶液基體相匹配，本研究采用1.2.2 作為定量方法，將加標基質(zhì)Mix 中待測元素含量記為CX，吸光度值記為AX，以加入待測元素鎘的標準濃度（C1、C2、C3、C4）為橫坐標，以相應(yīng)吸光度分別減去樣品Mix 吸光度的值為縱坐標（A1-AX，A2-AX，A3-AX，A4-AX），制作標準曲線。根據(jù)試驗結(jié)果，鎘濃度在0～5 μg/L 時線性良好，設(shè)0、0.5、1.0、1.5、2.0 μg/L 作為標準加入法的標準點。

2.2.2 不同基質(zhì)的標準曲線相關(guān)系數(shù)r

考慮到不同樣品消解后的基質(zhì)存在差異，測定曲長228.8 nm 下，對不同的樣品分別繪制標準曲線（以糙米為例，見圖2），來驗證不同基質(zhì)下標準曲線的線性，并在不同時間進行了10 次試驗以考察線性的穩(wěn)定性。根據(jù)結(jié)果（圖3），4 種基質(zhì)的標準曲線相關(guān)系數(shù)均達到了0.995（0.998 占比最大），符合相關(guān)系數(shù)要求，表明標準加入法線性關(guān)系良好，且在4 種基質(zhì)中都有良好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

圖2 糙米標準加入法標準曲線Fig.2 Standard addition calibration curve of brown rice

圖3 相關(guān)系數(shù)占比Fig.3 Proportion of correlation coefficients

2.3 方法準確度研究

2.3.1 有證標準物質(zhì)（CRM）檢測

使用3 種不同基質(zhì)、不同含量的糧食CRM 進行檢測試驗，結(jié)果顯示（表4），測定值與標準值的相對誤差均在±10%范圍內(nèi)，符合GB/T32465—2015[10]規(guī)定的要求，且在標準值賦值范圍內(nèi)，表明該方法在準確度上有保證。上述結(jié)果也證明，在該方法下，2.1.4 所述消解液中的懸浮顆粒對鎘元素提取及測定未產(chǎn)生明顯影響。

表4 快速消解-標準加入法檢測CRM 結(jié)果（n=7）Table 4 Detection results of CRM using rapid digestion-standard addition (n=7)

2.3.2 加標回收

選擇本底值較低的大米166#作為加標基質(zhì)，進行低、中、高3 個梯度鎘加標，各處理3 份平行樣，每份樣品上機重復測定3 次。結(jié)果見表5，3 個濃度水平的加標回收率為99.1%～103.4%，平均回收率為101.7%，符合GB/T 27404—2008[11]規(guī)定的回收率范圍，表明該方法在低、中、高濃度鎘檢測上能保證相應(yīng)的準確度。

表5 鎘加標回收結(jié)果（n=3）Table 5 Standard recoveries of cadmium (n=3)

2.3.3 方法精密度

根據(jù)GB/T32465—2015[10]進行方法精密度研究。樣品基質(zhì)類型n= 4，每種基質(zhì)檢測m= 7 個子樣，每個子樣獨立重復測定r= 3 次，共進行了d= 8 天試驗，自由度為（n–1）m=21，優(yōu)于精密度獨立重復檢測次數(shù)最低要求。根據(jù)表6，RSD 為1.6%～2.7%；結(jié)合表4，3 種CRM 的RSD 為1.2%～2.4%，標準物質(zhì)樣品與實際樣品的RSD 值均小于3%，遠低于11%的精密度期望值。上述結(jié)果表明，該方法對不同基質(zhì)的糧食以及是否具有種皮的同種糧食，都顯示出良好的精密度和方法重復性。

表6 精密度結(jié)果（n=7）Table 6 Results of precision test (n=7)

2.4 方法檢出限、方法空白

采用空白標準偏差的倍數(shù)法進行方法檢出限評估。按照1.2.1 方法獲得空白溶液，獨立測定11次，得到標準偏差S為0.011 7 μg/L，按照儀器檢出限為3S，計算得到儀器檢出限IDL 為0.035 1 μg/L，帶入方法公式計算方法檢出限MDL 為0.003 mg/kg。按照定量限為10S，計算方法定量限為0.01 mg/kg。本方法具有較低的試劑空白：≤0.05 μg/L（定容體積25 mL 時）。

2.5 與GB 5009.15—2014 微波消解-外標法比較

2.5.1 GB 5009.15—2014 檢測結(jié)果

按照1.2.3 處理CRM 及實際樣品，用外標法定量，原子吸收光譜儀檢測，結(jié)果見表7～8。

表7 CRM 檢測結(jié)果（n=7）Table 7 Detection results of CRM (n=7)

表8 實際樣品檢測結(jié)果（n=7）Table 8 Detection results of real samples (n=7)

2.5.2 方法結(jié)果比對

根據(jù)表4～8 測定結(jié)果，對兩種方法鎘含量均值兩兩比對，進行F檢驗及差異顯著性檢驗（結(jié)果見表9）。當α= 0.05 時，F(xiàn)0.95(6、6)=4.28，F(xiàn) 0.05，表明兩種方法均值無顯著性差異，說明本文建立的快速消解–標準加入法，與國家標準方法GB 5009.15—2014 微波消解–外標法測定結(jié)果具有一致性。

表9 兩種方法結(jié)果顯著性檢驗（n=7）Table 9 Results of significance test between the two methods (n=7)

2.5.3 方法比較

根據(jù)兩種樣品前處理方法的試驗研究結(jié)果，從十個方面進行比較（表10），本文方法（快速消解–標準加入法）與國標方法（微波消解–外標法）在準確性、精密度等方面無顯著性差異，比國標方法節(jié)約時間88%，節(jié)省硝酸75%，所用儀器設(shè)備更少、價格更低。

表10 兩種方法比較結(jié)果Table 10 Results of the comparison between the two methods

3 結(jié)論

本文建立了快速消解–標準加入法測定糧食中鎘的方法，并與國家標準方法微波消解–外標法進行了全面比較。試驗證實，采用68%硝酸作為消解液，優(yōu)化樣品與硝酸比例為0.3～0.4 g：2.0 mL，120 ℃消解15 min；按照樣品基質(zhì)不同分組，采用標準加入法進行標準曲線制作，標準曲線線性關(guān)系良好，且在4 種糧食基質(zhì)中都顯示出良好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。從方法性能指標看，該方法準確性高、精密度好、檢出限低，與國家標準方法測定結(jié)果具有一致性，是一種準確的鎘痕量測定方法；從效率和經(jīng)濟性方面看，該方法用時少、操作簡便，前處理效率高，用酸量少、所需前處理儀器設(shè)備價格低，更加經(jīng)濟環(huán)保。該方法既保證了國家標準方法的準確度，又具有快速測定方法的高效率，是一種適用于大批量樣品檢測的高通量方法，在糧食質(zhì)量日常監(jiān)管、糧食清倉查庫、食品安全應(yīng)急快速檢測中具有良好的應(yīng)用前景。