大米中重金屬鎘檢測技術的研究進展

張凱淇，于 澤，陳怡霏，劉 柯，張春曉，孔欽冰

（河北農業(yè)大學理工學院，河北滄州 061100）

鎘（cadmium）是一種通過工業(yè)生產和農業(yè)實踐廣泛傳播的銀白色有毒金屬污染物，主要應用于電池和顏料的生產中，具有不可降解性和積聚性，是環(huán)境中毒性最強的重金屬之一。金屬鉻普遍存在于環(huán)境中，會通過水源、土壤、空氣流動等進入生態(tài)系統(tǒng)內循環(huán)，其中土壤中的鎘可被水稻根系吸收到體內，嚴重影響水稻的正常生長，并通過食物鏈對人體健康造成危害。大米是膳食重金屬攝入的主要來源，人們食用被鎘污染的大米，會出現(xiàn)軟骨病、骨質疏松、高血壓、肺氣腫等病癥，還有致畸和致癌作用[1]。近年來，對大米中重金屬鎘的檢測已經取得巨大進展。常規(guī)的檢測方法操作繁瑣、耗時耗力且靈敏度低，難以滿足要求，總結了各種常規(guī)方法的局限性，同時結合市場上的實際需求，對大米中重金屬的快速檢測技術進行概述，為快速、準確檢測大米中的鎘提供依據(jù)。

1 大米中重金屬鎘檢測的常規(guī)方法

大米作為我國主要的糧食作物，種植面積廣闊，其重金屬含量是一項重要的安全指標。隨著金屬鎘污染的加劇，進行大米中重金屬鎘的檢測滿足當前社會需要，有利于加強市場監(jiān)督，為人們的身體健康保駕護航。目前，大米中重金屬鎘檢測的常規(guī)方法有石墨爐原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法、原子熒光光譜法等。

1.1 石墨爐原子吸收光譜法

石墨爐原子吸收光譜法（Graphite furnace atomic absorption spectrometry，GFAAS），是用電流加熱原子化進行原子吸收分析的方法。該法要用到原子化器，根據(jù)需要將石墨材料制成管、杯等形狀，使用過程中樣品經原子化器全部進行原子化吸收分析，并且避免了原子濃度在火焰氣體中的稀釋，因此該法分析靈敏度得到了顯著的提高?，F(xiàn)行有效的國家標準《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》（GB 5009.15—2014）便采用的石墨爐原子吸收光譜法，這種方法是將大米灰化或者酸消解后注入一定量樣品液于原子吸收分光光度計石墨爐中，采用標準曲線法定量，檢出限為0.001 mg/kg，定量限為0.003 mg/kg。該方法屬于國家標準方法，在性能上優(yōu)于其他眾多方法，用于測定痕量金屬元素。測定結果準確度、靈敏度高，精密度好，檢出限低，應用領域廣泛，并且可用于少量樣品的直接分析。但在稱樣、消化、定容、進樣上機測定等的過程中容易引起操作誤差，且由于操作步驟復雜存在重復性差、檢測費用高，只能應用于單元素檢測等缺點[2-4]。彭斕蘭等人[5]對石墨爐原子吸收光譜法的預處理條件進行了優(yōu)化，采用超聲和酸法聯(lián)合提取，研究結果表明在三氟乙酸濃度為26 mol/L，大米與三氟乙酸的比例為1∶20，木粉度為100目篩，雙頻超聲頻率為25/40 kHz時，檢出限為0.7 μg/L，大大提高了檢出限，且結果準確可靠。

1.2 電感耦合等離子體質譜法

電感耦合等離子體質譜法[6-7]（Inductively coupled plasma/mass spectrometry，ICP/MS），是一種用來測量食品中元素含量的理想方法，它是以獨特的接口技術將電感耦合等離子體的高溫電離特性與質譜計的靈敏快速掃描的優(yōu)點相結合而形成的一種高靈敏度的光譜分析技術，它的本質是分析樣品中的質荷比來確定樣品中重金屬離子的含量。該方法用于痕量分析，由于光譜干擾少、線性范圍廣，它最大的優(yōu)點是可以同時檢測多種元素及其同位素，凌東輝等人[8]通過微波消除技術對大米進 行前處理，然后采用電感耦合等離子體質譜法實現(xiàn)了對大米中鉛、鎘、鉻等13種元素的同時測定，各元素的加標回收率達到了85.7%，相對標準偏差為0.88%，這種方法靈敏度高，檢出限低，精確度高，分析時間短，抗干擾能力強，但該法也存在應用范圍較小，操作費用較高，并要求操作者要有一定的操作經驗等缺點。

1.3 原子熒光光譜法

原子熒光光譜法[9]（Aomic fluorescence spectrometry，AFS）的基本原理是特定的基態(tài)吸收特定頻率的輻射，其中部分受激發(fā)態(tài)原子在激發(fā)過程中以光輻射的形式發(fā)射出特征波長的熒光，檢測器測定原子發(fā)出的熒光而實現(xiàn)對元素的測定。原子熒光光譜法是目前測定鎘元素含量最為優(yōu)良的方法，它的線性范圍、測定時間、靈敏度優(yōu)于石墨爐原子吸收光譜法等，但其測定結果會受到多種因素的交互影響。在原子熒光光譜法檢測技術的基礎上，李金橋等[10]以2%HCl作為酸的介質，再分別加入質量分數(shù)為0.5%的硫脲和3.0 mL的鈷離子作為熒光增敏劑，與質量分數(shù)為0.5%的氫氧化劑和質量分數(shù)為3%的硼氫化鉀還原劑反應，得到了最佳鎘含量的熒光強度。

1.4 液相色譜法

液相色譜法是利用色譜柱將重金屬離子與有機試劑發(fā)生反應形成的絡合物分離成單個成分，再通過檢測器對其進行檢測，從而實現(xiàn)對重金屬的一種定量分析方法。李明等[11]在測定食品中的重金屬鎘元素時，則采用的此方法。食品樣品經微波消化后用四-（鄰氯苯基）-卟啉（T2CPP）柱將其消化液中的鎘進行前衍生，然后富集鎘的絡合物，以甲醇-四氫呋喃（92/8）為流動相，與其絡合物進行快速分離，最后用二極管矩陣檢測器進行檢測。該方法具有較高的選擇性與靈敏度，具有一定的專一性，適用于重金屬離子含量低的樣品檢測。用此方法也可同時對多種重金屬元素進行檢測。

原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法等這些常規(guī)檢測技術及其優(yōu)化后的技術，準確度高、精密度好，但存在樣品前處理操作復雜、儀器操作受時間地點限制、成本較高、耗時較長、效率較低等缺點，因此不利于相關部門對大米中的重金屬鎘進行實時實地檢測。

2 大米中重金屬鎘的快速檢測

我國相關法律規(guī)定大米中鎘含量不得超過2.0 mg/kg，而市場上銷售的大米重金屬鎘超標率則高達10.5%[12]，因此，政府有關部門必須加大監(jiān)督力度來保證市場正常的秩序[13]。新興的檢測方法由于可以現(xiàn)場、準確、快速地獲取檢測結果而更有利于對市場進行有效監(jiān)督。目前應用于大米中重金屬鎘檢測的方法主要有酶聯(lián)免疫吸附快速檢測法、試紙比色檢測法、電化學分析法。

2.1 酶聯(lián)免疫吸附快速檢測法

酶聯(lián)免疫吸附快速檢測法[14]是通過酶聯(lián)免疫分析（Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA），設計合成重金屬鎘的半抗原，結合載體蛋白合成人工抗原，然后通過免疫動物（一般通過小鼠）獲得相關特異性抗體，制得相應檢測卡，利用抗原抗體特異性結合的原理進行檢測。該方法快速、簡便、靈敏、價廉，將時間大幅縮短，檢測限方面也有一定的優(yōu)勢，可以肉眼觀察結果。但酶聯(lián)免疫吸附快速檢測法對各項實驗條件的選擇較為嚴格。劉艷梅等人[15]用納米TiO2對微波消解的大米樣品中的鎘富集，對富集過程進行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)在pH為9時，納米TiO2對鎘的吸附性最好，再用直接競爭ELISA檢測大米中重金屬鎘的含量，靈敏度可達19 ng/mL，檢測限為2.1 ng/mL。檢測結果與儀器法一致，適用于市售大米中重金屬鎘的快速檢測。

2.2 比色法

2.2.1 試紙比色檢測法

試紙比色檢測法（Colorimetric test paper，CTP）[16]是一種直接將顯色劑涂抹于試紙表層，與試液接觸，可以通過試紙顏色變化直接判斷結果的方法。用試紙比色法檢測大米中的重金屬鎘解決了常規(guī)檢測方法因借助于大型儀器而不能進行現(xiàn)場檢測的弊端。目前大多數(shù)鎘離子的試紙制作和檢測過程較為復雜，韓曉紅等人[17]將鎘顯色劑和介孔二氧化硅制成復合熒光材料，對鎘離子的檢出限可達到0.1 μg/mL。該方法所用試紙?zhí)禺愋暂^強，受其他因素干擾小、穩(wěn)定性好且成本較低。

2.2.2 大米中重金屬鎘快速檢測儀檢測法

快速檢測儀檢測法原理也基于比色法，被檢測的重金屬元素與顯色劑在一定條件下會發(fā)生特異性反應，生成不同顏色深度的產物，這些產物會對不同波長的可見光進行選擇性的吸收，將其結果與樣品中的指標進行比對。大米中重金屬鎘快速檢測儀是由光源、比色池、高靈敏度集成光電池、微處理器、集成芯片等部分構成，可在其大屏幕上直接顯示出被檢測樣品鎘的相關指標，并且可將結果進行打印，智能操作系統(tǒng)使其更加高效和人性化。使用該方法檢測操作簡單，且方便快速，檢測成本也低，方便檢測人員使用，適用于大米的批量檢測。

2.3 電化學分析法

電化學分析法（Electrochemical analysis）[18]是根據(jù)物質的電化學性質對其組成和含量進行測定的一種常見的快速檢測技術，是儀器分析的重要組成部分之一。它的本質是將樣品溶解于特定溶液中，之后將樣品的物質組成和溶液濃度建立聯(lián)系。該方法的優(yōu)點是檢測裝置小、檢測時間短、重現(xiàn)性好、成本較低、分析范圍廣等。SIRIANGKHAWUT等人[19]對泰國樣品大米進行檢測時，利用超生輔助消化程序對大米進行前處理，然后利用電化學分析法測得鎘的檢出限為0.11 mg/L，相對標準偏差為3.5%。其中吸附溶出伏安法是一種靈敏度較高的電化學分析法。

2.4 能量色散X射線熒光光譜法

能量色散X射線熒光光譜法（Energy dispersive X-ray fluorescence spectrum）是利用不同元素輻射X射線熒光光子能量的不同來進行元素的鑒定。利用該方法檢測大米中鎘含量的關鍵首先是對前處理條件包括大米粒徑、檢測時間、壓片壓力、含水量和大米厚度這5個指標的優(yōu)化，可以使探測器更好地接收元素能量進而用脈沖高度分析器區(qū)別。溫丹華[20]對指標的優(yōu)化結果是140目的粒徑、180 s的檢測時間、40 MPa的壓片壓力下壓制30 s、5%含水量以及5 g的大米質量，用這種方法可以定性半定量地檢測大米中鎘的含量。該方法可以做到無損檢測，分析速度較快，含量分析范圍寬且對環(huán)境要求低，但它的檢出下限高于GFAAS、ICP-MAS，且準確度不夠，因此該方法一般用于初篩和現(xiàn)場快檢。

隨著快速檢測技術的發(fā)展，精密度也已經得到極大的提高。羅鳳蓮等人[2]將原子吸收光譜法和重金屬快速檢測法測定大米中鎘含量兩種方法進行了比較，結果顯示二者的相對誤差分別是3.55%、3.28%，相對標準偏差分別是10.71%和0.48%。所以快速檢測法可以更多地應用在糧食重金屬檢測方面，具有良好的應用前景。

2.5 特異性蛋白生物傳感器法

重金屬離子與電極上特異性蛋白結合后使得蛋白構象發(fā)生了改變，通過靈敏的電容信號傳感器即可測定重金屬的含量。將純化后的蛋白固定在含有硫醇的電極表面作為一個工作電極，然后將重金屬離子與其蛋白結合，結合后通過流動的分析系統(tǒng)，這樣即可對重金屬離子進行檢測。該方法靈敏度高、操作迅速簡便但容易受到環(huán)境的影響。

2.6 原子發(fā)射光譜法

原子發(fā)射光譜是利用電磁場和電流等形成的一種檢測方法。該方法需要用射頻發(fā)生器將其提供的能量加到感應耦合線圈上，然后將等離子炬管放在該線圈的中心，就會在管內產生電磁場，用電火花將其進行引燃，使其管內的氬氣電離，從而產生電子和離子進行導電，導電后的氣體在電磁場的作用下，會形成與耦合線圈同心的渦流區(qū)，在強大的電流產生高熱的條件下，會形成等離子體，樣品通過氬氣進入霧化系統(tǒng)進行霧化，會以氣溶膠的形式進入等離子體的軸向通道，最后在高溫及惰性氣體的條件下進行蒸發(fā)等一系列過程，最終發(fā)射出所含元素的特征譜線，然后根據(jù)是否存在特征譜線，即可鑒別出樣品中是否含有鎘等重金屬元素，同時也可以測出該元素的含量。該法選擇性強，靈敏度、精密度高，對常見的非金屬元素的檢測靈敏度低，但本實驗的測定目標是大米中的鎘，因此不受限制。然而該方法需要大型儀器操作，處理過程復雜，耗時較長，導致分析工作只能在室內進行，難以滿足現(xiàn)場檢測和在線檢測的需要[21]。

3 結語

大米作為全世界人們的主要糧食，保障大米的安全性是我國必須重視的問題。近年來，由于重金屬對糧食的污染，尤其是“鎘大米”對我國人們的身體健康影響和農業(yè)經濟增長都帶來了巨大的挑戰(zhàn)，其危害受到的關注度越來越高。

大米中鎘含量的檢測多種多樣，此文對石墨爐原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法等常規(guī)的鎘含量檢測技術和酶聯(lián)免疫吸附快速檢測法、試紙檢測法等快速檢測技術進行了概述，了解到各個方法的優(yōu)劣點：常規(guī)方法中，石墨爐原子吸收光譜法具有良好的選擇性和結果準確可靠，但在線檢測方法的基體干擾較為嚴重，尤其不適合同時檢測多種金屬元素；電感耦合等離子質譜法、原子熒光光譜法、液相色譜法準確度強，線性范圍廣，但儀器易受污染，價格昂貴；快速檢測方法中，比色法和電化學分析法檢測速度快且成本較低，但前期操作較為復雜；酶聯(lián)免疫吸附快速檢測法、原子發(fā)射光譜法和特異性蛋白生物傳感器法靈敏度較高，但對條件要求較為嚴格且易受環(huán)境的影響；能量色散X射線熒光光譜法可以做到無損檢測但準確度較低。為提高糧食中重金屬檢測技術的準確性、時效性、重復性，為鎘含量超標地區(qū)基層單位和人們選食安全的大米提供技術保障，更有利于建立食品安全長效保護機制，保障食品安全。

隨著科技的快速發(fā)展，食品中鉻金屬檢測技術及設備日益改進完善，根據(jù)檢測條件等綜合考慮，可以選擇不同的檢測技術，雖然當下種種方法都存在一定的局限性，但未來的研究會向著3個方向發(fā)展。①操作簡單，設備便攜，重現(xiàn)性好，耗時短且效率高。②成本低，應用范圍廣，對環(huán)境要求低具有較高的時效性。③靈敏度、準確度、精確度進一步提高，并使之適用于現(xiàn)場多種重金屬同時快速無損檢測。