石墨爐原子吸收光譜法檢測涼粉中鎘元素含量

劉常凱，昝川南

（廣西-東盟食品檢驗檢測中心，南寧 530021）

涼粉是一種小吃，主要原材料為涼粉草，深受老百姓青睞。隨著生活水平的提高，人們對食品安全問題也越來越重視。食品污染物［1］是食品中生成或由環(huán)境污染帶入的、非有意加入的化學(xué)性危害物質(zhì)。涼粉草在生長過程中會吸收土壤中的鎘元素導(dǎo)致涼粉易被鎘污染，對人體造成危害。2014 年中國土壤污染狀況調(diào)查公報表明，鎘已成為點位超標(biāo)率較高的污染物，鎘污染和鎘中毒已成為重要的公共衛(wèi)生安全問題［2］。鎘的共生性和含鎘化合物溶解困難，易富集于生物體內(nèi)，人體中的鎘濃度過大，會出現(xiàn)慢性中毒，患“痛痛病”，輕者牙齒黃斑、骨質(zhì)軟化、全身疼痛，嚴(yán)重者會出現(xiàn)嗅覺喪失或自然骨折。研究證明，這些癥狀是因為鎘在體內(nèi)蓄量過大引發(fā)了肝、腎慢性中毒和鈣吸收困難［3］。由于鎘在涼粉中與有機物結(jié)合成穩(wěn)定難溶的化合物，不能直接測定，需要對涼粉進(jìn)行前期處理，破壞其有機結(jié)合體，釋放出待測組分［4］，通常采用的前期處理方法有濕法消解［5］、干法灰化、高壓消解和微波消解。微波消解法運用微波密閉加熱原理［6］，在實際應(yīng)用中，微波消解技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對樣品快速有效消解，并且保證消解的徹底性［7］。微波消解法的消解過程密閉，使用酸單一且用量少，具有環(huán)境污染小、元素?fù)]發(fā)損失小、回收率高、準(zhǔn)確度高、檢出限低等優(yōu)點［8，9］。

檢測方法常見的有火焰原子吸收光譜法、石墨爐原子吸收光譜法及雙硫腙分光光度法、ICP-MS 法等。原子吸收光譜法在重金屬檢測中的應(yīng)用廣泛，其具有靈敏、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點［10］。在采用石墨爐原子吸收光譜法對涼粉中鎘進(jìn)行測定時，石墨管的選擇及儀器參數(shù)優(yōu)化相當(dāng)重要，選擇不合適的石墨管會導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。原子吸收光譜儀工作程序分為4 個階段，干燥、灰化、原子化和清潔，其中灰化階段及原子化階段對結(jié)果影響較大［11］。本研究通過優(yōu)化儀器條件、取樣量、石墨管及基體改進(jìn)劑，加標(biāo)回收試驗等進(jìn)行考察，找出較優(yōu)儀器參數(shù)條件，按優(yōu)化的試驗條件進(jìn)行試驗，獲得涼粉中重金屬鎘元素的含量，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。該方法為涼粉中重金屬鎘含量的風(fēng)險監(jiān)測提供一定數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

900T 型原子吸收分光光度計，PE 公司；Milli-Q超純水系統(tǒng)（電導(dǎo)率大于等于18.2 MΩ/cm）、硝酸（色譜級），默克化工技術(shù)（上海）有限公司廣州分公司。鎘單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（Cd）GBW08612 濃度為1 000 μg/mL，中國計量科學(xué)研究院。樣品購于南寧市、梧州市、北海市3 個城市的各大超市、便利店及農(nóng)貿(mào)市場，共計108 批涼粉樣品。

1.2 儀器工作條件

鎘元素波長為228.8 nm，狹縫寬為0.7 nm，燈電流為4 mA，載氣為高純度（99.999%）的氬氣，氣流量為250 mL/min，AA-BG 扣背景，進(jìn)樣體積為25 μL，基體改進(jìn)劑為50%硝酸鈀，進(jìn)樣量為5 μL，測量條件為峰面積，以標(biāo)準(zhǔn)線性進(jìn)行定量，對儀器條件進(jìn)行優(yōu)化，獲得涼粉中鎘元素檢測的最優(yōu)石墨爐升溫程序，結(jié)果見表1。

表1 石墨爐升溫程序優(yōu)化結(jié)果

1.3 鎘單元素標(biāo)準(zhǔn)線性的制備

精密量取鎘單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL）0.05 mL 置于50 mL 量瓶中，加硝酸溶液定容至刻度，得到鎘單元素標(biāo)準(zhǔn)工作液，濃度為1 μg/mL，再精密量取鎘標(biāo)準(zhǔn)工作液（1 μg/mL）0.25 mL 置于50 mL量瓶中，加硝酸溶液定容至刻度，得到鎘元素標(biāo)準(zhǔn)使用液，濃度為5 ng/mL，上機，由儀器自動逐級稀釋鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液，鎘標(biāo)準(zhǔn)線性質(zhì)量濃度為0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 μg/L。

1.4 樣品前處理

稱取涼粉干樣品約0.2 g 置于微波消解罐中，加5 mL 硝酸，先在電熱消解儀上進(jìn)行預(yù)消解1 h 后在微波消解儀上按程序進(jìn)行消解［12，13］，消解程序見表2。消解結(jié)束后打開蓋子，轉(zhuǎn)移到電熱消解儀上趕酸至近2 mL 后冷卻至室溫，用超純水沖洗轉(zhuǎn)移至50 mL 量瓶中，用超純水定容至刻度，待測。

表2 微波消解儀消解程序

2 結(jié)果與分析

2.1 儀器條件的優(yōu)化

2.1.1 背景扣除方式的選擇 當(dāng)原子化溫度不足以將基體中的所有分子分解時就可能產(chǎn)生分子吸收，分子吸收所產(chǎn)生的信號加上原子所產(chǎn)生的信號，就可能產(chǎn)生較高的虛假信號，在火焰法中，背景信號通常在0.05 吸光度以下，但對某些類型的樣品（特別是在低紫外波段），背景干擾可能較高，石墨爐分析中，背景信號則可能達(dá)2.0 吸光度以上，背景校正就十分重要。本研究所用的PE 原子吸收分光光度計900T，背景扣除方式有氘燈扣背景和塞曼扣背景2種，通常氘燈扣背景是采用連續(xù)光源，在氘燈工作周期，氘燈寬譜線所測得的是背景信號（此時元素?zé)羲a(chǎn)生的窄譜線原子吸收可忽略不計），2 次測量的差值，即為所需的原子吸收信號。氘燈扣背景方法靈敏度好、動態(tài)線性范圍好、費用低，但燈的強度有時會不合適，空心陰極燈和氘燈的強度匹配需要精心調(diào)整，扣除由窄譜線分子吸收而造成的背景校正誤差大；而塞曼扣背景最主要的優(yōu)點是背景的扣除準(zhǔn)確地在被分析元素的共振譜線處進(jìn)行，且只需1 個光源，波長覆蓋整個波段范圍，可準(zhǔn)確扣除結(jié)構(gòu)背景，扣除某些譜線干擾，背景校正速度快，因此選擇塞曼扣背景方式對背景進(jìn)行校正。

2.1.2 石墨管及基體改進(jìn)劑的選擇 各種石墨管改進(jìn)技術(shù)陸續(xù)應(yīng)用于實際工作，熱解石墨管、鎢鉭熱解石墨管、襯鉭熱解石墨管、難熔碳化物石墨管、玻璃狀碳管等已有文獻(xiàn)報道，在食品檢驗中最常用的是熱解石墨管。熱解石墨管在石墨爐分析中一直占據(jù)著重要地位，石墨管還分有帶端蓋石墨管和不帶端蓋石墨管，分析揮發(fā)性元素，如鎘，鉻等，選擇帶端蓋的石墨管可提高揮發(fā)性元素的檢出限，進(jìn)樣孔增大，可更快地灰化復(fù)雜基質(zhì)，但石墨管經(jīng)過多次加熱后，進(jìn)樣孔會形成積碳并結(jié)塊，從而導(dǎo)致孔道變小，加入的樣品進(jìn)入不了管壁內(nèi)的平臺，而且由于加熱次數(shù)過多，石墨管壁會越燒越薄，管道平臺增大，導(dǎo)致樣品吸收值過低，進(jìn)而使檢測結(jié)果偏低。為了保證檢測的準(zhǔn)確度，石墨管在使用達(dá)到800 次左右時，就應(yīng)該及時更換［14］，且選擇普通熱解石墨管既經(jīng)濟實惠也能達(dá)到分析要求；參照GB 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》中所用基體改進(jìn)劑為磷酸二氫銨（10 g/L），基體改進(jìn)劑的作用為在測定基體復(fù)雜的樣品時提高灰化溫度減少樣品基體的存在，避免待測元素在原子化階段前的損失，提高靈敏度，為了獲得更好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性，消除雙峰現(xiàn)象，抑制電離干擾等，基于這些因素，在基體改進(jìn)劑的選擇上，就需要考慮這些因素帶來的干擾，磷酸二氫銨溶液是一種消除Cl 元素干擾的基體改進(jìn)劑，測定鉛（Pb）、鎘（Cd）時可以作為首選。本研究樣品為涼粉，涼粉基質(zhì)復(fù)雜，含有果膠、淀粉等大分子雜質(zhì)，磷酸二氫銨不能很好地消除除Cl 離子以外的干擾，通過試驗考察，將硝酸鈀溶液作為本次試驗基體改進(jìn)劑，鈀能夠很好地與鎘形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，使鎘在灰化過程中不易損失，同時硝酸的作用是溶解氯化鈀，起到助溶作用。

2.1.3 石墨爐升溫程序的優(yōu)化 石墨爐升溫程序4個步驟中對檢測結(jié)果影響比較大的是灰化和原子化，原子化溫度是由元素及其化合物自身的性質(zhì)決定的，原子化溫度的選擇原則是選用達(dá)到最大吸收信號的最低溫度作為原子化溫度，原子化時間應(yīng)以保證完全原子化為準(zhǔn)，原子化階段停止通保護(hù)氣，以延長自由原子在石墨爐內(nèi)的平均停留時間。本研究采用上機測定鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液（濃度為5 ng/mL）所得峰型對原子化溫度進(jìn)行優(yōu)化，固定灰化溫度，調(diào)整原子化溫度，將原子化溫度分別調(diào)整為1 300、1 500、1 700 ℃，獲得鎘元素的峰，結(jié)果見圖1。從圖1 中可見，當(dāng)原子化溫度為1 300 ℃時，基體成分未完全去除，導(dǎo)致待測元素峰型基線略有抬高，影響吸光度值，檢測結(jié)果偏低；原子化溫度為1 700 ℃時，峰尖出現(xiàn)平頭或峰值低于基線［15］，同時石墨管長期在高溫下，使用壽命也會大大縮短，需要經(jīng)常更換石墨管，增加檢測成本；原子化溫度為1 500 ℃時，鎘元素峰型較對稱，峰高、吸收值都能夠達(dá)到最大吸收信號。故選擇原子化溫度為1 500 ℃，在保證鎘元素完全原子化的情況下選擇最低原子化溫度，以提高石墨管的壽命及獲得最大吸收值。

圖1 各原子化溫度下鎘元素峰型

2.2 樣品前處理的優(yōu)化

涼粉的主要原料是涼粉草，涼粉草中主要成分是果膠，樣品采用微波消解方式進(jìn)行消解，微波消解所用聚四氟乙烯管因空間限制，樣品的取樣量要合適才能完全消解，按GB 5009.15—2014 中微波消解前處理要求的取樣量0.3～0.5 g 進(jìn)行考察，選取檢測結(jié)果為未檢出的樣品作為加標(biāo)基質(zhì)，取樣量分別為0.2、0.3、0.5 g，采用樣品加標(biāo)回收試驗進(jìn)行驗證，加標(biāo)量為150 ng，結(jié)果見表3。由表3 可知，取樣量為0.5 g 時，回收率最低，取樣量為0.3 g 時，回收率達(dá)不到檢測要求，且二者消解后的溶液均出現(xiàn)渾濁，液面漂浮細(xì)小顆粒；取樣量為0.2 g 時，消解后的樣品溶液澄清透明略帶淡黃色溶液，回收率最高。GB 5009.15—2014 中直接微波消解，會造成消解罐中大量泡沫溢至消解罐頂部，導(dǎo)致測定回收率偏低。對于涼粉樣品，取樣量為0.2 g較理想。

表3 樣品取樣量加標(biāo)回收結(jié)果

2.3 線性試驗

按優(yōu)化條件將配制的鎘元素標(biāo)準(zhǔn)使用液5 ng/mL由儀器自動逐級稀釋，由吸光度值與濃度建立線性方程y=0.056 56x+0.004 97，相關(guān)系數(shù)r=0.999 3。在優(yōu)化好的儀器條件下線性較好，標(biāo)準(zhǔn)溶液的信號穩(wěn)定。

2.4 重復(fù)性及穩(wěn)定性、精密度試驗

稱取檢出鎘元素含量約為0.13 mg/kg 的涼粉樣品6 份，平行測定2 次，以測得的鎘元素含量作為指標(biāo)，計算所測鎘元素含量的RSD［16］。涼粉中鎘元素的重復(fù)性RSD為0.17%，從6 份樣品溶液中取其中1份連續(xù)進(jìn)樣6 次，所測精密度RSD為0.09%（表4），將該樣品溶液分別于4、12、16、24、48 h 進(jìn)行鎘含量的測定，穩(wěn)定性RSD為0.19%（表5）。結(jié)果表明，涼粉中鎘元素的重復(fù)性、精密度較好，樣品在48 h 內(nèi)結(jié)果穩(wěn)定。

表4 涼粉中鎘元素測定重復(fù)性、精密度、穩(wěn)定性結(jié)果

表5 不同時間涼粉中鎘元素測定穩(wěn)定性結(jié)果

2.5 加標(biāo)回收試驗

選取1 份鎘含量為0.019 9 mg/kg 的涼粉樣品，稱取樣品9 份，編號為樣品1 至9，編號1 至3 的樣品精密加入標(biāo)準(zhǔn)使用液（1 000 ng/mL）0.05 mL，加標(biāo)量為50 ng，編號4 至6 的樣品精密加入標(biāo)準(zhǔn)使用液0.15 mL，加標(biāo)量為150 ng，編號7 至9 的樣品精密加入標(biāo)準(zhǔn)使用液0.20 mL，加標(biāo)量為200 ng，按“1.4 樣品前處理”項下方法制備樣品溶液，上機測定鎘元素回收情況，計算回收率，結(jié)果見表6。由表6 可知，涼粉中鎘元素回收率高，表明該方法檢測涼粉中鎘元素準(zhǔn)確度高。

表6 涼粉樣品回收率試驗結(jié)果

2.6 實際樣品的檢測

將采購所得108 批樣品按上述優(yōu)化好的條件進(jìn)行消解、趕酸、定容上機測定，測定結(jié)果見表7。由表7 可知，以GB 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》中鎘元素的定量限（0.003 mg/kg）為依據(jù)，判定結(jié)果是否檢出。參閱GB 2762—2022《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》，尚無涼粉中鎘元素的限量指標(biāo)，查閱DB45/T 1471—2016《涼粉草》，對于涼粉中重金屬鎘元素?zé)o相關(guān)惟一檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

表7 實際樣品檢測結(jié)果

然而在實際檢測過程，涼粉中鎘元素有些檢出含量較大，具有一定的安全風(fēng)險。檢測的108 批樣品在上述優(yōu)化條件下檢出鎘元素的樣品有41 批次，檢測樣品檢出的最高含量為0.135 7 mg/kg，最低含量為0.005 9 mg/kg。

3 小結(jié)

采用微波消解法對涼粉樣品進(jìn)行前處理，通過對儀器條件的優(yōu)化，取樣量、石墨管及基體改進(jìn)劑的選擇等條件進(jìn)行考察，石墨爐原子吸收光譜法進(jìn)行檢測，鎘元素在質(zhì)量濃度0～5 ng/mL 線性范圍內(nèi)，信號及吸光度值比較穩(wěn)定，3 個水平加標(biāo)回收率分別為96.06%～98.32%、99.76%～101.25%、103.78%～106.19%，精密度RSD為0.09%。涼粉按照產(chǎn)品大類劃分，屬于方便食品，GB 2762—2022《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》中未對該類食品做出鎘元素的相應(yīng)限量值規(guī)定。而涼粉的主要配料為淀粉和涼粉草，將本研究測試結(jié)果對比GB 2762—2022《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》“谷物碾磨加工品”中鎘的限量值0.1 mg/kg，超該限度值的樣本占總樣本數(shù)量的11.11%。本研究針對涼粉中鎘元素的測定，開發(fā)出精密度好、回收率高、結(jié)果可靠的試驗方法，對涼粉中鎘元素進(jìn)行風(fēng)險監(jiān)測具有一定的指導(dǎo)意義。