氟離子選擇電極法測定植物性食品基質(zhì)中的氟化物

王 琳，車明秀，李 崢，孫學(xué)文，孫崳林，劉 睿,*

（1.山東省食品藥品檢驗研究院，山東 濟南 250101；2.山東省食品藥品安全檢測工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250101；3.食藥環(huán)檢驗研究院（山東）集團有限公司，山東 濟南 250100）

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）/國際原子能機構(gòu)（IAEA）/世界衛(wèi)生組織（WHO）微量元素聯(lián)合專家咨詢委員會，根據(jù)氟化物預(yù)防齲齒的作用，將氟列為可能的必需微量元素[1]。適量的氟攝入會促進機體骨骼的生長，預(yù)防齲齒，但如果攝入量過多又會導(dǎo)致氟斑牙和氟骨病[2]。食物是機體氟元素的重要攝入來源，只有了解食物中的氟含量，才能更加有效地控制氟的攝入。

氟化物廣泛存在于大氣、水和土壤中，若環(huán)境中的氟化物含量較高，植物生長會因長期暴露在含氟環(huán)境中對環(huán)境中的氟化物進行廣泛富集，導(dǎo)致氟含量較高[3-4]。尤其是茶樹，其作為一種富集能力很強的植物，對氟具有選擇性吸收和富集能力，并且隨著葉片年齡的增長，氟含量會越來越高[5]。我國將茶葉中的氟含量作為重點監(jiān)測項目，因此制定了相應(yīng)的食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)，即磚茶允許含氟量≤300 mg/kg[6]。

我國的地方性氟中毒現(xiàn)象十分嚴(yán)重，而對于氟中毒目前又沒有早期的監(jiān)控指標(biāo)，所以防止氟中毒發(fā)生的關(guān)鍵還在于防，即通過關(guān)注暴露的識別與控制，從源頭上降低人群暴露的機會[7]。人們的日常飲食中對植物性食品基質(zhì)的攝入量普遍較多，因此關(guān)注植物性食品基質(zhì)中的氟含量對于控制氟的攝入量至關(guān)重要。建立和完善植物性食品基質(zhì)中氟化物的檢測方法，則更有利于加強對植物性食品基質(zhì)中氟的監(jiān)控并預(yù)防氟中毒。

目前關(guān)于食品中氟的測定方法主要包括比色法、液相色譜法、離子色譜法、氣相色譜法等，這些方法各有所長，但均存在一個共同的缺點，即操作復(fù)雜、使用儀器昂貴、費時費力、靈活性差等，無法滿足大批量樣品的測定需求[8-9]。GB/T 5009.18—2003[10]中的氟離子選擇電極法因設(shè)備操作簡便、靈敏度高、選擇性好、不受濁度和色度干擾等優(yōu)點，在氟含量的測定上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[10]。但通過實際測定發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)方法存在缺陷和不足：一是方法標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍設(shè)計不合理，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線性范圍內(nèi)校準(zhǔn)曲線不穩(wěn)定，重復(fù)性較差，且在低濃度范圍內(nèi)校準(zhǔn)曲線線性關(guān)系不好，給測定結(jié)果帶來較大的誤差[11-13]；二是現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)中方法的稱樣量范圍較窄，對于測定氟含量低的樣品時，現(xiàn)有稱樣量無法準(zhǔn)確定量，而在測定氟含量較高的樣品時，又必須對樣品進行稀釋后測定，對方法準(zhǔn)確度有一定的影響[8]；三是該方法未確定檢出限和定量限，在實際檢測過程中給檢驗人員的結(jié)果判定帶來困擾。

為了解決目前標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5009.18—2003[10]）中氟離子選擇電極法存在的不足，本研究對標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍和稱樣量進行了優(yōu)化，同時確定了方法的定量限，并通過不同植物性食品基質(zhì)進行驗證，確立方法的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

氟標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/L，批號194007），國家有色金屬及電子材料分析測試中心公司；檸檬酸鈉、乙酸鈉、高氯酸、鹽酸、氟標(biāo)準(zhǔn)使用液（50.0 μg/mL）、氟標(biāo)準(zhǔn)使用液（10.0 μg/mL），國藥集團藥業(yè)股份有限公司；茶葉中氟成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)值319 mg/kg，編號P24307），廣州譜恩科學(xué)儀器有限公司；玉米中氟成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)值15.5 mg/kg，編號RMSA030），東莞市恒準(zhǔn)標(biāo)物計量研究院有限公司。

乙酸鈉溶液（3 mol/L）：稱取204 g 乙酸鈉，溶于300 mL 蒸餾水中，加乙酸（1 mol/L）調(diào)節(jié)pH至7.0，加蒸餾水稀釋至500 mL。

檸檬酸鈉溶液（0.75 mol/L）：稱取110 g檸檬酸鈉溶于300 mL蒸餾水中，加入14 mL高氯酸，再加蒸餾水稀釋至500 mL。

總離子強度緩沖劑：將乙酸鈉溶液（3 mol/L）與檸檬酸鈉溶液（0.75 mol/L）等量混合，臨用時現(xiàn)配制。鹽酸：濃鹽酸∶水（V/V）=1∶11。

1.1.2 儀器與設(shè)備

7101型氟電極1、PHS-3C型酸度計：上海雷磁儀器有限公司；perfectlON COMB F 型氟電極2、ME204T型分析天平：梅特勒-托利多公司；Hei-Tec型磁力攪拌器：德國海道夫公司；JX-2008型高速組織搗碎機：拓赫機電科技（上海）有限公司；SH-4C型磁力攪拌器：群安實驗儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

樣品取可食部分粉碎均勻，裝入潔凈密閉的容器中保存。

1.2.2 樣品前處理

鹽酸（1+11）提?。ǔ枞~外的基質(zhì)）：稱取試樣，置于50 mL 容量瓶中，加10 mL 鹽酸（1+11），密閉浸泡提取1 h，提取后加25 mL 總離子強度緩沖劑，加水定容。

水煮提?。ú枞~基質(zhì)）：稱取試樣，置于50 mL 具塞三角瓶中，加10 mL水，充分混勻后沸水浴15 min，取出冷卻至室溫，用25 mL總離子強度緩沖劑分次轉(zhuǎn)移至50 mL 容量瓶中，加10 mL 鹽酸（1+11），并加水定容。

1.2.3 分析步驟

定量取樣：吸取提取后的上清液不少于20 mL于50 mL燒杯中（若溶液渾濁，可過濾后取濾液）。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：分別準(zhǔn)確移取1.0、2.5、5.0、10.0 mL氟標(biāo)準(zhǔn)使用液（50.0 μg/mL）和5.0、8.0、10.0 mL氟標(biāo)準(zhǔn)使用液（10.0 μg/mL）于50 mL 容量瓶中，分別加入25 mL總離子強度緩沖劑，10 mL鹽酸（1+11），并加水定容。

測定：將電極插入盛有不少于20 mL 水的50 mL塑料杯中，杯中放入磁力攪拌轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)速保持恒定），讀取平衡電位值，更換2～3次水后，待電位值平衡后，即可進行待測液與標(biāo)準(zhǔn)液的電位測定。同時做試劑空白試驗。

1.2.4 結(jié)果計算

以電極電位為縱坐標(biāo)，氟離子質(zhì)量濃度的負(fù)對數(shù)值為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)試樣的電位值在標(biāo)準(zhǔn)曲線上求出氟離子質(zhì)量濃度。

試樣中的氟含量計算公式見式（1）。

式中：X為試樣中的氟含量，mg/kg；A為測定用樣液中氟離子質(zhì)量濃度，μg/mL；m為試樣質(zhì)量，g；V為樣液總體積，mL。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Office Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍的確定

原理：氟離子選擇電極，電位變化規(guī)律符合能斯特（Nernst）方程式，見式（2）[10]。

式中：E為電池的電動勢，V；CF-為氟離子活度，mol/L；E0為參比電極的電位（固定值），V；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；F為法拉第常數(shù)，96 485 C/mol；T為絕對溫度，K。

E與lgCF-成線性關(guān)系。2.303RT/F為該直線的斜率（25 ℃時為59.16）。

為了確定方法適用的線性范圍，配制0.02、0.04、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00、5.00、8.00、10.00 mg/L的系列氟標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別采用氟電極1和氟電極2，按分析步驟對電位值進行測定，通過擬合線性方程，考察標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率及相關(guān)系數(shù)確定標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍，結(jié)果見表1。

表1 0.02～10.00 mg/L線性范圍的考察Table 1 Investigation on the linear range of 0.02～10.00 mg/L

由表1可見，兩種品牌的電極在0.02～10.00 mg/L線性范圍內(nèi)，線性方程的斜率均不符合能斯特方程的理論斜率值，且r值不符合要求[14]，斜率偏離理論值的原因是由于在低質(zhì)量濃度范圍，電位值與氟離子質(zhì)量濃度的負(fù)對數(shù)值不呈現(xiàn)線性關(guān)系，使得標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率明顯偏離該溫度下的理論值。因此，氟離子質(zhì)量濃度在0.02～10.00 mg/L 范圍內(nèi)氟離子選擇電極法不呈線性關(guān)系。

為了確定標(biāo)準(zhǔn)曲線的適用范圍，試驗調(diào)整了標(biāo)準(zhǔn)曲線的起始濃度，進一步考察標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 線性范圍的優(yōu)化Table 2 Optimization of linear range

由表2可以看出，0.04～10.00 mg/L、0.10～10.00 mg/L和0.20～10.00 mg/L 氟離子質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，只有在0.20～10.00 mg/L范圍內(nèi)，兩個品牌電極測定結(jié)果擬合的線性方程均符合該溫度下的理論斜率值，且相關(guān)系數(shù)符合要求。因此，本試驗結(jié)果證明，對于氟離子選擇電極法，標(biāo)準(zhǔn)曲線的氟離子質(zhì)量濃度適用范圍為0.20～10.00 mg/L。

2.2 稱樣量的優(yōu)化

為了提高方法的準(zhǔn)確性，同時盡可能降低方法的檢出限和定量限，分別對不同食品基質(zhì)進行稱樣量的優(yōu)化（通過加標(biāo)回收和有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定兩種方式進行），結(jié)果見表3和表4。

表3 稱樣量優(yōu)化（加標(biāo)回收）Table 3 Sample weighing optimization(standard adding recovery)

表4 稱樣量優(yōu)化（有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）Table 4 Optimization of sample weighing(certified reference materials)

通過表3和表4可以看出，除茶葉基質(zhì)外，在1.0～5.0 g 稱量范圍內(nèi)，對于不同食品基質(zhì)加標(biāo)回收率或浸出率測定值均符合要求[16]，但繼續(xù)增大稱樣量會大大降低試驗效率。

考慮到該法的線性濃度范圍最低點為0.2 mg/L，折算到實際樣品中，當(dāng)稱樣量為1.0 g時，能準(zhǔn)確測定樣品基質(zhì)中氟的最低含量為10.00 mg/kg。為了盡可能準(zhǔn)確測定到樣品中更低濃度的氟含量，通過適當(dāng)提高稱樣量來達到降低測定低限的目的，當(dāng)稱樣量為2.5 g 時，推算出能準(zhǔn)確測定樣品基質(zhì)中氟的最低含量為4.00 mg/kg。因此，確定除茶葉外的基質(zhì)的稱樣量適用范圍為2.5～5.0 g。

對于茶葉基質(zhì)，當(dāng)稱樣量在0.2～0.5 g 范圍內(nèi)，浸出率均符合要求，而隨著稱樣量的進一步增大，浸出率反而降低。原因主要有以下兩點：一是由于茶葉中氟含量較高，稱樣量過大導(dǎo)致浸出不完全，從而影響測定的準(zhǔn)確度；二是擬合的標(biāo)準(zhǔn)方程線性范圍的最高值為10.0 mg/L，相當(dāng)于當(dāng)稱樣量為1.0 g 時能準(zhǔn)確測定的茶葉基質(zhì)最高氟含量為500.00 mg/kg，對于部分氟含量較高超過限量規(guī)定的不合格茶葉基質(zhì)可能會超出線性范圍。因此對茶葉基質(zhì)的稱樣量范圍最終確定為0.2～0.5 g。

2.3 方法檢出限和定量限的確定

2.3.1 理論檢出限和定量限

當(dāng)校準(zhǔn)曲線的直線部分外延的延長線與通過空白電位且平行于濃度軸的直線相交時，其交點所對應(yīng)的濃度值即為該離子選擇電極法的檢出限[15]。通過測定10次空白電位值計算理論檢出限，結(jié)果見表5。

表5 理論檢出限Table 5 Theoretical detection limit

由表5可以看出，理論檢出限值為0.029 9 mg/L，不符合標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍，因此本方法不指定檢出限。將標(biāo)準(zhǔn)曲線的第一個質(zhì)量濃度點（0.2 mg/L）設(shè)定為理論定量限。即當(dāng)稱樣量為2.5 g，定容體積為50 mL時，理論定量限為4.00 mg/kg；當(dāng)稱樣量為0.2 g，定容體積為50 mL時，理論定量限為50.00 mg/kg。

2.3.2 定量限的驗證

采用優(yōu)化后的線性范圍和稱樣量，分別對不同食品基質(zhì)進行理論定量限的驗證。驗證方式為通過對不同食品基質(zhì)中進行定量限水平的加標(biāo)，考察加標(biāo)回收率，其中韭菜和蘋果的稱樣量均為2.5 g，茶葉的稱樣量為0.2 g，驗證結(jié)果見表6。

表6 定量限的驗證Table 6 Validation of limit of quantification

由表6可以看出，對于不同食品基質(zhì)進行定量限水平加標(biāo)后的回收率均符合要求[16]。因此根據(jù)驗證結(jié)果確定，對于除茶葉以外的基質(zhì)，當(dāng)稱樣量為2.5 g，定容體積為50 mL時，定量限為4.00 mg/kg；對于茶葉基質(zhì)，當(dāng)稱樣量為0.2 g，定容體積為50 mL時，定量限為50.00 mg/kg。

2.4 方法準(zhǔn)確度和精密度的驗證

選取代表性樣品基質(zhì)，除茶葉外的基質(zhì)（韭菜、蘋果）稱樣量均為2.5 g，分別進行定量限水平、2倍定量限水平和10 倍定量限水平的加標(biāo)試驗；茶葉基質(zhì)稱樣量為0.2 g，進行本底值水平加標(biāo)、1/2限量水平加標(biāo)和限量水平加標(biāo)，以回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差評價方法的準(zhǔn)確度和精密度，結(jié)果見表7。

表7 準(zhǔn)確度和精密度Table 7 Accuracy and precision

由表7 可以看出，各食品基質(zhì)的平均回收率在99.97%～109.83%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差0.41%～2.65%，均符合要求[16]。驗證結(jié)果表明該方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。

2.5 代表性樣品基質(zhì)的測定

為了進一步驗證該方法的基質(zhì)適用性以及考察不同食品基質(zhì)中氟含量水平，選擇不同類別的植物性食品基質(zhì)分別進行氟含量的測定，結(jié)果見表8。

表8 代表性基質(zhì)測定結(jié)果Table 8 Representative matrix determination results

由表8可以看出，采用本研究優(yōu)化的方法對不同植物性食品基質(zhì)中的氟含量進行測定，適用性和精密度良好。從不同植物性食品基質(zhì)的測定結(jié)果可以看出，氟化物在植物性食品中的含量總體水平較低，氟暴露的風(fēng)險較低。

3 討論與結(jié)論

本方法根據(jù)氟離子選擇電極法的測定原理，通過對GB/T 5009.18—2003[10]中線性范圍的驗證，推翻了原標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線適用范圍，并通過進一步優(yōu)化驗證得到了符合理論要求的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍為0.20～10.00 mg/L，從而避免了由于定量不準(zhǔn)確給測定結(jié)果帶來的誤差。

由于GB/T 5009.18—2003[10]中規(guī)定樣品適宜的稱樣量為1 g，稱樣量較小，稱量范圍較窄，容易給測定的準(zhǔn)確度帶來影響，并且該標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定方法的定量限，在實際檢測過程中給檢驗帶來了不便，并且稱樣量過小使得方法的定量限較高。因此，本研究從稱樣量、稱樣范圍方面進行了優(yōu)化驗證，最終得出結(jié)論，對于除茶葉外基質(zhì)稱樣量范圍為2.5～5.0 g，茶葉基質(zhì)適宜稱樣量范圍為0.2～0.5 g。通過驗證得出，該方法對于除茶葉外的基質(zhì)，當(dāng)稱樣量為2.5 g，定容體積為50 mL 時，方法定量限為4.00 mg/kg；茶葉基質(zhì)稱樣量0.2 g，定容體積為50 mL 時，方法定量限為50.00 mg/kg。

本研究在不同植物性食品基質(zhì)中進行了驗證，證明該方法適用于植物性食品基質(zhì)。通過對代表性基質(zhì)的測定發(fā)現(xiàn)，植物性食品基質(zhì)中氟化物總體含量水平不高，氟暴露風(fēng)險相對較低。

除了植物性食品基質(zhì)外，人們?nèi)粘ｏ嬍硨游镄允称返男枨罅恳踩找嬖鲩L，對于動物性食品基質(zhì)中氟含量的測定方法及含量水平有待進一步的優(yōu)化及驗證。我國作為一個地方性氟中毒病比較嚴(yán)重的國家，加強對食品中氟的監(jiān)控、降低氟暴露的風(fēng)險仍十分必要，本研究的開展也在一定程度上對氟中毒疾病的預(yù)防起到了促進作用。