原子熒光光譜法檢測(cè)大米無機(jī)砷的干擾因素及應(yīng)對(duì)策略

摘 要：本文闡述大米中無機(jī)砷的來源、原子熒光光譜法的原理與優(yōu)勢(shì)，分析原子熒光光譜法檢測(cè)大米無機(jī)砷的干擾因素，并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，旨在提升檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)大米中無機(jī)砷的準(zhǔn)確測(cè)定。

關(guān)鍵詞：原子熒光光譜法；大米；無機(jī)砷；干擾因素

Interference Factors and Coping Strategies for Detecting Inorganic Arsenic in Rice by Atomic Fluorescence Spectrometry

YANG Bo

（Panjin Inspection and Testing Center， Panjin 124000， China）

Abstract： This paper describes the source of inorganic arsenic in rice， the principle and advantages of atomic fluorescence spectrometry， analyzes the interference factors in the detection of inorganic arsenic in rice by atomic fluorescence spectrometry， and puts forward corresponding countermeasures， aiming at improving the detection accuracy and realizing the accurate determination of inorganic arsenic in rice.

Keywords： atomic fluorescence spectrometry; rice; inorganic arsenic; interfering factors

大米是我國(guó)主要糧食作物之一，但大米中普遍含有無機(jī)砷，長(zhǎng)期食用可能危害人體健康。我國(guó)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2022）明確規(guī)定了大米中無機(jī)砷的最高限量值[1]。準(zhǔn)確檢測(cè)大米中的無機(jī)砷含量對(duì)保障食品安全和人們身體健康具有重要意義。原子熒光光譜法具有靈敏度高、選擇性好、基體干擾小等特點(diǎn)，在大米無機(jī)砷檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文闡述大米中無機(jī)砷的來源、原子熒光光譜法的原理與優(yōu)勢(shì)，分析原子熒光光譜法檢測(cè)大米中無機(jī)砷的干擾因素，并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，以期為進(jìn)一步提高檢測(cè)準(zhǔn)確性提供參考。

1 大米中無機(jī)砷的來源

無機(jī)砷是一類毒性較強(qiáng)的環(huán)境污染物，主要包括三價(jià)砷和五價(jià)砷。在還原環(huán)境下，三價(jià)砷的毒性更強(qiáng)，而大米種植通常在厭氧潛育條件下進(jìn)行，利于三價(jià)砷的生成和積累。無機(jī)砷進(jìn)入水稻植株后，通過木質(zhì)部和韌皮部的雙向運(yùn)輸，在稻米中富集。研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)砷主要存在于糙米的外層，經(jīng)過碾磨加工后會(huì)進(jìn)一步富集到精米中。大米在生長(zhǎng)過程中，周圍環(huán)境中砷的地球化學(xué)行為對(duì)其砷污染具有重要影響。例如，硫酸鹽還原菌等微生物參與下產(chǎn)生的硫化氫，會(huì)與土壤中的鐵氧化物發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致吸附態(tài)砷溶出進(jìn)入土壤溶液，并被水稻吸收累積[2]。此外，灌溉水中砷酸鹽的混入以及農(nóng)藥中砷類殺蟲劑的施用，也可能導(dǎo)致大米中無機(jī)砷含量升高。長(zhǎng)期食用富含無機(jī)砷的大米，會(huì)對(duì)人體肝臟、腎臟等重要臟器產(chǎn)生損害，增加神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管疾病以及多種癌癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

2 原子熒光光譜法的原理與優(yōu)勢(shì)

原子熒光光譜法的原理是待測(cè)樣品經(jīng)過酸消解等前處理后，被還原成易揮發(fā)的氫化物，隨載氣進(jìn)入石英爐管，在高溫下原子化為基態(tài)原子。當(dāng)特定波長(zhǎng)的光束照射到基態(tài)原子時(shí)，原子吸收光能躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)原子又會(huì)以熒光形式躍遷回基態(tài)，釋放出特征熒光。通過測(cè)量特征熒光強(qiáng)度，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中目標(biāo)元素的定性定量分析。與其他光譜分析技術(shù)相比，原子熒光光譜法具有明顯優(yōu)勢(shì)。①氫化物發(fā)生器的引入有效分離了基體，顯著降低了基體效應(yīng)對(duì)測(cè)定的干擾[3]。②石英爐管提供了穩(wěn)定的原子化環(huán)境，激發(fā)態(tài)原子數(shù)量顯著增加，熒光信號(hào)強(qiáng)度得以提高。③采用高靈敏度的光電倍增管作為檢測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)痕量元素的檢出。

3 原子熒光光譜法檢測(cè)大米中無機(jī)砷的干擾因素

3.1 樣品基質(zhì)效應(yīng)對(duì)熒光信號(hào)的抑制

大米基質(zhì)成分復(fù)雜，包含大量淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物，以及鈣、鎂、鐵等無機(jī)鹽，這些基質(zhì)組分可能對(duì)無機(jī)砷的檢測(cè)產(chǎn)生干擾。當(dāng)大米消解液進(jìn)入氫化物發(fā)生器時(shí)，基質(zhì)中共存的過渡金屬離子如銅、鎳等，會(huì)與氫化物發(fā)生劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致基態(tài)砷原子數(shù)量減少，熒光信號(hào)強(qiáng)度下降。此外，基質(zhì)中殘留的有機(jī)物會(huì)吸附在石英爐管內(nèi)壁，改變爐管表面性質(zhì)，使得進(jìn)入爐管的砷原子發(fā)生非特異性吸附，延緩原子化過程，導(dǎo)致熒光信號(hào)出峰延遲，峰形展寬。同時(shí)，基質(zhì)中的懸浮顆粒物會(huì)散射或吸收入射光和熒光，引起非特征性光干擾，升高背景噪聲。當(dāng)基質(zhì)濃度較高時(shí)，過量的基質(zhì)組分還會(huì)沉積在霧化器和進(jìn)樣管路上，造成進(jìn)樣不暢，影響檢測(cè)的精密度[4]。大米基質(zhì)效應(yīng)會(huì)從原子化、光學(xué)檢測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)影響液相原子熒光分析，抑制無機(jī)砷的特征熒光信號(hào)，是準(zhǔn)確檢測(cè)大米中無機(jī)砷需克服的重要干擾因素。

3.2 光源強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

在運(yùn)用原子熒光光譜法檢測(cè)的過程中，穩(wěn)定的光源是保證檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵因素之一。通常，采用空心陰極燈作為砷的特征光源，利用砷空心陰極燈發(fā)出的193.7 nm譜線激發(fā)砷原子的特征熒光。然而，受到燈管老化、電源紋波等因素影響，砷空心陰極燈的發(fā)射強(qiáng)度往往存在一定的波動(dòng)。當(dāng)燈管使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，燈管兩端的材料會(huì)逐漸蒸發(fā)、沉積，燈管透光率下降，光強(qiáng)度逐漸衰減；同時(shí)，陰極材料的損耗會(huì)改變燈管的陰陽極間距，引起光強(qiáng)波動(dòng)。此外，鎮(zhèn)流電源的紋波系數(shù)過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燈管電流不穩(wěn)，光源閃爍，發(fā)射強(qiáng)度周期性波動(dòng)。光源強(qiáng)度的不穩(wěn)定會(huì)直接影響砷原子激發(fā)過程，導(dǎo)致熒光信號(hào)強(qiáng)度隨之波動(dòng)，從而影響檢測(cè)靈敏度。當(dāng)激發(fā)光強(qiáng)度下降時(shí)，處于激發(fā)態(tài)的砷原子數(shù)量減少，熒光信號(hào)減弱，可能導(dǎo)致痕量砷無法被有效檢出；而激發(fā)光強(qiáng)度波動(dòng)則會(huì)引起熒光信號(hào)的不穩(wěn)定，降低檢測(cè)結(jié)果的重現(xiàn)性。因此，光源強(qiáng)度波動(dòng)是原子熒光光譜法分析大米中無機(jī)砷時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注和克服的干擾因素[5]。

3.3 背景噪聲干擾對(duì)無機(jī)砷定量結(jié)果的誤差

在應(yīng)用原子熒光光譜法進(jìn)行痕量無機(jī)砷定量分析時(shí)，背景噪聲是影響檢測(cè)準(zhǔn)確性的另一重要干擾因素。大米基質(zhì)中普遍存在的鈣、鎂、鋁等易電離元素，在高溫原子化過程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)性光譜，形成光散射背景；基質(zhì)中殘留的有機(jī)物在高溫裂解時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熒光性碎片或基團(tuán)，引入額外的熒光背景。這些復(fù)雜的背景光譜會(huì)疊加在砷的特征熒光信號(hào)上，擾亂基線，加大積分面積測(cè)定的不確定度。若背景噪聲較強(qiáng)，可能完全掩蓋砷的特征熒光信號(hào)，導(dǎo)致漏檢。即使背景噪聲較弱，砷的特征峰也可能出現(xiàn)畸變，峰形不對(duì)稱或展寬，影響峰面積的準(zhǔn)確積分。采用傳統(tǒng)的狹縫光電倍增管作為檢測(cè)器時(shí)，其暗電流、頻閃噪聲等器件本底噪聲也會(huì)進(jìn)一步惡化背景，降低信噪比。當(dāng)被測(cè)樣品中砷的含量較低時(shí)，背景噪聲產(chǎn)生的干擾尤為明顯，可能導(dǎo)致定量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，甚至出現(xiàn)假陽性結(jié)果。

4 原子熒光光譜法檢測(cè)大米中無機(jī)砷干擾因素的應(yīng)對(duì)策略

4.1 基質(zhì)改進(jìn)與稀釋方法的應(yīng)用

為有效克服大米基質(zhì)效應(yīng)對(duì)無機(jī)砷原子熒光信號(hào)的抑制作用，可從優(yōu)化基質(zhì)改進(jìn)和合理稀釋兩方面著手。針對(duì)基質(zhì)中共存金屬離子的干擾，可在消解液中引入螯合劑如乙二胺四乙酸（EDTA）、二乙基三胺五乙酸（DTPA）等，利用其與過渡金屬離子形成穩(wěn)定配合物，阻斷金屬離子與氫化物的副反應(yīng)。同時(shí)，向消解液中加入表面活性劑如聚乙二醇、Tween-80等，可改善石英爐管表面的潤(rùn)濕性，減少砷原子的吸附損失。值得注意的是，上述基質(zhì)改進(jìn)試劑的用量需經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，以免過量引入新的基體效應(yīng)。針對(duì)消解液中殘留有機(jī)物和懸浮顆粒的干擾，可采用多步提取凈化技術(shù)，如固相萃取柱富集、凝膠滲透色譜分離等，進(jìn)一步純化基質(zhì)背景。采用程序升溫石墨爐技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)基質(zhì)和待測(cè)組分的選擇性揮發(fā)。通過合理地設(shè)計(jì)溫度程序，可以先在較低溫度下使基質(zhì)揮發(fā)，再在最佳的原子化溫度下進(jìn)行砷的測(cè)定，這樣能夠在時(shí)間軸上實(shí)現(xiàn)基質(zhì)干擾的分離。此外，原子熒光光譜法對(duì)樣品體積的需求量較小，稀釋倍數(shù)可放寬至幾十倍，大大降低了基質(zhì)負(fù)荷。采用在線稀釋技術(shù)，配合精密的蠕動(dòng)泵和混合反應(yīng)管路，可實(shí)現(xiàn)稀釋倍數(shù)的精確控制。特別一提的是，即便經(jīng)過稀釋，大米中的痕量砷仍在原子熒光光譜法的檢出限內(nèi)，可滿足GB 2762—2022的限量要求。綜合采取以上基質(zhì)改進(jìn)與稀釋方法，可顯著降低大米基質(zhì)對(duì)無機(jī)砷原子熒光檢測(cè)的干擾，提高測(cè)定的準(zhǔn)確度。

4.2 穩(wěn)定光源技術(shù)的優(yōu)化與校準(zhǔn)

光源穩(wěn)定性是原子熒光光譜法準(zhǔn)確測(cè)定痕量無機(jī)砷的關(guān)鍵。選用高純石英玻璃制作砷空心陰極燈，可有效避免雜質(zhì)沉積造成的燈管透光率衰減。同時(shí)，采用大容量陰極設(shè)計(jì)，可延長(zhǎng)使用壽命，避免頻繁更換燈管引入的光強(qiáng)波動(dòng)。對(duì)于不可避免的燈管老化，可通過定期監(jiān)測(cè)220.3 nm汞譜線強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)修正燈管漂移。針對(duì)電源紋波引起的光源閃爍，應(yīng)選配高性能恒流源作為燈管供電模塊，將電流紋波系數(shù)控制在0.05%以下[3]。必要時(shí)引入高頻脈沖調(diào)制技術(shù)，主動(dòng)降低電流紋波，確保光源功率輸出的恒定性。此外，優(yōu)化光路系統(tǒng)也有助于抑制光強(qiáng)波動(dòng)。采用非對(duì)稱配置，將砷空心陰極燈置于聚焦透鏡的非中心區(qū)域，可削弱燈管位置偏移造成的光強(qiáng)擾動(dòng)。引入雙光束分光設(shè)計(jì)，以激發(fā)光束為參比，實(shí)時(shí)校正檢測(cè)光路的光強(qiáng)波動(dòng)。同時(shí)，在檢測(cè)器前端添加窄帶濾光片，不僅能濾除雜散光，還可抑制光源波長(zhǎng)漂移帶來的影響。通過定期校準(zhǔn)狹縫寬度、光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）工作電壓等光譜參數(shù)，可進(jìn)一步穩(wěn)定光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的響應(yīng)性。綜合運(yùn)用以上穩(wěn)定光源技術(shù)，可將砷空心陰極燈發(fā)射強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在1%以內(nèi)，為痕量無機(jī)砷的高靈敏度檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

4.3 運(yùn)用背景扣除與信號(hào)放大方案

由于大米基質(zhì)復(fù)雜，有效地扣除背景噪聲并放大無機(jī)砷的特征信號(hào)是原子熒光光譜法準(zhǔn)確定量的關(guān)鍵。由于砷氫化物的生成速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)基團(tuán)，并且二者的熒光壽命差異接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此通過延遲測(cè)量時(shí)間窗口直到砷的熒光峰出現(xiàn)，可以有效地避免與基質(zhì)熒光的重疊。對(duì)于不可避免的光散射背景，可以利用斬波技術(shù)進(jìn)行扣除。在檢測(cè)器前引入鎖相放大器和機(jī)械斬波器，將入射光調(diào)制為特定頻率的脈沖光，這樣砷的熒光信號(hào)會(huì)隨著頻率變化，而散射背景則保持不變。通過提取與調(diào)制頻率同步的交流信號(hào)并消除直流背景，可以實(shí)現(xiàn)選擇性地去除散射光。對(duì)于檢測(cè)器暗電流等白噪聲，可以使用積分技術(shù)或多通道平均的方法來降低噪聲。將砷的熒光信號(hào)分成多個(gè)采樣單元，經(jīng)過放大和積分后再疊加平均，能夠有效抑制隨機(jī)噪聲，從而提高信噪比。砷熒光峰的非對(duì)稱性扭曲也會(huì)影響定量結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以對(duì)熒光信號(hào)應(yīng)用數(shù)學(xué)變換，如傅立葉解卷積、高斯-洛倫茲擬合等方法，以恢復(fù)砷峰的真實(shí)形狀，提高峰面積積分的可靠性。需要注意的是，在扣除背景的同時(shí)要防止特征信號(hào)的過度損失?？梢砸霕?biāo)準(zhǔn)加入法或內(nèi)標(biāo)法等校準(zhǔn)方法，對(duì)獲得的熒光信號(hào)進(jìn)行修正，確保檢測(cè)靈敏度不會(huì)因?yàn)楸尘翱鄢档?。此外，超聲霧化-氫化物發(fā)生等聯(lián)合技術(shù)可以進(jìn)一步放大痕量砷的檢出信號(hào)。將待測(cè)樣品霧化成微米級(jí)別的微小液滴，其比表面積顯著增加，這使得砷氫化物的生成速率可以提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)，檢出限有望降低到納克級(jí)。綜合運(yùn)用上述背景扣除與信號(hào)放大方案，可以在復(fù)雜基質(zhì)中準(zhǔn)確量化無機(jī)砷達(dá)到十億分之一級(jí)別，為監(jiān)控大米中的砷污染提供可靠的技術(shù)支持。

5 結(jié)語

本文闡述大米中無機(jī)砷的來源、原子熒光光譜法的原理與優(yōu)勢(shì)，分析原子熒光光譜法檢測(cè)大米中無機(jī)砷的干擾因素，提出多項(xiàng)有效的應(yīng)對(duì)措施，可以顯著提高檢測(cè)精度。未來的研究可以進(jìn)一步完善這些技術(shù)，并探索更高效的信號(hào)放大手段，更好地服務(wù)食品安全監(jiān)控工作。

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