食品中重金屬快速檢測的前處理研究進展

韓晉輝，翟培

(廣東食品藥品職業(yè)學院，廣東廣州 510520)

隨著工農業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染所導致的食品安全問題引起了社會的廣泛關注。國土部門數(shù)據(jù)顯示，我國每年受重金屬污染的糧食高達1 200萬t，約10%的稻米存在鎘超標的問題;國家海洋局《2008年中國海洋環(huán)境質量公報》提供的數(shù)據(jù)表明，我國近岸海域部分貝類體內的鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)殘留水平超過第Ⅳ類海洋生物質量標準，其中個別站位貝類體內As的殘留超第3類海洋生物質量標準。重金屬污染已成為引起食品安全問題的主要原因之一。為了避免重金屬引起的食品安全問題，不僅需要加強環(huán)境監(jiān)管力度，杜絕環(huán)境污染事件發(fā)生，也需要在食品原料、生產、流通的過程中及時發(fā)現(xiàn)重金屬污染問題。

食品中重金屬的含量較少而且形態(tài)多樣，檢測時需要采用適當?shù)臉悠非疤幚矸椒ǎ蕴崛》蛛x待測元素。實驗室檢測常用的前處理方法有:干法消化法和濕法消化法，但都耗時較長。樣品前處理已成為食品安全快速檢測重金屬的主要限速因素之一，目前已引起了廣大學者的關注，快速、簡便、提取率高、適合現(xiàn)場檢測的樣品前處理方法已成為重金屬檢測研究的熱點。高效的樣品前處理技術與食品安全快檢技術聯(lián)用，可以有效減少基體干擾對快檢過程的影響，提高快檢準確度，是發(fā)展準確定量食品安全快檢技術的關鍵所在［1］。目前常見的快速檢測重金屬樣品的預處理方法有:微波消解技術、酸浸提技術、萃取技術等。

1 微波消解技術

微波消解法是近年來比較熱門的樣品處理技術，即將樣品置于聚四氟乙烯消解罐中，加入濃酸，再將消解罐置于消解儀的微波場中，在微波電場的作用下，分子間由于高速的碰撞和摩擦而產生高熱，迅速加熱了酸和溶質，密封罐內發(fā)生氧化還原反應及放熱，并產生大量氣體，形成容器內的高壓氛圍，提高了溶樣酸的沸點、氧化能力和活性。微波消解食品樣品時最常使用的酸是硝酸，硝酸是一種強氧化劑，是可獲得超高純度、適用于痕量元素分析所需的強酸之一，廣泛用于釋放生物和植物樣品中痕量元素。食物樣品中大部分為有機成分，在消解過程中會產生大量CO2及硝酸的還原產物NO2，因此當消解反應開始后，反應體系內壓強會迅速增加，硝酸在1.01×105Pa下，沸點是120℃，而當壓力提升到5.05×105Pa時，其沸點可達到176℃，可以大大加快樣品的消解速度。食物樣品一般不含難消解的物質，微波消解時應注意樣品和加入酸的量，減少消解過程中體系內的氣體量，大量的氣體不利于消解結束時系統(tǒng)的降溫和降壓。研究表明，當食物中油脂含量較大時，應采用更大的消解壓力、增加消解時間或加入H2O2等試劑以保證樣品的完全消解。

微波消解法結合了高壓消解和微波快速加熱2個方面的性能進而加快了樣品的消解速度。大量研究表明，微波消解法能更有效地萃取各種固體樣品中的金屬元素，且由于樣品處于密閉容器中，也避免了待測元素的損失和可能造成的污染。微波消解法已被收錄為美國環(huán)境保護署(EPA)的標準方法，許多重金屬快速檢測的研究都把微波消解作為樣品處理的主要手段，加之商品化的微波消解裝置已經(jīng)成熟，使得該技術廣泛應用于食品中重金屬的實驗室檢測和食品安全現(xiàn)場快速檢測當中。大量的試驗證明(表1)，微波消解法適用于不同重金屬檢測方法的樣品前處理，利用微波消解法進行食品樣品前處理，和國標方法相比消化時間短、消解完全、結果準確，精密度和準確度都較好［2］。

2 酸提取技術

酸提取法又叫酸浸提法，是利用HCl、HNO3等酸對金屬元素具有強的溶解能力，選擇提取樣品中的待測元素。對于食品樣品，酸浸提時濃度不宜過高，尤其是謹慎使用H2SO4及HClO4，原因是當酸濃度較高時基質分解程度加劇，易造成較強的基體干擾。酸提取方法操作簡便、快速準確、干擾少，是一種較為理想的樣品預處理方法。目前在食品重金屬快速檢測中有較廣泛的應用，具體見表2。與常規(guī)樣品預處理技術相比，酸提取時加熱溫度不超過100℃，可以有效減少金屬元素的損失，尤其是在測定鉛、砷、汞3種元素時，李海等用超聲輔助酸提取，測定油脂類食品中鉛的條件試驗，方法回收率為86.7% ～103.0%［8］。

表1 微波消解法分離提取重金屬的應用

表2 酸提取技術分離重金屬的應用

由表2可以知，酸提取技術對于重金屬的提取率因重金屬以及提取方法不同而有差異，在使用過程中對于試驗設備和條件要求不高。因此，酸提取技術可以作為食品中重金屬快速檢測的樣品前處理技術適用于半定性、半定量的現(xiàn)場快速檢測，便于食品安全監(jiān)管人員在現(xiàn)場進行問題樣品的篩選。

3 萃取技術

食品中限量元素含量甚微，不少金屬元素的含量很低，一般在10-3～10-6g/L水平，有的甚至達到10-9g/L，萃取技術被廣泛用于食品測定前進行富集提取，以提高檢測方法的靈敏度。常用的方法主要有固相萃取、微萃取、絡合溶劑萃取等富集分離技術。目前，萃取技術已能與食品安全快檢技術聯(lián)用，建立適于復雜食品樣品分析的快檢方法，該方法多運用于實驗室快速檢測或檢測車中的車載色譜檢測。

3.1 固相萃取 固相萃取技術(SPE)是一種用于樣品分離、純化、濃縮的重要的樣品前處理手段。主要利用樣品流經(jīng)固體吸附劑時，不同化合物與吸附劑間的吸附與解吸附作用，將液體樣品中的目標化合物與樣品基底以及干擾化合物分離，再通過洗脫液迅速洗脫，達到分離和富集的效果。SPE具有回收率和富集倍數(shù)高、有機溶劑用量少、無相分離操作、能處理微量樣品和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。近年來，高分子材料合成技術、分子印跡技術等新技術與傳統(tǒng)固相萃取技術相結合，衍生出眾多技術改進和創(chuàng)新。常用的固相萃取劑有:鍵合硅膠、樹脂、分子印跡聚合物等。

3.1.1 鍵合硅膠。目前使用最為廣泛的固相萃取材料是鍵合硅膠，它的應用推動了固相萃取技術的迅速發(fā)展。在所有的鍵合硅膠中，目前使用最多的是C18鍵合硅膠。與其他材料比較，鍵合硅膠在重金屬檢測樣品前處理中具有吸附速度快、吸附容量高、選擇性好、無溶脹等優(yōu)點。樊靜等采用二苯卡巴腙化學鍵合硅膠，萃取Hg2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+4種金屬離子，在pH 8.5的條件下，4種金屬離子的富集百分率為93% ～100%［16］;Amin等采用C18SPE膜富集5-(4-氯苯基偶氮)-6-羥基嘧啶二酮與Ni(Ⅱ)快速反應形成的復合物，結合紫外-可見分光光度法可快速檢測食品樣品中痕量Ni(Ⅱ)，方法富集倍數(shù)達 100，定量下限達 0.01 μg/ml［17］。

3.1.2 分子印跡技術。分子印跡技術(MIT)是制備對特定目標分子具有分子識別性能的分子印跡聚合物(MIP)的技術。分子印跡聚合物模擬酶-底物或抗體-抗原之間相互作用，對印跡分子(也稱模板分子)進行專一識別。該技術集分離與富集于一體，可選擇性識別富集復雜樣品中的目標物。MIT與分析技術聯(lián)用后，具有較高的靈敏度，在重金屬檢測方面有很大的發(fā)展空間。目前，分子印跡技術已經(jīng)成功制備出了以 Ni2+、Cu2+、Pd2+、Cd2+、Cr3+、Zn2+等多種金屬離子為模板分子的金屬離子印跡聚合物［18］。Li等的研究小組以Cu2+為模板分子，以硝酸纖維素膜為支撐物，制備了聚乙烯醇-離子印跡復合膜，該復合膜結構中形成了對Cu2+具有良好選擇性的空穴，采用室溫磷光法測定了頭發(fā)和茶葉樣品中的Cu2+，檢出限達1.1 ng/L［19］。孫軍德等利用根霉工業(yè)發(fā)酵中的廢棄菌絲體進行表面分子印跡，研究了根菌霉絲體殼聚糖表面印跡吸附劑對廢水中Cr6+的吸附性能和影響因素，結果表明，在最佳條件下pH為3.5～4.5時，吸附容量為45 mg/g［20］。江偉等采用分子印跡技術通過制備鉛印跡殼聚糖包覆硅藻土微球(pbCSDE)，研究了PbCSDE對重金屬Pb2+、Cu2+的吸附［21］。

3.1.3 樹脂。樹脂分為天然樹脂和合成樹脂。樹脂做為重金屬檢測的固相萃取劑具有吸附快、脫除效率高等優(yōu)點，且樹脂型號較多，可以根據(jù)重金屬的種類加以選擇。有研究表明，對羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)進行化學交聯(lián)后，可以實現(xiàn)與多種重金屬離子的分離富集。近年來，基于過渡元素的成螯傾向而合成的螯合樹脂，也可以實現(xiàn)痕量重金屬離子的定量檢測，如:氨基羧酸類、肟類等不同螯合樹脂在重金屬萃取方面的應用都有較高的萃取率。錢濤等研究了LS-5000型氨基磷酸型螯合樹脂對Pb2+的吸附性能及在模擬濃縮果汁鉛的去除中的應用［22］。結果表明，氨基磷酸型螯合樹脂在酸性條件下對Pb2+具有良好的吸附性能，靜態(tài)吸附平衡時間為1 h，最大吸附量為5 527.45 μg/g樹脂，負載Pb2+的樹脂可用1 mol/L的HNO3解吸，解吸后的樹脂可以再利用。常用的螯合樹脂如Amberlite XAD和merrifield氯甲基樹脂，其中Amberlite XAD 包括 Amberlite XAD-2000，Amberlite XAD-2，Amberlite XAD-1180等一系列常用的樹脂，可直接用來富集金屬離子，也可作為被修飾的基體。Kumar等用1，2，4-三唑-2-硝基苯基-3-硫酮(NPTT)修飾Amberlite XAD-2樹脂得到Amberlite XAD-2-NPTT，對鉛的富集因子為60，此法成功用于測定水和蔬菜中的鉛［23］。

3.1.4 納米材料。利用納米材料具有不同于其他傳統(tǒng)固體材料的特異性質，如表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、介電限域效應等能夠充分發(fā)揮其對痕量物質的快速吸附富集，尤其是針對食品中的重金屬可以彌補傳統(tǒng)分離富集技術存在的響應速度慢、靈敏度低、選擇性差的這些缺陷，成為在食品安全快速檢測技術中對于食品中微量的重金屬進行分離富集的較為理想的吸附材料。Vassileva等以納米二氧化鈦及二氧化鈰作為吸附劑對重金屬離子吸附性能進行了研究，結果表明，它具有高吸附容量、吸附和洗脫快捷以及良好的重現(xiàn)性［24］。Behbahani等用雙硫腙功能化修飾納米多孔SiO2(SBA-15)制備了一種新的吸附劑，結合固相萃取來分離和測定食品和農產品中微量的鎘、銅、鎳、鉛離子，萃取效率均大于97%，提供了一種簡單、快速、重復性好、選擇性高的檢測方法［25］。Nagihan M等將納米技術與固相萃取技術相結合，制備了摻雜巰基的新型磺酰胺樹脂，并作為一種新型萃取吸附劑用于水中二價鉛離子的富集吸附，與石英縫管捕集原子吸收光譜聯(lián)用，將檢測靈敏度提高280倍［26］。目前氧化物納米材料、表面修飾氧化物納米材料、磁性氧化物納米材料、碳納米管、納米鈦酸鍶鋇粉體(BST)、有機-無機雜化納米材料和復合材料等都被作為樣品處理技術應用于飲用水及部分食品檢測過程中重金屬的快速檢測。3.2 液相微萃取 目前與食品安全快檢聯(lián)用的液相微萃取(LPME)主要包括單滴微萃取(SDME)及分散液液微萃取(DLLME)。SDME是采用懸掛在進樣器針端的小體積有機相液滴對大體積樣品溶液中目標物進行富集、萃取的一種前處理技術。Wen等將“綠色溶劑”離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽作為SDME萃取劑，結合分光光度法建立了茶葉以及脫脂奶粉樣品中痕量重金屬Cu2+的快檢方法，檢出限達 0.15 μg/L［20，27］。Rezaee 等于 2006 年提出了 DLLME 技術，在樣品溶液中加入少量萃取劑混合分散得到乳濁液，再經(jīng)離心分層后取微量萃取劑進樣分析［28］。DLLME操作簡便、適用性廣，經(jīng)常與光譜技術聯(lián)用實際用于食品安全快檢。Wen等采用DLLME-分光光度法聯(lián)用技術建立了大米、茶葉等食品中痕量Cd(Ⅱ)的快檢方法，該方法環(huán)境友好、靈敏度高［29］。

4 結語

綜上所述，食品組成成分復雜，重金屬在食品中的存在形態(tài)多樣，因此檢測時受到嚴重的基體干擾。快速檢測方法對靈敏度、準確性和檢測速度都有較高的要求，但同時要求檢測方法簡便易行，適合基層執(zhí)法的使用。目前應用的有害重金屬快檢分析方法在樣品前處理和快檢方法2個方面都受到技術的局限。樣品前處理方面，應用較多的微波消解法雖然較傳統(tǒng)消解方法效率有所提升，但該方法對儀器設備有較高要求，并且難以大量處理樣品。酸浸提法對試驗設備和條件要求不高，但該方法存在空白值較高、穩(wěn)定性欠佳等缺點。此外，目前快檢方法對目標物的選擇性不高，導致快檢結果的準確度較低。重金屬分離富集方法較多，但操作大多比較復雜，僅適用于實驗室檢測。將高效的樣品前處理技術與食品安全快檢技術聯(lián)用，可以有效減少基體干擾對快檢過程的影響，提高快檢準確度，是目前發(fā)展準確定量食品安全快檢技術的關鍵所在。快速、簡便、自動化的前處理技術不僅省時、省力，而且可以減少由于不同人員操作及樣品多次轉移帶來的誤差，能夠極大地簡化現(xiàn)場快速檢測和實驗室快速檢測的工作步驟。隨著便攜儀器及車載儀器的研究開發(fā)，固相萃取、微萃取以及磁分離等樣品前處理技術與先進分析儀器的聯(lián)用將大大提高重金屬元素分析的準確性和效率，這將成為未來食品安全快檢技術的關鍵。

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