氫化物發生-高分辨連續光源原子吸收光譜法測定食品中的汞和砷

任 婷，曹 珺，趙麗嬌*，鐘儒剛

（北京工業大學生命科學與生物工程學院，環境與病毒腫瘤學北京市重點實驗室，北京 100124）

汞和砷是食品中可能存在的重金屬元素，研究表明汞和烷基汞具有潛在神經毒性，且對腎臟和胃腸道有毒害作用，其中甲基汞和乙基汞的毒性極強[1-3]。聯合國糧食與農業組織和世界衛生組織聯合的食品添加劑專家委員會已將飲食中汞的每周允許攝入量定為1 μg/kg體質量（成人）[4]。砷可引發惡性腫瘤、 腎臟功能紊亂和肝硬化等健康問題[5-6]，已被美國環保署和世界衛生組織列為致皮膚癌和肺癌的A類致癌物[7-8]。大氣沉降、殺蟲劑的使用、化肥污染和水污染能夠導致果蔬中汞和砷積聚，并通過食物鏈對人體造成傷害[9-11]。

原子吸收光譜法具有靈敏度高、精度好、選擇性高、測定元素種類多等特點，已被廣泛應用于食品中微量重金屬的測定[12-15]。氫化物發生-原子吸收光譜法（hydride generation-atomic absorption spectrometry，HGAAS）是利用選擇性的化學還原反應，將樣品消化液中的待測元素還原成揮發性的共價氫化物，借助載氣流將其導入原子光譜分析系統進行定量測定。自1969年Holak[16]把經典的砷化氫發生反應與原子光譜相結合，建立了氫化物發生-原子光譜聯用技術，該方法已被大量用于汞、砷和硒的測定中。Anawar等[12]使用HG-AA S法對薩拉曼卡（西班牙）和達卡（孟加拉國）某市場銷售的土豆、西紅柿、洋白菜等幾十種蔬菜中的砷含量進行了測定和比較，該方法檢出限為0.07 μg/L，相對標準偏差5%～10%，標樣測定回收率為102.6%。Wilhelm等[13]使用HG-AAS法測定了魚類、谷物、蔬菜和乳制品中的汞和砷含量，方法定量限分別為0.1 μg/kg（干質量）和1.5 μg/kg（干質量）。莫曉玲等[17]使用HG-AAS法測定了腐竹和醬油中的砷含量，方法特征質量濃度為0.17 μg/L，檢出限為0.014 μg/L，樣品加標回收率為94.2%～102.8%。Ciftci等[18]使用HRCS-AAS和傳統線光源原子吸收光譜法2 種方法對水樣中的鋁含量進行了測定，結果表明使用HRCSAAS的檢測限為0.49 μg/L，后者的檢測限為3.91 μg/L。Becker等[19]考察了HRCS-AAS對基底復雜樣品的檢測效果，結果表明該方法較傳統線光源原子吸收光譜法具有更高的靈敏度和精密度、檢測限更低。

高分辨連續光源原子吸收光譜（high resolution continuum source atomic absorption spectrometry，HRCSAAS）法使用高強度短弧氙燈作為連續光源，具有無需預熱、無需空心陰極燈、分辨率高和分析速度快等優點，近年來已被廣泛用于不同樣品中金屬含量的檢測[20-23]。da Silva等[23]使用HRCS-AAS測定了魚等海洋生物樣品中汞的含量，方法檢出限為0.1 μg/g，證明該方法是一種靈敏度高、簡便快捷的檢測方法。本研究采用HG-HRCS-AAS法并對定量分析方法進行了優化，測定了谷類、蔬菜、飲品、水產品和乳制品5類共22 種食品中的汞和砷含量，以期為食品質量安全相關標準的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

汞標準溶液（1 0 0 g/m L）、砷標準溶液（1000 g/mL） 國家標準物質中心；硝酸、鹽酸、硫酸、30%過氧化氫、高錳酸鉀（KMnO4）、氫氧化鉀（KOH）、硼氫化鉀（KBH4）、硫脲（均為優級純）北京化工廠。

1.2 儀器與設備

ContrAA 700高分辨連續光源原子吸收光譜儀、HS55A-氫化物發生器 德國Jena公司；EH/EG電熱板 美國LabTech公司；ETHOS A微波消解儀 意大利Milestone公司；ZM200精細研磨機 德國Retsch公司；PL5241超純水裝置 美國Pall公司；202-A數顯電熱恒溫干燥箱 上海瀘南科學儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

需要進行預處理的樣品按類別采取了不同的預處理方式（表1）。經預處理后稱取0.5 g樣品，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入7 mL 濃HNO3和1 mL H2O2，靜置1 h，使消化劑充分浸泡樣品。密閉消解罐，置于微波消解儀中進行消解，設置消解功率為1000 W，10 min升溫至190 ℃，保持30 min，然后通風降溫至45 ℃。各樣品和空白均做3組平行。消解完畢后，將樣品轉移至燒杯，置于120 ℃電熱板上加熱趕酸，待樣品揮發至約為2 mL時，加入10 mL去離子水，繼續加熱，待樣品再次揮發至約為2 mL時停止趕酸，用去離子水定容至50 mL。

表 1 樣品的預處理方式Table 1 Pretreatments for different types of samples

1.3.2 檢測條件

本工作中采用的HRCS-AAS使用高強度短弧氙燈作為連續光源；光學系統為高分辨率的中階梯光柵；氖燈自動校正系統的光學分辨率2 pm；紫外高靈敏度的電荷耦合器線陣檢測器；同時背景校正[24]。

本研究采用HG-HRCS-AAS法測定22 種食品中的汞和砷含量。表2為2 種元素的測定條件，每個樣品均讀數3次，取平均值。

表 2 HG-HRCS-AAS測定參數Table 2 Experimental conditions for the determination of Hg and As by HG-HRCS-AAS S

1.3.3 數據處理

采用上述工作條件對樣品進行分析，根據下式計算樣品中汞和砷的含量：

式中：X為樣品中待測元素的含量/（mg/kg）；ρ1為測得的消解液中待測元素的質量濃度/（μg/L）；ρ0為空白樣品中待測元素的質量濃度/（μg/L）；m為稱取樣品的質量/g；V為樣品溶液的總體積（50 mL）；w為烘干后樣品占烘干前樣品質量的百分比。

2 結果與分析

2.1 消解條件的確定

本研究采用微波消解法對樣品進行消解。該方法具有污染小、待測物不易揮發、耗酸量小、消化時間短等優點，近年來廣泛應用于食品檢測領域[25-26]。HNO3分解產生的NO2配合H2O2在酸性介質中產生的活潑氧自由基，具有很強的氧化能力，有利于提高消解反應速度。參考文獻[22]，使用濃HNO3-H2O2（7∶1，V/V）微波消解體系能夠得到無色透明的澄清消解液，并且空白值較低，因此本研究采用該體系對樣品進行微波消解。

2.2 參數優化

本研究使用硼氫化物-堿體系作為汞和砷氫化物發生的還原劑，該還原劑具有還原能力強、反應速度快以及可同時用于多元素測定的優點。被硼氫化物在堿性溶液中的分解速度和待測元素與氫化合的速度是決定氫化物形成的重要因素，而這2個因素受硼氫化物濃度、堿的種類及濃度、載氣流速與氫化物發生裝置等因素的影響。因此需要先對還原劑用量、載氣流速、反應時間等條件進行優化。在本研究中，將硼氫化鉀與氫氧化鉀以3∶1的比例配制成還原劑。

2.2.1 還原劑用量

在選定的儀器工作條件下，對還原劑含量（0.5～2 g/100 mL）進行優化。結果表明，隨著硼氫化鉀含量的增加，吸光度隨之增大，當硼氫化鉀含量大于1.5 g/100 mL時，汞和砷測定吸光度開始下降，重復性開始變差。這可能是因為硼氫化鉀樣品中存在同樣能形成氫化物的某些類似元素和過渡金屬元素，從而降低了待測元素氫化物的形成效率。這與Welz等[26]的研究結果一致：適當降低硼氫化物的含量可有效減少此類干擾。因此本研究選擇還原劑含量為1 g/100 mL。

2.2.2 反應時間

合適的預吹掃時間有利于氫化物的產生，并排凈石英管中的空氣；合適的反應時間可保證還原劑與樣品反應完全。對汞和砷2元素各自的預吹掃時間和反應時間進行了優化，汞的最佳預吹掃時間為30 s，反應時間為20 s；砷的最佳預吹掃時間為30 s，反應時間為15 s。

2.2.3 載氣流速

載氣將反應罐中的氫化物送入石英管中，同時為待測元素的原子化提供惰性氣體保護。使用高純氬氣（99.999%）作為載氣，對4種載氣流速（0、100、417、517 mL/min）進行比較，當流速為100 mL/min時，待測元素吸光度高且重復性好。

2.3 標準曲線的繪制

Aspect CS軟件提供了線性和非線性2種擬合方法，通過比較2種元素標準曲線的相關系數，可以看出采用非線性方程的相關性均高于線性方程（表3）。

表 3 標準曲線方程及相關性系數Table 3 Regression equations with correlation coefficients and linear ranges

2.4 準確度與精密度

本研究對空白樣品重復測定11次，求得測定吸光度的標準偏差，得到汞和砷的檢出限分別為0.067、0.088 μg/L。使用帶魚樣品進行加標回收率及精密度實驗，每種樣品做3組平行。所有樣品進行微波消解后經HG-HRCS-AAS對每組樣品重復測定6次，計算加標回收率及相對標準偏差。汞和砷的回收率分別為：97.0%～104.2%和96.4%～105.1%，相對標準偏差分別為0.8%～4.7%和3.5%～4.9%，滿足定量分析要求（表4）。

表 4 汞和砷測定方法的回收率和相對標準偏差Table 4 Recovery and RSD of the method for Hg and As

2.5 樣品的測定

在最佳測定條件下對5類共22 種樣品中汞和砷的含量進行測定，結果如圖1所示。結果表明，全麥面、咖啡和水產品（帶魚、貽貝、鯉魚和蝦）中的汞含量較高，果汁中也含有一定量的汞。將測定結果與GB 2762—2012《食品中污染物限量》[27]進行了比較，所有樣品中的汞含量均未超出國家標準限定值。

韭菜和水產品（帶魚、貽貝和蝦）中的砷含量較高，韭菜中的砷含量為0.122 mg/kg，大大超出國標對蔬菜中砷含量的限定值0.05 mg/kg[27]；帶魚中的砷含量為0.173mg/kg，也明顯超出了國標中魚類的砷限量標準0.1 mg/kg[27]。本研究結果與其他結果相接近：Uhegbu等[28]使用AAS法測得產自尼日利亞瓦里市的蝦中砷含量為0.152 mg/kg；王茂波等[29]采用氫化物發生原子熒光光譜法測得產自山東煙臺海域的蝦中砷含量為0.189 mg/kg。

圖 1 22種被測食品中的汞（A）和砷（B）的含量Fig.1 Comparison of Hg (A) and As (B) contents in 22 kinds of foods determined by HG-HRCS-AAS

與歐盟[30]、世界衛生組織[31]和澳大利亞新西蘭食品標準法典[32]對各種食品中汞和砷含量的限量標準相比，我國國標對食品中汞和砷的限量標準進行了比較細致的劃分和更加嚴格的要求。然而，隨著生活水平的提高、居民飲食的多樣化，國標仍需要進一步完善以覆蓋更多種類的食品。例如，液體咖啡和咖啡粉中的汞和砷含量水平均較高，但國標中尚無相關限量；茶葉中的重金屬限量僅涉及鉛，未涉及對汞和砷的限定要求；飲料和奶酪類食品的汞和砷限量標準均未列入國標等。

3 結 論

本研究對樣品前處理過程和HG-HRCS-AAS測定參數進行了優化，確認了方法的靈敏度、回收率和精密度能夠滿足食品中痕量汞和砷元素的定量分析，并測定了谷類、蔬菜、飲品、水產品和乳制品5大類共22 種食品中的汞和砷的含量。為完善食品質量控制標準提供了科學依據。本研究所建立的分析方法對推動我國食品安全標準與國際水平接軌以及降低通過膳食途徑攝入重金屬的風險具有一定的參考價值。

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