原子吸收技術檢測食品中金屬元素含量的應用進展

2020-06-22 13:13:59谷政偉

食品安全導刊·下旬刊 2020年4期

摘要：原子吸收技術常用于檢測食品中的金屬元素含量，該技術可檢測的金屬元素種類較多，具有選擇性好和準確度高等優點。本文綜述了原子吸收技術測定食品中金屬元素含量的應用進展。

關鍵詞：原子吸收;金屬元素;消解

食品中的金屬如鉀、鈉和鈣，是人體必需的元素，它們在食品中的含量應在一個合理范圍內，以促進人體健康。食品中的重金屬問題作為食品安全問題中的重要一環，一直被國家和人民高度重視。重金屬在生物體內無法被消化，并在食物鏈中被逐漸放大，最終到達人體內，造成重大危害。對食品中的金屬元素含量進行監控離不開檢測手段。在20世紀50年代，澳大利亞的沃爾什率先提出將原子吸收應用于化學分析，并在1960年和他的同事設計并制造出第一臺原子吸收光譜儀。經過幾十年的發展，原子吸收技術已廣泛應用于食品檢驗、石油化工、醫療衛生和地質巖礦分析測試等領域。本文綜述了原子吸收技術在食品中金屬元素含量檢測方面的應用。

1 樣品的消解

消解的目的是破壞有機物、溶解顆粒物，并將各種價態的待測元素氧化成單一高價態或轉換成易分解的無機化合物。對需檢測金屬元素含量的樣品進行前處理，須將待測樣品中的金屬元素轉移到待測液中，然后通過原子吸收光譜儀測量出樣品中該金屬元素的含量。常用的樣品消解方法包括干法、濕法、微波和高壓等[1]。

1.1 干法消解

干法消解是利用高溫對樣品進行分解，在電爐絲上低溫炭化至無煙后在馬弗爐中高溫灰化至完全，使被測物以固態形式殘存，用稀酸溶液溶解殘留的礦物質灰分，制成待測液。干法消解酸用量少，且步驟簡單，易操作;并可同時處理大量樣品，可徹底破壞有機物;但是干法消解中灰化過程所需溫度高，不適合易揮發的元素，例如汞。若食品中含有相當量的氯離子和磷酸根，在干法消解過程中中鉛、鎘等金屬會生成易揮發的金屬氯化物或磷酸鹽，最終導致結果偏低，所以干法也不適用于容易與其周圍無機物反應，生成易揮發性化合物的元素[2]。若灰化不完全，需再次炭化、灰化，費時且繁瑣[3]。干灰化法適用于難揮發、高沸點元素的前處理，如鉻、砷和鎳等。

1.2 濕法消解

濕法消解是在一定溫度下，在氧化性酸或非氧化性酸存在下，必要時加入一些氧化劑或催化劑，借助化學反應使樣品分解，將待測金屬以離子形態轉移到消解溶液中，濕法消解常用的試劑有硫酸、硝酸、高氯酸和過氧化氫等[4]。該法效率高，易實現自動化，具有設備簡單，操作便捷等優點。但濕法消解需要較多試劑，若使用玻璃儀器作為消解容器，因為玻璃對金屬存在吸附和解吸作用，易導致空白值偏高[5-6]，在消解過程中為減小試劑的消耗和減少某些元素因氣化造成的損失，宜蓋上玻璃漏斗，便于酸霧冷凝、回流。在操作中應使用高純度的酸并盡量少添加其他試劑，盡量使樣品消解完全，同時降低空白值。為防止待測液中的硝酸或高氯酸濃度偏高，損壞原子吸收火焰燃燒頭或者石墨管，采用濕法消解時，一定要有趕酸這一步驟。

1.3 微波消解

微波是一種頻率在300 MHz～300 GHz的電磁波，即波長在1m～1mm的電磁波。微波消解自動化程度高，同樣適用于被檢測樣品的前處理。微波加熱與傳統的外部加熱技術不同，它是一種直接的內加熱方法，可在試樣內部產生熱效應，使加熱更迅速、均勻，從而縮短加熱時間[7]。在微波消解中，常用的試劑有硝酸、硫酸、氫氟酸和過氧化氫等，高氯酸因易爆而不宜使用。微波消解一般可分為兩類：敞口型和密閉型，密閉微波消解較敞口微波消解常用。微波消解溶樣迅速，所用試劑量少[8]，且消解容器的高度密閉性可避免元素的揮發損失及樣品的污染[9]。微波消解的缺點亦明顯，即消解罐容積較小，因此樣品取量較少，這就對樣品的均勻性有較高的要求;而且微波消解儀和消解罐價格偏高，入門成本較高[10]。

1.4 高壓消解

高壓消解是在常壓濕法消解的基礎上進行密封加壓，利用外部加熱，在密閉的消解罐內產生高溫高壓，以實現快速消解難溶物質的目的。高壓消解罐內杯材質為聚四氟乙烯，耐酸抗堿，因此可在硝酸消解試劑體系中加入適量氫氟酸，把硅酸鹽分解為氣態SiF4，以達到除硅效果，因此對于硅含量較高的樣品宜采用硝酸-氫氟酸體系進行消解，促進難溶元素的游離。高壓罐的密閉性和所用材料的惰性使該方法的空白值較低，適合多數金屬元素的消解，特別適合易遭污染的元素，如汞[11]。高壓消解能有效減小試劑和揮發性元素的損失，同時高校消解污染小，分解樣品能力強，酸用量少，所需設備只有普通干燥箱和高壓罐，因此投資小。但是存在某些樣品分解不完全，取樣量少和卸載消解罐蓋需要一定力度等缺點，而且高壓具有一定的安全隱患。

2 原子吸收光譜儀的應用

原子吸收光譜儀檢測食品中金屬元素含量的原理是金屬元素被原子化后會吸收特定波長的光，利用從空心陰極燈發出的相應波長的光的減弱程度來判定被測元素含量[12]。原子吸收光譜儀是發展時間較長、技術比較成熟的一種檢測儀器，根據原子化方式的不同，可以分為火焰原子吸收光譜儀、石墨爐原子吸收光譜儀、氫化物原子吸收光譜儀和冷原子吸收光譜儀這4種[13]。氫化物原子吸收光譜儀可以檢測鍺、砷、硒、錫、銻、汞、鉛和鉍等的含量，該技術可將氫化物的檢出限降低1～2個數量級，且消除了基體的干擾。冷原子吸收光譜儀僅適用于測定食品中的汞含量，相對另兩種儀器而言，這兩種比較少用。

2.1 火焰原子吸收光譜儀

火焰原子吸收光譜儀具有操作簡單、迅速、適用范圍廣、分析條件穩定和重現性好的優點。火焰原子吸收光譜儀的檢出限一般為mg/kg級別，因此常用來檢測食品中的鉀、鈉、鎂和銅元素，而很少用來檢測食品中的鉛、鎘、汞、砷和鉻這些元素。包先金[14]用次靈敏線火焰原子吸收法測定食品中鈉、鉀和鎂的含量，發現該方法具有線性范圍寬，精密度和準確度均較好等優點，完全能滿足分析工作的需要。

2.2 石墨爐原子吸收光譜儀

石墨爐原子吸收光譜儀具有進樣量小、操作簡單和靈敏度高等優點，被廣泛應用于食品中金屬元素含量的檢測。石墨爐升溫程序中的灰化和原子化溫度是很重要的參數，灰化使試樣中的有機質組分揮發而被除掉，使處理后的試樣中只留有待測金屬，為接下來的原子化處理做準備。若灰化溫度太低則有機質會有殘留，若灰化溫度太高，易使待測元素揮發，嚴重時可使被檢測的金屬元素全部喪失。所以測定低熔點、易激發且在空氣中化學性質穩定性較差的金屬時，例如鉛，需要添加基體改進劑。基體改進劑可以在提高灰化溫度的同時，保護被檢測金屬元素，常用的基體改進劑有磷酸二氫銨和硝酸鈀等。原子化是將樣品中的待測金屬元素從分子狀態轉變為中性自由原子的過程。若原子化溫度低于所需溫度，則被測元素的原子化不完全，導致檢測結果偏低，同時會出現信號峰拖尾現象;若原子化溫度高于所需溫度，出峰時間提前，且出現分叉峰形，甚至影響測定結果，同時浪費電能、損耗石墨管[15]。

3 結語

在檢測食品中金屬元素含量的過程中，消解方法有干法、濕法、微波和高壓等，它們有各自的優點和缺點。原子吸收光譜儀的優點是具有較高的靈敏度和精密度，并具有較好的選擇性和較強的抗干擾能力，在實際應用過程中操作便捷，且分析范圍相對較廣泛。但是，該方法仍存在一些問題，需要進一步完善。例如，一次進樣只能檢測一種元素，在分析多種元素時需要更換燈源;使用石墨爐原子吸光譜儀測定某些金屬元素時，標準曲線范圍相對較窄，例如鎘元素，其標準曲線范圍一般0～3.0 μg/L。檢測工作者應根據樣品種類、被檢測金屬的性質和含量范圍選擇合適的消解方法和恰當的原子吸收光譜儀設備，以得到準確、值得信賴、平行性好的結果。

參考文獻

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