電熱蒸發-催化熱解-原子吸收法直接測定茶葉中鎘

邢培哲 李雪 章劍揚 馮禮 劉貴巧 毛雪飛

摘 要：重金屬鎘（Cd）一直是茶葉產品質量安全關注的重點。本研究基于電熱蒸發-催化熱解-原子吸收光譜儀（SS-ETV-AAS），使用鎳材質樣品舟，在300 mL/min空氣條件下，350 ℃干燥20 s，350～725 ℃灰化55 s;引入300 mL/min氫氣與空氣反應形成氮氫混合氣氛，在725～800 ℃（50 s）下完成Cd的蒸發;之后，在高嶺土填料催化熱解爐800 ℃和準直管700 ℃條件下，氮氫火焰原子吸收測定鎘的含量。方法檢出限（LOD）為0.3 ng/g、定量限（LOQ）為1.0 ng/g，R2>0.998，多次測定的相對標準偏差（RSD）為1.8%～8.6%，多種茶葉樣品中Cd的測定值與微波消解石墨爐原子吸收光譜法（GFAAS）無顯著性差異（P>0.05），Cd的回收率在92%～107%之間。試驗結果表明，該方法靈敏度高、穩定性好、簡單高效，且無需消解處理，樣品分析時間僅為3min，適用于茶葉中Cd的快速檢測。

關鍵詞：固體進樣;電熱蒸發;催化熱解;原子吸收;茶葉;鎘

受三廢排放、農業投入品濫用和土壤酸化等因素的影響，特別是我國南方地區，土壤中重金屬污染嚴重影響到了食品安全[1-2]。茶葉是我國重要的經濟作物，在生長過程也會吸收和積累土壤中的鎘（Cd），從而對消費者健康構成潛在威脅[3-4]。雖然現有的國家標準中暫未設定Cd的污染限量，但作為飲食的一部分，大量飲用茶葉所攝入Cd的風險仍然不容忽視[5-7]，因此對茶葉中Cd進行檢測十分必要。目前，Cd的實驗室檢測方法已經較為成熟，常用的石墨爐原子吸收法（GF-AAS）[8]、電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）[9]、電感耦合等離子發射光譜法（ICP-OES）[10]、氫化物發生原子熒光光譜法（HG-AFS）[11]等液體進樣的原子光譜方法，都可以準確測定茶葉中的Cd元素。但是，上述方法需要復雜耗時的消化過程，通常會使用到大量的無機酸，造成環境污染。因此，茶葉中痕量Cd的非消解快速測定，依然是研究的難點。

電熱蒸發（ETV）是固體進樣元素分析常用的技術，樣品導入效率高，無需消解處理，可與AAS、AFS、ICP-OES和ICP-MS聯用[12-15]。但是，固體進樣過程會導入大量基體干擾，常見的基體改進劑、基體匹配和氣相富集（GPE）[13，16-18]等方法可以不同程度改善基質效應。直接進樣測汞儀是一個良好范例，其中催化熱解對干擾基體的吸附和汞原子的傳輸過程起到了關鍵作用。與之相似，本研究的測鎘儀將高嶺土填料用于高溫催化熱解，可以有效消除固體進樣對Cd帶來的基體干擾;同時利用空氣與H2反應形成氮氫混合氣作為電熱蒸發載氣，替代了價格昂貴的氬氣或氬氫混合氣，實現了只用水和空氣的氣體發生，進一步節約了運行成本，從而為實現茶葉中Cd的快速、準確測定提供了解決方案。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑、材料

AA2288全自動測鎘儀，長沙開元弘盛科技有限公司;AA-6880原子吸收分光光度計，日本島津公司;TOPEX+微波消解儀，上海屹堯儀器科技發展有限公司;萬分之一分析天平，瑞士梅特勒托利多集團。

Cd標準溶液，國家標準物質研究中心，標準工作溶液用超純水逐級稀釋;GBW10052綠茶標準物質，國家標準物質研究中心，Cd的標定值為（76±4）ng/g;HNO3和H2O2（分析純）用于微波消解茶葉樣品、Pd（NO3）2作為基體改進劑用于GFAAS、KOH（優級純）用于氫氣發生器促進電解，均購自國藥集團化學試劑有限公司。

樣品：市購紅茶、綠茶、烏龍茶、黑茶、花茶共5種茶葉。研磨過40目篩，混勻備用。

1.2 方法

1.2.1 工作原理及分析過程 測鎘儀的主要儀器結構見圖1，主要由電熱蒸發區、催化熱解區、準直管、AAS檢測器、氣體發生器等部分組成，其中電熱蒸發區、催化熱解區、準直管是由一體化石英管組成（準直管Φ2 mm，其他部分Φ19 mm）。氣體發生器主要由空氣泵、氫氣發生器、燃燒頭、水循環泵、冷凝器等組件構成，當需要輸入空氣時，由空氣泵直接泵入;當需要氮氫混合氣時，空氣和氫氣經燃燒后消耗掉氧氣，留下氮氣和過量的氫氣，再將氮氫混合氣導入到電熱蒸發區。

準確稱取100 mg及以下茶葉粉末樣品（精確至0.1 mg）至鎳材質樣品舟，送入電熱蒸發區。在空氣條件下進行脫水（350 ℃）和灰化（350～725 ℃），去除大量有機基體干擾物，減小了Cd蒸發時共存的有機物干擾。相對于還原性氣氛，Cd在氧化氣氛中更不易蒸發[19]，所以在725 ℃含氧氣氛中，大部分Cd還留在灰化后的樣品殘渣中;少部分蒸發出來的Cd則被800 ℃的高嶺土填料捕獲。當切換為氮氫混合氣時，在還原性氣氛下樣品殘渣中的Cd和被填料捕獲的Cd快速蒸發出來，傳輸至準直管;準直管在700 ℃點燃氮氫混合氣，Cd被保持原子態，并被AAS檢測。

1.2.2 儀器工作程序 測鎘儀的AAS檢測器光源為鎘空心陰極燈，分析波長為228.8 nm，燈電流5.0 mA，光電倍增管（PMT）負高壓260 V。程序及其他參數見表1。確證性方法GFAAS的儀器條件參考GB 5009.15—2014。

2 結果與分析

2.1 樣品干燥與灰化條件優化

2.1.1 干燥時間優化 干燥過程是通過除去樣品中的水分，防止灰化過程中反應劇烈，損耗進樣舟或造成樣品損失。本研究使用Cd標準溶液來優化干燥時間，結果表明，350 ℃干燥20 s可完全去除水分對后續測定的干擾。

2.1.2 灰化時間優化 對于固體進樣元素分析技術來說，灰化是消除有機物干擾的關鍵環節。由于茶葉中富含纖維素、蛋白質、多糖等有機組分，如果伴隨Cd同時蒸發，則可能會干擾Cd的后續傳輸和檢測。本研究的測鎘儀采用PID控制器（比例/積分/微分控制器）來控制電熱蒸發區的加熱功率與升溫。使用100 ng/mL的Cd標準溶液對灰化時間進行優化，如圖2所示，黑線為Cd信號歸一化強度，紅線為灰化時間對應的溫度），Cd的信號強度隨灰化時間增加而提高。在20～30 s（500～570 ℃）信號強度不足0.6，此時間段下樣品中的Cd蒸出不足;在30～50 s時（570～700 ℃），Cd的蒸出達到90%左右，且信號強度穩定性也得到了明顯的提高;當灰化時間達到55 s（725 ℃）及以上時，Cd信號強度達到了平臺，且RSD僅為2%。在后續真實茶葉樣品的檢測實驗中也證實了，55 s（725 ℃）完全能夠滿足樣品灰化的要求，并可以獲得良好的Cd信號。因此，選擇55 s作為最佳灰化時間（溫度）。

2.2 氣體流量的優化

2.2.1 空氣流量的優化 含氧氣氛有利于樣品的灰化，而空氣是最直接、簡便的含氧氣氛來源，因此，氣體發生器中空氣泵負責定量提供空氣來輔助灰化，去除有機物干擾。本研究用100 ng/mL的Cd標準溶液進行空氣流量的優化，圖3顯示，300 mL/min空氣能夠獲得良好的Cd信號，同時在后續真實茶葉樣品的檢測試驗中也證實了300 mL/min空氣完全能夠滿足樣品灰化的要求。

2.2.2 氫氣流量的優化 氫氣由氫氣發生器提供，作用是通過反應消耗掉空氣中的氧氣，并在過量的情況下形成氮氫混合氣作為Cd蒸發時的載氣，這主要利用的是氫氣或還原性氣氛有利于Cd蒸發的原理[13，20-21]。因此，本研究對H2流量進行了優化，以探索H2以及氮氫混合氣對Cd蒸發的影響（圖4），結果表明，H2流量為200 mL/min時未檢測到信號值，說明樣品中的Cd沒有被蒸發出來，同時之前灰化時被高溫填料捕獲的部分Cd也沒有釋放出來，這是由于H2流量過低，整個電熱蒸發和催化熱解區域依然是在含氧氣氛中。當H2過量時，Cd的信號強度明顯上升;300～400 mL/min是Cd信號強度的平臺期，之后有顯著下降，這主要可能是H2流速過高從而導致分析物被稀釋。因此，最終選擇300 mL/min作為最佳氫氣流量。

2.3 催化熱解爐溫度的優化

在本研究的測鎘儀中，高溫高嶺土填料在消除基體干擾和保證Cd原子傳輸方面發揮了重要的作用。灰化過程中產生的大量氮氧化物、硫化物以及固體顆粒可以被填料所吸附，從而在Cd蒸發和檢測時不會產生干擾;同時，填料還可以捕獲灰化時蒸發出來的少量Cd，并在切換還原性氣氛時快速釋放出來，從而不會造成Cd信號的損失。為了探究催化熱解爐溫度對檢測的影響，本研究在溫度條件下測定Cd標準溶液。如圖5所示，在500～550 ℃時，信號值強度極低，表明此溫度下Cd釋放率低;在600 ℃時，信號值有明顯提升;之后溫度穩定在800 ℃，信號強度達到最高并穩定下來。因此，選擇800 ℃為催化熱解爐和填料的最佳溫度。

2.4 準直管的溫度條件

準直管的主要作用是利用改變內徑（變小）將傳輸的Cd原子約束在更小的空間內，以提高AAS中空心陰極燈光束的照射效率，從而提高信號強度。但是，一般情況下，低溫的石英材料會捕獲冷卻的Cd元素，從而造成殘留。因此，本研究對比了常溫和高溫條件下，準直管對Cd傳輸的影響。如圖6所示，當準直管未加熱時（黑線），Cd峰形極不規則，表明Cd的傳輸過程不穩定;當準直管二次加熱（700 ℃）時，之前殘留在石英壁上的Cd（紅線）再次釋放出來，且氮氫混合氣可以被點燃形成穩定的氮氫原子化火焰。上述結果表明，不加熱的準直管會造成Cd的殘留;當加熱形成氮氫原子化火焰時，可以獲得穩定、良好的Cd信號（見圖7、8）。因此，700 ℃加熱準直管是必須的。

2.5 基質干擾消除效果的驗證

茶葉樣品富含纖維素、蛋白質、多糖、鞣質、維生素、礦物質等，如果直接伴隨Cd蒸發會產生大量的基體干擾，影響Cd的測定。本研究的測鎘儀，通過在線灰化、催化熱解等技術，有效消除了樣品基質的干擾。為了驗證這種效果，本試驗挑選出綠茶與黑茶兩種代表性基質的茶葉樣品，稱量100 mg，與同Cd質量的標準溶液進行對比。由圖7、8可以看出，茶葉真實樣品和標準溶液的峰形高度重合，且茶葉樣品與Cd標準溶液的峰面積比分別為0.94∶1（綠茶）和0.98∶1（黑茶）。上述結果表明，本研究建立的固體直接進樣測Cd方法具有良好的抗基體干擾能力。

2.6 方法性能的評價

2.6.1 方法的線性范圍、回收率、精密度和靈敏度此方法的線性范圍在0.1～ 100 ng之間，線性回歸系數（R2）在0.998以上;根據空白溶液11次測定的標準偏差SD和標準曲線斜率K計算檢出限LOD=3*SD/K，結果為0.03 ng。當進樣量為100 mg時，方法LOD為0.3 ng/g，定量限LOQ為1.0 ng/g。對黑茶樣品進行11次重復試驗，檢測結果Cd濃度為87.1 ng/g，RSD為3.8%，表明此方法穩定性較好;對黑茶樣品進行加標回收率試驗，在100 ng/g的Cd添加水平下，進行6次重復試驗，測得回收率為102.5%，表明方法具有良好的測定準確性。

2.6.2 實際樣品檢測與驗證 對自制的綠茶、黑茶、烏龍茶、紅茶、花茶等真實茶葉樣品和綠茶標準物質GBW10052進行檢測，并與確證性方法微波消解-GFAAS的測定結果進行對比（表2）。對兩組數據進行t檢驗，結果顯示兩方法無顯著性差異（P>0.05）。這說明本方法具有良好的方法準確性和適用性。同時，本方法的樣品分析時間僅為3 min，且不需要樣品消解，可以極大地提高樣品分析效率。

3 結論

本研究建立了基于電熱蒸發和催化熱解原理的固體進樣測Cd分析方法，用于茶葉中Cd含量的測定，優化儀器的灰化、電熱蒸發、檢測以及氣體條件，并對線性范圍、回收率、精密度和靈敏度等進行方法學評價，最后與已有的確證性標準方法進行了對比，發現兩方法的檢測結果無顯著差異。該方法快速、準確、穩定，且無需樣品酸消解，分析時間僅為3 min，極大地提高了茶葉重金屬Cd檢測的效率;同時，該方法僅使用空氣和水作為氣體發生條件，綠色、環保，并可以有效節省試驗成本。因此，本研究建立的固體進樣電熱蒸發-催化熱解-原子吸收方法，可以為保障茶葉的質量安全提供一種可靠的重金屬快速檢測手段。

參考文獻

[1]Zhao F J，Ma Y，Zhu Y G，et al.Soil contamination in China：current status and mitigation strategies[J]. Environmental Science & Technology，2015，49（2）：750-759.

[2]Wang P，Chen H，Kopittke P M，et al.Cadmium contamination in agricultural soils of China and the impact on food safety[J]. Environmental Pollution，2019，249：1038-1048.

[3]鐘興剛，覃事永，羅意，等.茶樹鎘的吸收富集與控制研究進展[J]. 茶葉通訊，2016，43（3）：8-12.

[4]劉淑娟，李賽君，鐘興剛，等.茶葉鎘含量狀況與風險評估[J]. 湖南農業科學，2017（6）：116-118.

[5]Godt J，et al.The toxicity of cadmium and resulting hazards for human health[J]. Journal of Occupational Medicine and Toxicology，2006，1（1）：22.

[6]Johri N，et al.Heavy metal poisoning：the effects of cadmium on the kidney[J]. Biometals，2010，23（5）：783-792.

[7]Reyeshinojosa D，Lozadaperez C A，Cuevas Y Z，et al.Toxicity of cadmium in musculoskeletal diseases[J]. Environmental Toxicology and Pharmacology，2019（72）：103219.

[8]Barros A I，et al.Analytical procedures for cadmium determination in facial make-up samples by graphite furnace AAS[J]. Atomic Spectroscopy，2015，36（2）：102-107.

[9]Karaaslan N M，Yaman M.Assessment and ICP-MS determination of toxic metal content （Cd，Cr，Ni，and Pb）in Ibrkish chicken meat for use as bioindicator for human health[J]. Atomic Spectroscopy，2018，39（1）：16-21.

[10]Dundar M S，Kaptan F，Caner C，et al.Enrichment of some heavy metals with cloud point extraction via 5，7-Diiodo-8-Hydroxyquinoline ligand and detection by Ultrasonic Nebulizer-ICP-OES Using Internal Standard Method[J]. Atomic Spectroscopy，2019，39（6）：229-234.

[11]鄒愛美，劉勇，陳明麗，等.氫化物發生新體系-原子熒光法同時測定鉛和鎘[J]. 分析化學，2008（2）：31-35.

[12]Wen X，et al.Determination of cadmium in rice and water by tungsten coil electrothermal vaporization-atomic fluorescence spectrometry and tungsten coil electrothermal atomic absorption spectrometry after cloud point extraction[J]. Analytica Chimica Acta，2009，650（1）：33-38.

[13]Feng L，Liu R.Solid sampling graphite fibre felt electrothermal atomic fluorescence spectrometry with tungsten coil atomic trap for the determination of cadmium in food samples[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry，2010，25（7）：1072-1078.

[14]Matsumoto A，Osaki S，Kobata T，et al.Determination of cadmium by an improved double chamber electrothermal vaporization inductively coupled plasma atomic emission spectrometry[J]. Microchemical Journal，2010，95（1）：85-89.

[15]Zhang Y，Mao X，Liu J，et al.Direct determination of cadmium in foods by solid sampling electrothermal vaporization inductively coupled plasma mass spectrometry using a tungsten coil trap[J]. Spectrochimica Acta Part B Atomic Spectroscopy，2016（118）：119-126.

[16]Tormen L，et al.The use of electrothermal vaporizer coupled to the inductively coupled plasma mass spectrometry for the determination of arsenic，selenium and transition metals in biological samples treated with formic acid[J]. Analytica Chimica Acta，2012（717）：21-27.

[17]Nédio Oleszczuk，Castro J T，Márcia M.da Silva，et al.Method development for the determination of manganese，cobalt and copper in green coffee comparing direct solid sampling electrothermal atomic absorption spectrometry and inductively coupled plasma optical emission spectrometry[J]. Talanta，2007，73（5）：862-869.

[18]郝聰聰，邢培哲，毛雪飛，等.催化熱解-金汞齊原子熒光法快速測定農田土壤中痕量汞[J]. 農產品質量與安全，2019（6）：16-20.

[19]Venkatesh S，et al.Evaluation of mineral-based additives as sorbents for hazardous trace metal capture and immobilization in incineration processes[J]. Hazardous Waste and Hazardous Materials，1996，13（1）：73-94.

[20]吳鵬，溫曉東，呂弋，等.鎢絲在原子吸收光譜分析中的應用[J]. 分析化學，2006，34（z1）：278-282.

[21]Jan，Kratzer.Ultratrace determination of lead by hydride generation in-atomizer trapping atomic absorption spectrometry：Optimization of plumbane generation and analyte preconcentration in a quartz trap-and-atomizer device[J]. Spectrochimica Acta Part B：Atomic Spectroscopy，2012（71-72）：40-47.