食品中無機砷的前處理技術及快速檢測方法研究進展

田 巍，周明慧，張潔瓊，劉永林，陳 曦，伍燕湘，王松雪,

（1.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037；2.青島理工大學環境與市政工程學院，山東青島 266525）

砷（Arsenic, As）是一種廣泛存在于自然界的非金屬元素，環境中的砷主要來源于礦石中金、銀、銅等金屬的冶煉，在土壤、水和空氣中都有分布，主要以無機三價砷、五價砷、甲基砷酸、二甲基砷酸的形式存在，而在一些動植物中，還會以砷甜菜堿、砷糖、砷膽堿等復雜砷化合物的形式存在[1]。不同形態的砷都有一定的毒性，人類長期暴露于砷環境中，會增加肺病、心臟病、癌癥的患病風險。一般來說，無機砷的毒性大于有機砷，而無機砷中以三價砷毒性最大，在人體內三價砷很容易與巰基結合形成穩定的化合物，阻礙細胞正常的呼吸和代謝，抑制酶的活性，從而引起病變[2]。使用含砷農藥、在富含砷的土壤中種植或用砷污染的地下水灌溉生產的稻米會受到砷的污染，受污染的稻米中三價砷的含量較高，約占無機砷含量的90%[3]，因此以大米為主食的地區將更易遭受健康威脅。鑒于此，我國對不同食品中無機砷的限量制定了嚴格的規定[4]，同時也規定了相應的檢測方法（表1）。然而目前國標和文獻報道的方法中，仍然存在前處理過程繁瑣、分析時間較長等問題，嚴重影響了檢測的時效性。而發展快速前處理方法和快速檢測方法在一定程度上能彌補該缺陷，提高分析效率。本文綜述了近年來關于食品中無機砷元素的前處理方法和快速檢測方法，并對發展方向進行展望，為實現砷污染物的快速篩查和快速檢測新方法的開發提供參考。

表1 我國部分食品中無機砷的限量和國標檢測方法Table 1 Maximum levels of inorganic arsenic and determinations in some foods in China

1 無機砷的前處理技術

食品中無機砷的檢測一般包括無機砷總量檢測和無機砷形態檢測。合理有效的前處理技術能夠減少基體干擾對檢測結果的影響，保證檢測的精準度。常用的無機砷前處理方法主要有稀酸提取法、酶解萃取法、材料吸附法等。

1.1 稀酸提取法

利用砷元素在稀酸溶液中易溶解的特點，對樣品中的無機砷進行提取。該方法溫和方便，提取率高，適用于不同基體中元素的提取。常用的稀酸有硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、三氟乙酸等，具體見表2。從表2中可以看到，使用稀酸的提取效率整體較高，即便酸濃度很低也有很好的效果，提取率基本大于76%。而對于稀酸提取條件的選擇，超聲和微波輔助的方式較普通的振蕩方式效率更高，如文獻[11]所示，借助于超聲和微波輔助形式，提取效率明顯提高；前期本實驗室發現使用稀酸與單模微波消解技術配合提取復雜基體中的無機砷，前處理時間僅需30 min即可達到84%～104%的提取率，大大提高了處理效率[13]。這可能是因為超聲波形成的空化效應[15]以及微波產生的電磁場[16]能夠加速破壞植物細胞壁，從而能夠加快有效物質的溶出速率，使得微波方式和超聲方式逐漸成為一種稀酸提取必不可少的輔助方式。

表2 無機砷的稀酸提取方法Table 2 The extraction methods of inorganic arsenic by dilute acid

1.2 酶解萃取法

酶解萃取法是利用酶的催化作用破壞樣品中的大分子結構，如蛋白質、甘油三酯、淀粉等，從而使砷釋放出來。酶解萃取的條件溫和，近年來，在砷形態分析研究中使用較多，是一種環境友好型的前處理技術。常用的酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、纖維素酶、α-淀粉酶以及幾種酶的組合等。

酶萃取法的提取效率與酶種類的選擇關系密切，因酶本身具有選擇性，在使用時應充分考慮對酶種類的選擇問題。LIU等[17]利用木瓜蛋白酶萃取雞胸肉中的砷，提取并檢測出10種砷形態，但使用胃蛋白酶、胰蛋白酶和菠蘿蛋白酶提取時效率明顯不如木瓜蛋白酶。ERKAN[18]則用α-淀粉酶成功從大米粉中提取了無機砷用于ICP-MS分析。CARLOS等[19]利用傳統的酶水解程序提取檢測海藻中的多種元素，選擇了胰蛋白酶、α-淀粉酶、胃蛋白酶作比較，分別在37 ℃條件下振蕩6 h，其中胃蛋白酶對海藻中砷的提取效果最好，提取率約75%。從上述文獻中可以看出每種酶適用的底物類型有所區別，在不同基體中，砷的提取率會因使用酶的種類不同而有所差異。

超聲輔助酶解萃取法即在使用酶溫和處理樣品過程中加以超聲手段輔助，利用超聲波的作用加速酶分散和酶解作用。借助超聲手段輔助酶解萃取，能明顯減少提取時間、提高提取效率。王繼霞等[20]將超聲輔助-胃蛋白酶萃取相結合來萃取貝殼類海產品中的砷化合物，僅在35 ℃下超聲5 min，即可有效分析樣品中的5種砷形態，平均加標回收率為89%～107%，大大縮短了提取時間。SANZ等[21]利用超聲探頭，先將0.3 g大米粉與10 mg淀粉酶和3 mL水一起超聲60 s，然后加入30 mg蛋白酶，再次超聲波處理120 s，僅用3 min便完成了無機砷的提取。使用酶萃取的方法往往需要控制反應溫度和酶解時間，相比于單一的酶溫和處理手段，超聲輔助酶解萃取法能明顯縮短提取時間、提高效率，在砷形態分析上具有很好的優勢和發展前景，使砷的提取變得綠色溫和、操作簡便，為以后發展快速、溫和的有效提取方式提供了新思路。

1.3 材料吸附法

吸附法主要利用了吸附-分離原理將目標物質通過一定方式吸附在具有特定功能基團的材料表面再通過適當條件將其分離的技術。目前已有很多文獻對該方法進行了研究，許多研究者根據目標物質的性質自由設計或改造材料的功能基團，有針對性的吸附目標物質。該方法具有適用范圍廣、可重復使用、效果好等優點，在無機砷提取和前處理富集中有廣闊的應用前景。常用的吸附材料包括：傳統吸附材料、納米吸附材料等。

1.3.1 傳統吸附材料 傳統吸附材料是利用物理或化學方法吸附在固體表面富集周圍介質中的分子或離子從而達到吸附的目的，一般來說，具有大比表面積的多孔材料往往具有較強的吸附能力。傳統吸附材料包括：氧化鋁、聚合物吸附劑、金屬配合物吸附劑、離子交換樹脂等。SHAHED等[22]用含硅醇基團的銨鹽改性氧化鋁合成新型吸附劑來吸附水、大米、雞肉、牛奶中的無機砷等，pH為1.5時超聲10 min，吸附容量為287 μg/g，并將此吸附劑用于環境、食品和生物樣品中無機砷的含量測定和形態分析。MARYAM等[23]用吡咯烷二硫代氨基甲酸銨和少量六氟磷酸鈉作為離子對劑，在超聲作用下分散到樣品溶液中對砷進行加速吸附萃取脫附，方法檢出限為7 ng/L，富集系數為100，可用于食品中砷的測定。總的來說，傳統吸附材料價格低廉，容易被改造，但其吸附能力有限，循環使用率偏低[24]，因此如何通過簡單制備和改性的方式來提高傳統吸附材料的使用性能是當前研究的重點方向。

1.3.2 納米吸附材料 納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構成的材料，具有體積效應和量子效應等獨特理化性質，因其具有較大的比表面積而表現出優良的吸附性能，在樣品預處理方面具有很大的應用價值[25]。AHMED等[26]采用鋯基金屬有機骨架（UiO-66）作為載體，通過陽離子表面活性劑和鉬酸銨的改性，開發了配體功能化納米復合材料，對砷（Ⅴ）的最大吸附量為82 mg/g，可以選擇性地吸附無機砷。WU等[27]通過桉樹葉提取物與硝酸鐵反應合成一種綠色納米鐵離子用于砷（V）的吸附，最大吸附容量為21 mg/g，并證明了砷（V）在納米鐵表面主要通過Fe-O-As鍵均勻吸附，最初與納米鐵鍵合形成一個單齒螯合配體，隨后形成一個雙齒雙核配合物，屬于一種化學吸附行為。

納米零價鐵（NZVI）因具有表面能高、吸附和反應活性較好以及還原能力強、可催化和降解污染物等特點，逐漸被應用于重金屬吸附領域。但其易被氧化和團聚的缺點也限制了它的實際應用，許多研究者將如何防止團聚作為了研究重點[28]。LIU等[29]以棉纖維為載體，納米零價鐵為除砷活性成分，二氧化硅為保護層，采用水熱還原法制備了NZVI@SiO2@celluoses（FSC）復合材料。直徑為50～80 nm的棒狀納米零價鐵均勻分布在棉纖維表面，二氧化硅涂層能有效防止表面氧化。在pH為2.8～4.0的酸性條件下，對砷有較好的吸附能力，最大吸附量為70 mg/g。LIU等[30]以1,4-二羧基苯鋯金屬有機骨架（UiO-66MOF）為模板，成功地提高了NZVI的分布和活性，其原理如圖1所示，MOFs與NZVI修飾后快速捕獲砷（III），并且促進了NZVI與砷（III）的反應，砷（III）被氧化為砷（V），通過化學氧化和物理吸附，吸附容量可達361 mg/g。

圖1 使用MOFs-NZVI吸附As（III）的原理圖[30]Fig.1 The principle of As（III）removal using MOFs-NZVI[30]

磁性納米吸附材料是近年來發展的熱點之一，既保留了納米材料的吸附性能，又可以利用磁力作用分離、回收、循環利用使用后的材料，簡化了操作步驟。常見的磁性材料多以鐵化合物為磁核，在表面進行不同基團的包裹和修飾。磁性納米材料的使用在一定程度上能減少離心步驟的使用、簡化操作、節省時間。RAHIL等[31]將磁性納米離子、離子印跡技術以及超聲輔助手段融為一體，建立了一種新型磁性離子印跡聚合物對超痕量砷的超聲輔助微固相萃取法，最大吸附量為37 mg/g，與非磁性聚合物納米粒子相比，最大吸附量增加了30倍，且磁性分離技術取代了離心分離技術，后處理簡單，節省了大量的時間。近幾年隨著技術的發展，磁性納米吸附材料能與越來越多的功能材料相互修飾使用，離子液體[32]、深共晶溶劑[33]等都是綠色萃取領域非常具有潛力的吸附材料，具有高效提取、操作簡單、成本低廉等優勢[34-35]。由上述文獻可以發現，材料吸附法通常需要特定的pH環境，一般在偏酸性時吸附砷的效率高，而且對砷的吸附價態具有強特異性，適用于分析單一形態的砷元素而不適用于同時分析多種無機砷，這與稀酸提取法和酶解萃取法具有很大的不同，研究者可根據目的的不同來選擇合適的前處理方法。

2 無機砷的快速檢測方法

快速檢測方法具有檢測速度快、操作方便、成本低廉等特點，適用于現場快速檢測和初步篩查。目前應用于食品中無機砷的快速檢測方法主要有比色法、電化學分析法、熒光光譜傳感器法、表面增強拉曼光譜法等。

2.1 比色法

比色法又叫分光光度法，基于反應的原理可劃分為二乙氨基二硫代甲酸銀分光光度法、銀鹽法、砷斑法、硼氫化物還原比色法等。市面上常用的是砷斑法，主要開發成試劑盒的形式使用，它的檢測和定量主要取決于無機砷還原形成的砷化氫氣體與溴化汞反應生成的色斑情況，隨著砷濃度的增加，色斑顏色從淺黃色變成深褐色，可通過肉眼進行定性判定，也可與預先設定的顏色對比卡或以能夠識別顏色信號的光譜儀進行定量判定。EDI等[36]用研制的比色法試劑盒對13個海藻樣品和34個海帶樣品中的無機砷進行了測定，采用稀酸加熱煮沸的方式提取，砷回收率為80%～94%，且二甲基亞砷酸形式的有機砷對無機砷的檢測沒有基質效應；該方法的重現性好，平均誤差為±19%，檢測限約0.05 mg/kg。EDI等[37]使用比色法試劑盒篩選方法在現場對30種大米進行了無機砷的檢測，1%稀硝酸加熱煮沸15～45 min，基本實現了在1 h內完成檢測的目標，對現場測試結果的準確性進行統計，只有不到10%的假陽性和假陰性，篩查結果的準確性令人滿意。總之，比色法試劑盒法雖然在準確度上沒有原子熒光光譜法和電感耦合等離子質譜法準確，但它使用方便、操作簡單、快速、實驗條件易于滿足，檢測結果具有一定的參考價值，適合于現場快篩、定性或半定量分析。

2.2 電化學分析法

電化學分析法是根據不同物質的電化學特性及電流電位等參數來判斷被測組分及含量的方法。電化學分析法測定砷元素多數是測砷（Ⅲ），因為砷（Ⅴ）基本沒有電活性，研究者通常會將砷（Ⅴ）還原為砷（Ⅲ）間接測定總無機砷的含量，但在測定過程中容易受到其他離子和基體的干擾，尤其容易受到銅離子的影響[38]。PIPAT等[39]用懸汞滴電極，采用陰極溶出伏安法測定樣品中的無機砷。當鹽酸介質中存在銅時，只有砷（Ⅲ）沉積在汞電極上，用硫代硫酸鈉將砷（Ⅴ）還原為砷（Ⅲ）即可測定總無機砷的含量，砷（Ⅲ）的檢測限為0.02 μg/L，總無機砷的檢測限為0.03 μg/L。然而，鍍汞的電極雖然性能比較穩定，但考慮到汞的毒性及其在使用時造成的人身威脅和環境污染，許多研究者傾向于研究更加綠色友好型的電極，比如金電極、鉍電極等。BABAR等[40]用金納米電極測試超低水平砷（Ⅲ），檢測限為0.1 μg/L，金表面的納米結果增強了電化學比表面積，生成更多表面活性中心，有利于砷在電極上的吸附，從而實現高靈敏度的檢測。MEFA等[41]用方波溶出伏安法研究了鉍修飾脫落石墨電極對水樣中砷、汞、鉛等重金屬離子的共檢測，其中砷的檢測限為0.014 μg/L。

電化學方法在環境尤其是水環境領域較為成熟，但在食品重金屬檢測方面應用較少，主要還是受限于食品復雜的樣品基質。GAMBOA等[42]組裝碳納米管-金納米粒子修飾振動篩印刷電極，采用線性掃描陽極溶出伏安法測定無機砷，并在絲網印刷電極上安裝了振動馬達，以創建一個具有增強的質量傳遞的便攜式自主系統，方法線性范圍為10～550 μg/L，偏差為2.4%。PUNGJUNUN等[43]設計了一種多步紙基分析裝置即配有金納米粒子修飾的硼摻雜金剛石電極，主要分為檢測區、電極工作區和修飾區三部分（圖2a），并將其應用于總無機砷的陽極溶出伏安法測定，圖2b為分析流程，首先將修飾區與電極工作區對折，將納米金粒子修飾到硼摻雜金剛石電極上，展開后再將檢測區域與工作電極對折，使檢測區域的待測物在工作電極上完成對砷（Ⅲ）的檢測，砷（Ⅲ）的檢測限為20 ng/mL，精密度高、重現性好，利用該方法對大米樣品中總無機砷的測定結果與電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）一致。相比于其他快檢方法，電化學分析法具有儀器體積小、成本低、靈敏度高、準確性好、檢測速度快的優勢，在離子快速檢測方向發揮著重要作用。其局限性在于電化學分析方法只能檢測特定形態的砷元素，不能識別所有形態的無機砷。

圖2 （a）基于紙片的電化學分析裝置的組成；（b）分析流程示意圖[43]Fig.2 （a）The components of mPAD; （b）Schematic representation of the fabrication and assay procedure[43]

2.3 熒光光譜傳感器法

熒光光譜傳感器法主要是指利用某些具有熒光特性物質或連接有熒光標記物的物質根據其熒光譜線及強度進行含量測定的方法。OROVAL等[44]設計了一種介孔二氧化硅納米顆粒與適配體結合的新型熒光傳感器，在53.2～798 nm動態范圍內測定砷（Ⅲ），檢測限為11.97 nmoL，其主要原理是利用羅丹明B修飾無機載體孔，氨丙基將其外表面官能化后引入適體劑制成的固體封頂，當溶液中存在砷（Ⅲ）時介孔二氧化硅納米粒子表面的適配體置換和隨后的傳遞將導致孔打開，熒光信號釋放（如圖3所示），介孔二氧化硅納米粒子具有內表面積大、表面改性靈活、易于團簇等優點，提高了熒光光譜傳感器檢測的靈敏度和專一性。熒光光譜傳感器法的檢測一般會依賴熒光探針對目標物的識別性能，因此對熒光探針設計及合成的研究是發展熒光傳感器的熱點之一。

圖3 基于熒光分析的砷傳感器原理圖[44]Fig.3 The principle of As sensor based on fluorescence analysis [44]

2.4 表面增強拉曼光譜法

表面增強拉曼光譜法作為一種新型的分析技術，也有部分研究者將其應用于砷元素的檢測。SONG等[45]將4-巰基苯甲酸和砷（Ⅲ）適體吸附在Au@Ag上，隨砷（Ⅲ）的加入信號增強，該生物傳感器的線性范圍為0.5～10 μg/L，檢測限為0.1 μg/L。然而，表面增強拉曼光譜在實際應用中還有很多挑戰，比如基底的納米結構特征、表面化學性質、納米粒子的聚集程度、樣品的基體效應、分析條件等重要影響因素限制了它的推廣。

3 總結與展望

砷元素的形態種類繁多且在不同基體中含量差異較大，在檢測過程中易受干擾因素的影響，因此，對其進行提取和準確檢測具有一定的難度。近幾年食品樣品前處理技術的發展和對快速檢測方法研究的深入，為無機砷元素的定性和定量分析提供了方法和依據。然而，復雜多樣的食品基質中砷的快速提取方法和快速檢測技術的相互融合仍存在不成熟不完善的地方，在現有研究的基礎上開發更為輕便、可靠、成本低廉、抗基體干擾能力強的前處理技術和檢測方法，使快速前處理與快速檢測融為一體真正滿足現場使用，這將會成為食品安全檢測技術未來重要的研究方向和發展趨勢。