直接進樣鎢絲電熱蒸發(fā)-原子熒光光譜法快速測定蒸餾酒中鎘

王春慧 劉霽欣 毛雪飛

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所， 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點實驗室，北京 100081)

鎘，是一種能在人體和環(huán)境中長期蓄積的有毒重金屬[1]，是作物生長和人體非必需元素。鎘會在腎臟內(nèi)蓄積，損害腎小管和腎小球，引起泌尿系統(tǒng)的功能變化，比如蛋白尿、氨基酸尿和糖尿[2]；鎘還會取代骨中鈣，使骨骼嚴重軟化，引起骨痛病[3]，比如日本著名的“痛痛病”。國際癌癥研究所(International Agency for Research on Cancer，IARC)將鎘及其化合物列為Ⅰ類致癌物，美國毒物和疾病登記署(Agency for Toxic Substances and Disease Registry，ATSDR)將鎘列為第7位危害人體健康的污染物，我國也將鎘列為實施排放總量控制的重點監(jiān)控指標之一。當前，人類活動是加劇環(huán)境中鎘污染的主要來源，例如采礦、冶金、冶煉、陶瓷、電鍍工業(yè)及化學(xué)工業(yè)等排出的“三廢”，以及含鎘磷肥[4]、塑料薄膜等[5-6]；環(huán)境中的鎘會通過灌溉、種植等途徑積累在農(nóng)產(chǎn)品的可食部位，從而造成食品安全風險[7-8]。雖然我國《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中沒有制定蒸餾酒中鎘的污染限量，但是糧食中鎘污染一直是我國最為關(guān)注的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題之一，而由大米等糧食為原料加工的米粉[9]、蒸餾酒等也會傳遞鎘的污染，同時玻璃、陶瓷等包裝材料也是重金屬鎘遷移的重要途徑[10]。

對于蒸餾酒中鎘的檢測，一般需要經(jīng)過濕法、微波消解或75 ℃將乙醇蒸發(fā)后稀釋，再利用原子吸收光譜(AAS)[11-12]、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)[13-14]、原子熒光光譜(AFS)、陽極溶出伏安法(Anodic Stripping Voltammetry，ASV)[15]等儀器進行測定，整個過程耗時長、易污染、安全隱患大。其中，AFS是一種成本低、高靈敏度的元素分析技術(shù)，在我國基層實驗室普及率非常高，但是Cd的氫化物發(fā)生過程干擾大，需要掩蔽劑，不易操作和控制。因此，如果可以實現(xiàn)蒸餾酒中鎘的直接進樣檢測，不僅可以省去樣品前處理過程，而且可以避免Cd的氫化物發(fā)生干擾，從而實現(xiàn)快速、高靈敏檢測。

目前，基于碳、石英和金屬材料的電熱蒸發(fā)技術(shù)是元素直接進樣研究的熱點，其樣品導(dǎo)入效率高、通用性強，可與包括AFS在內(nèi)的多種原子光譜儀器聯(lián)用。與傳統(tǒng)基于石墨材料 ETV[16]需要水冷和高功耗相比，鎢絲ETV體積小、功耗低，可以快速升溫至3 000 ℃以上，但是尚沒有研究將其用于蒸餾酒中Cd的快速進樣和檢測。因此，實驗選擇改良的鎢絲ETV作為蒸餾酒中Cd的直接進樣裝置，與AFS聯(lián)用實現(xiàn)了Cd的快速、高靈敏測定。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑耗材

AFS-9130型原子熒光光譜儀(北京吉天儀器有限公司)，搭配有Cd空心陰極燈(北京有色金屬研究院)；ETV升溫程序控制軟件(北京本立科技有限公司)；自組裝電熱蒸發(fā)進樣裝置，配復(fù)合結(jié)構(gòu)鎢絲、ETV底座(3號硅膠塞)、蒸發(fā)石英腔；SUPEC7000系列電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(杭州譜育科技發(fā)展有限公司)；MS分析天平(Mettler Toledo)；Milli-Q純水儀((Millipore)。

鎘、鎂、鈣、磷、鉀、鈉、鋁、鈷、錳、釩、鋅、鎳、鉻、銅、鐵、錫、銠單元素標準儲備溶液(1 000 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)；無水乙醇(分析純，天津市富宇精細化工有限公司)；蒸餾酒樣品采自北京超市，樣品信息如表1所示。Ar、90%Ar+10%H2(北京誠為信實業(yè)氣體有限責任公司)。

表1 蒸餾酒樣品信息

1.2 儀器工作條件

采用AFS-8230型原子熒光光譜儀進行方法開發(fā)，條件與參數(shù)見表2。

表2 AFS儀器工作參數(shù)

采用SUPEC7000型ICP-MS儀器進行確證方法驗證，條件與參數(shù)見表3。

表3 ICP-MS儀器條件與參數(shù)設(shè)置

1.3 標準溶液配制

將單元素標準儲備溶液用50%無水乙醇(V/V)超聲5 min排氣泡后逐級稀釋制備標準溶液，再稀釋為工作標準溶液。使用時取適量的內(nèi)標儲備溶液，用1%硝酸(V/V)溶液稀釋到10 μg/L。外標法定量，若檢測元素超過標準曲線范圍，需適當稀釋后進樣檢測。

1.4 樣品處理與檢測

采用鎢絲電熱蒸發(fā)器作為原子熒光光譜儀的樣品導(dǎo)入裝置。使用移液槍移取 50 μL的樣品在鎢絲上，通過控制升溫程序，完成對試樣的干燥、灰化、蒸發(fā)、除殘過程。

根據(jù)《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》(GB 5009.268—2016)的規(guī)定進行樣品前處理：移取5 mL樣品于消解管中，在石墨趕酸儀上80 ℃除醇，樣品趕酸至0.5 mL左右，加入0.5 mL硝酸，繼續(xù)趕酸至0.2 mL左右，樣品冷卻后用水定容至10 mL。按照表2中的儀器參數(shù)，使用ICP-MS測定Cd的含量，方法的定量限為0.1 μg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 ETV程序優(yōu)化

為了評估ETV對Cd的蒸發(fā)性能，將50 μL的Cd(1 μg/L)工作標準溶液或加標樣品加入鎢絲中，在ETV中以不同的電壓干燥、灰化、蒸發(fā)。優(yōu)化后，在1.6 V下加熱30 s，可干燥完全，同時干燥時輔助通風，加快樣品中醇類和水分的揮發(fā)。在1.6 V灰化不同時間，結(jié)果如圖1所示。50 s實現(xiàn)了基質(zhì)完全灰化且避免了Cd的損失。之后用不同的電壓進行蒸發(fā)，結(jié)果如圖2所示(蒸發(fā)電壓為8 V時的AFS信號強度設(shè)置為1，其他參照其歸一化)。在8 V前，Cd的熒光強度隨電壓的增加呈現(xiàn)升高的趨勢，8 V時信號值最高，且相對標準偏差RSD(3%)較小。因此，確定的最終升溫程序參數(shù)見表4，可以看出單個樣品測定時間小于3 min。

圖1 ETV灰化時間對Cd測定信號的影響Figure 1 Effect of ashing time on Cd signals (n=3).

圖2 ETV蒸發(fā)電壓對Cd測定信號的影響Figure 2 Effect of vaporization voltage on Cd signals (n=3).

表4 ETV裝置參數(shù)

2.2 氣氛及流速的影響

工作氣體對于鎘蒸發(fā)和傳輸至關(guān)重要。對鎘標準工作溶液(1 μg/L)，保持其他參數(shù)不變的情況下，分別切換載氣和屏蔽氣的氣氛為Ar和90%Ar+10%H2進行對比，結(jié)果如圖3所示。由于鎢絲在含氧氣氛下加熱到一定溫度容易氧化，不僅會影響導(dǎo)電特性，且會導(dǎo)致鎢絲損耗，大大縮短使用壽命。因此選擇90%Ar+10%H2作為Cd蒸發(fā)的工作氣氛。對90%Ar+10%H2流速進行優(yōu)化，結(jié)果如圖4所示。當載氣大于0.4 L/min時，氣流對蒸發(fā)Cd的稀釋作用導(dǎo)致熒光信號逐漸減小，因此選擇載氣流速為0.4 L/min；屏蔽氣在0.6 L/min時Cd信號最大，到0.8 L/min時信號平穩(wěn)且RSD最小，因此選擇屏蔽氣流速為0.8 L/min。

圖3 氣氛對Cd測定信號的影響Figure 3 Effect of gas atmospheres on Cd signals (n=3).

2.3 傳輸距離優(yōu)化

傳輸管是ETV裝置與原子熒光光譜儀原子化器之間的有效傳輸通道。一般情況下，待測元素熒光信號的峰寬與傳輸管的長度和載氣的流速有關(guān)[17]。因此，本研究考察了電熱蒸發(fā)石英腔與原子化器之間傳輸距離的影響，結(jié)果如圖5所示，隨著傳輸距離的增加，Cd的熒光信號逐漸減小。這是由于傳輸距離越長，蒸發(fā)的Cd在傳輸管冷區(qū)吸附和沉積的可能性越大。對此，為了減少分析物的傳輸損失，將傳輸距離選擇為ETV與原子化器之間可連接的最短物理距離，約5 cm。

圖4 載氣和屏蔽氣流速對Cd測定信號的影響Figure 4 Effect of carrier gas and shield gas flow rates on Cd signals (n=3).

圖5 傳輸距離對Cd測定信號的影響Figure 5 Effect of transportation distance on Cd signals (n=3).

2.4 原子化器點火影響

之前研究顯示[18]，在還原性氣氛中ETV蒸發(fā)的Cd多為原子態(tài)，可以直接被AFS檢測。為了對此進行驗證，對比了AFS原子化器點火和不點火對于Cd檢測信號的影響，結(jié)果如圖6所示。可以看出，在儀器最優(yōu)條件下，原子化器是否點火對Cd信號無顯著影響，表明在還原性氣氛中ETV蒸發(fā)的Cd確實為原子態(tài)，可以被銳線光源直接激發(fā)熒光信號進行檢測。

圖6 原子化器是否開火影響Figure 6 Effect of quartz atomizer ignition.

2.5 樣品量的影響

本研究使用的鎢絲最大載樣量為100 μL，考察5～100 μL進樣量對ETV蒸發(fā)和檢測結(jié)果的影響(圖7)。進樣5 μL時，體積量偏小，一是移液槍取樣誤差較大，二是樣品代表量不足；當進樣100 μL時，由于達到了鎢絲的最大載樣量，少部分樣品可能會流到鎢絲兩邊電源連接絲上，從而導(dǎo)致蒸發(fā)效果偏差，因此100 μL進樣量的平行性較差。綜上，進樣量可選擇范圍在10～80 μL，實驗采用50 μL進樣量進行方法開發(fā)。

圖7 進樣量對Cd測定信號的影響Figure 7 Effect of sample volume on Cd signals (n=3).

2.6 基體元素干擾

考察了蒸餾酒樣品基質(zhì)最常見的基體成分，鎂、鈣、磷、鉀、鈉(10 mg/L)，鋁、鈷、錳、釩(1 mg/L)，鋅、鎳、鉻、銅、鐵、錫(0.1 mg/L)等元素對檢測1 μg/L鎘的信號干擾情況，結(jié)果如圖8所示。可以看出，考察元素的回收率均在92.0%～121%，表明常見的金屬離子對ETV-AFS測定Cd沒有顯著的干擾作用。

圖8 干擾元素對Cd測定信號的影響Figure 8 Effect of interference elements on Cd signals (n=3).

2.7 方法學(xué)評價及真實樣品分析

在以上研究的基礎(chǔ)上，對ETV-AFS儀器檢測蒸餾酒中Cd的方法性能進行了系統(tǒng)評價。在0.5～100 μg/L線性范圍內(nèi)回歸系數(shù)(R2)為0.997，符合實際樣品檢測的基本線性要求。根據(jù)檢出限計算公式，測量11次空白溶液的信號強度，檢出限LOD為3倍標準偏差與標準曲線斜率的比值，定量下限LOQ為10倍標準偏差與標準曲線斜率的比值。結(jié)果顯示，當進樣量為50 μL時，LOD為0.06 μg/L，LOQ為0.2 μg/L。對白酒1號樣品加標1 μg/L后進行11次重復(fù)測定，RSD為5%，表明方法精密度良好。

為了驗證該方法的適用性，對從當?shù)刭徺I的9種蒸餾酒進行檢測。采用加標回收和電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法進行對比驗證(表5)。結(jié)果顯示，真實樣品的加標回收率在86.0%～116%，表明該方法的準確度良好；RSD為2.0%～8.0%，表明該方法的精密度可以滿足蒸餾酒中痕量鎘的測定要求。

表5 實際樣品中Cd的測定結(jié)果

3 結(jié)論

面對日益突出的重金屬污染問題，建立快速、準確的重金屬檢測方法對我國食品安全監(jiān)管具有重要意義。利用鎢絲電熱蒸發(fā)器和原子熒光光譜儀，構(gòu)建了一種操作簡便、功耗低、準確性和穩(wěn)定性良好的痕量鎘直接進樣分析儀器，并將其運用于蒸餾酒中重金屬鎘的檢測。當該儀器的ETV蒸發(fā)電壓為8 V，90%Ar+10%H2的載氣、屏蔽氣流速分別為0.4 L/min和0.8 L/min時，對Cd的LOD為0.06 μg/L，在0.5～100 μg/L范圍內(nèi)線性回歸系數(shù)(R2)為0.997，多次測定的RSD可以控制在8.0%以內(nèi)，對9種蒸餾酒加標樣品的分析結(jié)果與ICP-MS測定值一致，加標回收率在86.0%～116%，整個檢測時間可以控制在3 min之內(nèi)。因此，建立的直接進樣ETV-AFS方法，可以快速、靈敏、準確地測定蒸餾酒中痕量Cd，能夠有效支撐白酒產(chǎn)品的質(zhì)量安全監(jiān)測工作。