稻米及其植株器官、環境土壤中總汞的快速測定

司敬沛 劉以笏 劉海濤

(北京海光儀器有限公司 北京101312)

汞是自然存在的特殊的重金屬元素，有劇毒，在自然界中，汞多以化合物的形態存在，對人類和環境帶來的危害愈來愈引起普遍的關注。研究結果表明土壤中汞含量在一定范圍內和水稻中汞含量呈正相關的關系[1]。大米中重金屬的污染情況及風險評估已經有了很多報道，關于稻米中重金屬對健康的危害進行了詳細的風險評估[2]，認為當前大米中重金屬的污染比較嚴重，應該重視起來。2017 年8月，作為唯一一個全球范圍內的管控條約《關于汞的水俁公約》，對我國正式履約生效，對汞提出全面管控要求。 USEPA(美國國家環境保護局)也早于1997年就制定了無機汞日安全攝入量不超過0.30 μg/(kg·d)[3]，我國的國家標準限制了食品、飼料、種植土壤中的汞限量，食品安全國家標準規定谷物中總汞的限量為不超過0.02 mg/kg[4]；稻米的谷殼、葉、莖、根等植株可以作為飼料原料利用，而我國飼料衛生標準規定飼料原料中汞的限量不超過0.1 mg/kg[5]；土壤中汞含量按土壤的酸堿程度劃分，最大不超過1.0 mg/kg[6]。趙靜等[7]、趙琳琳等[8]分析了大米的汞污染情況，對大米的安全控制作了闡述。

作為我國的汞工業礦區基地之一的貴州省銅仁礦區，因長期大規模開采和冶煉汞，導致大量廢石和冶煉礦渣的堆積，形成汞礦閉坑廢棄地，是重要的汞釋放源之一。種植在汞礦污染區的農作物遭受嚴重的汞污染，對礦區居民的健康造成了潛在威脅。并且汞污染的土壤對水稻有抑制作用，抑制作用隨汞的濃度增大而增大，降低稻米產量[9]。

傳統的測汞方法在樣品處理過程中容易引起汞損失及產生記憶效應，使結果不穩定。而且，傳統的測汞設備測汞線性范圍窄，遇到高汞含量的樣品，需要稀釋甚至多次稀釋，易引入誤差。而直接測汞儀采用的是直接進樣-熱解析-冷原子吸收光譜法的原理，免樣品消解，無汞損失，高溫加熱催化管、管路中氧氣流的一直吹掃，大大降低了記憶效應。而且，直接測汞儀設計有長、短不同的兩個吸收池，可以設置低、高濃度范圍的兩條標準曲線，低、高汞含量的樣品可以選擇適合的曲線校正。特別是同批次測量汞含量差別大的樣品時，既避免了前處理時的交叉污染，上機時汞的記憶效應大大降低，保證了檢測結果的準確性。

目前，有關稻米中汞的暴露風險、汞的檢測研究較多，但對相關的水稻植株不同器官及其環境土壤系列樣品中汞的檢測研究不多，特別是汞污染礦區的樣品，傳統的測汞方式需根據不同類的樣品選擇不同的前處理方法，繁瑣且周期長。要了解汞在稻米植株中的遷移規律，采取措施控制汞的遷移，修復治理汞污染種植土壤，直接、快速、準確獲得稻米及其生長植株、土壤中的汞含量，將會大大縮短實驗周期，提升實驗效率。而直接測汞儀免化學消解直接測量，降低了樣品前處理帶來的系統誤差，能更方便、快速獲得測量數據，更直觀地比較結果，為土壤修復研究提供快捷、可靠的數據支持。

直接測汞儀因其免消解直接測量的優勢，越來越受到檢測行業的歡迎[10-11]。要想快速獲取稻米的籽粒、植株及生長環境土壤等一系列關聯樣品中的汞含量，特別是對于研究汞污染區的一系列相關樣品中汞含量，直接測汞儀是最佳選擇，為風險評估、土壤修復等研究提供快速、直觀、準確的系列數據。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

HGA-100直接進樣測汞儀(北京海光儀器有限公司)，萬分之一電子天平(SQP，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)，移液槍(100～1 000 μL、10～100 μL，德國Brand公司)，超純水機(20 N系列，北京歷元電子儀器有限公司)，馬弗爐(盈安美誠儀器公司)，干燥箱(BG2-246，上海博訊實業有限公司醫療設備廠)，粉碎機(FW 100，天津市泰斯特儀器有限公司)，陶瓷研缽(韋斯實驗設備有限公司)。

質控樣品標準物質：柑橘葉(GBW 10020)、芹菜(GBW 10048)、湖南大米(GBW 10045)、土壤(GSS-7)、水系沉積物(GSD-9)均購自地球物理地球化學勘查研究所。

汞標準儲備溶液(1 00 μg/mL，中國計量院)，硝酸(優級純，國藥集團化學試劑有限公司)，重鉻酸鉀(化學純，國藥集團化學試劑有限公司)，載氣(高純氧，99.99%)，實驗用水(超純水)。

實驗樣品：稻米成熟季節貴州銅仁市某廢棄汞礦區稻米產地采集的水稻(整株帶谷殼、葉、莖、根)、根際土、非根土。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備

樣品采集后，放實驗室晾臺晾曬、風干后，把植株的帶殼稻米捋下，摘取稻葉、剪下莖、根。用研缽把帶殼稻米研磨至谷、殼分離，分別收集米、殼。稱取各類樣品100 g，米粒(糙米)、殼分別用粉碎機粉碎，過380 μm孔徑尼龍篩；葉、莖、根分類后剪成小段，粉碎機粉碎，過380 μm篩。土壤樣品混勻后用木棒輾軋，過2 mm尼龍篩，再過140 μm篩。注意：粉碎樣品順序為米粒、谷殼、莖、葉和根等汞含量相對較低的樣品，再粉碎土壤，每類樣品粉碎完后研缽要清理干凈，避免交叉污染。

1.2.2 標準工作曲線的制作

用移液槍分別吸取10、20、50 μL汞使用液100 μg/L和10、15 μg/L汞標準工作溶液1 000 μg/L，配制成標準點1.0、2.0、5.0、10、15 ng的長池低濃度系列標準工作曲線；吸取15、50 μL汞標準工作液(1 000 μg/L)和50、75、100 μL汞標準使用液(2 000 μg/L)，配制成標準點為15、50、100、150、200 μg/L的短池高濃度系列標準工作曲線。以各系列標準溶液中汞的絕對含量(ng)為橫坐標，以其產生的吸光度(Abs)為縱坐標，分別繪制長池和短池汞的標準曲線，拓展線性范圍，兼顧樣品濃度大小都能準確測量。

1.2.3 儀器工作條件

調節氧氣瓶出口減壓閥至出口壓力為0.5 MPa，依次打開HAG-100測汞儀主機電源、電腦開關，雙擊軟件工作站聯接儀器，等待溫控模塊溫度升到設定值，設置載氣流量200 mL/min。實驗開始前，需進空樣品舟測量空白，以驗證樣品舟是否干凈，同時除去樣品舟及管路殘留，連續測量直至所測空舟吸光度小于0.003，可進行樣品測試。具體溫控工作條件參數見表1。

表1 HGA-100直接測汞儀儀器工作條件

1.3 測定方法

為了防止污染，減小汞的記憶效應，樣品按大致判斷汞含量先低后高的順序測量。準確稱取0.15 g樣品于樣品舟中(可根據汞濃度含量高低調整稱樣量，可變范圍在20～200 mg)，本實驗測量順序按稻米、谷殼、莖、葉、根、非根際土、根際土的順序上機測定。按設定好的儀器條件開始檢測，獲得相應的吸光度值，從標準曲線讀取對應的汞絕對含量，再根據樣品稱樣量算出樣品中汞的相對含量(儀器直接輸出最終結果)。

選取國家標準物質湖南大米(GBW 10045)、芹菜(GBW 10048)、柑橘葉(GBW 10020)、土壤(GSS-7)為質控樣品，測定汞含量，結果與標準證書值比較驗證儀器的準確性。稱樣量范圍為50～200 mg，每個樣品連續測定三次，計算相對標準偏差和平均測定值。

選取三種不同類別的樣品大米、茶葉、土壤分別做加標回收實驗，計算加標回收率，驗證儀器的穩定性。每種樣品稱取100 mg，分別添加2、5、10 ng標準溶液，測定加標后的含量，每個樣品連續測三次，計算平均值、精密度(相對標準偏差RSD)和回收率。

2 結果與討論

2.1 儀器裂解溫度的確定

對于干粉類樣品，在保證樣品完全裂解的前提下，為了節省時間及節約電能，可以適當縮短干燥時間。裂解溫度過低保持時間不夠，樣品中的汞不能完全被蒸發出來；裂解溫度過高保持時間過長，會縮短爐絲壽命且浪費電能。本實驗先保持裂解時間40 s，裂解溫度從500 ℃增加到750 ℃，每次增加50 ℃，分別連續測定三次稻米樣品。實驗表明，隨著溫度的升高，測定結束后退出來的樣品舟中殘留的灰燼中黑色碳化物漸少，灰白色灰燼漸多，且目視質輕，儀器信號也趨于穩定。溫度保持時間過短影響裂解效率，過長影響測樣效率，綜合考慮，選擇裂解溫度650 ℃保持40 s為最佳裂解條件。

2.2 外標曲線標準物質的選擇

外標法制作標準曲線時標準物質的選擇可以選擇液體和固體，固體標準物質稱重根據標準值中位值計算不同稱樣量上機，制作不同汞絕對含量的標準點，實驗選用土壤標準物質(GSS-7)；液體標準物質選擇國家標準物質溶液按高濃度逐級稀釋后取不同的體積上機，儀器根據信號值換算汞濃度。標準曲線制作好以后，測定湖南大米(GBW 10045)、柑橘葉(GBW 10020)、土壤(GSS-7)三種質控標準品。實驗表明，無論采用固體還是液體標準物質作外標曲線，測定結果沒有明顯差異，說明無論固體還是液體標準物質，對固體進樣的樣品檢測結果無明顯影響。方便起見，本實驗選擇液體標準溶液制作外標曲線。

2.3 儀器釋放溫度的選擇

樣品被高溫分解后，汞被富集在齊化管上形成金汞齊，加熱齊化管釋放汞蒸氣，最終被檢測器檢測輸出信號。如果齊化管的釋放溫度過低，金汞齊中的汞不能完全被釋放，會導致檢測結果偏低或不穩定；釋放溫度過高會縮短釋放爐絲的壽命，觀察爐絲亮度和檢測樣品結果的準確度和穩定性，選擇釋放溫度為900 ℃最佳(釋放時間系統默認)。

2.4 方法檢出限的確定

標準曲線測完后，清理干凈樣品舟至空舟吸光值在0.003以下，連續11次測定空樣品舟，記錄吸光度值，計算標準偏差，查自由度為10、置信度為99%時的t分布(單側)值與標準偏差相乘的積，計算得出本儀器的方法檢出限為0.005 ng，按稱量0.15 g樣品來算，方法檢出限為0.033 μg/kg，定量下限一般為方法檢出限的4倍，為0.13 μg/kg。

2.5 稻米、各部分植株及土壤中的汞測定

按照實驗方法測定稻米、各部分植株及生長土壤中的汞含量，按照米、殼、莖、葉、根、根際土及非根土的順序，依次測定。根據預測樣品不同含量，米、殼、莖的取樣量為50～100 mg，每個樣品連續測3次，計算平均值及相對標準偏差(表2)。

表2 稻米及其植株、土壤中汞含量

由表2可以看出，實驗用樣品大米中汞的含量遠超過我國食品安全國家標準規定的污染物汞限量指標；谷殼、莖、葉和根用來作飼料原料，汞含量遠超我國飼料衛生標準中規定的汞限量；根際土和非根土中汞的含量遠超過我國土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準。從大米及其生長植株、生長土壤中汞濃度高低可看出，含汞濃度順序為：根際土>非根土>葉>根>莖>殼>米，葉中汞含量高于根部，符合謝國雄等[12]的研究結論，因大氣沉降嚴重導致的。此水稻種植地受汞污染程度嚴重，且受大氣沉降導致的汞污染影響明顯。

2.6 質控樣品的測定

選擇與待測樣品同類別的四種標準物質GBW 10045湖南大米、GBW 10048芹菜、GBW 10020柑橘葉和GBW 07407土壤為質控樣品測定其汞含量，每個樣品連續測定3次，計算平均值和相對標準偏差(RSD)，測定結果見表3。

表3 質控標準物質汞測定值

從表3可以看出，選取的四種標準物質作質控樣品，測定值都在標準證書值范圍內，且接近中位值，3次測定的相對標準偏差數值比較小，說明直接測汞儀儀器有較好的準確性和重現性。

2.7 加標回收實驗

按照實驗方法，選擇大米、茶葉、土壤3種與待測樣品同類別的樣品，按照汞含量范圍包括低、中、高濃度進行標準溶液加標回收實驗，計算測定值、精密度及平均加標回收率，實驗結果如表4所示。

從表4可以看出，對3類樣品的加標測定實驗，3次測定值的相對標準偏差較低，重復性較好，3種樣品的加標回收率在90.7%～108%，說明儀器在測定這類樣品時有良好的穩定性和準確性。

表4 加標回收實驗

3 結論

運用直接測汞儀對汞污染區的稻米米粒、谷殼、莖、葉、根及根際土和非根土系列樣品的免消解快速直接測定。建立了直接測汞儀快速測定稻米及其生長植株和生長環境土壤中汞含量的方法。確定方法檢出限為0.033 μg/kg，驗證了該方法測汞的準確度和穩定性。該儀器樣品免化學消解，避免了消解帶來的誤差，省去了試劑消耗和人力，節能減排，為汞濃度跨度大，對汞的檢測提供方便。