以分析全過程為導向的分析化學綜合實驗：石墨爐原子吸收光譜法測定大米中的鎘含量

劉秀紅，劉偉偉，路貝佳，趙墨濃，林聰

江西科技師范大學化學化工學院，南昌 330038

1 引言

鎘作為一種環境污染物，因具有極大毒性和致突變性被美國毒物管理委員會列為第六位危及人類健康的有毒物質[1]。在正常環境狀態下，鎘含量極低，不會影響人體健康。近幾十年由于國家工業、礦業的大力發展，而環保設施的投入又未能同步跟進，導致部分企業直接將含重金屬鎘的廢水直排入土壤、農田或其他水源中，嚴重污染了土地和水質，被污染的土地種植的作物也會被污染[2]，其中水稻對鎘具有較強的吸收和富集能力，是典型的“受害作物”。人長期食用被鎘污染的大米會產生慢性中毒，損害骨骼、腎臟和消化系統[3]，造成嚴重的危害，例如1968年發生在日本富山縣的“痛痛病”，即是由于人們食用了鎘污染的稻米引起的[4]。因此指導學生對大米中的鎘含量進行定量分析既具有非常重大的環保意義，又貼近日常生活，容易激發學生的研究興趣。

目前高校開設的分析化學實驗教學內容主要包括經典分析實驗和儀器分析實驗，前者注重讓學生掌握規范的實驗基本操作技能，后者則側重于指導學生掌握儀器的工作原理和基本操作，實驗內容比較單一[5,6]，均以教師的講授為主，學生照著操作步驟練習，實驗過程中師生的互動和研討較少，而且主要以驗證性實驗為主[7,8]，對基質較復雜的實際樣品的全過程分析實驗則較少，忽視了培養學生對分析全過程的質量保證和質量控制的能力，無法獲得準確度高的分析結果，不能真正達到“分析”的要求[9,10]。針對這些問題，我們挖掘出一項以分析全過程為導向的分析化學綜合實驗——石墨爐原子吸收光譜法測定大米中的鎘含量，本實驗做了如下設計：

(1) 為了加深學生對分析全過程的理解，并掌握如何關注到分析結果的準確度，本實驗以大米作為分析試樣，內容涵蓋從樣品的制備、方法的適用性驗證、前處理、上機分析和數據處理以及每一步如何做好質量保證和質量控制等步驟，確保獲得準確的分析結果，并能依據判定標準對該結果進行合格與否的判定(是否符合限量要求)。具體的質量保證和質量控制措施包括空白實驗平行樣的測定、多平行精密度實驗、添加回收實驗、有證參考物質(或質控樣品)的使用，增強學生質量保證和質量控制的意識，過程見圖1。

圖1 大米中鎘含量的分析全過程

(2) 對標準的選擇和應用是分析工作者應具備的一項基本能力。本實驗綜合考慮實驗室條件和安全性因素，參考了國家強制性標準GB 5009.15–2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》中的干法灰化法對樣品進行前處理，但由于國家標準規定干法灰化法對食品的灰化溫度為500 °C，灰化時間6–8 h，經過多次實驗分析發現不但耗時長而且大米樣品難以一次性灰化完全[11]，整個實驗過程需耗時約18 h，不符合教學的要求，因此我們對樣品的前處理進行了優化改進，使得整個灰化效果提升，灰化時間大大縮短，分析結果準確，能夠保證實驗在規定8學時內完成。

(3) 為了加強學生對消除系統誤差的重要性的認識，實驗中設計了樣品空白污染實驗，引導學生如何分析系統誤差，提高學生探究問題、解決問題的能力。

本實驗將應用與研究合二為一，難度適中、可操作性強、與所學的分析化學理論知識聯系緊密、綜合性較強，適用于高校分析化學實驗室以小組制、項目化的形式向學生開放，激發學生的研究性思維。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

大米試樣經灰化消解后，注入一定量樣品消化液于原子吸收分光光度計石墨爐中，電熱原子化后吸收228.8 nm共振線，在一定濃度范圍內，其吸光度值與鎘含量成正比，采用標準曲線法定量。

2.2 試劑或材料

(1) 試劑：硝酸溶液(1%，取10.0 mL硝酸加入100 mL水中，稀釋至1000 mL)。

(2) 國家認證并授予標準物質證書的標準物質：鎘的標準溶液(1000 mg·L-1，國家有色金屬及電子材料分析測試中心，GSB 04-1721–2004，純度≥ 99.8%)。

(3) 國家認證并授予標準物質證書的實物標樣：大米粉(鎘含量0.116 ± 0.014 mg·kg-1，國家糧食和物資儲備局科學研究院，METAL-DJTZK-028)。

(4) 試樣：大米(鄱陽縣金田米業有限公司，生產日期：2021/4/11，保質期：6個月，10 kg包裝)。

2.3 標準溶液配制

(1) 鎘標準儲備液(100 μg·L-1)：準確吸取鎘的標準溶液(1000 mg·L-1) 1.0 mL于100 mL容量瓶中，用硝酸溶液(1%)定容至刻度，如此經逐級稀釋法稀釋成100 μg·L-1的鎘的標準使用液。

(2) 鎘標準曲線工作液：準確吸取鎘的標準使用液0、0.20、0.50、1.0、2.0、3.0 mL于100 mL容量瓶中，用硝酸溶液(1%)定容至刻度，即得0、0.20、0.50、1.0、2.0、3.0 μg·L-1的標準系列溶液。

2.4 儀器和表征方法

(1) 儀器名稱、型號與生產廠家見表1。

表1 實驗儀器及規格

(2) 測定條件見表2。

表2 石墨爐原子吸收光譜儀測定鎘含量的儀器條件

2.5 實驗步驟

(1) 樣品的縮分和制備。

縮分：將購得的大米堆裝好，在堆的各處分別采樣，混合均勻后按四分法對角取樣，縮分至200 g。

制樣：將大米研磨成均勻的樣品，過40目篩，使其顆粒度不大于0.425 mm，分成兩份，一份留樣，另一份供分析檢測用。兩份樣品均儲于潔凈的密封袋中，并標明標記，于室溫、通風良好條件下保存備用，實驗過程見圖2。

圖2 樣品的采集、縮分和制備過程

(2) 樣品空白的測定。

為了加深學生對系統誤差的認識，我們選擇了兩批玻璃儀器進行實驗，其中一批只用去離子水清洗干凈，而另一批則按照要求以硝酸-水溶液(V(硝酸) :V(水) = 1 : 4)浸泡24 h以上，用水反復沖洗，最后用去離子水沖洗干凈。然后分別用兩批玻璃儀器進行樣品空白的測定，除不加入試樣以外，其他實驗條件均相同，均平行測定6份。

(3) 干法灰化法實驗條件優化。

稱取制備好的大米粉試樣0.3–0.5 g(精確到0.1 mg)于坩堝中，在電熱板上小火炭化至無煙，然后移入馬弗爐中分別在550、600、650 °C溫度下灰化1 h后取出坩堝，冷卻后小心加入1 mL濃硝酸，在電熱板上小火炭化至酸蒸干后，繼續移入馬弗爐中分別在550、600、650 °C溫度下灰化1 h，要求試樣消化至呈灰白色。取出冷卻后用硝酸(1%)將消解液洗入10 mL容量瓶中，定容至刻度。同時做試劑空白實驗和添加回收實驗。

(4) 繪制標準曲線。

設定好儀器測定條件后，準確吸取10 μL鎘標準溶液(0、0.20、0.50、1.00、2.00、3.00 μg·L-1)置于石墨爐中測定吸光度值，根據吸光光度值與濃度的線性關系建立標準曲線方程。

(5) 方法檢出限和定量限的測定。

測定20次樣品空白溶液的吸光度值，計算標準偏差，根據公式計算檢出限和定量限。

(6) 樣品的測定。

精密度實驗：稱取6份已制備好的大米粉試樣0.3–0.5 g(精確到0.1 mg)至坩堝中；

準確度實驗：稱取2份已制備好的大米粉試樣0.3–0.5 g(精確到0.1 mg)，往其中加入標準溶液(100 μg·L-1，100 μL) 至坩堝中；另外稱取2份國家認證并授予標準物質證書的實物標樣0.3–0.5 g(精確到0.1 mg)至坩堝中。

將稱量好的樣品移至電熱板上小火炭化至無煙后，在優化好的灰化條件下進行灰化至試樣消化完全呈灰白色或淺灰色。取出冷卻后用硝酸(1%)將消解液洗入10 mL容量瓶中，定容至刻度。同時進行樣品空白測定。

3 結果與討論

3.1 樣品空白的測定，排除系統誤差

樣品空白實驗結果如表3。由于所測定試樣中的鎘含量在痕量級別，空白值的高低對于準確定量非常重要，若空白值太高則考慮存在系統誤差，需要消除。從表中數據可以看出未用硝酸浸泡過的玻璃容器表面容易附著污染物，樣品空白值較高，而浸泡過后的樣品空白值正常，系統誤差被消除。

表3 樣品空白測定值

3.2 干法灰化法實驗結果

不同灰化溫度和灰化時間的實驗結果見表4。數據表明灰化溫度達到600 °C和650 °C時樣品可以灰化完全，雖然650 °C時樣品灰化至完全所需的時間較短，但是回收率有所下降，說明在灰化過程中鎘元素有損失。因此，對大米樣品的灰化最佳溫度為600 °C，前后分別灰化1 h，大大縮短了實驗所需時間，而且不會造成鎘損失，可以保證測定結果的準確度。

表4 不同灰化溫度下灰化時間和添加回收率

3.3 標準曲線

對不同濃度的鎘標準曲線工作液進行吸光度的測定，結果見表5，根據結果繪制標準曲線，見圖3。所得標準曲線方程為y= 0.0994x+ 0.0048，R2= 0.998，表明吸光度與鎘的標準溶液的濃度之間的線性關系良好，符合分析的要求[12]。

圖3 標準曲線

表5 不同濃度的鎘標準曲線工作液的吸光度

3.4 檢出限和定量限

在相同實驗條件下用石墨爐原子吸收光譜法對20份空白樣品溶液進行測定，結果見表6，按照式(1)計算檢出限[12,13]：

按照式(2)計算定量限：

由表6可知，鎘的檢出限為0.0003 mg·kg-1，定量限為0.001 mg·kg-1，能滿足國標要求的檢出限和定量限[14]。由此可見，現行的實驗條件能滿足大米中鎘含量的檢測要求。

表6 方法檢出限的測定結果

3.5 樣品的測定及數據分析

從表7可以看出樣品空白中的鎘為未檢出，因此整個實驗過程中由試劑或環境引入的系統誤差在可控狀態。對該試樣中的鎘含量進行6次平行測定，RSD值為5.7%，可見精密度符合標準的要求[12]；試樣添加回收實驗的回收率范圍為104%–109%，滿足在80%–110%范圍內[12]。此外，對實物標樣的分析結果也在0.116 ± 0.014 mg·kg-1范圍之內。添加回收實驗和實物標樣分析實驗結果均表明結果的準確度是可靠的，表明了整個分析過程均是在可控狀態下進行。對6次平行分析試樣中的鎘含量求平均值得0.0247 mg·kg-1，根據GB 2762–2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》可以判定該試樣中的鎘含量符合國家標準的要求[15]。

表7 大米樣品檢測及分析結果

4 結語

本教學實驗以分析全過程為導向，鼓勵學生自主設計與探索如何對實驗條件進行優化處理，縮短了國標中干法灰化法消解試樣的時間，便于實驗教學使用；如何實施質量保證和質量控制措施以保證分析的全過程可控，培養了學生運用質量保證和質量控制技術的能力；如何對分析數據進行處理和結果判定，培養了學生獨立思考的能力，實現了對大米中鎘含量的準確定量。本實驗將應用與研究合二為一，難度適中、可操作性強、與所學的分析化學理論知識聯系緊密、綜合性較強，適用于高校分析化學實驗室以小組制、項目化的形式向學生開放，環環相扣的實驗設計能提升學生的探究興趣、調動學生的主觀能動性、激發學生的研究性思維。