微型氫化物發(fā)生原子熒光儀簡便快速測定稻米中痕量鎘

李咸宇,羅明標(biāo)*,王為民,程雪萌,曾凱,2,董云雅,楊梅

1(東華理工大學(xué) 江西省合成化學(xué)重點實驗室,江西 南昌,330013) 2(國家環(huán)境保護重金屬污染監(jiān)測重點實驗室,湖南 長沙,410019) 3(重慶民泰新農(nóng)業(yè)科技發(fā)展集團有限公司,重慶,400060)

糧食是人類賴以生存的寶藏資源,更是關(guān)系到國計民生的重要戰(zhàn)略性物資。中國作為世界第一人口大國,有近三分之二的人口以稻米為主食[1],因此,稻米的食品安全問題非常關(guān)鍵。鎘作為稻米中常見的重金屬污染元素,其污染事件在我國仍有發(fā)生,2020年4月21日,云南昭通市鎮(zhèn)雄縣在發(fā)電廠銷毀99.4 t的“鎘大米”,引發(fā)了社會的廣泛關(guān)注。GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》指出食品中鎘元素限量值≤0.2 mg/kg。鎘的攝入量超標(biāo)將會導(dǎo)致多種疾病,可引起“痛痛病”,導(dǎo)致骨軟化、骨質(zhì)疏松、腎損傷等[2]。而鎘超標(biāo)大米流入社會的主要原因是個別地區(qū)土壤中重金屬鎘污染嚴(yán)重,導(dǎo)致土壤中的Cd遷移到水稻當(dāng)中。為了避免這些鎘超標(biāo)大米進入人體,尋找一個簡單、快速、準(zhǔn)確的測定方法去測定鎘含量顯得尤為重要。

常見的鎘元素檢測方法有石墨爐原子吸收法(graphite furnace atomic absorption spectrometry,GFAAS)[3-8]、火焰原子吸收法(flame atomic absorption spectroscopy,FAAS)[9-10]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)[11-16]、原子發(fā)射光譜法(atomic emission spectrometry,AES)[17-18]、氫化物發(fā)生原子熒光法(hydride generation-atomic fluorescence spectrometry,HG-AFS)[19-23]等,但上述的前4種檢測方法的核心技術(shù)均由國外掌控,且儀器體積較大、價格昂貴、對操作人員要求較高。而本研究使用的儀器是CAF18-YG202雙道氫化物發(fā)生原子熒光儀,該儀器不僅體積小[61 cm(長)×42 cm(寬)×50 cm(高)]、重量輕(僅35 kg),而且檢出限好、靈敏度高,非常適用于痕量鎘測定。

測定鎘元素的前處理方法有濕法消解法[16,20]、微波消解法[7-9]、干灰化法[3-4]、壓力罐消解法、稀酸浸提法[5,10,17]等,而濕法消解法、干灰化法、壓力消解法等傳統(tǒng)方法雖然比較成熟,但其實驗步驟繁瑣且耗時較長。為此,本研究建立了一種只需稀酸溶樣超聲輔助浸提的前處理方法,再通過使用微型氫化物發(fā)生原子熒光儀進行檢測,以實現(xiàn)簡單、快速、準(zhǔn)確的測定稻米中的痕量鎘。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液(國家標(biāo)準(zhǔn)樣品,GSB 04-1721—2004),1 000 μg/mL,國家有色金屬及電子材料分析測試中心;大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10025(GSB-1)、四川大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10043(GSB-22),地球物理地球化學(xué)勘查研究所;鎘增敏劑,多彩實驗室;氫氧化鈉、硼氫化鈉、鹽酸、硫脲,分析純,西隴科學(xué)股份有限公司;稻米樣品(大米、糯米、紅米、黑米),市售。

1.2 儀器與設(shè)備

CAF18-YG202雙道微型氫化物發(fā)生原子熒光儀,東華理工大學(xué)與重慶民泰新農(nóng)業(yè)科技發(fā)展集團有限公司聯(lián)合研發(fā);高強度鎘空心陰極燈,國標(biāo)(北京)檢驗認(rèn)證有限公司;KQ5200DB超聲波清洗器,江蘇省昆山市超聲儀器有限公司;TG16-WS臺式高速離心機,上海盧湘儀有限公司;WGL-125B電熱鼓風(fēng)干燥器,南京伊若達(dá)儀器設(shè)備有限公司;FA2004電子天平,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;ZWY-240恒溫培養(yǎng)振蕩器,上海智城分析儀器制造有限公司。

優(yōu)化后的CAF18-YG202工作條件:燈電流30 mA、負(fù)高壓240 V、進樣泵轉(zhuǎn)速100 r/min、屏蔽氣流量1 200 mL/min、載帶氣流量500 mL/min、取樣時間4 s、換插時間3 s、讀數(shù)時間8 s、讀數(shù)方式:峰面積。

1.3 實驗方法

1.3.1 溶液配制

硫脲溶液(50 g/L):稱取5.0 g硫脲溶于100 mL水中,混勻后備用。鎘增敏劑(25 g/L):稱取2.5 g鎘增敏劑溶于100 mL水中,混勻后備用。鹽酸(50%,體積分?jǐn)?shù)):量取100 mL水于250 mL燒杯中,再量取100 mL 濃鹽酸與水混合,攪拌均勻。還原劑溶液(硼氫化鈉-氫氧化鈉混合溶液):稱取0.8 g氫氧化鈉溶于100 mL水中,混勻后,再稱取3.0 g硼氫化鈉溶于其中,混勻后備用(使用前現(xiàn)配)。鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液配制:將1 mg/mL鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液(含5% HNO3)稀釋至100 ng/mL(含5% HNO3),臨用時將此溶液稀釋成1 ng/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液(含2% HCl),移取0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL的1 μg/L鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液于1～6號25 mL容量瓶中,每個容量瓶中加入50%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸2 mL,50 g/L硫脲2.5 mL,25 g/L鎘增敏劑2.5 mL,加水定容至刻度,混勻備用,配制成系列質(zhì)量濃度為0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 ng/mL的鎘溶液。

1.3.2 樣品制備

(1)將購買的稻米樣品置于干燥箱中于45 ℃下烘干,將烘干后的樣品用研磨機進行研磨后過60目,室溫[(25±2) ℃]下于離心管中密封保存。

(2)將大米置于不同濃度鎘溶液中進行浸泡污染,浸泡48 h后,將污染后的大米放于干燥箱中烘干,研磨,室溫下于離心管中密封保存,并編號為125大米、126大米、165大米、190大米、214大米。

1.3.3 提取方法

稱取制備好的稻米樣品0.100 0 g(精確至0.000 1 g),置于50 mL容量瓶中,加入50%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸4 mL,50 g/L硫脲5 mL,25 g/L鎘增敏劑5 mL,定容至50 mL并混勻。輔助浸提10 min后用0.45 μm濾膜過濾后上機檢測,同時做試劑空白實驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 條件優(yōu)化

本研究采用輔助稀酸浸提法提取稻米中的痕量鎘。由于不同的輔助浸提方式、超聲時間、超聲功率、鹽酸體積分?jǐn)?shù)和硫脲的用量對提取鎘會產(chǎn)生不同的影響,同時,儀器的參數(shù)設(shè)置對元素的測定也會有不同程度的影響。因此,實驗通過單因素變量法對不同因素進行對比分析,從而選擇出最佳配比組分。

2.1.1 不同輔助浸提方式選擇

實驗過程中發(fā)現(xiàn),在進行稀酸浸提取時,使用不同的輔助浸提法會對測定得到的數(shù)值產(chǎn)生影響,所以需要探究確定最佳的輔助浸提法。按照1.3.3對紅米樣品進行試驗,結(jié)果見表1。由表1可以明顯觀察到超聲輔助浸提法處理的實驗結(jié)果相對離心、振蕩和靜置這3種輔助浸提方式更加充分、穩(wěn)定、可靠,主要是因為超聲輔助提取法利用超聲傳播時所產(chǎn)生的機械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng),可實現(xiàn)短時間提取且提取率較高[24],故選擇超聲為測量的最佳輔助浸提方式。

表1 不同輔助浸提方式測定紅米中鎘(n=3)Table 1 Determination of cadmium in red rice by different auxiliary extraction methods (n=3)

2.1.2 超聲時間的選擇

按照1.3.3試驗方法,分別對紅米樣品超聲輔助浸提3、5、10、15、30 min。結(jié)果如圖1所示,結(jié)果表明,隨著超聲時間的延長,鎘的浸提效率逐步提高,并在10 min后趨于穩(wěn)定,其原因可能超聲引起的空化效應(yīng)和機械效應(yīng)能夠促使料液分散均勻,空化泡的產(chǎn)生及崩潰能有效破壞植物細(xì)胞壁[24],使鎘組分分散到溶劑中,因此能在短時間內(nèi)最大限度地將紅米中的鎘提取出來,在10 min后浸提完全并保持穩(wěn)定。因此,選擇最佳超聲時間為10 min。

圖1 超聲時間對測定值的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on the measured value

2.1.3 超聲功率的選擇

按照1.3.3試驗方法,對紅米樣品進行超聲輔助浸提,但超聲功率分別設(shè)置為50%、60%、70%、80%、90%、100%。結(jié)果如圖2所示,結(jié)果表明,超聲功率的大小對鎘的浸提效果有一定的影響,其呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定趨勢,其原因可能是超聲功率增大有助于強化空化效應(yīng),提高傳質(zhì)速率,于80%達(dá)到最佳,而隨著超聲功率繼續(xù)增大,導(dǎo)致空氣氣泡過多,產(chǎn)生空化作用,無法繼續(xù)增大,因此鎘提取效率趨于穩(wěn)定。因此,選擇超聲功率為80%。

圖2 超聲功率對測定值的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on the measured value

2.1.4 鎘增敏劑用量的選擇

在測定鎘的過程中,需要使用到含鈷離子(Co2+)的鎘增敏劑,以提高測定鎘的靈敏度和穩(wěn)定性[23]。按照1.3.1標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制過程,選定0.2 ng/mL鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液作為研究對象,將鎘增敏劑用量分別改變?yōu)?.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mL,使得鎘增敏劑質(zhì)量濃度為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 g/L。結(jié)果如圖3所示,結(jié)果表明,隨著鎘增敏劑用量的加大,鎘的熒光強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,因此選擇最佳鎘增敏劑質(zhì)量濃度為2.5 g/L。

圖3 鎘增敏劑質(zhì)量濃度對熒光強度的影響Fig.3 Effect of cadmium sensitizer concentration on fluorescence intensity

2.1.5 硫脲用量的選擇

硫脲與Co2+混合使用,熒光增敏效果有明顯增強[25]。按照1.3.1標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制過程,選定0.2 ng/mL鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液作為研究對象,將硫脲用量分別改變?yōu)?.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mL,使得硫脲濃度為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 g/L。結(jié)果如圖4所示,結(jié)果表明,隨著硫脲用量的加大,鎘的熒光強度呈現(xiàn)出先增大后幾乎保持不變的趨勢,因此選擇最佳硫脲質(zhì)量濃度為5.0 g/L。

圖4 硫脲質(zhì)量濃度對熒光強度的影響Fig.4 Effect of thiourea concentration on fluorescence intensity

2.1.6 鹽酸體積分?jǐn)?shù)的選擇

不同的酸度對氫化物與蒸汽發(fā)生有顯著影響[26],因而選擇合適的酸度很關(guān)鍵。實驗按照1.3.3,固定其他變量,選擇控制鹽酸的體積分?jǐn)?shù)為2%、3%、4%、5%、6%進行分析測定,結(jié)果見圖5。由圖5可以看出,隨著鹽酸體積分?jǐn)?shù)的增大,鎘的熒光強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,鹽酸體積分?jǐn)?shù)為4%時熒光強度最佳,本研究選定4%(體積分?jǐn)?shù))的鹽酸進行實驗。

圖5 鹽酸體積分?jǐn)?shù)對熒光強度的影響Fig.5 Effect of hydrochloric acid concentration on fluorescence intensity

2.1.7 還原劑溶液濃度的選擇

硼氫化鈉作為實驗的還原劑,其質(zhì)量濃度的大小直接影響氫化物的產(chǎn)生效率[26]。質(zhì)量濃度過小會使生成的氫化物偏少,導(dǎo)致測得的熒光強度偏低;質(zhì)量濃度過大則會使得反應(yīng)產(chǎn)生大量的氫氣稀釋了氫化物濃度,也會導(dǎo)致測得的熒光強度偏低且穩(wěn)定性變差。通過固定其他變量,分別選擇質(zhì)量濃度為15、20、25、30、35 g/L的硼氫化鈉溶液 進行測定,結(jié)果見圖6。

圖6 還原劑質(zhì)量濃度對熒光強度的影響Fig.6 Effect of reducing agent concentration on fluorescence intensity

圖6實驗結(jié)果表明,鎘元素?zé)晒鈴姸入S硼氫化鈉質(zhì)量濃度的增大呈現(xiàn)出拋物線趨勢,其中硼氫化鈉質(zhì)量濃度為30 g/L時熒光強度最大,因此,本研究選取30 g/L的硼氫化鈉進行實驗。

2.1.8 燈電流的選擇

根據(jù)原子熒光原理,盡管光源輻射強度與熒光強度成正比,但并不意味著燈電流越大越好,燈電流太大不僅噪聲較大,而且會產(chǎn)生自吸,減少燈的使用壽命;電流太小會導(dǎo)致熒光強度偏低,不利于實驗的測定[26]。因此,本研究對儀器的信噪比進行研究,以純水做研究對象,固定其他變量,通過改變燈電流,計算體系的靈敏度(信號存在)和體系噪音(信號不存在)的數(shù)據(jù)的商,即信噪比,結(jié)果見圖7。

圖7 燈電流大小對信噪比的影響Fig.7 Effect of lamp current on signal-to-noise ratio

由圖7可以得出,隨著燈電流的增大,信噪比也在增大,但其增大的趨勢呈現(xiàn)出先快速增大后緩慢增大的趨勢,考慮到燈管壽命的因素,選擇拐點處30 mA作為本研究的最佳燈電流。

2.1.9 負(fù)高壓的選擇

負(fù)高壓對原子熒光空白值的影響十分明顯,它能夠起到很好的調(diào)節(jié)作用,使得所測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠[27]。增大負(fù)高壓,所測的信號強度也會隨之增大,同時背景噪聲也會增大,負(fù)高壓太高會使信號不穩(wěn)定,太低會使靈敏度不夠。因此,本研究對儀器的信噪比進行研究,以純水做研究對象,通過改變負(fù)高壓大小,探究儀器的信噪比的變化,結(jié)果見圖8。

圖8 負(fù)高壓大小對信噪比的影響Fig.8 Effect of negative high pressure on signal-to-noise ratio

由圖8可知,隨著負(fù)高壓的增大,儀器的信噪比也在增大,但是在240 V以后增加的幅度較為平緩,并有趨于穩(wěn)定的趨勢,考慮到負(fù)高壓太大時也會縮短光電倍增管的使用壽命,最終選定240 V為最佳負(fù)高壓。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

配制質(zhì)量濃度為0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 ng/mL 的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液,按照試驗方法在儀器最佳條件下考查其線性范圍,在0～0.25 ng/mL范圍內(nèi),鎘標(biāo)液回歸方程為y=9 365.9x+6.9,相關(guān)系數(shù)r=0.999 8。對樣品空白溶液按照試驗方法測定11次,計算鎘元素的檢出限,得本法的儀器檢出限為0.001 22 ng/mL,根據(jù)稱樣量可換算方法檢出限為0.000 61 mg/kg。

2.3 重復(fù)性實驗與加標(biāo)回收試驗

按照優(yōu)化好的試驗條件,對紅米樣品進行7次平行實驗,通過計算得其RSD為3.82%,表明該方法的重現(xiàn)性良好。

取紅米樣品0.1 g于容量瓶中,分別加入3個水平的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液,在優(yōu)化好的實驗條件下進行測定,并計算紅米的加標(biāo)回收率,測定結(jié)果見表2。結(jié)果表明,加標(biāo)回收率為93.3%～106.7%,RSD為1.62%～4.06%,加標(biāo)回收率較好,說明該方法測定鎘含量準(zhǔn)確可靠。

表2 超聲輔助浸提法測定紅米中鎘的含量(n=3)Table 2 Determination of cadmium content in red rice by ultrasonic-assisted extraction method (n=3)

2.4 質(zhì)控樣品校驗

為進一步驗證方法的準(zhǔn)確性,按照優(yōu)化的前處理方法對用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSB-1大米和GSB-22四川大米進行測定,測得結(jié)果見表3。由表3可知,測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi),符合證書要求。

表3兩種大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中鎘的含量測定(n=3)Table 3 Determination of cadmium in two rice reference materials (n=3)

2.5 與文獻(xiàn)方法比較

該方法與文獻(xiàn)方法在樣品前處理時間、前處理試劑消耗、檢測儀器、方法檢出限、操作簡潔性方面進行了綜合比較,結(jié)果見表4。由表4可以看出,本研究方法相較于文獻(xiàn)中的方法更加簡單、快速、準(zhǔn)確,更加適用于稻米中痕量鎘的測定。

表4 方法比較Table 4 Methods comparison

2.6 稻米樣品分析

采用優(yōu)化好的前處理及檢測方法,對市售稻米樣品和不同污染程度大米中的鎘進行測定,同時與國標(biāo)方法GB 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測定》中的濕法消解法進行對比,結(jié)果見表5。結(jié)果顯示,稻米樣品中紅米、大米中含有痕量鎘,但均未超過GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》指出的鎘元素限量值0.2 mg/kg,其他的均為未檢出。對比本方法與國標(biāo)方法測定值,發(fā)現(xiàn)兩者的值基本相符,相比較之下,超聲輔助稀酸浸提法具有耗時短、試劑消耗小、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點,而且測定結(jié)果準(zhǔn)確可靠,用于稻米中痕量鎘的測定具有一定的普適性。

表5 各稻米樣品的鎘含量(n=3)Table 5 Cadmium content in rice samples (n=3)

3 結(jié)論

本研究基于微型氫化物發(fā)生原子熒光儀,建立了一種簡單、快速、準(zhǔn)確的測定稻米中痕量鎘的分析方法——超聲輔助稀酸浸提法。通過對比4種輔助浸提方式及其他條件,優(yōu)選出最佳試驗條件。該方法的精密度和準(zhǔn)確度較好,對國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSB-1大米和GSB-22四川大米進行分析,測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。與國標(biāo)中濕法消解法對比,稻米中鎘的測定值保持一致;與傳統(tǒng)方法對比,該方法更加快速高效,不僅操作簡單,試劑用量少,而且不需要趕酸,前處理時間僅需10 min。相比之下,該方法更加適用于稻米樣品的快速篩選,可用于稻米等谷物糧食中鎘元素的現(xiàn)場測定。