糧食中重金屬鉛鎘電化學快速檢測方法研究

田 巍, 袁華山, 白福軍, 王平東, 趙 皖, 肖理文, 葉 金,王松雪

(國家糧食和物資儲備局科學研究院1,北京 100037) (南京中儲糧糧油質監中心有限公司2,南京 211155) (中儲糧承德糧油質監中心有限公司3,承德 067000) (南京微測生物科技有限公司4,南京 210061) (上海飛測生物科技有限公司5,上海 201400)

我國糧食生產尚處于散種散收階段,具有一定的重金屬污染風險[1]。據國家環保局不完全統計,全國每年因重金屬污染的糧食達1.2×106kg,造成直接經濟損失超過200億元;受不同程度重金屬污染的耕地面積約有2×107m2,約占我國耕地總面積的1/5[2]。江南大學食品安全風險治理研究院發布《中國食品安全發展報告(2019)》[3],對2018年市場監管總局食品安全監督抽檢結果研究發現,現階段食品安全面臨的5類風險挑戰中,重金屬污染尤其是鉛鎘污染占據重要比例。結合重金屬污染風險,糧食收儲分類入庫迫在眉睫,因此對監測檢測尤其是快速檢測提出了很高的要求。

常用的糧食重金屬檢測方法主要有原子熒光光譜法[4]、石墨爐原子吸收光譜法[5,6]、電感耦合等離子體質譜法[7-9]、火焰原子吸收光譜法[10]等精密儀器法和X射線熒光光譜分析法[11,12]、膠體金免疫層析試紙條[13,14]、電化學分析方法[15,16]等快速檢測方法。其中原子吸收法和電感耦合等離子體質譜法是最常用的檢測方法,具有靈敏度高、準確性好、重現性好、適用范圍廣優點[17],但檢測成本高,除儀器昂貴、維護成本高以外還需要專業的技術人員[18,19],并且通常需要配合濕法消解、干法灰化和微波消解法等復雜耗時(2～4 h及以上)的前處理過程[20],高溫高壓強腐蝕性的酸試劑的使用不僅增加了環境污染,也增加了操作人員的安全隱患,難以滿足當前大批次綠色檢測的需求[21,22]。在此背景下一些快檢技術應運而生,操作簡單、方便快捷,較好地彌補了大型精密儀器的應用場景缺陷。但現有的X射線熒光光譜分析法和膠體金免疫層析試紙條靈敏度較差,方法重現性和穩定性有限[23,24]。相比而言,電化學方法因操作簡單、時間短、靈敏度高、儀器易微型化等特點[25,26],已成為重金屬檢測最理想的方法之一。

電化學方法主要是根據離子在施加特定電壓時發生電子轉移而產生相應電流信號的原理發展起來的檢測技術,目前針對電化學技術、絲網印刷技術集成發展起來的便攜式電化學檢測儀已有諸多研究[27-29],但針對復雜基體的研究較少,結果的準確性和穩定性有待考量。研究旨在開發一種快速、準確的便攜式重金屬檢測方法,用于實際糧食樣品的現場檢測,并對方法的基本性能做全方面的分析和評價,以期為糧食中重金屬鉛鎘同測的現場快檢提供一種可選擇的檢測手段。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 原料和試劑

糙米粉中的鎘成分分析質控物質和標準物質、糙米粉中的鉛成分分析質控物質和標準物質、全麥粉中的鎘成分分析質控物質和標準物質、重金屬陰性空白樣品;鉛標準品溶液(1 000 μg/mL)、鎘標準品溶液(1 000 μg/mL)、汞標準品溶液(1 000μg/mL);鹽酸、硝酸、高氯酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉(均為分析純);超純水。

1.1.2 儀器和設備

FD-680型電化學快速檢測儀及配套重金屬快速檢測試劑盒,Mettler Toledo電子分析百分之一天平,3-30K離心機,HY-2調速多用振蕩器,FSJ-A03D1小型粉碎機。

1.2 樣品前處理

取有代表性的樣品300～500 g,粉碎至顆粒物可通過40目篩,對粉碎后的樣品再次混勻并進行二次取樣;稱取(1.00±0.02)g樣本置于10 mL離心管中,加入5 mL提取液,2 500 r/min渦旋3 min,4 000 r/min離心3 min,上清液備用。

1.3 電極修飾

首先將提取液、底物液恢復至室溫。準確移取900 μL底物液加入反應池中,將一次性絲網印刷電極插入儀器電極插頭并下壓電極插頭,使電極工作區域完全浸沒于底物液中,設置電位為-1.0 V富集200 s,得到汞膜修飾電極。

1.4 電化學快速檢測方法的操作步驟

準確移取200 μL樣品上清液加入反應池中,按儀器設定參數檢測,記錄峰電流,通過產生的電流信號計算出樣品中的鉛鎘含量。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel軟件對原始數據進行統計并對各項性能驗證指標進行計算分析。

2 結果與討論

2.1 提取液的優化

不同種類的提取液不僅影響提取效率而且還會影響檢測端的信號輸出,選擇中等濃度鉛和鎘的糙米樣品,對不同種類提取液進行優化,每種樣品用不同濃度的硝酸、鹽酸、高氯酸及它們的組合作為提取溶液,提取3 min,采用便攜式電化學儀進行檢測,計算其測得結果與標準值間的差異,并計算3次平行結果間的相對標準偏差,對準確度以及精密度進行評估,結果見圖1。相對于單一組分的提取液,混合酸的提取效率更高,從準確度和精密度考慮,選擇0.1 mol/L HCl+0.1 mol/LHNO3+0.2 mol/L HClO3為最佳提取液。

注:a 0.5 mol/L HCl; b 0.5 mol/L HNO3;c 0.2 mol/L HCl+0.2 mol/L HNO3;d 0.2 mol/L HCl+0.2 mol/L HClO3;e 0.1mol/L HCl+0.1 mol/L HNO3+0.2 mol/L HClO3。

2.2 提取時間的影響

為考察提取時間對檢測結果的影響,選用了2個不同質量分數的含鉛和鎘的標準樣品,分別提取1、3、5、10 min后,采用便攜式電化學檢測儀進行測定,計算其回收率與相對標準偏差,結果見圖2。可以分析出,隨著提取時間的延長,測試結果的回收率逐漸增高,到提取時間為3 min時,電化學測試結果最穩定。

圖2 不同提取時間的影響

2.3 底物液配方的優化

不同成分的底物液對基質效應消除的效果有所不同,會明顯改變峰形和響應信號,從而影響結果的準確性,為了考察底物液成分的影響,設計了6種配方,見表1。將處理完的糙米樣品提取液分別加入底物液中,使用便攜式電化學檢測儀進行檢測,其圖譜存在較大差異,配方1和配方3的鉛峰不明顯,配方1、配方4、配方5對于鉛鎘2種元素的峰都無明顯響應,而配方6的峰形最為干凈,基體干擾小,鉛鎘峰明顯分開且峰高明顯。從圖3中可以看出,配方1～配方5對應的檢測結果偏差較大,這與底物液配方成分產生的峰形圖不清晰有直接關聯,峰形模糊導致積分不準,從而對結果的準確性產生較大影響,而配方6中3種樣本基質的回收率偏差均≤15%,很明顯的降低了樣本基質效應,回收率和穩定性較好,因此選用試劑中含45 mg/kg Hg2+、1 mol/L NaH2PO4、1 mol/L Na2HPO4的底物液。

表1 不同電極底物液配方的試劑組分

圖3 不同電極底物液配方對不同基質樣品檢測的準確度

2.4 檢出限與定量限

采用國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)對檢出限的規定[30]:選用空白糙米粉樣本20份,按照重金屬鉛鎘電極檢測方法進行檢測,每測試1個樣本更換1次電極片,計算濃度平均值和標準偏差,以平均值加3倍標準偏差為檢出限,以平均值加10倍標準偏差計算為定量限。通過計算得出,重金屬鉛的檢出限為0.002 mg/kg,定量限為0.004 mg/kg,重金屬鎘的檢出限為0.005 mg/kg,定量限為0.012mg/kg,該方法對鉛鎘元素的靈敏度均遠低于GB 2762—2017《食品污染物限量》中的規定,這說明電化學法在靈敏度上完全可以滿足實際檢測中對糧食鉛鎘元素的檢測需求。

2.5 準確度與重復性

為考察方法的準確度與重復性,保證驗證結果的科學性,參照GB/T 27404—2008《實驗室質量控制規范食品理化檢測》的規范程序,選用國家標準規定限量的1/2、1、2倍濃度值附近的標準物質/質控樣品進行測試,其中糙米鉛、糙米鎘、小麥鉛的限量均為0.2 mg/kg,而小麥鎘的限量為0.1 mg/kg,為了保證濃度覆蓋的全面性,特增加了對小麥鎘的測試,由3位實驗員分別完成7次獨立平行,以消除人員差異和偶然因素帶來的誤差,對所得的189組數據進行統計學分析,分別以回收率和相對標準偏差對應準確度和重復性,并結合陰性臨界值與陽性臨界值進行結果判定,當檢測結果在陽性臨界值和陰性臨界值之間時,建議復檢。其中,陰性臨界值和陽性臨界值按平均值±2倍標準偏差來計算。從表2中可以看出,本次測試的回收率在90%～120%之間,相對標準偏差小于10%,符合GB/T 27404—2008對回收率和精密度的要求,說明此方法的準確性高、穩定性好,檢測結果具有良好的可信度。

表2 重金屬鉛、鎘的準確度和精密度

2.6 檢測效率

快速檢測方法的檢測效率是應用過程中比較重要的判斷指標,比較理想的快檢方法應當具有檢測時間短、操作簡便、準確性高、可靠性強的特點。為了考察本方法在快速檢測上的優勢,比較了其與傳統的檢測方法在樣品檢測流程及耗時情況。以檢測的189個實際樣品為例,根據儀器方法說明書的操作限定,此快檢方法與石墨爐原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法所需測定時間相比較,從樣品前處理開始計算(不包含稱取樣品的時間),電化學法大約需要25.2 h,以每天8 h工作時間計算,需要3～4 d,石墨爐原子吸收法和電感耦合等離子體質譜法的前處理按照微波消解法進行,同樣只計算前處理和測試時間,石墨爐原子吸收法約4～5 d,電感耦合等離子體法需要3～4 d。從表3可見,電化學法的檢測效率比較令人滿意,不僅大批量檢測不耗時,而且對于零星樣品的檢測可以達到開機即檢的效果,避免了繁瑣的開機關機程序[31]。

表3 檢測效率的比較

3 結論

研究以稀酸提取作為樣品前處理方法,基于陽極溶出伏安法原理優化建立了糧食中重金屬鉛鎘電化學快速檢測方法,并用于不同類型基質中鉛鎘元素的同時快速定量檢測。通過對提取液成分、提取時間和底物液配方的優化,提高了方法的靈敏度和準確性。該方法可在15 min內完成2種元素的定量檢測,相比于大型儀器更加簡便高效。該方法鎘的檢出限為 0.005 mg/kg,定量限為0.012 mg/kg,鉛的檢出限0.002 mg/kg,定量限為0.004 mg/kg,檢測回收率范圍98%～120%,相對標準偏差均小于15%,檢測準確度高、重復性好,測試結果符合國家標準規定的準確度和精密度指標的要求。研究可為糧食行業內用戶選擇方法提供參考,同時也為同類型儀器的性能提供對照。