基于能量色散X射線熒光光譜技術(shù)檢測(cè)大米中鎘的研究

桑曉霞,馬江媛,溫丹華,黃登宇,*

(1.山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山西太原 030006;2.山西大學(xué)食品藥品快檢技術(shù)中心,山西太原 030006)

大米作為我國(guó)的主要糧食作物,不僅含有蛋白質(zhì)、脂肪、糖類等主要營(yíng)養(yǎng)成分,還能為機(jī)體提供鐵、錳、銅和硒等微量元素[1]。近年來,大米中重金屬元素含量超標(biāo)的事件被曝光,最常見的就是重金屬鎘的超標(biāo),引起了群眾的恐慌和公眾的高度關(guān)注。鎘作為毒害作用最大的重金屬元素之一,若在人體內(nèi)大量堆積,可引起慢性甚至急性中毒。據(jù)報(bào)道,鎘離子進(jìn)入人體后,能夠?qū)⒐趋乐械腃a2+替換成鎘離子,進(jìn)而引發(fā)一系列軟骨疾病[2-3]。因此,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)大米生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)的監(jiān)管,而快速、有效的檢測(cè)方法是實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)管的關(guān)鍵。

常見的食品中重金屬鎘的檢測(cè)方法有以下幾種:石墨爐原子吸收光譜法(Graphite furnace atomic absorption spectrometry,GFAAS)[4-5]、電化學(xué)分析法[6-7]、電感耦合-等離子體質(zhì)譜法[8-9]、原子熒光光譜法[10],紫外分光光度法[11]等。其中石墨爐原子吸收光譜法[12]是我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的食品中鎘的檢測(cè)方法。然而,該些方法樣品預(yù)處理過程比較繁瑣,耗時(shí)長(zhǎng)且不能實(shí)現(xiàn)大量樣本的現(xiàn)場(chǎng)快速篩查。所以目前需要找到一種效率高、速度快的現(xiàn)場(chǎng)快速篩查方法對(duì)大米中的重金屬進(jìn)行監(jiān)測(cè)。能量色散型X射線熒光光譜(EDXRF)分析是對(duì)物質(zhì)中元素成分和含量進(jìn)行定性、定量分析的一種儀器方法,具有制樣簡(jiǎn)單、無損分析、能夠同時(shí)分析多種元素,分析速度快[13-14]等優(yōu)點(diǎn)。近些年,EDXRF技術(shù)逐漸被用來檢測(cè)食品中的重金屬。張輝等[15]用EDXRF測(cè)定米粉中的鎘元素,結(jié)果顯示該方法檢出限為0.030 mg/kg,定量限為0.14 mg/kg。倪子月等[16]建立了能量色散X射線熒光光譜法快速測(cè)定煙草中的鎘和鉛的方法。

本實(shí)驗(yàn)嘗試使用EDXRF對(duì)大米中的鎘進(jìn)行檢測(cè),通過單因素實(shí)驗(yàn),選擇最佳粒徑大小、檢測(cè)時(shí)間、試樣質(zhì)量、壓片壓力、含水量,以期建立一種大米中鎘的新的快速分析測(cè)試方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米 金龍魚東北大米雪粳稻;過氧化氫(H2O2,30%) 天津市天力;硝酸(HNO3，GR) 山東旭晨化工科技有限公司;Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液 國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心;磷酸二氫銨(NH4H2PO4) 天津化學(xué)試劑三廠。

BSA224分析天平 德國(guó)Sartorius公司;UPT-I-10T超純水機(jī) 四川優(yōu)普超純科技有限公司;PC-12粉末壓片機(jī) 天津精拓儀器公司;HK-02A 100 g手提式粉碎機(jī) 廣州旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司;EDX8300H EDXR熒光光譜儀 蘇州三值精密儀器有限公司;EH45可調(diào)溫式電熱板 LabTech萊伯泰科;ZEEnit650P原子吸收分光光計(jì) 德國(guó)耶拿分析儀器股份公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理 采用短時(shí)多次粉碎的方法(每次40 s,5次)將大米樣品經(jīng)粉碎機(jī)粉碎,過不同目篩,分別充分混勻,用四分法[17]縮分至50 g。80 ℃條件下干燥4～6 h,使其含水率<0.1%,稍冷卻置于干燥器中備用。

1.2.2 EDXRF儀器工作參數(shù) 管壓45 kV;管流300 μA;溫度16 ℃;真空度93.0 KPa。

1.2.3 樣品的檢測(cè) 取一定質(zhì)量經(jīng)過前處理的大米樣品,并在一定的檢測(cè)時(shí)間以及壓片機(jī)一定壓片壓力下壓制成緊實(shí)的片狀樣品,即可上機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.4 EDXRF檢測(cè)最佳條件的選擇 除1.2.2儀器工作參數(shù)外,還有很多因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,例如檢測(cè)時(shí)間、壓片壓力、大米樣品的顆粒粒徑、樣品質(zhì)量、樣品含水量等。以儀器顯示的X射線熒光計(jì)數(shù)率為檢測(cè)指標(biāo),通過單因素實(shí)驗(yàn),確定最佳檢測(cè)條件。

1.2.4.1 樣品粒徑的選擇 在EDXRF法[18]檢測(cè)重金屬的實(shí)驗(yàn)中,顆粒粒徑的選擇通常在20～200目范圍內(nèi)。取5.00 g粒徑分別為80、100、120、140、160目的大米粉末5份,壓片壓力30 MPa下壓片30 s,測(cè)量時(shí)間為180 s,快速測(cè)量3次計(jì)數(shù)率,取平均值。

1.2.4.2 檢測(cè)時(shí)間的選擇 取5.00 g干燥后的140目大米樣品5份,壓片壓力30 MPa下壓制30 s,測(cè)量時(shí)間分別設(shè)定為60、90、120、150、180 s,快速測(cè)量3次計(jì)數(shù)率,取平均值。

1.2.4.3 壓片壓力的選擇 在EDXRF法[19]檢測(cè)重金屬的實(shí)驗(yàn)中,壓片壓力的選擇通常在10～40 MPa范圍內(nèi)。取5.00 g干燥后的140目大米樣品5份,分別在15、20、25、30、40 MPa 5種壓力下壓片30 s,測(cè)量時(shí)間為180 s,快速測(cè)量3次計(jì)數(shù)率,取平均值。

1.2.4.4 樣品含水量的選擇 取5.00 g干燥后的140目大米樣品5份,向大米樣品中滴加相當(dāng)于其質(zhì)量的0、2.5%、5.0%、7.5%和10.0%的18.25 MΩ超純水,攪拌,在壓片壓力30 MPa下壓片30 s,測(cè)量時(shí)間為180 s,快速測(cè)量3次計(jì)數(shù)率,取平均值。

1.2.4.5 樣品質(zhì)量的選擇 分別稱取4.00、4.50、5.00、5.50、6.00 g干燥后的140目大米樣品,壓片壓力30 MPa下壓片30 s,測(cè)量時(shí)間為180 s,快速測(cè)量3次計(jì)數(shù)率,取平均值。

1.2.5 EDXRF檢測(cè)方法的建立與評(píng)價(jià)

1.2.5.1 EDXRF檢測(cè)方法的建立 樣品進(jìn)行前處理,在1.2.4步驟得出的優(yōu)化條件下進(jìn)行檢測(cè),取3個(gè)大米樣品檢測(cè)Cd的含量,求平均值。

1.2.5.2 建立標(biāo)準(zhǔn)曲線 在1.2.4步驟得出的最優(yōu)條件下,分別向大米樣品中添加50、100、150、200、250 μL的Cd標(biāo)準(zhǔn)中間液(10 μg/mL),即0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/kg的含Cd大米進(jìn)行檢測(cè),以EDXRF檢測(cè)到的大米中Cd的含量為橫坐標(biāo),Cd的譜峰強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得出線性方程。

1.2.5.3 方法學(xué)評(píng)價(jià) 對(duì)EDXRF檢測(cè)方法精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及加標(biāo)回收率進(jìn)行測(cè)定。取同一大米樣品重復(fù)檢測(cè)5次,評(píng)價(jià)方法精密度;稱取5份等量大米樣品,分別測(cè)定,評(píng)價(jià)方法重復(fù)性;取大米樣品每間隔30 min進(jìn)行一次檢測(cè),測(cè)定5次,評(píng)價(jià)方法穩(wěn)定性;對(duì)加標(biāo)0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/kg的大米樣品,進(jìn)行檢測(cè),計(jì)算加標(biāo)回收率。所有試驗(yàn)均在優(yōu)化條件下進(jìn)行,重復(fù)3次,取平均值,計(jì)算RSD值進(jìn)行方法評(píng)價(jià)。

1.2.6 國(guó)標(biāo)法(石墨爐原子吸收光譜法)測(cè)定大米中Cd

1.2.6.1 測(cè)定方法 稱取140目的大米樣品0.3～0.5 g置于微波消解罐中,分別加入0、50、100、150、200、250、300 μL的鎘標(biāo)準(zhǔn)使用液(1 μg/mL),5 mL硝酸和2 mL過氧化氫,按選定微波消解程序(見表1)執(zhí)行消解。冷卻至室溫,放置在可調(diào)溫式電熱板上,溫度設(shè)為190 ℃,加熱至近干,取下。硝酸溶液(5‰)沖洗消解罐三次,轉(zhuǎn)移至10 mL的比色管中,定容至刻度。取1 mL于比色管中,并用硝酸溶液(5‰)定容至10 mL,混勻,測(cè)定,同時(shí)做試劑空白實(shí)驗(yàn)。

表1 微波消解儀消解程序

1.2.6.2 儀器條件參數(shù) 根據(jù)操作要求將儀器調(diào)至最佳狀態(tài)。原子吸收分光光度計(jì)(附石墨爐)測(cè)定參考條件如下:波長(zhǎng)228.8 nm,狹縫0.8 nm,燈電流3.0 mA,升溫程序見表2。背景校正為氘燈或塞曼效應(yīng)。

表2 石墨爐升溫程序

1.2.6.3 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線 將1000 μg/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成1 μg/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)使用液后,儀器自動(dòng)配制成0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 ng/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液,并測(cè)其吸光度值,以標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液的濃度為橫坐標(biāo),相應(yīng)的吸光度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,并求出線性回歸方程。

1.2.6.4 方法學(xué)評(píng)價(jià) 對(duì)石墨爐原子吸收光譜法精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及加標(biāo)回收率進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)1.2.5 EDXRF方法學(xué)評(píng)價(jià)試驗(yàn)進(jìn)行操作,所有試驗(yàn)均重復(fù)三次,取平均值。

1.2.7 國(guó)標(biāo)法(石墨爐原子吸收光譜法)與EDXRF法比較 以石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定結(jié)果為橫坐標(biāo),EDXRF測(cè)定結(jié)果為縱坐標(biāo)作圖,評(píng)價(jià)這兩種方法測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2016軟件,制圖采用Oigin pro7.5軟件。每組實(shí)驗(yàn)平行重復(fù)3次,取平均值作為最終的測(cè)量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 EDXRF檢測(cè)法的條件優(yōu)化

2.1.1 大米粒徑優(yōu)化 由圖1可見,當(dāng)大米粒徑為140目時(shí),計(jì)數(shù)率達(dá)到最大值,當(dāng)大米顆粒目數(shù)繼續(xù)增大,大米粒徑減小,其計(jì)數(shù)率趨于穩(wěn)定。其原因可能是X射線與大米顆粒發(fā)生作用,在大米粒徑為80～140目之間時(shí),大米粒徑越小,大米試樣愈發(fā)均勻,引起的均勻性效應(yīng)和粒度效應(yīng)減弱,使得檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確,大米粒徑在140～160目時(shí),其計(jì)數(shù)率趨于穩(wěn)定。因此,選擇大米粒徑為140目。

圖1 大米粒徑優(yōu)化

2.1.2 檢測(cè)時(shí)間優(yōu)化 由圖2可見,從60～180 s之間,隨著檢測(cè)時(shí)間延長(zhǎng),計(jì)數(shù)率處于上升的趨勢(shì),當(dāng)檢測(cè)時(shí)間到達(dá)150 s,計(jì)數(shù)率變化不明顯。可能是因?yàn)楫?dāng)檢測(cè)時(shí)間較短時(shí),大米樣品中的元素沒有X射線完全激發(fā)。綜合考慮多種因素,并且大米中重金屬的含量只有mg/kg級(jí),適當(dāng)延長(zhǎng)其測(cè)量時(shí)間可以提高檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度[21-22]。所以,選擇檢測(cè)時(shí)間為180 s。

圖2 檢測(cè)時(shí)間優(yōu)化

2.1.3 壓片壓力優(yōu)化 由圖3可見,隨著壓片壓力的加大,計(jì)數(shù)率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),當(dāng)壓片壓力達(dá)到30 MPa時(shí),隨著壓片壓力的加大,計(jì)數(shù)率的檢測(cè)值趨于穩(wěn)定,壓片壓力達(dá)到40 MPa時(shí),計(jì)數(shù)率達(dá)到最大。其原因可能是樣品的緊實(shí)度不同,其所含的空氣含量有差別,縫隙中的空氣含量與X射線也會(huì)發(fā)生作用。所以選擇在40 MPa的壓片壓力下壓片。

圖3 壓片壓力優(yōu)化

2.1.4 含水量?jī)?yōu)化 由圖4可見,當(dāng)含水率接近0時(shí),計(jì)數(shù)率的值最大,隨著含水率的增加,計(jì)數(shù)率出現(xiàn)了明顯變化,整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其原因可能是散射效應(yīng)和吸收效應(yīng)的存在,不同的含水量對(duì)初級(jí)X射線和二次熒光二次射線均會(huì)產(chǎn)生影響[23],同時(shí),大米中的水分也會(huì)產(chǎn)生干擾。所以,選擇含水率較低的大米,即大米中的含水率<5%。

圖4 含水量?jī)?yōu)化

2.1.5 試樣質(zhì)量?jī)?yōu)化 由圖5可見,隨著試樣質(zhì)量增加,計(jì)數(shù)率明顯上升,質(zhì)量達(dá)到5.00 g時(shí),計(jì)數(shù)率值最大,樣品質(zhì)量繼續(xù)增大,其檢測(cè)結(jié)果不再有明顯變化。其原因可能是大米樣品對(duì)X射線有吸收和散射作用。當(dāng)大米試樣的質(zhì)量不足時(shí),X射線會(huì)直接穿透樣品發(fā)射出去,檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差。綜合考慮,大米試樣的質(zhì)量應(yīng)該選擇5.00 g。

圖5 試樣質(zhì)量?jī)?yōu)化

2.2 EDXRF檢測(cè)方法的建立與評(píng)價(jià)

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 EDXRF法檢測(cè)大米中Cd的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖6,線性回歸方程為:y=0.0004x+0.00003,R2=0.9982,結(jié)果表明,加標(biāo)量在0.1～0.5 mg/kg之間與峰強(qiáng)[24-25]有很好的線性關(guān)系。

圖6 EDXRF法標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2.2 EDXRF法方法學(xué)評(píng)價(jià) EDXRF法測(cè)定大米中重金屬Cd的含量,同一樣品連續(xù)檢測(cè)五次得到的計(jì)數(shù)率分別為19752.7、19732.7、19777.9、19726.7、19734.9,計(jì)算RSD值為0.11%,表明準(zhǔn)確度很高;測(cè)定5份等量樣品,檢測(cè)值分別為19739.1、19725.7、19745.4、19724.1、19729.6,計(jì)算得出RSD值為0.05%,表明重復(fù)性較好;對(duì)同一樣品測(cè)定5次,每隔30 min測(cè)定一次,檢測(cè)值分別為19733.8、19768.9、19689.5、19758.6、19550.2,計(jì)算所得RSD值為0.45%,表明穩(wěn)定性較好;對(duì)樣品加標(biāo)后的結(jié)果如下表3所示,平均加標(biāo)回收率達(dá)到114.8%。

表3 EDXRF法的加標(biāo)回收率

2.3 國(guó)標(biāo)法(石墨爐原子吸收光譜法)

2.3.1 石墨爐原子吸收光譜法標(biāo)準(zhǔn)曲線建立 Cd濃度測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖7所示,線性回歸方程為:y=0.0434x+0.0012,R2=0.9984,結(jié)果表明Cd濃度在0.6～3.0 ng/mL之間與吸光度有較好的線性關(guān)系。

圖7 石墨爐原子吸收光譜法標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.3.2 石墨爐原子吸收光譜法評(píng)價(jià) 根據(jù)1.2.6試驗(yàn)方法計(jì)算得出,該方法的精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性的RSD值分別為0.03%、0.32%、1.20%,平均回收率為83.5%,表明該方法精密度很高,重現(xiàn)性、穩(wěn)定性都較好,加標(biāo)回收率也較高。

2.4 國(guó)標(biāo)法(石墨爐原子吸收光譜法)與EDXRF法比較

石墨爐原子吸收光譜法和EDXRF法關(guān)于Cd的相關(guān)性見圖8。結(jié)果表明,EDXRF法和石墨爐原子吸收光譜法測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性非常好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9814,說明EDXRF測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可信。

圖8 鎘標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法與EDXRF法測(cè)定結(jié)果相關(guān)性圖

EDXRF法與國(guó)標(biāo)法的結(jié)果比較如表4所示。相對(duì)于石墨爐原子吸收光譜法,EDXRF方法的重復(fù)性和穩(wěn)定性都更高,加標(biāo)回收率也較好,精密度不如國(guó)標(biāo)規(guī)定的方法,但基本滿足了現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求。

表4 EDXRF法與石墨爐原子吸收光譜法的比較

3 結(jié)論與展望

本試驗(yàn)建立了大米中鎘的EDXRF快速檢測(cè)方法。通過優(yōu)化試驗(yàn),確定EDXRF檢測(cè)最優(yōu)條件為:大米粒徑140目,檢測(cè)時(shí)間180 s,壓片壓力40 MPa下壓制30 s,含水量<5%,大米質(zhì)量5.00 g。通過EDXRF方法評(píng)價(jià)試驗(yàn),結(jié)果顯示,精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.11%、0.05%、0.45%,平均加標(biāo)回收率為114.8%。與石墨爐原子吸收光譜法相比,EDXRF方法的重復(fù)性和穩(wěn)定性都更高,加標(biāo)回收率也較好,但精密度較差。總體而言,新建立的EDXRF方法能夠滿足快速檢測(cè)的要求。