前處理方法對原子熒光光譜法檢測大米中總砷含量的影響*

張玉超，程樂樂，韓 娟

(1 淮南師范學院化學與材料工程學院，安徽 淮南 232038；2 合肥市斯坦德優檢測技術有限公司，安徽 合肥 230000；3 淮南師范學院生物工程學院，安徽 淮南 232038)

砷是廣泛分布于自然界中的一種非金屬元素[1]，由于含砷農藥和含砷飼料的使用以及食品在加工過程中使用某些化學添加劑而引起食品中砷的污染，導致砷普遍存在于自然界環境和動植物中[2]。食品中總砷對身體健康存在潛在的危害，如果攝入量太多，就是會發生砷中毒[3]，因此是食品安全重點監測項目之一，其檢測結果的準確性直接影響產品的合格性判定[4]。

作為我國三大糧食作物之一的水稻，是國民的主要糧食之一，種植面積約占全球的19%，在我國的糧食安全保障體系和農業生產中占有重要地位[5]。與其他農作物相比，水稻更容易吸收砷元素[6]，如果長期食用砷超標的大米，會引發各種疾病，嚴重影響人體健康，因此，我國早在1994年就開始對大米中的總砷含量制定限量標準0.7 mg/kg，尤其隨著國家對食品安全問題的高度重視，大米中砷元素的檢測是非常有必要的[7]。

目前，大米中總砷含量測定的方法有氫化物原子熒光光度法、銀鹽法以及硼氫化物還原比色法等，其中原子熒光光度法靈敏度高、精密度好、標準曲線線性關系好、提取操作簡便、用時短，更為經濟快捷[8]。莊建玲[9]研究用微波消解—原子熒光法測定大米中總砷含量，快速，易操作，使常規溶樣方法中易揮發而損失的砷元素被全部保留，精密度高，回收率好。顧錦明與周瑾[10]采用液相色譜-原子熒光光譜(LC-AFS)法測定大米中的無機砷，并報道稱該方法檢測準確度高，檢出限低，具有良好的精密度，穩定可靠，樣品的保留時間短，節約時間，能有效提高大米中無機砷的檢測效率。

現行國標方法GB 5009.11-2014[11]中第二法氫化物原子熒光法明確規定了濕法消解和干法灰化兩種前處理方法，但在實際測定大米中總砷含量時需要考慮前處理效果、成本、消耗時間等因素，因此，需要不斷探究和優化前處理方法和條件[12-13]，以期為準確測定大米中砷元素提供參考。本研究從電熱板設定溫度、硝酸添加量、硫酸添加量、高氯酸添加量以及干法灰化溫度和時間等方面將兩種前處理方法進行優化，以明確相關檢測的條件。此外，從加標回收率、試劑成本和前處理耗時長短等方面對最優條件下的濕法消解和干法灰化進行比較，為大米中總砷含量的測定提供技術參考。

1 實 驗

1.1 樣品與試劑

質控大米(大米粉成分分析步驟物質，GBW(E)100361)，總砷標準值范圍為(0.12±0.01)mg/kg，中國科技集團有限公司；砷單元素標準溶液 (BW30018-1000-N-50 1000 mg/L)，國家標準物質研究中心；硝酸、高氯酸、硫酸、鹽酸、硝酸鎂、氧化鎂、硫脲、抗壞血酸、硼氫化鉀均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器設備

SK-2003A型原子熒光光譜儀-非色散原子熒光光譜儀，金索坤技術開發有限公司；DB-XB型可調式電熱板，上海力辰儀器科技有限公司；D8K型可調式電爐，南美鑫誠五金；FA2204型電子天平，上海力辰儀器科技有限公司；SX2-040型箱式電阻爐，沈陽市節能電爐廠。

1.3 容器的清洗

實驗中所使用的的錐形瓶、比色管、坩堝，采用20%～35%的硝酸浸泡約24 h，再用超純水沖洗干凈。

1.4 濕法消解的單因素實驗

稱取標準物質大米1 g，精確到0.0001 g，按照GB 5009.11-2014《食品安全國家標準食品中總砷及無機砷的測定》[11]中第二法氫化物原子熒光法前處理，通過濕法消解對質控大米進行前處理，采用原子熒光光譜儀對其總砷含量進行測定，測得的總砷值與標準值比較，以確定符合標準值范圍的濕法消解條件。

(1)電熱板設定溫度：300 ℃，350 ℃，380 ℃，硝酸，硫酸和高氯酸使用量與GB 5009.11-2014《食品安全國家標準食品中總砷及無機砷的測定》[11]中第二法氫化物原子熒光法前處理相同，進行實驗，以探究電熱板溫度對質控大米總砷檢測值的影響。

(2)在350 ℃電熱板溫度下，硝酸使用量分別為10 mL和20 mL進行實驗，探究硝酸使用量對質控大米總砷檢測值的影響。

(3)在350 ℃電熱板溫度下，硝酸使用量為10 mL，硫酸使用量分別為0 mL和1.25 mL進行實驗，探究硫酸使用量對質控大米總砷檢測值的影響。

(4)在350 ℃電熱板溫度下，硝酸使用量為10 mL，硫酸使用量為1.25 mL，高氯酸使用量分別為1 mL，2 mL，4 mL進行實驗，探究高氯酸使用量對質控大米總砷檢測值的影響。

1.5 干法灰化條件的單因素實驗

稱取標準物質大米2.5 g，精確到0.0001 g，按照GB 5009.11-2014《食品安全國家標準食品中總砷及無機砷的測定》[11]中第二法氫化物原子熒光法進行前處理。通過干法灰化對質控大米進行前處理，使用原子熒光光譜儀對樣品的總砷進行測定，其測定的總砷值與標準值比較，以確定符合標準值范圍的干法消化條件，每組實驗均重復2次。

(1)設定馬弗爐溫度分別為450 ℃，550 ℃，650 ℃進行實驗，以探究灰化溫度對質控大米總砷檢測值的影響。

(2)改變灰化時間分別為2 h，4 h，6 h，在550 ℃下進行實驗，以探究灰化時間對質控大米總砷檢測值的影響。

1.6 質控大米的空白加標率的測定

根據單因素實驗中得到干法和濕法的最佳實驗條件，取0.1 mg/L砷標1.0 mL，向其中加入10 mL硝酸，2 mL高氯酸，用濕法消解進行前處理；取0.1 mg/L砷標2.5 mL用干法灰化進行前處理，兩種前處理方法所得的待測液在相同的儀器條件下進行測定。通過比較兩組實驗的空白加標回收率的高低和前處理消耗時間的長短，得到效率更高的前處理方法。

1.7 原子熒光光譜儀工作參數

原子熒光光譜儀的工作參數，見表1。

表1 原子熒光光譜儀的工作參數Table 1 The parameter of atomic fluorescence spectrometry

2 結果與討論

2.1 標準曲線及回歸方程

分別配置濃度為：0 μg/L，2 μg/L，4 μg/L，6 μg/L，8 μg/L，10 μg/L的砷標準使用液，測定標準曲線見圖1。在已設定的儀器參數下測定(表1)，以熒光強度為縱坐標(y)，標準溶液濃度為橫坐標(x)，得出標準曲線的回歸方程y=220.02x+19.948及相關系數R2=0.9999，在0～10 μg/L濃度范圍內，線性關系良好。

圖1 砷溶液標準曲線Fig.1 The standard line of arsenic solution

2.2 濕法消解條件對質控大米總砷檢測值的影響

濕法消解之所以被廣泛應用于元素分析的樣品前處理，是因為它在消解溫度、消解時間和消解酸用量等方面可以靈活調節，在實驗中通過調節濕法消解中消解溫度和酸的使用量，優化其消解條件，以更加準確地測定樣品中總砷的含量。濕法消解條件對質控大米總砷檢測值的影響見圖2。

圖2 濕法消解條件對質控大米總砷檢測值的影響Fig.2 Influence of wet digestion conditions on total arsenic detection value of quality control rice

由圖2(a)可以看出，電熱板溫度為350 ℃時所測質控大米的總砷值在標準值范圍內，其它條件下測定結果均存在較大的偏差，這是因為原子熒光法檢測總砷時，必須將樣品中的有機砷徹底無機化才能進行測定[4]。前處理溫度較高時，溶液的氧化性增強，消解能力提高，使大米中的有機態砷極大限度地轉變成無機態砷，提高了檢測的準確度；此外，硝酸沸點121 ℃，高氯酸沸點203 ℃，硫酸沸點338 ℃，而電熱板溫度為300 ℃時硫酸并不能被徹底揮發，而殘留的硫酸可能會影響大米中化學元素的測定[14]。然而，消化溫度過高時，會導致部分大米樣品碳化，造成樣品損失，進而導致樣品中的總砷測定值與標準值之間的偏差。因此，濕法消解中的電熱板加熱溫度會對質控大米總砷檢測值有一定影響，本實驗結果發現當電熱板溫度為350 ℃時，測定值與標準值吻合度較高。

由圖2(b)可以看出，硝酸使用量為10 mL或者20 mL所測質控大米總砷的檢測值均符合標準值，因為加硝酸是為了保證溶液呈酸性[2]，金屬離子不會沉淀且不會吸附在器壁上，所以在樣品出現糊化時均可加入硝酸緩解樣品糊化現象，從而保證樣品前處理的準確性。可見，硝酸使用量的不同對大米中總砷的檢測值影響不大。因此，從節約成本角度考慮，選擇硝酸使用量為10 mL。

由圖2(c)可以看出，硫酸使用量為0 mL或1.25 mL時所測質控大米總砷的檢測值均符合標準值，因為當樣品溶液中含有較多重金屬鹽的時候會生成硫酸鹽沉淀，可能會導致砷的共沉淀[2]，但大米中重金屬鹽含量很少，所以硫酸使用量對其檢測結果無影響。因此，硫酸使用量的不同使測定出的質控大米總砷的檢測值與標準值無明顯差異。

由圖2(d)可以看出，高氯酸使用量為2 mL或4 mL時所測質控大米總砷值均符合標準值，滿足分析測試要求。高氯酸使用量為1 mL時樣品總砷的測定值存在較大的偏差，這是因為高氯酸給溶液一個氧化還原電位，從最不穩定的元素被氧化的電位開始升到高氯酸冒煙狀態時的電位為止。一般用硝酸來稀釋高氯酸，然后逐漸提高溫度。只要樣品能溶解于熱混合酸中，那么反應就會以平穩和受控制的方式進行，直到消化徹底[14]。但高氯酸含量為1 mL時，在前處理過程中硝酸無法充分作用，從而樣品會經常糊化，需不斷補加硝酸或者高氯酸，從而影響大米中的總砷檢測結果，導致樣品中總砷含量降低。故高氯酸使用量不同使測定出的質控大米總砷的檢測值與標準值有明顯差異。本研究發現高氯酸添加量為2 mL時，測定值與標準值偏差較小。

2.3 干法灰化條件對質控大米總砷檢測值的影響

圖3是干法灰化條件對質控大米總砷檢測值的影響。樣品在可調式電爐上碳化時先冒黑煙直至白煙冒盡呈白色固體，馬弗爐內灰化后，均呈白色粉末，定容，溶液呈灰褐色，且馬弗爐溫度越低，灰褐色越深。由圖3(a)可以看出，馬弗爐溫度為550 ℃測定質控大米總砷的檢測值的準確度滿足分析測試要求，其它條件下測定結果均存在較大的偏差，因為砷具有易揮發性，溫度過高時導致被測元素損失[15]。灰化溫度較低時，樣品中有機砷不能完全轉化成無機砷，從而導致樣品中總砷含量會降低。故馬弗爐溫度的不同使測定出的質控大米總砷的檢測值與標準值有明顯差異。

樣品在可調式電爐上碳化時先冒黑煙直至白煙冒盡呈白色固體，馬弗爐內灰化后，均成白色粉末，灰化時間越長白色粉末越少，定容完后溶液呈灰褐色，且灰化時間越短，灰褐色越深。由圖3(b)可知，灰化時間為4 h測定質控大米總砷的檢測值的準確度均滿足分析測試要求，其它條件下測定結果均存在較大的偏差，因為灰化時間較短時樣品未能充分灰化，從而沒有完全將樣品中的有機砷轉化成無機砷[16]，而灰化時間較長樣品過碳化，會使樣品中的砷元素損失，從而使總砷檢測值偏低。因此，灰化時間的不同使測定出的質控大米總砷檢測值與標準值有明顯差異。

圖3 干法灰化條件對質控大米總砷檢測值的影響Fig.3 Influence of dry ashing conditions on total arsenic detection value of quality control rice

2.4 前處理方法對大米質控樣加標回收率的影響

根據以上實驗結果，得到較優的濕法消解條件和干法灰化條件。濕法消解的較優條件：電熱板溫度為350 ℃，硝酸使用量為10 mL，硫酸使用量為1.25 mL，高氯酸使用量為2 mL；干法灰化的較優條件：馬弗爐溫度為550 ℃，灰化時間為4 h。用這2種方法對質控大米樣品進行加標試驗，所加砷標液為離子態砷，結果見表2。兩種前處理方式的加標回收率分別為105%和95%，加標回收率均比較滿意，這兩種前處理方法均可用于實驗。但濕法消解的相對標準偏差顯著低于干法灰化，這由于砷具有易揮發性，溫度過高時，導致砷元素損失；或者高溫使樣品發生碳化，導致砷元素損失，考慮到實驗的精密度，推薦使用濕法消解作為檢測大米中總砷含量的前處理方法。

表2 不同前處理方法對質控大米加標回收率的影響(n=3)Table 2 Effect of different pretreatment methods on recovery rate of quality control rice (n=3)

結合實驗成本和前處理所消耗的時間，對兩種前處理方法進行比較，結果見表3。

表3 濕法消解和干法灰化條件所使用試劑的成本Table 3 Cost of reagents used in wet digestion and dry ashing conditions

上述結果表明，兩種方法測定的質控大米總砷的檢測值均符合標準值范圍，且空白加標率也均符合要求，因此這2種方法均可用于大米的前處理。然而，從前處時間方面考慮，濕法消解的前處理耗時約90 min，而干法灰化的處理時間約為240 min(表3)，可見，濕法消解能夠在一定程度上縮短大米的前處理時間。此外，從試劑成本方面，濕法消解的單個樣品的試劑成本約為4.41元，干法灰化的試劑成本約為5.48元，濕法消解能夠減少試劑消耗成本(試劑價格均查詢來源于國藥試劑官方網站)。在單批次處理量方面，本次濕法消解過程中使用的DB-XB型可調式電熱板一批次可以處理50個左右的樣品；干法灰化時，SX2-040型馬弗爐可同時處理20個左右樣品，其數量比濕法消解幾乎少一半。綜上，濕法消解處理在精密度、前處理時間和節約試劑成本方面具有一定的優勢。

3 結 論

使用原子熒光光度法檢測大米中總砷含量時，前處理方法對檢測結果的準確性起到了關鍵作用。本研究參照GB 5009.11-2014《食品安全國家標準食品中總砷及無機砷的測定》[11]，采用氫化物原子熒光法中濕法消解和干法消化的兩種前處理方法。優化得到了原子熒光光度法檢測大米中總砷含量的兩種前處理條件。濕法消解：10 mL硝酸，1.25 mL硫酸，2 mL高氯酸于350 ℃電熱板上對樣品進行消解；干法消化：在550 ℃馬弗爐溫度下，灰化4 h，該兩種方法的條件均符合測定要求。然而，濕法消解在精密度、前處理時間、試劑成本方面存在一定的優勢。