糧食重金屬快速檢測產品性能評價與分析

田 巍， 葉 金， 何若銘， 張潔瓊， 楊永壇， 王松雪

(國家糧食和物資儲備局科學研究院1，北京 100037) (浙江省糧食物資干部學校2，杭州 310000)

鎘(Cadmium, Cd)和鉛(Lead, Pb)是大米中常見的重金屬污染物，在我國尤其是大米主產區，居民習慣將大米作為一日三餐必不可少的主食之一，增加了鉛鎘暴露的風險[1,2]。鉛鎘半衰期較長，在人體內的半衰期可達15～30年[3]。如果攝入過多會蓄積在體內，對人體造成潛在危害，如鉛會損害人體神經系統、血液循環系統等，對兒童還有可能引起智力低下、行為發育遲緩等不可逆傷害[4,5]；鎘會導致腎臟、肝臟、骨骼等器官組織的損傷，引起“痛痛病”等疾病[6,7]。我國非常重視糧食重金屬的防控，在國家標準GB 2761—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》[8]中規定了大米中鉛、鎘的限量均為0.2 mg/kg。近年來，我國對糧食安全問題越來越重視，逐步將檢測防控的關口前移，對收儲現場的快速檢測能力和檢測水平提出更嚴格的要求[9]。

隨著社會需求的增加，大米中重金屬鉛和鎘的快速檢測方法發展迅速，主要有以陽極溶出伏安法為原理的電化學檢測方法[10-12]和以抗原抗體反應為原理的免疫學檢測方法[13-15]。其中，電化學檢測方法是通過施加一定電壓使鉛鎘離子在絲網印刷電極上進行沉積和電離從而產生與濃度成正相關的電流信號來計算鉛鎘含量[16]。基于免疫學的檢測方法主要有膠體金試紙條法和微芯片法，膠體金試紙條法是通過抗原抗體的特異性識別，并利用膠體金呈現顏色反應的深淺來判斷鉛鎘含量[17]；微芯片法是將抗原固化在微芯片板上，通過抗原抗體的直接競爭來促使顯色劑發生顏色反應，由于酶催化效率高，故而大大提高了方法的靈敏度[18]。重金屬的速檢測方法在現場快速檢測領域擁有傳統的電感耦合等離子體質譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)、原子吸收光譜法(Atomic absorption spectroscopy, AAS)等常規檢測方法無可比擬的優點，具有操作簡單、體積小、便攜性高、人員要求低的特點[19-21]，有良好的發展潛力和推廣應用前景。

目前市面上出現的重金屬的快速檢測方法和品牌越來越多，形式多樣化，但產品和配套的試劑盒的檢測質量還沒有形成完整的檢驗評價標準，存在產品良莠不齊、評價體系相對混亂的情況[22,23]。為了更加全面了解市面上常見的鉛鎘快檢產品器的性能情況，本文從糧食重金屬快速檢測產品的準確度、精密度及產品的綜合性能等方面設計了評價方案，并選取了市場上主要的10個快檢品牌產品進行了系統客觀公正的評價，其中品牌A～G是電化學法，品牌H～J是膠體金或免疫法，希望通過本次評價為糧食重金屬檢測人員提供選擇依據，為企業提高產品性能提供解決思路，為糧食行業科技工作者提供參考方向，促進快檢產品在糧食重金屬元素基層檢測中的應用。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Sartorius BS224S 電子天平，MX-F 多功能旋渦混勻器；鹽酸(優級純)。

1.2 標準物質與質控品

選擇自然污染重金屬有證標準物質和質控樣品作為評價用樣品，樣品基質為：大米，重金屬種類為：鉛、鎘。所有評價用樣品的均勻性和穩定性均根據JJF1343—2012《標準物質定值的通用原則及統計學原理》[24]規定，滿足統計學要求，且樣品量值采用多家聯合定值的方式確定，方法參照GB 5009.268—2016[25]進行。質控樣品編號：ZK015、ZK016、ZK017、ZK018、ZK019、ZK020，有證標準物質編號：GBW(E)100377、 GBW(E)100378，均由國家糧食和物資儲備局科學研究院研制。

1.3 方法

按各品牌廠家的重金屬快速檢測產品說明書進行實驗操作。為保證評價的公平公正，由廠家提供1位技術人員參與驗證評價工作。

1.4 評價規則

對不同品牌廠家提供的快檢產品進行評價，按照國家限量要求的2倍、1倍、1/2倍劃分為高、中、低3個濃度標準樣品，分別測試3個濃度水平的標準樣品，由3位實驗人員按照所用產品提供的方法分別獨立測試每個濃度水平標準樣品各7個平行(即“三三七”規則)。根據檢測結果，計算其相對標準偏差(Relative standard deviation, RSD)和檢測平均值。

1.4.1 準確度

用回收率來表示。

1.4.2 精密度

用相對標準偏差來表示。

1.4.3 綜合性能

準確度、精密度、時間、檢出限、靈敏度等多種指標評分來表示(表1)。

表1 評分表

2 結果與分析

2.1 準確度考察

為了評價不同品牌產品對大米中鎘、鉛檢測的準確度，按照 “三三七”評價原則對不同品牌產品的回收率進行測試，結果如圖1所示。對于鎘元素，品牌A～I對大米中3個濃度水平的檢測回收率均在80%～120%之間，說明產品準確性良好；品牌J對中濃度水平的鎘檢測回收率90%左右，但對低濃度水平的回收率略高(130%)，高濃度水平的回收率略低(78%)，說明在實際應用過程中可能存在假陽性或者假陰性的現象。對于鉛元素，品牌A測低中濃度水平準確性好，但鉛高濃度水平測得的回收率偏高(143%)，品牌B對大米中3個濃度水平鉛的檢測回收率均大于120%，為128%～176%，準確性略差，品牌I對大米中3個濃度水平鉛的檢測回收率為152%～461%，偏高50%以上，準確性較差，可能是因為產品內置標準曲線發生了偏移，缺少定期校準功能，也有可能是基體造成了干擾。總體來說，10個品牌中有C～H等6個品牌準確性良好，對大米中鉛、鎘2種元素測定值基本可靠。

圖1 不同品牌對大米不同濃度水平的檢測回收率

2.2 精密度考察

對“三三七”評價原則測得的每個濃度下的21個數據進行統計分析，其相對標準偏差如圖2所示，品牌A～I對鎘元素測的相對標準偏差基本小于10%，品牌J對鎘元素的相對標準偏差小于20%，對于鎘元素的精密度，所有品牌基本可滿足快檢的要求。對不同品牌測試鉛元素的精密度的結果分析，品牌B、I、J的相對標準偏差大于20%，精密度略差。其中，品牌I的相對標準偏差遠遠超出正常范圍，說明其測得的結果可信度較差，這與品牌I的準確度較差的結論相一致。除品牌B、I、J外，其他7個品牌對鉛元素測定的相對標準偏差基本小于20%，穩定性較好。

圖2 不同品牌對大米不同濃度水平的檢測相對標準偏差

2.3 人員差異的考察

由于實驗習慣和對方法熟練程度的不同，不同實驗人員引入的操作誤差會對結果造成一定的影響[26]。為了判斷不同品牌產品受人員影響程度的大小，評價規則中加入了3人獨立操作的要求。圖3和圖4中顯示了3位實驗人員對不同元素、不同濃度水平的大米樣品的回收率結果和相對標準偏差結果。10個品牌中品牌A～J測得的低、中、高3個濃度水平的鎘人員間相對標準偏差全部小于10%，但是有少數實驗人員在做7組獨立平行實驗時，人員內的相對標準偏差在10%～15%之間，分別出現在品牌A低水平、品牌A高水平、品牌B高水平、品牌C低水平，但總體比較穩定，受人員影響不明顯。10個品牌在測鉛元素時，部分品牌存在回收率和相對標準偏差差異性較大的問題，少數品牌受人員差異的影響較為明顯。其中品牌B的實驗人員1號測得回收率相對偏高，從而導致3個人的平均回收率整體偏高；品牌I的實驗人員2號同樣存在很高的回收率和較大的相對標準偏差，實驗人員1號和2號雖然回收率相對可以接受，但每位實驗人員的7組平行結果較差，導致品牌I的測試結果不可信。

圖4 人員差異對大米中的鉛測定的影響

圖5 不同品牌的評價得分

2.4 綜合性能的評價

為了更直觀地比較不同品牌產品的準確度和穩定性水平，從單一元素角度來對每個品牌的回收率和RSD評分，評分規則對應表1的評分表進行。從圖5中可以看出，品牌C～H對鉛、鎘2種元素的評分都比較高，可以用于鉛、鎘兩種元素的快速定量檢測，品牌A、C、J可適用于鎘元素的測試，在對鉛元素檢測要求不高的情況下，也可用于鉛元素的測試。品牌I在本次產品器測評中得分較低，表現出的結果顯示無法應用于鉛元素的檢測。

為了更加全面評價產品器性能，從準確度、精密度、人員差異、時間、檢出限、價格等多方面進行分析(表2)。品牌A～G是基于陽極溶出伏安法原理開發的電化學方法，品牌H～J是基于免疫法為基礎的膠體金試紙條法和芯片法。從產品單次檢測的價格來看，電化學方法價格普遍低于免疫法。從檢測時間來看，2種原理的方法均可以在40 min內完成一批量測試。相比較而言，電化學單個樣品的測試時間少，可以實現鉛和鎘同測，但無法實現高通量測試，免疫法可以進行高通量測試，但前處理時間較長，且鉛鎘元素需要不同的前處理過程，不能同檢同測。將10個品牌的產品從時間、價格等5個緯度進行加權量化，從圖6中可以看出，不同品牌產品性能存在較大差異，品牌I和品牌J在本次測評中相對較差。

表2 10種品牌產品性能比較表

圖6 10種品牌產品性能雷達圖

3 結論

本研究基于實際應用出發，采用“三三七”原則，評價了10個重金屬快檢品牌產品的性能，涵蓋了準確性、精密度、檢測時間、成本等實際應用評測指標。從評價的結果來看，不同品牌快檢方法及產品區分能力具有較明顯差異，相同品牌不同元素的方法及產品同樣也存在較大差異。10個品牌對大米中鎘元素的回收率基本滿意，測定結果與樣品標準值無顯著性差異(P>0.05)，而鉛元素存在品牌質量不一的情況，部分品牌測定結果與樣品標準值存在顯著性差異(P<0.05)。10個品牌中有3個品牌產品器穩定性較差，受人員操作影響較大。10個品牌均可在40 min內完成1個批次檢測，檢測時間短、操作簡單、價格合理。本次評價實驗說明對不同品牌的不同元素進行科學、獨立評估具有重要意義，可以充分了解和掌握各個快檢方法和產品的特點，便于使用者選擇合適的快檢方法，同時也有助于指導和規范定量快檢方法的開發和應用，倒逼企業采用新技術，規范使用培訓，提高產品性能，促進快檢產品在糧食重金屬元素基層檢測中的應用。