基于快速提取-铅镉专用检测仪测定大米中镉研究
基于快速提取-铅镉专用检测仪测定大米中镉研究
杨玉梅 郑清林 杨景广 王利平
（北京普析通用仪器有限责任公司 北京101200）
摘 要 建立了基于快速提取-铅镉专用检测仪测定大米中镉的分析方法。通过对样品粉碎度，质液比，提取液组成及浓度，提取方式及时间，质液分离方式及时间，仪器升温程序等方面进行方法优化。结果表明该方法检出限为0.025μg/L, 定量限为0.08μg/L，与国标方法相比，相对误差在-3.85%-6.70%，加标回收率在92.0%-103.5%，精密度相对偏差为3.09%，台间差无显著性差异。完成一个样品(双实验)测定的时间少于15min。快速提取-铅镉专用检测仪测定大米中镉的方法，样品前处理简单，方法快速准确，适用于大米中镉的快速测定。
关键词 镉，快速提取，铅镉专用检测仪，大米
中图分类号 TS207
Rapid Direct Sampling Determination of Cd in Rice by Pb＆Cd Analyzer
Yang Yumei, Zheng Qinglin, Yang Jingguang, Wang Liping
（Beijing Purkinje General Instrument Co., Ltd.,Beijing,101200）
Abstract A rapid method for the determination of Cadmium in rice using was proposed by rapid extraction pretreatment method and direct sampling detection with Pb＆Cd Analyzer. Some factors ,such as the sample size, solid-liquid proportion, the kind of the extract solvent and concentration, the extraction pattern and time, the separation pattern and time of solid and liquid ,and the instrument conditions were optimized. The results indicated that the method detection limit is 0.025 μg/L and quantification limit is 0.08μg/L. Compared with the National standard-GB /T5009.15-2003, the RSD is -3.85%-6.70%, the average recoveries is 92.0%-103.5%. The precision of method is RSD= 3.09% and there is no difference between two instruments. The total time to test one sample (two parallel samples) was less than 15minutes.This method is rapid and accurate without complex sample pretreatment, and it is suitable for the rapid detection of rice samples.
Key words Cadmium; rapid extraction; Pb＆Cd Analyzer; rice
水稻是一种对重金属镉（Cd）富集能力很强的农作物[1]，随着我国工业、采矿业等的发展，镉污染越来越严重[2]。镉已被美国毒理管理委员会（ATSDR）列为第六位危及人体健康的有毒物质[3]。世界各国对大米中镉含量有严格限制，我国规定大米中镉限量值为0.2 mg/kg[4]。
大米中镉的测定前处理方法主要包括湿法消解、干法消解、压力罐消解法、微波消解法、悬浮液法等[5-6]，消解法一般需要2-6h，且耗酸量大，且对操作人员有一定危害，悬浮液法对悬浮体系要求高、操作复杂，因此，开发简捷、快速、安全、可靠的前处理技术是提高大米中镉快速测定的重要部分。
大米中镉检测方法主要包括紫外分光光度法、火焰原子吸收光谱法、石墨炉原子吸收光谱法、原子荧光法、电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法等[7-10]。
紫外分光光度法操作简单、价格低廉，但检测过程中干扰因素较多，且选择性较差；火焰原子吸收法需萃取分离，操作复杂；电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体色谱法，选择性好，灵敏度高，检出限低，可同时测定多种元素，但溶液易被污染，且仪器价格昂贵；现在最常见的是石墨炉原子吸收法，它灵敏度、选择性等都符合要求。
然而石墨炉原子吸收分光光度计一般体积比较大，开机前的准备工作比较复杂，故本实验选择铅镉专用检测仪作为检测仪器，铅镉专用检测仪采用石墨炉原子吸收分析技术，专门用于铅、镉的测定。仪器体积小（510mm×420mm×400mm），光源采用铅、镉空心复合阴极灯，一体化光源设计，无需调整灯位置，独特的临近波长扣背景方式，不损害元素灯的使用寿命,同时配备有智能的操作软件[11]。
基于此，开发了铅镉专用检测仪快速测定大米中镉解决方案，本方法采用快速提取法作为前处理方法，操作简单，采用铅镉专用检测仪进行测定，检出限低，重复性良好，准确度高，可靠性强。此法可达到快速、准确测定大米中镉的目的。
1 实验材料与方法
1.1 仪器、试剂与样品
铅镉专用检测仪：北京普析通用仪器有限责任公司； KQ-500TDB 型高频数控超声清洗器：昆山市超声仪器有限公司；HUMAN POWER超纯水器：韩国HUMAN公司；1H2K迷你掌上离心机：湖南赫西仪器装备有限公司；VX-III多管涡旋振荡器：北京踏锦科技有限公司；JLGJ4.5检验砻谷机：台州市粮仪厂；标准样品筛（20目、40目、60目、80目）：浙江省上虞市纱筛厂。
硝酸、盐酸：优极纯，北京化工厂；磷酸二氢铵：优极纯，国药集团；镉元素国家标准溶液：1000μg/mL（国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院）。
样品：方法优化样品为从不同市场购买的若干种类大米样品，包含：东北大米、四川大米、红米、黑米、长江米等。方法验证样品为参加国家粮食局标准质量中心组织的“粮食中镉含量测定方法国家标准适用性验证”所提供的样品，验证性样品分两部分：国家有证实物标准物质和天然阳性样品[12]。
1.2样品测定
1.2.1溶液配制
1) 镉标准使用液（100ng/mL）：用1%硝酸逐级稀释镉元素国家标准溶液（1000μg/mL）得到。
2) 0.0、0.5、1.0、2.0、3.0 ng/mL镉元素标准系列：分别吸取镉标准液（100ng/mL）0.0、0.5、1.0、2.0、3.0mL于100mL容量瓶中，用1%硝酸稀释至刻度，摇匀。
3) 0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 %硝酸：分别取5、10、20、30、40、50mL硝酸，用纯水定容到1000 mL。
4) 2%盐酸：取20mL盐酸，用纯水定容到1000mL。
5) 磷酸二氢铵溶液（20g/L）：称取2.0g磷酸二氢铵，以纯水稀释容解到100 mL。
1.2.2仪器工作条件
波长：228.8 nm，滤波系数：0.1，灯电流：2.0mA，背景电流：6.8 mA，PMT：302V，扣背景方式：邻近波长扣背景。
1.2.3样品处理
称取适量粉碎后的样品，加入25mL提取剂，提取一定时间后，质液分离，上机测定，通过对样品粉碎度，质液比，提取液组成及浓度，提取方式及时间，质液分离方式及时间，仪器升温程序等方面进行方法优化。
2 实验方法优化
2.1 粉碎程度的影响
取4份分别为25g的样品，粉碎后全部过20目（0.84mm）、40目（0.42mm）、60目（0.25mm）和80目（0.178mm）筛，在其它条件相同下进行测定，测定结果如表1所示。
表1.不同粉碎度对样品测定值的影响（n=5）
|
目数（目） |
测定值（mg/kg） |
|
20 |
0.082±0.004 a |
|
40 |
0.110±0.002 b |
|
60 |
0.111±0.003 b |
|
80 |
0.113±0.003 b |
注：表中数值后面的不同字母表示含量有显著差异（p<0.05）；利用SPSS进行单因素方差分析得到。
实验结果表明，当样品粉碎度为20目时，测定结果偏小，样品粉碎度在40目到80目范围内，样品测定值之间无显著性差异（p>0.05），故样品粉碎度应不小于40目。
2.2 质液比的影响
称取不同质量的样品，加入25mL浓度为1%的硝酸提取液，在其它条件相同下进行测定，结果如表2所示。
表2 不同质液比对样品测定值的影响（n=5）
|
称样量（g） |
测定值（mg/kg） |
|
0.1 |
0.115±0.007 a |
|
0.2 |
0.108±0.007 a |
|
0.3 |
0.109±0.004 a |
|
0.4 |
0.112±0.006 a |
|
0.5 |
0.117±0.005 a |
注：利用SPSS进行单因素方差分析得到。
从上述结果可知，当提取液为25mL时，称样量在0.1g-0.5g，对样品的测定值无显著性差异（p>0.05）。
2.3 酸种类和酸浓度的影响
样品提取常用的酸为硝酸和盐酸，本实验选取浓度为2%硝酸和2%盐酸进行实验，在其它条件相同下，不同酸提取的测定结果见表3。
表3. 不同酸对样品测定值和背景吸收值的影响（n=5）
|
酸种类 |
测定值（mg/kg）和背景值 |
|
|
测定值（mg/kg） |
背景值 |
|
|
HNO3 |
0.114±0.002 |
0.151±0.011 |
|
HCl |
0.118±0.006 |
0.279±0.026 |
通过t检验分析，在相同浓度下，硝酸和盐酸提取对样品测定值没有显著性差异。
但二者的背景值之间有显著性差异，且硝酸提取的样品背景值低于盐酸的，因在相同条件下，背景值越低越好，故选择硝酸作为提取剂。采用不同浓度硝酸提取的结果见表4。
表4. 不同浓度硝酸对样品测定值的影响（n=5）
|
HNO3浓度（%） |
测定值（mg/kg） |
|
0.5 |
0.105±0.003 a |
|
1.0 |
0.105±0.002 a |
|
2.0 |
0.109±0.002 a |
|
3.0 |
0.106±0.004 a |
|
4.0 |
0.108±0.005 a |
|
5.0 |
0.108±0.005 a |
注：利用SPSS进行单因素方差分析得到。
从上述结果可知，当硝酸浓度在0.5%-5.0%时，对样品的测定值无显著性差异（p>0.05）。
考虑到仪器特性与标液中酸浓度一致性，选择1%硝酸作为提取液。
2.4 提取方式和时间的影响
采用超声和振荡的提取进行方式和提取时间的对比,其它条件相同，结果如图1所示。
图1.不同处理时间下两种提取方式的比较
从图1看出，随着时间的增长，振荡和超声的提取率都增大，且当提取时间为3min时，提取率不再变化。不同的提取方式之间，没有显著性差异（p>0.05）。
判定方法优劣的另一个重要因素为背景值的大小，在相同条件下，背景值越低越好，以下是不同时间下两种提取方式的背景值比较，如表5所示。
表5. 不同处理时间下两种提取方式背景值的比较（n=5）
|
处理方式 |
不同提取时间（min）的背景值 |
||||
|
0.5 |
1.0 |
3.0 |
5.0 |
10.0 |
|
|
振荡 |
0.148±0.011 |
0.173±0.009 |
0.187±0.015 |
0.168±0.009 |
0.177±0.008 |
|
超声 |
0.168±0.013 |
0.210±0.014 |
0.772±0.026 |
0.799±0.013 |
1.021±0.014 |
由表5可知，随着时间的变化，振荡提取的背景值变化不大，但超声提取的背景值逐渐增高，且相同的处理时间，振荡处理的背景吸收值要低于超声处理的背景吸收值，考虑到背景值越低越好，故优先选择振荡处理。
2.5 质液分离的影响
因提取过程中会提取出一些杂质，故采用静置和离心两种方式进行质液分离，静置的效果如图2所示。
图2. 不同静置时间下的Cd含量及背景值
从图2看出，不同静置时间对样品的测定值没有明显影响，但随着静置时间的增长，背景值逐渐变低，当静置5min后，随着时间的变化，时间对其影响值变小，考虑本法作为一种快速检测方法，选择静置5min。
表6. 静置和离心两种方式的比较（n=5）
|
质液分离类型 |
测定值（mg/kg）和背景值 |
|
|
测定值（mg/kg） |
背景值 |
|
|
静置5min |
0.215±0.014 |
0.208±0.012 |
|
离心2min |
0.134±0.009 |
0.065±0.007 |
从表6中看出，离心的效果要好于静置，故也可选择离心2min。
2.6 最佳灰化温度选择
在铅镉专用检测仪升温程序中，影响最大的是灰化温度，故实验研究了灰化温度对测定影响。由于前处理方法采用提取法，和消解法相比，样品中的一些有机物质被提取到溶液中，使样品背景吸收增高，参照国标方法GB/T 5009.15-2003《食品中镉的测定》[5]中基体改进剂，选择20g/L磷酸二氢铵作为基体改进剂，在不同灰化温度下，进30μL样品溶液，和10μL浓度为20 g/L磷酸二氢铵溶液基体改进剂，其它条件相同下测试，结果如图3所示。
图3. 不同灰化温度对吸光度的影响
检测结果表明，随着温度的升高，吸光度先增大后减小，在450℃时达到最大，故选取450℃作为最佳灰化温度。
参照铅镉专用检测仪手册[11]，其升温程序如表7所示。
表7. 铅镉专用检测仪升温程序
|
程序 |
程序温度(℃) |
升温时间(s) |
停留时间(s) |
氩气流量 |
|
一级干燥 |
60 |
10 |
10 |
1.5L/min |
|
二级干燥 |
80 |
5 |
10 |
1.5L/min |
|
一级灰化 |
400 |
5 |
5 |
1.5L/min |
|
二级灰化 |
450 |
5 |
5 |
1.5L/min |
|
原子化 |
1700 |
2 |
3 |
0 |
|
净化 |
2000 |
1 |
1 |
1.5L/min |
综上所述，最佳测定方法为：称取0.1-0.5g粉碎度不小于40目的样品，加入1%硝酸25mL，剧烈振荡提取3min，再静置5min或离心3min后上机测定，进 30uL样品和10μL浓度为20g/L的磷酸二氢铵作为基体改进剂，在灰化温度为450℃条件下采用铅镉专用检测仪测定。
3 结果与讨论
3.1方法检出限及定量限
通过对20个独立的样品空白进行测定，计算该方法检出限和定量限，结果表明该方法检出限LOD(以空白20次测定吸光度的3倍标准偏差除以标准曲线斜率计算)为0.025μg/L, 定量限为LQD（以空白20次测定吸光度的10倍标准偏差除以标准曲线斜率计算)为0.08μg/L，可以满足镉的测定要求。
3.2 准确度
3.2.1 与国标方法比对及标准物质测定
用上述优化的前处理方法与国家标准方法分别对高、中、低三水平糙米样品和一份大米实物标准物质进行双试验检测，结果如表8。
表8. 与国标方法及标准物质对比
|
样品编号 |
国标测定值/真实值（mg/kg） |
测定值浓度（mg/kg） |
标准偏差ds |
td |
t0.05,7 |
相对误差（%） |
|
1 |
0.066 |
0.071 |
0.0142 |
0 |
2.3646 |
5.3 |
|
0.066 |
0.068 |
|||||
|
2 |
0.224 |
0.246 |
6.7 |
|||
|
0.224 |
0.232 |
|||||
|
3 |
0.493 |
0.469 |
-3.85 |
|||
|
0.493 |
0.479 |
|||||
|
大米标物 |
0.190 ±0.02 |
0.185 |
0.26 |
|||
|
0.190±0.02 |
0.196 |
注：检测数据摘自方法验证：《粮食中镉含量快速测定方法国家标准适用性验证测试报告附件2》 [R].湖南粮油产品质量监测中心（编制），2014，5.
采用配对t检验法[13]进行本方法和国标方法的比较显示，两种方法之间无显著性差异，相对误差在-3.85%-6.70%之间，标准物质测定结果在不确定度范围内。
3.2.2 加标回收率
在上述优化条件下，对采集的A、B、C三个样品做加标回收率实验，结果表明，加标回收率在92.0%-103.5%之间（表9所示）。
表9. 加标回收率（n=3）
|
样品 |
测定值（mg/kg） |
加标量（mg/kg） |
加标后测定值（mg/kg） |
回收率（%） |
|
样品A |
nd |
0.1 |
0.092 |
92.0 |
|
样品B |
0.113 |
0.1 |
0.211 |
98.6 |
|
样品C |
0.184 |
0.1 |
0.287 |
103.5 |
注：nd代表未检出。
3.3 精密度
用同一台设备6次重复测定样品，结果表明本方法精密度的相对标准偏差为3.09%（表10所示）。
表10. 方法精密度
|
测定次数 |
测定值(mg/kg) |
平均值(mg/kg) |
标准偏差s(mg/kg) |
相对标准偏差(%) |
|
1 |
0.246 |
0.236 |
0.00728 |
3.09 |
|
2 |
0.232 |
|||
|
3 |
0.230 |
|||
|
4 |
0.236 |
|||
|
5 |
0.228 |
|||
|
6 |
0.243 |
注：检测数据摘自方法验证：《粮食中镉含量快速测定方法国家标准适用性验证测试报告附件2》 [R].湖南粮油产品质量监测中心（编制），2014，6.
3.4 台间差
分别对三个样品和实物标准物质进行双实验检测，再采用配对t检验法[12]比较两台设备的测定结果，结果显示，两台检测结果不存在显著性差异。
表11. 仪器台间差
|
编号 |
样品号 |
仪器1 |
仪器2 |
差值di |
均值d |
标准偏差ds |
td |
t0.05,7 |
|
测定值(mg/kg) |
测定值(mg/kg) |
|||||||
|
1 |
1 |
0.071 |
0.065 |
0.006 |
0.0043 |
0.0124 |
0.97 |
2.3646 |
|
2 |
0.068 |
0.065 |
0.003 |
|||||
|
3 |
2 |
0.246 |
0.220 |
0.026 |
||||
|
4 |
0.232 |
0.232 |
0 |
|||||
|
5 |
3 |
0.469 |
0.487 |
-0.018 |
||||
|
6 |
0.479 |
0.476 |
0.003 |
|||||
|
7 |
大米 |
0.185 |
0.184 |
0.001 |
||||
|
8 |
标物 |
0.196 |
0.183 |
0.013 |
注：检测数据摘自方法验证：《粮食中镉含量快速测定方法国家标准适用性验证测试报告附件2》 [R].湖南粮油产品质量监测中心（编制），2014，7.
3.5 检测时间
本方法作为快速检测方法，对时间要求较高，该方法经单样品双试验的前处理时间为8min，上机时间约为4min（不包含做标准曲线），完成一个样品的检测时间为12min[12]。
4 结论
本文以提取法作为前处理方式，采用铅镉专用检测仪快速测定大米中镉，该方法和传统消解法相比，时间大大缩短，且操作简单，耗酸量小，安全性高，对人员危害程度小。铅镉专用检测仪体积小，操作简便，软件智能程度高。
方法检出限和定量限低，精密度好、准确性和回收率高，仪器台间差、稳定性满足要求，适用于大米中镉快速测定。
参考文献
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（资讯来源：《现代科学仪器》期刊，由“现代科学仪器网”官方发布，转载请注明来源）
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