基于微波消解-电感耦合等离子体质谱法检测稻田综合种养稻谷的重金属元素

陈刘浦　贝亦江　线婷　孟庆辉　怀燕　马文君　丁雪燕　周凡

摘 要：利用高压消解罐消解-电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法，检测分析稻鱼、稻鳖、稻虾-小龙虾等3种典型稻田综合种养模式下的6个水稻品种中铬、镍、铜、锌、砷、镉、铅等7种重金属的含量。设定了最佳的样品前处理条件和仪器测定条件，在进行质谱测定时，采用Ge、In元素作为内标元素，依据国家标准参考物质柑橘叶并通过加标回收试验对方法进行了验证。结果表明：（1）各元素标准曲线的相关系数大于0.9990，方法检出限在0.0006～0.0645μg/mL，加标回收率在88.89%～109.82%，相对标准偏差均小于3%。表明该方法简单、精密度高、检出限低，适用于检测稻谷中重金属元素的含量。（2）3种不同稻渔综合种养模式下，稻谷中7种重金属元素的含量均符合食品安全的要求。检测结果可以为稻田综合种养稻谷的质量控制提供参考借鉴。

关键词：微波消解;电感耦合等离子体质谱;稻田综合种养;稻谷;重金属

中图分类号 S511文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）15-0124-04

Determination of Heavy Metal Elements in Rice From Integrated Rice-Aquatic Coculture System by Microwave Digestion and ICP-MS

Chen Liupu1 et al.

（1Zhejiang Fisheries Technical Extension Center，Hangzhou 310023，China）

Abstract：The present study was to establish an microwave digestion and inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS） method to measure the concentration of Cr，Ni，Cu，Zn，As，Cd and Pb in 6 rice species from three different integrated rice-aquatic coculture model.The experimental conditions for treating and analyzing samples were optimized;in the mass spectrum measurement，germanium and indium elements were used as internal standard element.The accuracy of the method was confirmed by the recoveries of standard additions and standard material citrus leaf.The results showed that：（1） the correlative coefficients of standard curves were above 0.9990，detection limit were 0.0006～0.0645μg/L with the recovery rates in the range of 88.89%～109.82% and RSD values were less than 3%.The current method is easy operation，high precision and sensitive，and of low detection limit.It is suitable for the analysis and determination of heavy metals in rice materials.（2） the heavy metal elements concentration in seven rice samples from rice-fish，rice-soft-shell turtle，and rice-lobster coculture models were all meet the food safety requirements.And the results may provide reference for the quality control of rice production of integrated rice-aquatic coculture system.

Key words：Microwave digestion;Inductively coupled plasma mass spectrometry;Rice-aquatic coculture;Rice;Heavy metal elements

水稻是浙江省重要的糧食作物之一，2018年全省水稻种植总面积64.11万hm2，总产量469.2万t。近年来，随着矿产资源的大量开发利用，工业生产的快速发展，以及各种化工产品、农药及化肥的广泛使用，含重金属的污染物通过各种途径进入环境，造成土壤、尤其是农田土壤重金属的污染日益严重[1，2]。一般认为，人类摄取重金属主要是通过“土壤-作物-食物”途径，因水稻具有对重金属强吸收的特征，其质量安全问题一直倍受关注[3]。

稻田综合种养是循环农业和效益农业的生态种养结合模式之一，稻渔的共生互作，能够有效改善稻田环境，减少化肥和农药的使用量，具有稳粮增收、提质增效、实现生态循环等优点[4]。目前，浙江省重点发展的稻田综合种养模式主要有稻鱼共生、稻鳖共生、稻虾共生等模式，全省推广面积在2万hm2以上[5]。

本试验探索基于高压消解罐消解-电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法，建立稻米中7种重金属含量的检测技术，并对浙江省内3种典型稻田综合种养模式的7个基地产出的稻谷进行抽样检测，旨在为稻田综合种养产品的质量控制、品质评价及安全性评估提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 主要仪器 X SERIES II电感耦合等离子体质谱仪（美国赛默飞世尔）、TOPEX微波消解仪（上海屹尧）、元素型超纯水系统超纯水系统（美国赛默飞世尔）。

1.1.2 主要试剂 68%硝酸（UPS级，苏州晶瑞）、30%过氧化氢（UPS级，苏州晶瑞）、ICP-MS调谐液（钡Ba、铋Bi、铈Ce、钴Co、铟In、锂Li、铀U混合溶液，1ng/mL，美国赛默飞公司）、国家标准物质柑橘叶（GBW10020、GSB-11）由地球物理地球化学勘查研究所提供，IV-21标准溶液（100ng/mL，美国赛默飞世尔）;内标元素72Ge、115In购至国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院。

1.1.3 稻米样品 本试验的稻米样品来自全省7个县（市、区）稻田综合种养基地，包括稻鱼、稻鳖、稻虾（小龙虾）等3种典型模式、6个水稻品种。具体如下：杭州市富阳区（稻虾（小龙虾）模式，甬优15）、宁波象山县（稻鱼模式，宜香优系列）、余姚市（稻鳖模式，甬优15），嘉兴秀洲区（稻鳖模式，中嘉8号）、海盐县（稻小龙虾模式，嘉优中科3号），金华兰溪市（稻鱼模式，中浙优8号），以及衢州龙游县（稻鳖模式，甬优9号）。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备 样品前处理稻谷样品经脱壳去皮，再经陶瓷研体钵研制成米粉，混匀，保存在样品袋中。在制样过程中注意确保样品不受污染，所有玻璃器皿及消解罐均需于20%的硝酸中浸泡24h，用去离子水反复冲洗干净。

1.2.2 标准曲线制作 将100μg/mL多元素标准溶液，用1%HNO3，逐级稀释配制成浓度分别为0、5、25、50、100μg/L的标准曲线溶液;以2%硝酸为空白，在优化的仪器条件下测定标准溶液系列及空白，制作标准曲线，同时测定样品溶液。

1.2.3 样品消解 称取稻米米粉样品0.2g（精确至0.0001g），置于聚四氟乙烯消解罐中，加入5mL硝酸，1mL双氧水，盖好内盖，浸泡1h，再加入1mL过氧化氢，将消解罐插入保护套中，按照微波消解仪标准步骤进行消解（表1）。消解完毕，待消解罐冷却后打开，消化液呈无色或淡黄，用少量去离子水冲洗内盖，加热赶酸至2mL左右，用少量硝酸溶液（1%）冲洗消解罐3次，将溶液转移至25mL比色管中。再用1%硝酸溶液定容至刻度，混匀备用，同时做试剂空白试验。

1.2.4 ICP-MS参数 使用1ng/mL Thermo调谐液对仪器进行调谐，保证仪器的最佳灵敏度和稳定性。由于砷元素电离能较高，采用高电离能1550W的等离子体发射功率保证砷形态化合物的完全接力，同时优化载气流量、补偿气流量、氦气流量、采样深度等参数，提高仪器灵敏度。具体质谱条件为：高频等离子体发射功率：1550W;载气：氩气（99.999%）;载气流量：0.80L/min;载气补偿气流量：0.15L/min;KED模式;氦气流量：4.0mL/min;雾化器流量：1.09L/min;采样锥/截取锥：Pt锥;采样深度：5.0mm;玻璃同心雾化器，石英雾化室，半导体控温，石英矩管，2.5mm中心通道;蠕动泵：0.4r/min。

1.2.5 仪器测定 待仪器通过调谐后，依次对标准系列、试剂空白和稻米样品进行测定，内标法定量，检测铬、镍、铜、锌、砷、镉和铅等7种重金属含量。其中，精密称取同一产地的糯稻根粉末约0.2g，称取5份，按前述步骤进行测定分析，分析各元素的含量，计算出相对标准偏差。

2 结果与分析

2.1 线性关系 由表2可知，铬、镍、铜、锌、砷、镉和铅等7种重金属的浓度在0～100ng/mL范围内线性关系良好，在0.9990～1.000。

2.2 检出限 试验结果表明，该方法的检出限低，在0.0006～0.0654ng/mL（表2）。

2.3 精密度 由表2可知，各元素的线性精密度（RSD）值在1.55%～2.48%，表明該方法的重现性良好。

2.4 准确度试验

2.4.1 标准物质验证试验 本试验中国家标准物质柑橘叶的7种重金属的测得值均在标准值范围内（表3），表明该方法的准确度良好。

2.4.2 加标回收率试验 由表2可知，样品中7种重金属元素的回收率在88.89%～109.82%，且RSD值均小于2.29%。表明此方法准确度高，能满足稻米样品中各元素的分析要求。

2.5 稻米样品检测结果 对浙江省内7家稻田综合种养基地的稻米样品中重金属含量进行检测，共结果如表4所示。

我国现行的食品重金属限量标准可参照《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB2762—2017）、粮食（含谷物、豆类、薯类及制品中铅、镉、铬、汞、硒、砷、铜、锌等8种元素限量）（NY 861—2004）;其中，谷物及其制品限量值为：铬≤1.0mg/kg、铜≤10mg/kg、锌≤50mg/kg、砷≤0.2mg/kg、镉≤0.2mg/kg、铅≤0.2mg/kg。另外，关于镍的限量值标准，只规定了油脂及其制品中为≤1.0mg/kg（GB2762—2017）。由表4可知，所有稻渔综合种养基地产出的稻米中7种重金属的含量均低于限量限，符合现行食品的质量安全要求。

3 讨论

样品消解前处理是目标物残留检测中的关键步骤，已有的样品重金属残留检测的消解方法包括干法消解、湿法消解、高压罐消解和微波消解等[6]。大米结构紧密，有机物尤其是淀粉含量高，较难被消解等特点，因此在选择消解程序时，要考虑有机物的完全消解条件。已有研究比较了大米重金属检测的消解方式，认为微波消解具有操作简便，试剂使用量少，能有效降低交叉污染和挥发损失，耗时短，效率高等优点[7，8];本试验亦采用微波消解法处理稻米样品。同时，采用ICP-MS的碰撞反应池（KED）模式，并用内标法定量方式检测重金属元素。KED模式有效消除分子、离子及同质异素质谱干扰效益，内标法定量可以消除基体干扰，保证了方法对样品中的多种元素同时分析的准确性[9，10]。通过对稻田综合种养模式产出的水稻样品中7种重金属检测，并验证了柑橘叶的标准质控样品，发现测定值都在证书标示值的范围内。因而，本试验构建的检测方法操作方便快捷、检测限低、线性关系良好、准确度好，可用于稻米中7种重金属元素的批量定量分析。

已有研究表明，不同的水稻品种，其形态结构和生理特性产生差异，导致其对重金属元素的吸收和分配存在明显差异[11];同时，环境互作效应、农艺措施等也会对水稻吸收、积累重金属产生影响[3]。对于低重金属污染区域而言，深耕翻土可以有效降低表层突然的重金属含量[12];而通过作物轮作制度，可有效降低耕作层土壤pH值，有利于降低重金属活性[13]。另有研究指出，有机肥料的施用可促使交换态Cd向松结合有机态、锰氧化物结合态转化，明显降低土壤中有效性Cd的含量，其中畜粪的效果优于秸秆类[14]。此外，通过水位调节，长期水淹、减少中间晒田过程，使土壤长期处于还原环境，Fe2+等金属离子与Cd2+的竞争吸附作用以及S2-和Cd2+的共沉淀作用加强，将明显降低土壤中Cd的生物有效性将，从而降低了稻米中Cd含量[15]。

稻田综合种养是通过对稻田实施工程化改造，将水稻种植与水产养殖、农机与农艺的有机结合，构建新型稻-渔共生轮作制度和新的生态环境系统。在这一模式下，稻田保持了长期有水环境，而水产动物在田块内的活动不仅能捕捉害虫、清除杂草，还能有效地改良稻田土壤的理化性状，有利于肥料和氧气渗入土壤深层，从而增加水稻对氮的直接吸收[16];而水产动物的残饵、排泄物等又能作为有机肥，起到肥田的效果[17]。同时，稻渔共生模式也具有提高土壤氧化还原电位、降低土壤pH值的作用[18]。对“稻-鳖-鱼-鸭”共生模式下产品的铅、镉、砷、汞等4种重金属进行检测，结果均未检出[19]。此外，本试验表明，在开展调查取样的稻鱼共生、稻鳖共生、稻虾（小龙虾）共作等3种主要稻田综合种养模式下，6个水稻品种的重金属均符合产品质量安全要求。可见，推广渔稻共生模式，可以改善稻田环境，降低土壤中重金属在水稻中积累，提升稻米的质量安全水平。

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（责编：张宏民）