我国大米重金属污染现状及检测技术进展

陆姗姗，毕 颖，李 辉

（1.沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110000；2.盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124000）

大米在我国饮食结构中占有非常重要的地位。但是，随着生态环境的恶化，水稻中的重金属污染问题变得越来越严重，加强对水稻中重金属污染状况和检测技术的研究尤为重要。

1 我国大米重金属污染现状

中国的大部分地区都有大米种植，尤其是在南方地区，稻田占耕地面积的60%以上。因此，南方地区的大米重金属污染问题比北方地区更加严重，尤其是江浙沪地区和珠三角地区。在福建产稻区的质量安全检查中，发现土壤以及大米中的砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）和铅（Pb）等物质含量明显超标；在对湖南、广东、安徽和江西四省测试的水稻进行重金属污染检测时，超镉含量超标的样本占到70%以上；在对华北、华南、华中、华东、西南、东北等6 个地区的县级以上市场的大米抽样检查时，结果显示大米中的重金属超标率能够达到10%；在福建沿海地区的大米抽检中，发现16.8%的大米铅超标、11.4%的大米镉超标，数据表明福清、福州和漳州等发达城市产出的大米中铅和隔超标较其他城市更为明显。由此可见，我国水稻重金属污染问题已十分严重。

2 我国大米重金属污染检测现行技术分析

2.1 电化学分析法

电化学分析法通过测量电信号的改变来分析待测物中的重金属含量，具体包括以下几种方式。

2.1.1 电位分析法

利用此项技术时，需要确保电极之间没有电流，通过检测电极电势和电动势的变化来测量分析物的组成和含量。目前，离子选择性电极因能耗低、结构简单、方便快速等优势得到了一定应用，但其很难实现痕量分析，准确度和灵敏度相对有限，另外，敏感膜寿命短也是影响离子选择性电极广泛应用的关键问题。

2.1.2 电导分析法

该检测技术通过检测电导率的方式对被测物质进行定量和定性分析，所需仪器设备较为简单，检测速度快且操作便捷。但是，电导率分析选择性差，检测结果只能显示所有离子的总电导率。

2.1.3 极谱分析法

极谱分析技术通过检测电化学反应中的电流、电势等指标来分析被分析物的成分和浓度。极谱分析技术通常用来检测土壤、水和食物中的多种重金属离子，该项技术的分辨率和灵敏度很高，应用比较广泛。

2.1.4 溶出伏安法

利用溶出伏安法时，首先通过电解富集技术将测得的离子富集到电极表面，然后在反向电压的作用下重新溶解富集在电极表面的重金属，并根据所获得的伏安图确定金属含量。该技术的灵敏度非常高，非常适合对痕量、微量金属进行检测，且成本低、选择性好、操作简单，尤其适合连续化、自动化的实时分析，现阶段主要用于对大米等粮食中的砷（As）、镉（Cd）、铅（Pb）等重金属进行检测。然而，该检测技术的前处理工艺比较复杂，大量测量结果显示其重复性和稳定性也比较差。

2.2 紫外分光光度计法

被检测物对紫外可见光辐射的吸收作用不同，因此可利用物质对可见光辐射的吸收来检测其重金属含量，即紫外分光光度计法。在使用紫外分光光度计方法的过程中，需要将显色剂加入到待测物质中，通过显色度的差异来确定重金属含量。紫外分光光度计法无需经过复杂的消解处理过程，整个操作比较简单，对试剂和仪器的要求均不高，是现阶段比较成熟的重金属检测技术。

2.3 原子光谱法

原子光谱法广泛应用于金属含量检测，该方法耐外部干扰性较强，检出限低且灵敏度高，但每次只能检测大米中的一种重金属元素，无法实现同时检测大米中的多种重金属元素。原子光谱分析法主要包括以下几种。

2.3.1 火焰原子吸收法

该方法广泛用于测量元素原子在一定频率辐射下吸收的能量，测量灵敏度高但测量过程较复杂。

2.3.2 石墨炉原子吸收光谱法

该方法利用电流加热原子化进行原子吸收分析，检测时先将待测物质完全雾化，然后检测待测物质中重金属元素的含量。这种检测技术显著提高了原子化效率，且其分析准确性和灵敏度均得到了大幅度提升，主要用于痕量金属元素检测，但易受外界各种因素的干扰。

2.3.3 原子荧光光度法

利用该技术时，通过检测待测原子蒸汽在外辐射激发下的荧光强度，从而得到待测元素的含量。与原子吸收法相比，该检测技术受到的干扰少，获得的光谱谱线简单，但是成本较高，可用于检测的元素较少。目前，大米中重金属镉、铅测定的常用国家标准检测方法为石墨炉原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、火焰原子吸收光谱法和二硫腙比色法。目前市面上较为常见的大米重金属含量检测方法均需要通过繁杂的前处理过程、检测步骤很多，且需要加入显色剂、缓冲溶液等多种试剂，耗费大量人力物力，缺点很突出。若使用现行的检测技术，很难实现目前的食品安全检测站、食品生产加工企业等食品行业对于重金属含量检测的需求。近红外光谱（NIRS）是近年来发展起来，可广泛应用于食品检测领域的无损检测技术，但通过大量实验数据对比表明检测结果的准确度不够高。

3 高光谱无损检测技术分析

高光谱成像技术融合了光谱和图像，可以获取目标样品内部生物化学信息和外部的物理结构信息，规避了近红外光谱方法单点检测的劣势，且针对大米重金属含量的检测鲜有报道。

在20 世纪80 年代，高光谱成像技术被广泛用于灾难评估，而后被用于陆地遥感计划和军事侦察中。近年来，光学成像和电子成像技术的逐渐发展起来，高光谱影像技术也随之被商业化。鉴于高光谱成像技术的诸多优点，西方研究人员首次将此技术应用于农产品的无损检测，并取得了初步的成功。我国研究人员在此领域进行了大量实验，为高光谱成像技术在食品领域中的应用奠定了基础。

农产品无损检测主要采用声学、光学、电学和机械等方法对农产品的性能进行检测，然后按相关标准进行分类。高光谱影像成像系统主要由硬件模块和软件系统组成，硬件模块包括传感器模块、光源模块、采样模块、光谱数据采集平台，其中最重要的部分是高光谱影像成像技术。通过成像光谱仪和探测器的完美结合，可以有效、及时地获取被测物体的图像和光谱信息。采集样本图像时，首先由成像器接收待测物体表面反射和透射的光线，获得一维图像。检测过程中，被测物体进行连续运动，此时成像仪将捕获连续的一维光谱和图像信息，最终得到待测物体的完整光谱图像。高光谱技术是一种多信息融合技术，具有大量的冗余信息和高相关性，找到高效的降维技术来提高判断的准确性是该技术应用的关键。现阶段，主要通过连续投影等方法进行降维，但是这些降维方法只是保留了数据的重点特征，并不一定保留待测物的主要化学成分信息，故而很容易导致误判。寻找一种适用于水稻和其他粮食作物的科学有效的降维方法是下一个研究的重点。

目前，我国高光谱成像技术主要应用在对初级农产品的检测之中，尤其是用于生产过程监控以及成品质量检查中。然而，由于成像系统价格昂贵，在很大程度上限制了该技术的广泛推广。解决这一问题需要加大政府与科研单位之间的合作力度，进行资源优势共享，从而更好地推动高光谱无损检测技术的应用。

4 结语

综上所述，以我国大米中重金属污染的现状为出发点，分析了我国大米重金属污染检测现行技术（电化学分析、紫外分光光度计、原子光谱等），并进一步探索了高光谱无损检测技术。从多角度出发分析和比较各项技术的优缺点，旨在全面提高我国大米重金属污染的检测水平。