X 射线荧光光谱法快速测定小麦(粉)中镉含量

路辉丽，尹成华*，高敬铭，秦祎芳，耿丽娜，李 敏

1.河南省粮油饲料产品质量监督检验中心，河南 郑州 450004 2.开封市粮食质量检验监测中心，河南 开封 475000 3.郑州市粮食科学研究所，河南 郑州 450003

镉是一种环境重金属污染物，通常通过废气、废水、废渣排入环境中。随着环境污染的加剧，灌溉水及土壤中镉含量不断增加，通过生物的迁移累积，农作物中镉含量逐渐升高，导致粮食中镉含量超标[1-3]。长期食用遭到镉污染的食物，可能导致“痛痛病”，积聚过量的镉会损坏肾小管功能，造成体内蛋白质从尿中流失，久而久之形成软骨症和自发性骨折。人体过量摄入镉不仅会致癌，还会产生强烈的致畸作用[4-5]。

我国对小麦中镉含量的安全标准制定极为严格[6],现行的食品安全国家标准《食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中规定小麦(粉)中镉的限量为0.1 mg/kg。镉元素的检测方法主要有原子荧光光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、高效液相色谱法、分光光度法、电化学法等[7-9]，其中《食品安全国家标准食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)中规定的检测方法为石墨炉原子吸收光谱测定法。罗原能等[10-11]用石墨炉原子吸收光谱检测稻谷、面粉中镉含量。国标规定的检测方法稳定可靠、灵敏度高，但样品前处理操作复杂，周期较长，并且受到设备、人员和环境的制约，不适合基层人员的掌握和推广[12]。目前，X射线荧光光谱法是实验室和工业界公认的方法，因为该方法本质上无破坏性，是一种快速的物质测定方法[13-14]，相关部门也出台了相应的行业标准，如LS/T 6115—2016《粮油检验稻谷中镉含量快速测定X射线荧光光谱法》，李梅等[15-16]采用X射线荧光光谱仪快速检测大米中镉含量，罗志浩等[17]利用X射线荧光光谱仪检测粮食中镉、铅、砷。但采用 X射线荧光测定小麦中重金属含量的报道较少，尤其是采用该方法测定小麦中重金属镉的报道几乎没有。

因此，开发出一种准确、可靠、简便、快捷的小麦中镉含量的分析方法，不仅可以满足日常的风险监测需求，还能广泛应用于基层粮库的现场收粮的快速检测[17]。作者采用X射线荧光光谱法快速测定小麦(粉)中镉含量，分别验证评价了方法的检出限、定量限、准确度以及精密度，得出该检测方法的准确性和可靠性。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

4组天然不同镉(Cd)含量阳性小麦(粉)样品、20个镉空白小麦(粉)样品：实验室制备。硝酸(HNO3， UP级)：苏州晶瑞化学股份有限公司；过氧化氢(H2O2)：天津市风船化学试剂科技有限公司；盐酸(HCl)、高氯酸(HClO4)：GR级。

1.2 仪器和设备

JYF-1/8分样器：无锡穗邦科技有限公司；CHOPINMR10L混样仪：法国肖邦技术公司；FM200超离心研磨仪：北京格瑞德曼仪器设备有限公司；SYH-5三维运动混合机：常州市东南干燥设备有限公司；PinAAcle 900T原子吸收光谱仪：PerkinElmer；861L96、861L13 X射线荧光光谱仪：苏州三值精密仪器有限公司；01A、04A X射线荧光光谱仪：江苏天瑞仪器股份有限公司；201488、201489 X射线荧光光谱仪：钢研纳克检测技术股份有限公司。

1.3 方法

制备20个镉空白小麦(粉)样品:由同一实验室采用不同X射线荧光光谱法测定镉含量小于0.02 mg/kg的样品。

制备粉碎均匀的4组不同镉含量梯度的小麦(粉)样品(A样、B样、C样、D样)，由12个实验室分别使用石墨炉原子吸收光谱法与X射线荧光光谱法进行双试验测试验证。

1.3.1 石墨炉原子吸收光谱法

将小麦(粉)样品混合均匀，用超离心研磨仪(筛网孔径为0.5 mm)粉碎备用。前处理参照GB 5009.15—2014,使用干法灰化消化，称取粉碎均匀的样品0.5 g置于瓷坩埚中，在可调式电炉上炭化至无烟，移入马弗炉500 ℃灰化6～8 h，冷却。加入1%硝酸溶液将灰分溶解，转移并定容至10 mL容量瓶，均匀备用；同时做试剂空白试验。上机采用石墨炉原子吸收光谱法测定小麦(粉)中的镉含量。

1.3.2 X射线荧光光谱仪法

按照产品说明书要求，分别设定6台仪器的测试参数。仪器预热20～30 min，然后进行初始化校正，随后开始试验。每个仪器生产厂家的校准方法可能会略有差异，应按照产品使用说明的规定进行操作，确保数据的准确性。

小麦(粉)样品混合均匀，用超离心研磨仪(筛网孔径为0.5 mm)粉碎备用。用勺子取混合均匀的足量样品并倒入样品杯中，盖上盖子并压实、压平，放置在样品测试孔中，关闭进样口盖，调用仪器内置校准曲线，按“测量”键开始测量，测试时间不得少于1 000 s。当X射线管自动关闭，进入待机状态，测试结束，测试界面会出现测定值，打印测试结果。

1.4 数据处理

数据处理采用Excel 2007和DPS 13.5分析软件。

2 结果与分析

2.1 方法检出限和定量限

对20个独立的空白样品分别使用6个不同的X射线荧光光谱仪进行镉含量测定，计算检出限(20个空白样品的检测结果平均值加上3倍标准偏差)和定量限(20个空白样品的检测结果平均值加上10倍标准偏差),结果如表1所示。结果表明，该方法的检出限为0.021 9～0.034 0 mg/kg，定量限为0.030 3～0.068 6 mg/kg，完全可以满足日常检测和方法标准要求。

表1 不同X射线荧光光谱仪测试的检出限和定量限Table 1 Detection limit and quantitation limit of different X-ray fluorescent spectrometer tests

2.2 方法准确性

根据LS/T 6402—2017[18]中6.2.2的要求，12家实验室对4组阳性小麦(粉)样品(A样、B样、C样、D样)进行双试验检测，利用原子吸收光谱法(GB 5009.15—2014)(Ⅰ法)和X射线荧光光谱法(Ⅱ法)检测，结果见表2。两种方法的检测结果分析采用配对t-检验法，对比是否存在显著性差异。由表3可知，td=1.165

表2 镉含量两种检测方法原始数据Table 2 Original data of two cadmium content detection methods

表3 镉含量两种检测方法配对t-检验结果Table 3 Paired t-test results of two cadmium content detection methods

2.3 X射线荧光光谱法精密度试验分析

参照GB/T 6379.2—2004的计算过程，12个实验室采用X射线荧光光谱法(Ⅱ法)检测的镉含量均值结果见表4，分别使用柯克伦检验、格鲁布斯检验剔除离群值(经检验，实验室8检测的C样为离群值，予以剔除)后，再次用柯克伦检验、格鲁布斯检验对剩余数据进行检验分析，无离群值后，确定上述试验测量方法的精密度。

2.3.1 一致性和离群值的检查

对表4中的数据进行柯克伦检验，结果见表5。对于A、B、D 样品，测试实验室有12个，镉含量检测数据的柯克伦检验统计量均小于5%临界值(0.541)；对于C样品，测试实验室有11个(已剔除实验室8检测数据)，镉含量检测数据的柯克伦检验统计量小于5%临界值(0.570)，所以均为正确值。

表4 12个实验室小麦(粉)中镉含量的平均值Table 4 Average cadmium content of wheat (flour) from 12 laboratories mg/kg

为进一步发现可能存在的离群值，对表4数据进行了格鲁布斯检验[19]。验证中，首先对每组数据的一个最大值、一个最小值进行格鲁布斯检验运算，无离群值时再对每组数据的两个最大值、两个最小值进行格鲁布斯检验运算，结果见表6。由表6可以看出，在4组样品中，12个验证单位的单个高值和单个低值的最大格鲁布斯检验统计量为2.258 1，小于测试次数n=12时95%置信区间的格鲁布斯检验临界值(2.412)。因此，可以判定所有验证实验室每组数据的单个高值和单个低值没有歧离值或离群值。对12个验证单位的两个高值和两个低值的格鲁布斯检验中，A样的两个高值为实验室10和11，格鲁布斯检验统计量(0.178 3)小于测试次数n=12时95%置信区间的格鲁布斯检验临界值(0.253 7)，因此判定最高测试结果为歧离值，后面的数据分析中保留这些歧离值。

表5 12个实验室小麦(粉)中镉含量的柯克伦检验统计Table 5 Cochran test statistics of cadmium content in wheat (flour) from 12 laboratories

表6 12个实验室测试数据平均值的格鲁布斯检验统计Table 6 Grubbs test statistics of mean values of test data from 12 laboratories

2.3.2 方法精密度

表7 小麦(粉)中镉含量的和SRjTable and SRj values of cadmium in wheat (flour)

由表7可知，随着镉含量(m)的增大，Sr和SR也在增加，可以建立m与Sr和SR之间的函数关系。拟合它们函数关系的实际计算方法参考GB/T 6379.2—2004，得出拟合函数关系式。通常选择3种类型的关系式[20]：

①通过原点的直线，Srj/SRj=bm；

②截距为正的直线，Srj/SRj=a+bm；

③对数或指数关系，lg (Srj/SRj)=lgc+dlgm或Srj/SRj=cmd,d≤1。

式中：a、b、c、d均为常数。

图1 Srj和SRj与的拟合关系Fig.1 Fitting relationship of Srj, SRj and

由图1可知，对于重复性而言，线性拟合与乘幂拟合的线性决定系数R2相近；对于再现性而言，线性拟合的线性决定系数R2大于乘幂拟合的，表明线性拟合好于乘幂拟合。因此，选择线性拟合关系，当小麦(粉)镉含量在0.054～0.414 mg/kg时，测量方法精密度(以mg/kg表示)最终值关系式表示如下：

重复性标准差Sr=0.031m+0.002；

再现性标准差SR=0.026m+0.003。

3 结论

采用X射线荧光光谱仪对小麦(粉)中镉含量进行快速检测，分别验证评价了方法的检出限、定量限、准确度和精密度。结果显示，该方法的检出限为0.021 9～0.034 0 mg/kg，定量限为0.030 3～0.068 6 mg/kg，能够满足方法标准要求。为了更好地验证测试方法的准确性，按照相关标准规定，对X射线荧光光谱仪法进行了实验室内和实验室间验证。经验证，该方法与石墨炉原子吸收光谱测定法采用配对t-检验法，两种方法的测定结果不存在显著性差异；通过12家实验室间X射线荧光光谱法验证分析，当小麦(粉)镉含量在0.054～0.414 mg/kg时，建立方法重复性标准差Sr和再现性标准差SR与镉含量m的关系式，得出测量方法精密度关系式：重复性标准差Sr=0.031m+0.002；再现性标准差SR=0.026m+0.003，所得结果均能满足相关数理统计要求。因此，本方法的流程和参数合理，检测时间短，检测效率高，样品前处理简单，无试剂消耗，检测成本较低，绿色环保，可以广泛推广用于小麦(粉)镉含量的快速检测。