直接进样钨丝电热蒸发-原子荧光光谱法快速测定蒸馏酒中镉

王春慧 刘霁欣 毛雪飞

(中国农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所， 农业农村部农产品质量安全重点实验室，北京 100081)

镉，是一种能在人体和环境中长期蓄积的有毒重金属[1]，是作物生长和人体非必需元素。镉会在肾脏内蓄积，损害肾小管和肾小球，引起泌尿系统的功能变化，比如蛋白尿、氨基酸尿和糖尿[2]；镉还会取代骨中钙，使骨骼严重软化，引起骨痛病[3]，比如日本著名的“痛痛病”。国际癌症研究所(International Agency for Research on Cancer，IARC)将镉及其化合物列为Ⅰ类致癌物，美国毒物和疾病登记署(Agency for Toxic Substances and Disease Registry，ATSDR)将镉列为第7位危害人体健康的污染物，我国也将镉列为实施排放总量控制的重点监控指标之一。当前，人类活动是加剧环境中镉污染的主要来源，例如采矿、冶金、冶炼、陶瓷、电镀工业及化学工业等排出的“三废”，以及含镉磷肥[4]、塑料薄膜等[5-6]；环境中的镉会通过灌溉、种植等途径积累在农产品的可食部位，从而造成食品安全风险[7-8]。虽然我国《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中没有制定蒸馏酒中镉的污染限量，但是粮食中镉污染一直是我国最为关注的农产品质量安全问题之一，而由大米等粮食为原料加工的米粉[9]、蒸馏酒等也会传递镉的污染，同时玻璃、陶瓷等包装材料也是重金属镉迁移的重要途径[10]。

对于蒸馏酒中镉的检测，一般需要经过湿法、微波消解或75 ℃将乙醇蒸发后稀释，再利用原子吸收光谱(AAS)[11-12]、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)[13-14]、原子荧光光谱(AFS)、阳极溶出伏安法(Anodic Stripping Voltammetry，ASV)[15]等仪器进行测定，整个过程耗时长、易污染、安全隐患大。其中，AFS是一种成本低、高灵敏度的元素分析技术，在我国基层实验室普及率非常高，但是Cd的氢化物发生过程干扰大，需要掩蔽剂，不易操作和控制。因此，如果可以实现蒸馏酒中镉的直接进样检测，不仅可以省去样品前处理过程，而且可以避免Cd的氢化物发生干扰，从而实现快速、高灵敏检测。

目前，基于碳、石英和金属材料的电热蒸发技术是元素直接进样研究的热点，其样品导入效率高、通用性强，可与包括AFS在内的多种原子光谱仪器联用。与传统基于石墨材料 ETV[16]需要水冷和高功耗相比，钨丝ETV体积小、功耗低，可以快速升温至3 000 ℃以上，但是尚没有研究将其用于蒸馏酒中Cd的快速进样和检测。因此，实验选择改良的钨丝ETV作为蒸馏酒中Cd的直接进样装置，与AFS联用实现了Cd的快速、高灵敏测定。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂耗材

AFS-9130型原子荧光光谱仪(北京吉天仪器有限公司)，搭配有Cd空心阴极灯(北京有色金属研究院)；ETV升温程序控制软件(北京本立科技有限公司)；自组装电热蒸发进样装置，配复合结构钨丝、ETV底座(3号硅胶塞)、蒸发石英腔；SUPEC7000系列电感耦合等离子体质谱仪(杭州谱育科技发展有限公司)；MS分析天平(Mettler Toledo)；Milli-Q纯水仪((Millipore)。

镉、镁、钙、磷、钾、钠、铝、钴、锰、钒、锌、镍、铬、铜、铁、锡、铑单元素标准储备溶液(1 000 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；无水乙醇(分析纯，天津市富宇精细化工有限公司)；蒸馏酒样品采自北京超市，样品信息如表1所示。Ar、90%Ar+10%H2(北京诚为信实业气体有限责任公司)。

表1 蒸馏酒样品信息

1.2 仪器工作条件

采用AFS-8230型原子荧光光谱仪进行方法开发，条件与参数见表2。

表2 AFS仪器工作参数

采用SUPEC7000型ICP-MS仪器进行确证方法验证，条件与参数见表3。

表3 ICP-MS仪器条件与参数设置

1.3 标准溶液配制

将单元素标准储备溶液用50%无水乙醇(V/V)超声5 min排气泡后逐级稀释制备标准溶液，再稀释为工作标准溶液。使用时取适量的内标储备溶液，用1%硝酸(V/V)溶液稀释到10 μg/L。外标法定量，若检测元素超过标准曲线范围，需适当稀释后进样检测。

1.4 样品处理与检测

采用钨丝电热蒸发器作为原子荧光光谱仪的样品导入装置。使用移液枪移取 50 μL的样品在钨丝上，通过控制升温程序，完成对试样的干燥、灰化、蒸发、除残过程。

根据《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》(GB 5009.268—2016)的规定进行样品前处理：移取5 mL样品于消解管中，在石墨赶酸仪上80 ℃除醇，样品赶酸至0.5 mL左右，加入0.5 mL硝酸，继续赶酸至0.2 mL左右，样品冷却后用水定容至10 mL。按照表2中的仪器参数，使用ICP-MS测定Cd的含量，方法的定量限为0.1 μg/L。

2 结果与讨论

2.1 ETV程序优化

为了评估ETV对Cd的蒸发性能，将50 μL的Cd(1 μg/L)工作标准溶液或加标样品加入钨丝中，在ETV中以不同的电压干燥、灰化、蒸发。优化后，在1.6 V下加热30 s，可干燥完全，同时干燥时辅助通风，加快样品中醇类和水分的挥发。在1.6 V灰化不同时间，结果如图1所示。50 s实现了基质完全灰化且避免了Cd的损失。之后用不同的电压进行蒸发，结果如图2所示(蒸发电压为8 V时的AFS信号强度设置为1，其他参照其归一化)。在8 V前，Cd的荧光强度随电压的增加呈现升高的趋势，8 V时信号值最高，且相对标准偏差RSD(3%)较小。因此，确定的最终升温程序参数见表4，可以看出单个样品测定时间小于3 min。

图1 ETV灰化时间对Cd测定信号的影响Figure 1 Effect of ashing time on Cd signals (n=3).

图2 ETV蒸发电压对Cd测定信号的影响Figure 2 Effect of vaporization voltage on Cd signals (n=3).

表4 ETV装置参数

2.2 气氛及流速的影响

工作气体对于镉蒸发和传输至关重要。对镉标准工作溶液(1 μg/L)，保持其他参数不变的情况下，分别切换载气和屏蔽气的气氛为Ar和90%Ar+10%H2进行对比，结果如图3所示。由于钨丝在含氧气氛下加热到一定温度容易氧化，不仅会影响导电特性，且会导致钨丝损耗，大大缩短使用寿命。因此选择90%Ar+10%H2作为Cd蒸发的工作气氛。对90%Ar+10%H2流速进行优化，结果如图4所示。当载气大于0.4 L/min时，气流对蒸发Cd的稀释作用导致荧光信号逐渐减小，因此选择载气流速为0.4 L/min；屏蔽气在0.6 L/min时Cd信号最大，到0.8 L/min时信号平稳且RSD最小，因此选择屏蔽气流速为0.8 L/min。

图3 气氛对Cd测定信号的影响Figure 3 Effect of gas atmospheres on Cd signals (n=3).

2.3 传输距离优化

传输管是ETV装置与原子荧光光谱仪原子化器之间的有效传输通道。一般情况下，待测元素荧光信号的峰宽与传输管的长度和载气的流速有关[17]。因此，本研究考察了电热蒸发石英腔与原子化器之间传输距离的影响，结果如图5所示，随着传输距离的增加，Cd的荧光信号逐渐减小。这是由于传输距离越长，蒸发的Cd在传输管冷区吸附和沉积的可能性越大。对此，为了减少分析物的传输损失，将传输距离选择为ETV与原子化器之间可连接的最短物理距离，约5 cm。

图4 载气和屏蔽气流速对Cd测定信号的影响Figure 4 Effect of carrier gas and shield gas flow rates on Cd signals (n=3).

图5 传输距离对Cd测定信号的影响Figure 5 Effect of transportation distance on Cd signals (n=3).

2.4 原子化器点火影响

之前研究显示[18]，在还原性气氛中ETV蒸发的Cd多为原子态，可以直接被AFS检测。为了对此进行验证，对比了AFS原子化器点火和不点火对于Cd检测信号的影响，结果如图6所示。可以看出，在仪器最优条件下，原子化器是否点火对Cd信号无显著影响，表明在还原性气氛中ETV蒸发的Cd确实为原子态，可以被锐线光源直接激发荧光信号进行检测。

图6 原子化器是否开火影响Figure 6 Effect of quartz atomizer ignition.

2.5 样品量的影响

本研究使用的钨丝最大载样量为100 μL，考察5～100 μL进样量对ETV蒸发和检测结果的影响(图7)。进样5 μL时，体积量偏小，一是移液枪取样误差较大，二是样品代表量不足；当进样100 μL时，由于达到了钨丝的最大载样量，少部分样品可能会流到钨丝两边电源连接丝上，从而导致蒸发效果偏差，因此100 μL进样量的平行性较差。综上，进样量可选择范围在10～80 μL，实验采用50 μL进样量进行方法开发。

图7 进样量对Cd测定信号的影响Figure 7 Effect of sample volume on Cd signals (n=3).

2.6 基体元素干扰

考察了蒸馏酒样品基质最常见的基体成分，镁、钙、磷、钾、钠(10 mg/L)，铝、钴、锰、钒(1 mg/L)，锌、镍、铬、铜、铁、锡(0.1 mg/L)等元素对检测1 μg/L镉的信号干扰情况，结果如图8所示。可以看出，考察元素的回收率均在92.0%～121%，表明常见的金属离子对ETV-AFS测定Cd没有显著的干扰作用。

图8 干扰元素对Cd测定信号的影响Figure 8 Effect of interference elements on Cd signals (n=3).

2.7 方法学评价及真实样品分析

在以上研究的基础上，对ETV-AFS仪器检测蒸馏酒中Cd的方法性能进行了系统评价。在0.5～100 μg/L线性范围内回归系数(R2)为0.997，符合实际样品检测的基本线性要求。根据检出限计算公式，测量11次空白溶液的信号强度，检出限LOD为3倍标准偏差与标准曲线斜率的比值，定量下限LOQ为10倍标准偏差与标准曲线斜率的比值。结果显示，当进样量为50 μL时，LOD为0.06 μg/L，LOQ为0.2 μg/L。对白酒1号样品加标1 μg/L后进行11次重复测定，RSD为5%，表明方法精密度良好。

为了验证该方法的适用性，对从当地购买的9种蒸馏酒进行检测。采用加标回收和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法进行对比验证(表5)。结果显示，真实样品的加标回收率在86.0%～116%，表明该方法的准确度良好；RSD为2.0%～8.0%，表明该方法的精密度可以满足蒸馏酒中痕量镉的测定要求。

表5 实际样品中Cd的测定结果

3 结论

面对日益突出的重金属污染问题，建立快速、准确的重金属检测方法对我国食品安全监管具有重要意义。利用钨丝电热蒸发器和原子荧光光谱仪，构建了一种操作简便、功耗低、准确性和稳定性良好的痕量镉直接进样分析仪器，并将其运用于蒸馏酒中重金属镉的检测。当该仪器的ETV蒸发电压为8 V，90%Ar+10%H2的载气、屏蔽气流速分别为0.4 L/min和0.8 L/min时，对Cd的LOD为0.06 μg/L，在0.5～100 μg/L范围内线性回归系数(R2)为0.997，多次测定的RSD可以控制在8.0%以内，对9种蒸馏酒加标样品的分析结果与ICP-MS测定值一致，加标回收率在86.0%～116%，整个检测时间可以控制在3 min之内。因此，建立的直接进样ETV-AFS方法，可以快速、灵敏、准确地测定蒸馏酒中痕量Cd，能够有效支撑白酒产品的质量安全监测工作。