稻米及其植株器官、环境土壤中总汞的快速测定

司敬沛 刘以笏 刘海涛

(北京海光仪器有限公司 北京101312)

汞是自然存在的特殊的重金属元素，有剧毒，在自然界中，汞多以化合物的形态存在，对人类和环境带来的危害愈来愈引起普遍的关注。研究结果表明土壤中汞含量在一定范围内和水稻中汞含量呈正相关的关系[1]。大米中重金属的污染情况及风险评估已经有了很多报道，关于稻米中重金属对健康的危害进行了详细的风险评估[2]，认为当前大米中重金属的污染比较严重，应该重视起来。2017 年8月，作为唯一一个全球范围内的管控条约《关于汞的水俣公约》，对我国正式履约生效，对汞提出全面管控要求。 USEPA(美国国家环境保护局)也早于1997年就制定了无机汞日安全摄入量不超过0.30 μg/(kg·d)[3]，我国的国家标准限制了食品、饲料、种植土壤中的汞限量，食品安全国家标准规定谷物中总汞的限量为不超过0.02 mg/kg[4]；稻米的谷壳、叶、茎、根等植株可以作为饲料原料利用，而我国饲料卫生标准规定饲料原料中汞的限量不超过0.1 mg/kg[5]；土壤中汞含量按土壤的酸碱程度划分，最大不超过1.0 mg/kg[6]。赵静等[7]、赵琳琳等[8]分析了大米的汞污染情况，对大米的安全控制作了阐述。

作为我国的汞工业矿区基地之一的贵州省铜仁矿区，因长期大规模开采和冶炼汞，导致大量废石和冶炼矿渣的堆积，形成汞矿闭坑废弃地，是重要的汞释放源之一。种植在汞矿污染区的农作物遭受严重的汞污染，对矿区居民的健康造成了潜在威胁。并且汞污染的土壤对水稻有抑制作用，抑制作用随汞的浓度增大而增大，降低稻米产量[9]。

传统的测汞方法在样品处理过程中容易引起汞损失及产生记忆效应，使结果不稳定。而且，传统的测汞设备测汞线性范围窄，遇到高汞含量的样品，需要稀释甚至多次稀释，易引入误差。而直接测汞仪采用的是直接进样-热解析-冷原子吸收光谱法的原理，免样品消解，无汞损失，高温加热催化管、管路中氧气流的一直吹扫，大大降低了记忆效应。而且，直接测汞仪设计有长、短不同的两个吸收池，可以设置低、高浓度范围的两条标准曲线，低、高汞含量的样品可以选择适合的曲线校正。特别是同批次测量汞含量差别大的样品时，既避免了前处理时的交叉污染，上机时汞的记忆效应大大降低，保证了检测结果的准确性。

目前，有关稻米中汞的暴露风险、汞的检测研究较多，但对相关的水稻植株不同器官及其环境土壤系列样品中汞的检测研究不多，特别是汞污染矿区的样品，传统的测汞方式需根据不同类的样品选择不同的前处理方法，繁琐且周期长。要了解汞在稻米植株中的迁移规律，采取措施控制汞的迁移，修复治理汞污染种植土壤，直接、快速、准确获得稻米及其生长植株、土壤中的汞含量，将会大大缩短实验周期，提升实验效率。而直接测汞仪免化学消解直接测量，降低了样品前处理带来的系统误差，能更方便、快速获得测量数据，更直观地比较结果，为土壤修复研究提供快捷、可靠的数据支持。

直接测汞仪因其免消解直接测量的优势，越来越受到检测行业的欢迎[10-11]。要想快速获取稻米的籽粒、植株及生长环境土壤等一系列关联样品中的汞含量，特别是对于研究汞污染区的一系列相关样品中汞含量，直接测汞仪是最佳选择，为风险评估、土壤修复等研究提供快速、直观、准确的系列数据。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

HGA-100直接进样测汞仪(北京海光仪器有限公司)，万分之一电子天平(SQP，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)，移液枪(100～1 000 μL、10～100 μL，德国Brand公司)，超纯水机(20 N系列，北京历元电子仪器有限公司)，马弗炉(盈安美诚仪器公司)，干燥箱(BG2-246，上海博讯实业有限公司医疗设备厂)，粉碎机(FW 100，天津市泰斯特仪器有限公司)，陶瓷研钵(韦斯实验设备有限公司)。

质控样品标准物质：柑橘叶(GBW 10020)、芹菜(GBW 10048)、湖南大米(GBW 10045)、土壤(GSS-7)、水系沉积物(GSD-9)均购自地球物理地球化学勘查研究所。

汞标准储备溶液(1 00 μg/mL，中国计量院)，硝酸(优级纯，国药集团化学试剂有限公司)，重铬酸钾(化学纯，国药集团化学试剂有限公司)，载气(高纯氧，99.99%)，实验用水(超纯水)。

实验样品：稻米成熟季节贵州铜仁市某废弃汞矿区稻米产地采集的水稻(整株带谷壳、叶、茎、根)、根际土、非根土。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备

样品采集后，放实验室晾台晾晒、风干后，把植株的带壳稻米捋下，摘取稻叶、剪下茎、根。用研钵把带壳稻米研磨至谷、壳分离，分别收集米、壳。称取各类样品100 g，米粒(糙米)、壳分别用粉碎机粉碎，过380 μm孔径尼龙筛；叶、茎、根分类后剪成小段，粉碎机粉碎，过380 μm筛。土壤样品混匀后用木棒辗轧，过2 mm尼龙筛，再过140 μm筛。注意：粉碎样品顺序为米粒、谷壳、茎、叶和根等汞含量相对较低的样品，再粉碎土壤，每类样品粉碎完后研钵要清理干净，避免交叉污染。

1.2.2 标准工作曲线的制作

用移液枪分别吸取10、20、50 μL汞使用液100 μg/L和10、15 μg/L汞标准工作溶液1 000 μg/L，配制成标准点1.0、2.0、5.0、10、15 ng的长池低浓度系列标准工作曲线；吸取15、50 μL汞标准工作液(1 000 μg/L)和50、75、100 μL汞标准使用液(2 000 μg/L)，配制成标准点为15、50、100、150、200 μg/L的短池高浓度系列标准工作曲线。以各系列标准溶液中汞的绝对含量(ng)为横坐标，以其产生的吸光度(Abs)为纵坐标，分别绘制长池和短池汞的标准曲线，拓展线性范围，兼顾样品浓度大小都能准确测量。

1.2.3 仪器工作条件

调节氧气瓶出口减压阀至出口压力为0.5 MPa，依次打开HAG-100测汞仪主机电源、电脑开关，双击软件工作站联接仪器，等待温控模块温度升到设定值，设置载气流量200 mL/min。实验开始前，需进空样品舟测量空白，以验证样品舟是否干净，同时除去样品舟及管路残留，连续测量直至所测空舟吸光度小于0.003，可进行样品测试。具体温控工作条件参数见表1。

表1 HGA-100直接测汞仪仪器工作条件

1.3 测定方法

为了防止污染，减小汞的记忆效应，样品按大致判断汞含量先低后高的顺序测量。准确称取0.15 g样品于样品舟中(可根据汞浓度含量高低调整称样量，可变范围在20～200 mg)，本实验测量顺序按稻米、谷壳、茎、叶、根、非根际土、根际土的顺序上机测定。按设定好的仪器条件开始检测，获得相应的吸光度值，从标准曲线读取对应的汞绝对含量，再根据样品称样量算出样品中汞的相对含量(仪器直接输出最终结果)。

选取国家标准物质湖南大米(GBW 10045)、芹菜(GBW 10048)、柑橘叶(GBW 10020)、土壤(GSS-7)为质控样品，测定汞含量，结果与标准证书值比较验证仪器的准确性。称样量范围为50～200 mg，每个样品连续测定三次，计算相对标准偏差和平均测定值。

选取三种不同类别的样品大米、茶叶、土壤分别做加标回收实验，计算加标回收率，验证仪器的稳定性。每种样品称取100 mg，分别添加2、5、10 ng标准溶液，测定加标后的含量，每个样品连续测三次，计算平均值、精密度(相对标准偏差RSD)和回收率。

2 结果与讨论

2.1 仪器裂解温度的确定

对于干粉类样品，在保证样品完全裂解的前提下，为了节省时间及节约电能，可以适当缩短干燥时间。裂解温度过低保持时间不够，样品中的汞不能完全被蒸发出来；裂解温度过高保持时间过长，会缩短炉丝寿命且浪费电能。本实验先保持裂解时间40 s，裂解温度从500 ℃增加到750 ℃，每次增加50 ℃，分别连续测定三次稻米样品。实验表明，随着温度的升高，测定结束后退出来的样品舟中残留的灰烬中黑色碳化物渐少，灰白色灰烬渐多，且目视质轻，仪器信号也趋于稳定。温度保持时间过短影响裂解效率，过长影响测样效率，综合考虑，选择裂解温度650 ℃保持40 s为最佳裂解条件。

2.2 外标曲线标准物质的选择

外标法制作标准曲线时标准物质的选择可以选择液体和固体，固体标准物质称重根据标准值中位值计算不同称样量上机，制作不同汞绝对含量的标准点，实验选用土壤标准物质(GSS-7)；液体标准物质选择国家标准物质溶液按高浓度逐级稀释后取不同的体积上机，仪器根据信号值换算汞浓度。标准曲线制作好以后，测定湖南大米(GBW 10045)、柑橘叶(GBW 10020)、土壤(GSS-7)三种质控标准品。实验表明，无论采用固体还是液体标准物质作外标曲线，测定结果没有明显差异，说明无论固体还是液体标准物质，对固体进样的样品检测结果无明显影响。方便起见，本实验选择液体标准溶液制作外标曲线。

2.3 仪器释放温度的选择

样品被高温分解后，汞被富集在齐化管上形成金汞齐，加热齐化管释放汞蒸气，最终被检测器检测输出信号。如果齐化管的释放温度过低，金汞齐中的汞不能完全被释放，会导致检测结果偏低或不稳定；释放温度过高会缩短释放炉丝的寿命，观察炉丝亮度和检测样品结果的准确度和稳定性，选择释放温度为900 ℃最佳(释放时间系统默认)。

2.4 方法检出限的确定

标准曲线测完后，清理干净样品舟至空舟吸光值在0.003以下，连续11次测定空样品舟，记录吸光度值，计算标准偏差，查自由度为10、置信度为99%时的t分布(单侧)值与标准偏差相乘的积，计算得出本仪器的方法检出限为0.005 ng，按称量0.15 g样品来算，方法检出限为0.033 μg/kg，定量下限一般为方法检出限的4倍，为0.13 μg/kg。

2.5 稻米、各部分植株及土壤中的汞测定

按照实验方法测定稻米、各部分植株及生长土壤中的汞含量，按照米、壳、茎、叶、根、根际土及非根土的顺序，依次测定。根据预测样品不同含量，米、壳、茎的取样量为50～100 mg，每个样品连续测3次，计算平均值及相对标准偏差(表2)。

表2 稻米及其植株、土壤中汞含量

由表2可以看出，实验用样品大米中汞的含量远超过我国食品安全国家标准规定的污染物汞限量指标；谷壳、茎、叶和根用来作饲料原料，汞含量远超我国饲料卫生标准中规定的汞限量；根际土和非根土中汞的含量远超过我国土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准。从大米及其生长植株、生长土壤中汞浓度高低可看出，含汞浓度顺序为：根际土>非根土>叶>根>茎>壳>米，叶中汞含量高于根部，符合谢国雄等[12]的研究结论，因大气沉降严重导致的。此水稻种植地受汞污染程度严重，且受大气沉降导致的汞污染影响明显。

2.6 质控样品的测定

选择与待测样品同类别的四种标准物质GBW 10045湖南大米、GBW 10048芹菜、GBW 10020柑橘叶和GBW 07407土壤为质控样品测定其汞含量，每个样品连续测定3次，计算平均值和相对标准偏差(RSD)，测定结果见表3。

表3 质控标准物质汞测定值

从表3可以看出，选取的四种标准物质作质控样品，测定值都在标准证书值范围内，且接近中位值，3次测定的相对标准偏差数值比较小，说明直接测汞仪仪器有较好的准确性和重现性。

2.7 加标回收实验

按照实验方法，选择大米、茶叶、土壤3种与待测样品同类别的样品，按照汞含量范围包括低、中、高浓度进行标准溶液加标回收实验，计算测定值、精密度及平均加标回收率，实验结果如表4所示。

从表4可以看出，对3类样品的加标测定实验，3次测定值的相对标准偏差较低，重复性较好，3种样品的加标回收率在90.7%～108%，说明仪器在测定这类样品时有良好的稳定性和准确性。

表4 加标回收实验

3 结论

运用直接测汞仪对汞污染区的稻米米粒、谷壳、茎、叶、根及根际土和非根土系列样品的免消解快速直接测定。建立了直接测汞仪快速测定稻米及其生长植株和生长环境土壤中汞含量的方法。确定方法检出限为0.033 μg/kg，验证了该方法测汞的准确度和稳定性。该仪器样品免化学消解，避免了消解带来的误差，省去了试剂消耗和人力，节能减排，为汞浓度跨度大，对汞的检测提供方便。