以分析全过程为导向的分析化学综合实验：石墨炉原子吸收光谱法测定大米中的镉含量

刘秀红，刘伟伟，路贝佳，赵墨浓，林聪

江西科技师范大学化学化工学院，南昌 330038

1 引言

镉作为一种环境污染物，因具有极大毒性和致突变性被美国毒物管理委员会列为第六位危及人类健康的有毒物质[1]。在正常环境状态下，镉含量极低，不会影响人体健康。近几十年由于国家工业、矿业的大力发展，而环保设施的投入又未能同步跟进，导致部分企业直接将含重金属镉的废水直排入土壤、农田或其他水源中，严重污染了土地和水质，被污染的土地种植的作物也会被污染[2]，其中水稻对镉具有较强的吸收和富集能力，是典型的“受害作物”。人长期食用被镉污染的大米会产生慢性中毒，损害骨骼、肾脏和消化系统[3]，造成严重的危害，例如1968年发生在日本富山县的“痛痛病”，即是由于人们食用了镉污染的稻米引起的[4]。因此指导学生对大米中的镉含量进行定量分析既具有非常重大的环保意义，又贴近日常生活，容易激发学生的研究兴趣。

目前高校开设的分析化学实验教学内容主要包括经典分析实验和仪器分析实验，前者注重让学生掌握规范的实验基本操作技能，后者则侧重于指导学生掌握仪器的工作原理和基本操作，实验内容比较单一[5,6]，均以教师的讲授为主，学生照着操作步骤练习，实验过程中师生的互动和研讨较少，而且主要以验证性实验为主[7,8]，对基质较复杂的实际样品的全过程分析实验则较少，忽视了培养学生对分析全过程的质量保证和质量控制的能力，无法获得准确度高的分析结果，不能真正达到“分析”的要求[9,10]。针对这些问题，我们挖掘出一项以分析全过程为导向的分析化学综合实验——石墨炉原子吸收光谱法测定大米中的镉含量，本实验做了如下设计：

(1) 为了加深学生对分析全过程的理解，并掌握如何关注到分析结果的准确度，本实验以大米作为分析试样，内容涵盖从样品的制备、方法的适用性验证、前处理、上机分析和数据处理以及每一步如何做好质量保证和质量控制等步骤，确保获得准确的分析结果，并能依据判定标准对该结果进行合格与否的判定(是否符合限量要求)。具体的质量保证和质量控制措施包括空白实验平行样的测定、多平行精密度实验、添加回收实验、有证参考物质(或质控样品)的使用，增强学生质量保证和质量控制的意识，过程见图1。

图1 大米中镉含量的分析全过程

(2) 对标准的选择和应用是分析工作者应具备的一项基本能力。本实验综合考虑实验室条件和安全性因素，参考了国家强制性标准GB 5009.15–2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》中的干法灰化法对样品进行前处理，但由于国家标准规定干法灰化法对食品的灰化温度为500 °C，灰化时间6–8 h，经过多次实验分析发现不但耗时长而且大米样品难以一次性灰化完全[11]，整个实验过程需耗时约18 h，不符合教学的要求，因此我们对样品的前处理进行了优化改进，使得整个灰化效果提升，灰化时间大大缩短，分析结果准确，能够保证实验在规定8学时内完成。

(3) 为了加强学生对消除系统误差的重要性的认识，实验中设计了样品空白污染实验，引导学生如何分析系统误差，提高学生探究问题、解决问题的能力。

本实验将应用与研究合二为一，难度适中、可操作性强、与所学的分析化学理论知识联系紧密、综合性较强，适用于高校分析化学实验室以小组制、项目化的形式向学生开放，激发学生的研究性思维。

2 实验部分

2.1 实验原理

大米试样经灰化消解后，注入一定量样品消化液于原子吸收分光光度计石墨炉中，电热原子化后吸收228.8 nm共振线，在一定浓度范围内，其吸光度值与镉含量成正比，采用标准曲线法定量。

2.2 试剂或材料

(1) 试剂：硝酸溶液(1%，取10.0 mL硝酸加入100 mL水中，稀释至1000 mL)。

(2) 国家认证并授予标准物质证书的标准物质：镉的标准溶液(1000 mg·L-1，国家有色金属及电子材料分析测试中心，GSB 04-1721–2004，纯度≥ 99.8%)。

(3) 国家认证并授予标准物质证书的实物标样：大米粉(镉含量0.116 ± 0.014 mg·kg-1，国家粮食和物资储备局科学研究院，METAL-DJTZK-028)。

(4) 试样：大米(鄱阳县金田米业有限公司，生产日期：2021/4/11，保质期：6个月，10 kg包装)。

2.3 标准溶液配制

(1) 镉标准储备液(100 μg·L-1)：准确吸取镉的标准溶液(1000 mg·L-1) 1.0 mL于100 mL容量瓶中，用硝酸溶液(1%)定容至刻度，如此经逐级稀释法稀释成100 μg·L-1的镉的标准使用液。

(2) 镉标准曲线工作液：准确吸取镉的标准使用液0、0.20、0.50、1.0、2.0、3.0 mL于100 mL容量瓶中，用硝酸溶液(1%)定容至刻度，即得0、0.20、0.50、1.0、2.0、3.0 μg·L-1的标准系列溶液。

2.4 仪器和表征方法

(1) 仪器名称、型号与生产厂家见表1。

表1 实验仪器及规格

(2) 测定条件见表2。

表2 石墨炉原子吸收光谱仪测定镉含量的仪器条件

2.5 实验步骤

(1) 样品的缩分和制备。

缩分：将购得的大米堆装好，在堆的各处分别采样，混合均匀后按四分法对角取样，缩分至200 g。

制样：将大米研磨成均匀的样品，过40目筛，使其颗粒度不大于0.425 mm，分成两份，一份留样，另一份供分析检测用。两份样品均储于洁净的密封袋中，并标明标记，于室温、通风良好条件下保存备用，实验过程见图2。

图2 样品的采集、缩分和制备过程

(2) 样品空白的测定。

为了加深学生对系统误差的认识，我们选择了两批玻璃仪器进行实验，其中一批只用去离子水清洗干净，而另一批则按照要求以硝酸-水溶液(V(硝酸) :V(水) = 1 : 4)浸泡24 h以上，用水反复冲洗，最后用去离子水冲洗干净。然后分别用两批玻璃仪器进行样品空白的测定，除不加入试样以外，其他实验条件均相同，均平行测定6份。

(3) 干法灰化法实验条件优化。

称取制备好的大米粉试样0.3–0.5 g(精确到0.1 mg)于坩埚中，在电热板上小火炭化至无烟，然后移入马弗炉中分别在550、600、650 °C温度下灰化1 h后取出坩埚，冷却后小心加入1 mL浓硝酸，在电热板上小火炭化至酸蒸干后，继续移入马弗炉中分别在550、600、650 °C温度下灰化1 h，要求试样消化至呈灰白色。取出冷却后用硝酸(1%)将消解液洗入10 mL容量瓶中，定容至刻度。同时做试剂空白实验和添加回收实验。

(4) 绘制标准曲线。

设定好仪器测定条件后，准确吸取10 μL镉标准溶液(0、0.20、0.50、1.00、2.00、3.00 μg·L-1)置于石墨炉中测定吸光度值，根据吸光光度值与浓度的线性关系建立标准曲线方程。

(5) 方法检出限和定量限的测定。

测定20次样品空白溶液的吸光度值，计算标准偏差，根据公式计算检出限和定量限。

(6) 样品的测定。

精密度实验：称取6份已制备好的大米粉试样0.3–0.5 g(精确到0.1 mg)至坩埚中；

准确度实验：称取2份已制备好的大米粉试样0.3–0.5 g(精确到0.1 mg)，往其中加入标准溶液(100 μg·L-1，100 μL) 至坩埚中；另外称取2份国家认证并授予标准物质证书的实物标样0.3–0.5 g(精确到0.1 mg)至坩埚中。

将称量好的样品移至电热板上小火炭化至无烟后，在优化好的灰化条件下进行灰化至试样消化完全呈灰白色或浅灰色。取出冷却后用硝酸(1%)将消解液洗入10 mL容量瓶中，定容至刻度。同时进行样品空白测定。

3 结果与讨论

3.1 样品空白的测定，排除系统误差

样品空白实验结果如表3。由于所测定试样中的镉含量在痕量级别，空白值的高低对于准确定量非常重要，若空白值太高则考虑存在系统误差，需要消除。从表中数据可以看出未用硝酸浸泡过的玻璃容器表面容易附着污染物，样品空白值较高，而浸泡过后的样品空白值正常，系统误差被消除。

表3 样品空白测定值

3.2 干法灰化法实验结果

不同灰化温度和灰化时间的实验结果见表4。数据表明灰化温度达到600 °C和650 °C时样品可以灰化完全，虽然650 °C时样品灰化至完全所需的时间较短，但是回收率有所下降，说明在灰化过程中镉元素有损失。因此，对大米样品的灰化最佳温度为600 °C，前后分别灰化1 h，大大缩短了实验所需时间，而且不会造成镉损失，可以保证测定结果的准确度。

表4 不同灰化温度下灰化时间和添加回收率

3.3 标准曲线

对不同浓度的镉标准曲线工作液进行吸光度的测定，结果见表5，根据结果绘制标准曲线，见图3。所得标准曲线方程为y= 0.0994x+ 0.0048，R2= 0.998，表明吸光度与镉的标准溶液的浓度之间的线性关系良好，符合分析的要求[12]。

图3 标准曲线

表5 不同浓度的镉标准曲线工作液的吸光度

3.4 检出限和定量限

在相同实验条件下用石墨炉原子吸收光谱法对20份空白样品溶液进行测定，结果见表6，按照式(1)计算检出限[12,13]：

按照式(2)计算定量限：

由表6可知，镉的检出限为0.0003 mg·kg-1，定量限为0.001 mg·kg-1，能满足国标要求的检出限和定量限[14]。由此可见，现行的实验条件能满足大米中镉含量的检测要求。

表6 方法检出限的测定结果

3.5 样品的测定及数据分析

从表7可以看出样品空白中的镉为未检出，因此整个实验过程中由试剂或环境引入的系统误差在可控状态。对该试样中的镉含量进行6次平行测定，RSD值为5.7%，可见精密度符合标准的要求[12]；试样添加回收实验的回收率范围为104%–109%，满足在80%–110%范围内[12]。此外，对实物标样的分析结果也在0.116 ± 0.014 mg·kg-1范围之内。添加回收实验和实物标样分析实验结果均表明结果的准确度是可靠的，表明了整个分析过程均是在可控状态下进行。对6次平行分析试样中的镉含量求平均值得0.0247 mg·kg-1，根据GB 2762–2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》可以判定该试样中的镉含量符合国家标准的要求[15]。

表7 大米样品检测及分析结果

4 结语

本教学实验以分析全过程为导向，鼓励学生自主设计与探索如何对实验条件进行优化处理，缩短了国标中干法灰化法消解试样的时间，便于实验教学使用；如何实施质量保证和质量控制措施以保证分析的全过程可控，培养了学生运用质量保证和质量控制技术的能力；如何对分析数据进行处理和结果判定，培养了学生独立思考的能力，实现了对大米中镉含量的准确定量。本实验将应用与研究合二为一，难度适中、可操作性强、与所学的分析化学理论知识联系紧密、综合性较强，适用于高校分析化学实验室以小组制、项目化的形式向学生开放，环环相扣的实验设计能提升学生的探究兴趣、调动学生的主观能动性、激发学生的研究性思维。