粮食中重金属铅镉电化学快速检测方法研究

田 巍, 袁华山, 白福军, 王平东, 赵 皖, 肖理文, 叶 金,王松雪

(国家粮食和物资储备局科学研究院1,北京 100037) (南京中储粮粮油质监中心有限公司2,南京 211155) (中储粮承德粮油质监中心有限公司3,承德 067000) (南京微测生物科技有限公司4,南京 210061) (上海飞测生物科技有限公司5,上海 201400)

我国粮食生产尚处于散种散收阶段,具有一定的重金属污染风险[1]。据国家环保局不完全统计,全国每年因重金属污染的粮食达1.2×106kg,造成直接经济损失超过200亿元;受不同程度重金属污染的耕地面积约有2×107m2,约占我国耕地总面积的1/5[2]。江南大学食品安全风险治理研究院发布《中国食品安全发展报告(2019)》[3],对2018年市场监管总局食品安全监督抽检结果研究发现,现阶段食品安全面临的5类风险挑战中,重金属污染尤其是铅镉污染占据重要比例。结合重金属污染风险,粮食收储分类入库迫在眉睫,因此对监测检测尤其是快速检测提出了很高的要求。

常用的粮食重金属检测方法主要有原子荧光光谱法[4]、石墨炉原子吸收光谱法[5,6]、电感耦合等离子体质谱法[7-9]、火焰原子吸收光谱法[10]等精密仪器法和X射线荧光光谱分析法[11,12]、胶体金免疫层析试纸条[13,14]、电化学分析方法[15,16]等快速检测方法。其中原子吸收法和电感耦合等离子体质谱法是最常用的检测方法,具有灵敏度高、准确性好、重现性好、适用范围广优点[17],但检测成本高,除仪器昂贵、维护成本高以外还需要专业的技术人员[18,19],并且通常需要配合湿法消解、干法灰化和微波消解法等复杂耗时(2～4 h及以上)的前处理过程[20],高温高压强腐蚀性的酸试剂的使用不仅增加了环境污染,也增加了操作人员的安全隐患,难以满足当前大批次绿色检测的需求[21,22]。在此背景下一些快检技术应运而生,操作简单、方便快捷,较好地弥补了大型精密仪器的应用场景缺陷。但现有的X射线荧光光谱分析法和胶体金免疫层析试纸条灵敏度较差,方法重现性和稳定性有限[23,24]。相比而言,电化学方法因操作简单、时间短、灵敏度高、仪器易微型化等特点[25,26],已成为重金属检测最理想的方法之一。

电化学方法主要是根据离子在施加特定电压时发生电子转移而产生相应电流信号的原理发展起来的检测技术,目前针对电化学技术、丝网印刷技术集成发展起来的便携式电化学检测仪已有诸多研究[27-29],但针对复杂基体的研究较少,结果的准确性和稳定性有待考量。研究旨在开发一种快速、准确的便携式重金属检测方法,用于实际粮食样品的现场检测,并对方法的基本性能做全方面的分析和评价,以期为粮食中重金属铅镉同测的现场快检提供一种可选择的检测手段。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 原料和试剂

糙米粉中的镉成分分析质控物质和标准物质、糙米粉中的铅成分分析质控物质和标准物质、全麦粉中的镉成分分析质控物质和标准物质、重金属阴性空白样品;铅标准品溶液(1 000 μg/mL)、镉标准品溶液(1 000 μg/mL)、汞标准品溶液(1 000μg/mL);盐酸、硝酸、高氯酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠(均为分析纯);超纯水。

1.1.2 仪器和设备

FD-680型电化学快速检测仪及配套重金属快速检测试剂盒,Mettler Toledo电子分析百分之一天平,3-30K离心机,HY-2调速多用振荡器,FSJ-A03D1小型粉碎机。

1.2 样品前处理

取有代表性的样品300～500 g,粉碎至颗粒物可通过40目筛,对粉碎后的样品再次混匀并进行二次取样;称取(1.00±0.02)g样本置于10 mL离心管中,加入5 mL提取液,2 500 r/min涡旋3 min,4 000 r/min离心3 min,上清液备用。

1.3 电极修饰

首先将提取液、底物液恢复至室温。准确移取900 μL底物液加入反应池中,将一次性丝网印刷电极插入仪器电极插头并下压电极插头,使电极工作区域完全浸没于底物液中,设置电位为-1.0 V富集200 s,得到汞膜修饰电极。

1.4 电化学快速检测方法的操作步骤

准确移取200 μL样品上清液加入反应池中,按仪器设定参数检测,记录峰电流,通过产生的电流信号计算出样品中的铅镉含量。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel软件对原始数据进行统计并对各项性能验证指标进行计算分析。

2 结果与讨论

2.1 提取液的优化

不同种类的提取液不仅影响提取效率而且还会影响检测端的信号输出,选择中等浓度铅和镉的糙米样品,对不同种类提取液进行优化,每种样品用不同浓度的硝酸、盐酸、高氯酸及它们的组合作为提取溶液,提取3 min,采用便携式电化学仪进行检测,计算其测得结果与标准值间的差异,并计算3次平行结果间的相对标准偏差,对准确度以及精密度进行评估,结果见图1。相对于单一组分的提取液,混合酸的提取效率更高,从准确度和精密度考虑,选择0.1 mol/L HCl+0.1 mol/LHNO3+0.2 mol/L HClO3为最佳提取液。

注:a 0.5 mol/L HCl; b 0.5 mol/L HNO3;c 0.2 mol/L HCl+0.2 mol/L HNO3;d 0.2 mol/L HCl+0.2 mol/L HClO3;e 0.1mol/L HCl+0.1 mol/L HNO3+0.2 mol/L HClO3。

2.2 提取时间的影响

为考察提取时间对检测结果的影响,选用了2个不同质量分数的含铅和镉的标准样品,分别提取1、3、5、10 min后,采用便携式电化学检测仪进行测定,计算其回收率与相对标准偏差,结果见图2。可以分析出,随着提取时间的延长,测试结果的回收率逐渐增高,到提取时间为3 min时,电化学测试结果最稳定。

图2 不同提取时间的影响

2.3 底物液配方的优化

不同成分的底物液对基质效应消除的效果有所不同,会明显改变峰形和响应信号,从而影响结果的准确性,为了考察底物液成分的影响,设计了6种配方,见表1。将处理完的糙米样品提取液分别加入底物液中,使用便携式电化学检测仪进行检测,其图谱存在较大差异,配方1和配方3的铅峰不明显,配方1、配方4、配方5对于铅镉2种元素的峰都无明显响应,而配方6的峰形最为干净,基体干扰小,铅镉峰明显分开且峰高明显。从图3中可以看出,配方1～配方5对应的检测结果偏差较大,这与底物液配方成分产生的峰形图不清晰有直接关联,峰形模糊导致积分不准,从而对结果的准确性产生较大影响,而配方6中3种样本基质的回收率偏差均≤15%,很明显的降低了样本基质效应,回收率和稳定性较好,因此选用试剂中含45 mg/kg Hg2+、1 mol/L NaH2PO4、1 mol/L Na2HPO4的底物液。

表1 不同电极底物液配方的试剂组分

图3 不同电极底物液配方对不同基质样品检测的准确度

2.4 检出限与定量限

采用国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)对检出限的规定[30]:选用空白糙米粉样本20份,按照重金属铅镉电极检测方法进行检测,每测试1个样本更换1次电极片,计算浓度平均值和标准偏差,以平均值加3倍标准偏差为检出限,以平均值加10倍标准偏差计算为定量限。通过计算得出,重金属铅的检出限为0.002 mg/kg,定量限为0.004 mg/kg,重金属镉的检出限为0.005 mg/kg,定量限为0.012mg/kg,该方法对铅镉元素的灵敏度均远低于GB 2762—2017《食品污染物限量》中的规定,这说明电化学法在灵敏度上完全可以满足实际检测中对粮食铅镉元素的检测需求。

2.5 准确度与重复性

为考察方法的准确度与重复性,保证验证结果的科学性,参照GB/T 27404—2008《实验室质量控制规范食品理化检测》的规范程序,选用国家标准规定限量的1/2、1、2倍浓度值附近的标准物质/质控样品进行测试,其中糙米铅、糙米镉、小麦铅的限量均为0.2 mg/kg,而小麦镉的限量为0.1 mg/kg,为了保证浓度覆盖的全面性,特增加了对小麦镉的测试,由3位实验员分别完成7次独立平行,以消除人员差异和偶然因素带来的误差,对所得的189组数据进行统计学分析,分别以回收率和相对标准偏差对应准确度和重复性,并结合阴性临界值与阳性临界值进行结果判定,当检测结果在阳性临界值和阴性临界值之间时,建议复检。其中,阴性临界值和阳性临界值按平均值±2倍标准偏差来计算。从表2中可以看出,本次测试的回收率在90%～120%之间,相对标准偏差小于10%,符合GB/T 27404—2008对回收率和精密度的要求,说明此方法的准确性高、稳定性好,检测结果具有良好的可信度。

表2 重金属铅、镉的准确度和精密度

2.6 检测效率

快速检测方法的检测效率是应用过程中比较重要的判断指标,比较理想的快检方法应当具有检测时间短、操作简便、准确性高、可靠性强的特点。为了考察本方法在快速检测上的优势,比较了其与传统的检测方法在样品检测流程及耗时情况。以检测的189个实际样品为例,根据仪器方法说明书的操作限定,此快检方法与石墨炉原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法所需测定时间相比较,从样品前处理开始计算(不包含称取样品的时间),电化学法大约需要25.2 h,以每天8 h工作时间计算,需要3～4 d,石墨炉原子吸收法和电感耦合等离子体质谱法的前处理按照微波消解法进行,同样只计算前处理和测试时间,石墨炉原子吸收法约4～5 d,电感耦合等离子体法需要3～4 d。从表3可见,电化学法的检测效率比较令人满意,不仅大批量检测不耗时,而且对于零星样品的检测可以达到开机即检的效果,避免了繁琐的开机关机程序[31]。

表3 检测效率的比较

3 结论

研究以稀酸提取作为样品前处理方法,基于阳极溶出伏安法原理优化建立了粮食中重金属铅镉电化学快速检测方法,并用于不同类型基质中铅镉元素的同时快速定量检测。通过对提取液成分、提取时间和底物液配方的优化,提高了方法的灵敏度和准确性。该方法可在15 min内完成2种元素的定量检测,相比于大型仪器更加简便高效。该方法镉的检出限为 0.005 mg/kg,定量限为0.012 mg/kg,铅的检出限0.002 mg/kg,定量限为0.004 mg/kg,检测回收率范围98%～120%,相对标准偏差均小于15%,检测准确度高、重复性好,测试结果符合国家标准规定的准确度和精密度指标的要求。研究可为粮食行业内用户选择方法提供参考,同时也为同类型仪器的性能提供对照。