微波辅助提取原子吸收光谱法快速检测食品中铅、镉、锰、锌

袁嫣昊，詹以森，孟宇航

（江门市疾病预防控制中心，广东江门 529030）

铅、镉、锰等重金属能通过食物进入人体，在人体器官中累积造成慢性中毒[1-2]；而锌等微量元素的缺乏或过量均会对人体发育造成不良影响[3]。为满足食品中金属元素的分析需求，需开发快速检测技术及相应的样品快速处理技术[4]。原子吸收光谱法是一种成熟、快速的检测技术，已广泛应用于食品中元素的检测[5]，而限制其分析速度的主要因素在于样品处理。目前食品中金属元素检测常用的样品处理方法包括微波消解、湿法消解以及干法灰化[6]，上述方法均存在操作复杂、易造成污染或损失、耗时较长、需要高温、使用浓酸等缺点[7-8]。

为了节约成本和提高工作效率，微波辅助提取技术不断应用于食品检测中，目前主要应用于食品中农药残留[9]、元素形态分析[10]等方面。微波辅助提取是指利用微波加热，加速溶剂对样品中目标成分的提取过程[11]。在微波的作用下，生物体内的极性水分子强烈震荡，使细胞分子间氢键松弛，加速溶剂分子对基体的渗透和目标成分的溶剂化[12]。与传统微波消解法[13]相比，微波辅助提取条件温和，酸用量少，可提高检测人员操作过程中的安全性，减少样品处理时间，是一种简单高效的绿色样品处理方法[14]。

笔者采用微波辅助提取法提取食品中的铅、镉、锰、锌，利用原子吸收分光光度计对样品提取液进行检测，该方法优化了提取溶剂、提取时间、提取温度、取样质量等因素，采用生物成分标准物质进行方法准确度和精密度试验。分别用优化的微波辅助提取法和国家标准中的微波消化法对实际样品进行检测，两种方法测定值吻合度较高。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

原子吸收分光光度计：SpectrAA 220Z 型，美国瓦里安公司。

微波消解仪：MARS6型，美国CEM公司。

电子分析天平：BSA224S-CW 型，感量为0.1 mg，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。

纯水系统：SMART-Q30型，上海和泰仪器有限公司。

硝酸：优级纯，德国默克公司。

铅、镉、锰、锌单元素标准溶液：编号分别为GSB04-1742-2004、 GSB04-1721-2004、 GSB04-1736-2004、GSB04-1761-2004，质 量 浓 度 均 为1 000 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心，使用时用体积分数为1%的硝酸溶液稀释至适合浓度。

猪肝、大米、绿茶、紫菜、扇贝、菠菜、小麦7种生物成分分析标准物质：具体信息见表1，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。

表1 7种生物成分分析标准物质具体信息

食品样品：菠菜、辣椒、陈皮、柑普茶、大米、米糊、黄沙蚬、草莓，市售。

1.2 仪器工作条件

原子吸收分光光度计工作条件见表2。

表2 原子吸收分光光度计工作条件

1.3 溶液配制

铅标准使用液：吸取1 mL铅单元素标准溶液于100 mL容量瓶中，用1% (体积分数，下同)硝酸溶液定容至标线，摇匀，得到10 mg/L铅标准储备液。吸取2 mL铅标准储备液于100 mL容量瓶中，用1%硝酸溶液定容至标线，摇匀，得到200 μg/L 铅标准中间液。吸取5 mL 铅标准中间液于100 mL 容量瓶中，用1%硝酸溶液定容至标线，摇匀，得到10 μg/L铅标准使用液。

镉标准使用液：吸取1 mL镉单元素标准溶液于100 mL 容量瓶中，用1%硝酸溶液定容至标线，摇匀，得到10 mg/L镉标准储备液。吸取1 mL镉标准储备液于100 mL 容量瓶中，用1%硝酸溶液定容至标线，摇匀，得到100 μg/L 镉标准中间液。吸取2 mL镉标准中间液于100 mL容量瓶中，用1%硝酸溶液定容至标线，摇匀，得到2.0 μg/L镉标准使用液。

锰、锌系列混合标准工作溶液：分别吸取锰单元素标准溶液和锌单元素标准溶液各2 mL 于同一只100 mL 容量瓶中，用1%硝酸溶液定容至标线，摇匀，得到锰、锌的质量浓度均为20 mg/L的混合标准储备液。分别吸取锰、锌混合标准储备液0、0.25、0.5、1.0、2.5、5.0 mL 于6 只100 mL 容量瓶中，用1%硝酸溶液定容至标线，摇匀，配制成锰、锌的质量浓度均分别为0、50、100、200、500、1 000 μg/L 的系列混合标准工作溶液。

1.4 实验步骤

称取0.2 g 样品于微波消解罐中，加入10 mL 1%硝酸溶液。于120 ℃下微波辅助提取30 min。同时进行空白试验。将提取液转移至离心管中，以6 000 r/min 离心10 min。取上清液经0.22 μm 水相滤膜过滤后，采用石墨炉原子吸收分光光度计分别测定铅、镉的吸光度，采用火焰原子吸收分光光度计快速序列模式同时测定锰、锌的吸光度，采用标准曲线法定量。

2 结果与讨论

2.1 提取条件优化

2.1.1 提取溶剂

称取多份生物成分分析标准物质各0.2 g 于微波消解罐中，分别加入10 mL 纯水和1%、3%、5%、10%硝酸溶液，在100 ℃条件下微波辅助提取30 min，提取液经离心、过膜后测定，计算提取率，结果如图1所示。

图1 不同体积分数硝酸溶液提取时各元素的提取率

由图1可以看出，只用纯水提取时，各元素提取率均小于50%。经1%、3%硝酸溶液提取后，各元素的提取率均接近100%，且经1%硝酸溶液提取后，精密度更好。经5%、10%硝酸溶液提取后，铅和锰的提取率逐渐偏离100%，且铅的精密度变差，这与元素的浓度及提取难度有一定的关联。综合考虑，选择1%硝酸溶液作为提取溶剂。周雷[15]、伍燕湘[16]等采用超声辅助酸提取食品中多种元素，采用10%～20%硝酸溶液作为提取溶剂。与超声辅助提取相比，微波辅助提取可提供高温和高压条件，从而提高提取效率，因此使用1%硝酸溶液即可得到较好的提取效果。

2.1.2 提取温度

称取多份生物成分分析标准物质各0.22 g于微波消解罐中，均加入10 mL 1%硝酸溶液，分别在60、80、100、120、150 ℃下微波辅助提取30 min，提取液经离心、过膜后测定，计算提取率，结果如图2所示。由图2 可以看出，镉和锌在不同温度下的提取率均接近100%，且精密度较好。锰在60～150 ℃时的提取率均在85%以上。铅的提取率和精密度受温度影响较大。在100 ℃时铅提取率约为80%，但精密度较差。在120 ℃时铅提取率接近100%，且精密度较好。温度升高到150 ℃时，铅的提取率显著下降，精密度变差。考虑到多元素在同一条件下进行提取，在120 ℃时各元素提取率均较高，且精密度较好，因此选择120 ℃作为提取温度。

图2 不同提取温度时各元素的提取率

2.1.3 提取时间

称取多份生物成分分析标准物质各0.25 g于微波消解罐中，分别加入10 mL 1%硝酸溶液，于120 ℃分别提取10、20、30、40 min，提取液经离心、过膜后测定，计算各元素的提取率，结果如图3所示。

图3 不同提取时间时各元素的提取率

由图3 可以看出，镉、锰、锌的提取率仅需10 min 即可达到90%以上，而铅的提取率则需要30 min 以上才能达到80%。综合来看，提取30 min 时各元素提取率均较高，精密度好，因此提取时间选择30 min。

2.1.4 取样质量

分别称取生物成分分析标准物质0.2、0.3、0.4、0.5 g 于微波消解罐中，分别加入10 mL 1%硝酸溶液，于120 ℃微波辅助提取30 min，提取液经离心、过膜后测定，计算各元素的提取率，结果如图4 所示。由图4可以看出，取样质量在0.2～0.5 g范围内变化时，镉和锌的提取率均保持在90%以上；锰的提取率受取样质量的影响较小；铅的提取率随着取样质量的增加而逐渐降低。当取样质量为0.2 g时，各元素提取率均达到88%以上，当取样质量为0.3 g时各元素提取率仍达到80%以上。综合考虑，选择取样质量为0.2～0.3 g。

图4 不同取样质量时各元素的提取率

2.2 线性方程与检出限

在1.2仪器工作条件下，将铅标准使用液和镉标准使用液分别置于石墨炉原子吸收分光光度计的自动进样器中，由仪器自动稀释成系列标准工作溶液，分别测定铅、镉吸光度值。将锰、锌系列混合标准工作溶液按质量浓度从低到高的顺序分别导入火焰原子吸收光谱仪，使用快速序列模式同时测定锰、锌吸光度值。以待测元素的质量浓度(x)为横坐标，以相应的吸光度值(y)为纵坐标，绘制标准工作曲线，计算线性方程和相关系数。

按照优化后的检测方法，制备9份空白溶液，根据空白溶液测定值的3 倍标准偏差，计算方法检出限[17]。当取样质量为0.3 g、定容体积为10 mL时，计算得到食品样品中4 种元素的方法检出限，以质量分数表示。4种元素质量浓度线性范围、线性方程、相关系数及检出限见表3。

表3 铅、镉、锰、锌质量浓度线性范围、线性方程、相关系数及检出限

2.3 准确度和精密度试验

采用微波辅助提取法对同一生物成分分析标准物质猪肝(GBW 10051)中的4 种元素进行6 次平行测定，结果见表4。由表4 可知，各元素的测定结果均在认定值不确定度范围内，且测定结果的相对标准偏差(RSD)均小于10%，说明该方法的准确度、精密度较高。

表4 准确度和精密度试验结果

利用所建方法对大米、绿茶、紫菜、扇贝、菠菜、小麦6 种不同种类的生物成分分析标准物质进行3次平行测定，以平均值作为测定值，结果见表5。由表5 可知，各元素的测定值均在认定值不确定度范围内，表明该方法在多种不同类型的复杂基质食品中均表现出较高的准确度。

表5 不同基质生物成分分析标准物质中4种元素质量分数测定结果 mg/kg

2.4 方法比对试验

取8 种不同类型的实际样品，分别采用本方法和GB 5009.268—2016 方法[18]进行测定，结果列于表6。由表6 可知，两种方法的测定结果基本一致，相对偏差为-19%～15%，表明该方法满足测定要求。

表6 方法比对试验结果

3 结语

建立了一种用于食品中铅、镉、锰、锌检测的微波辅助提取原子吸收光谱法。该方法测定结果与国标法基本一致，精密度、准确度均满足分析要求。与传统微波消解法相比，该方法减少了浓硝酸用量，节约了检测成本，保障了检验人员的身体健康，有效提高了样品前处理的效率，减少了人工操作带来的干扰，是一种绿色、高效的检测方法。但该方法对样品中无机元素的提取种类较为有限，后续将对方法进行扩展性研究，扩大其应用范围[19]。