近几年, 食品金属污染事件屡有发生, 铅中毒、镉大米、含砷、铅和镉的婴幼儿食品等事件频频发生, 使重金属污染成为社会关注的一大热点。因此, 对食品中金属元素的有效检测一直颇受人们关注, 随着科学技术的发展, 金属元素的检测方法也有很大的进展, 尤其是在仪器分析方面尤为迅速。本文就食品中金属元素检测的前处理技术、检测方法以及实验空白值的控制进行简要论述。

1 样品前处理

食品通常是一种有机物, 所含成分及其复杂, 要准确无误的测定其某种成分, 必须经过一定的前处理。前处理方法主要有:灰化法、微波消解和高压消解、酸提取法、直接进样法以及同位素稀释法等。处理时间短、减少待测元素的损失、减少污染是今后食品前处理方法的一种发展趋势。

1.1 灰化法

灰化法是将样品基体(特别是有机物)破坏的方法, 有干灰化法和湿消解法。干灰化法将样品放在坩埚, 先烘干, 然后将坩埚放入高温炉内于700~800℃灰化8~12 h, 使有机物完全破坏, 样品成粉末状; 通常用稀酸溶解粉末后, 供测定。此法溶样迅速, 耗酸少, 适合处理大量样品。但也有一些不利因素, 灰化法时间太长, 有时甚至需花费几十小时, 还可能造成挥发元素的损失或坩埚吸留, 降低测定值和回收率。湿消解法通常用氧化性酸或氧化剂将样品中的有机物破坏, 保留无机组分, 并将难溶性待测物转变为可溶性化合物, 供测定。常用的酸有硝酸、高氯酸、盐酸和硫酸, 氧化剂有过氧化氢和高锰酸钾等。此法可以减少挥发性元素的损失, 对易挥发性元素可以采用回流装置进行消解, 但同样消化周期长, 步骤繁琐, 消化过程中易产生大量的有害气体, 且试剂用量多, 易使空白值偏高。吴春生等^[1]采用干灰化法、湿消解法对同一样品进行前处理, 测定食品中砷的含量, 同时做加标回收, 湿消解法回收率为95%~ 98%, 能够保证测定结果的准确可靠, 干灰化法回收率为68%~ 75%, 回收率低, 对测定结果有影响。

1.2 微波消解和高压消解

微波加热方式是一种直接的"体加热"方式, 在消解炉内, 用微波加热密闭消解罐内已经加入强酸的样品, 完成酸消解, 这种方法用酸量小, 消解速度快, 几分钟能完成消解, 挥发性元素不易损失。很多科研工作者用干灰化法、湿消解法和微波消解三种不同前处理方法做对比, 发现微波消解具有快速、高效、节约试剂、干扰因素少以及空白值低等优点^[2-4]。杨彦丽等^[5]采用微波消解—电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)同时测定婴幼儿配方乳粉中钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、锌、磷的元素含量, 相对标准差(RSD)为1. 9%~5.3%, 回收率为94%~110%, 该方法用于分析国家一级标准参考物质GBW 10017 (奶粉), 被测元素测定值与标准值吻合。许昆明等^[6]采用微波消解, 用原子荧光光谱法同时测定样品中的镉和汞, RSD镉为1.65%~4.8%、汞为1.0%~5.1%, 加标回收率分别为镉97.0%~119.5%、汞88.5%~104.0%。该方法操作简便、省时节能、污染小、速度快等优点, 精确度和准确度符合要求, 且大大降低了检测人员的劳动强度, 提高了工作效率, 具有很好的使用价值。

高压消解利用罐体内高温高压密闭的强酸或强碱的环境来达到快速消解难溶物质的目的, 能快速无损失地溶解在常规条件下难以溶解的试样及含有挥发性元素的试样。目前已被广泛应用于各分析领域, 并被认定为标准方法。这一方法消解程度较好, 成本不高, 但危险系数较其他方法相对要大。吴育廉^[7]采用高压密封湿法消解婴儿配方奶粉, 火焰原子吸收光谱法测定铁和锌含量, 方法检出限分别为9.6 μg/L(铁), 4.98 μg/L(锌), RSD均少于2.5%, 平均回收率分别为102%和98.2%。辛跃珍等^[8]采用高压消解法同步处理乳制品中铅、汞、铬、砷元素, 4种元素的加标回收率在96%~ 102%之间。

1.3 酸提取法

浸提法作为样品快速测定的前处理技术, 也被学者广泛研究^[9-10]。浸提法是用适当的浸取剂将其中的被测组分浸出, 该法操作简便、快速, 但有时并非所有被测组分都能提取完全, 必须注意检查提取的程度。李万霞等^[11]采用盐酸为提取剂, 沸水浴中超声浸提, 将奶粉中的微量金属元素提取出来, 用ICP-AES法测定, 平均回收率在93.8%以上。

1.4 其他方法

建立快速、有效、简便的前处理方法一直是研究的重点。马占峰等^[12]采用固体直接进样石墨炉原子吸收分析技术, 测定奶粉中的金属元素(锌、铅、铜、铁), 相对误差-2.50%~ 6.29%, RSD为2.8%~7.4%, 该法无需样品消解, 避免待测元素损失和带入的污染, 分析过程简单, 节省分析时间, 节约分析成本。潘国卿等^[13]采用三氯乙酸作沉淀剂沉淀乳及乳制品中的蛋白质、脂肪等物质, 滤液直接进样, 用连续光源火焰原子吸收光谱仪测定钾, 钠, 钙, 镁, 铜, 锌6种元素, 回收率为90.0%~107.0%, RSD为1.52%~ 5.75%。该方法操作简便、测定速度快、结果准确。另外, 悬浮液进样技术也有广泛的应用, 其优点是操作简单, 样品处理时间短, 分析速度快, 减少污染等。此外, 悬浮进样技术有效解决直接固体进样的记忆效应, 从而成为目前应用最为广泛的固体进样方式^[14]。同位素稀释法作为一种绝对分析方法, 因其灵敏、准确、不需要定量的分离, 选择性好的优点, 已有一些应用研究^[15]。该处理技术是在样品前处理时加入待测元素的同位素稀释剂, 利用同位素比率的变化来定量测定待测元素含量的方法。紫外光解法是一种新型的食品元素前处理方法, 郭璇华等^[16]采用紫外光解法处理奶粉样品, 用ICP-AES直接测定钾、钙、镁、铁、锌、铜、铅的含量, 方法加标回收率为94.8%~99.6%, 与常规的湿法消解相比, 无显著性差异。

2 检测方法

随着科学技术的发展, 金属元素的检测方法也有很大的发展, 尤其是在仪器分析方面尤为迅速。现主要有原子光谱法、电感耦合等离子质谱法、电化学法、生物传感器法以及酶抑制法、免疫分析法等。选择性好、灵敏度高、抗干扰能力强、分析速度快逐渐成为一种发展趋势。

2.1 原子光谱法

原子吸收法(atomic absorption spectrometry, AAS)是目前食品中重金属元素检测最常用的一种方法, 对分析食品中的铅、镉等重金属元素都有较高的灵敏度。该方法是基于气态的被测元素基态原子对特征谱线的吸收为基础进行元素定量分析的方法。根据原子化的方式不同, 可分为火焰原子吸收光谱法(FAAS)和石墨炉原子吸收光谱法(GF-AAS)。FAAS是一种成熟的分析技术, 具有操作简单、分析速度快、测定高浓度元素时干扰小、信号稳定等优点, 其缺点是雾化效率低、原子化效率低, 因此火焰法的灵敏度较低。近来有很多在常规火焰原子吸收方法基础上改进的方法报道, 秦九红等^[17]研究了基于非离子表面活性剂Triton X-114和螯合剂二乙基氨基二硫代甲酸钠(DDTC)的浊点萃取—火焰原子吸收光谱法测定痕量铜的分析方法, 方法检出限为1.55 μg/L, RSD为3.4%, 回收率在96.7%~113.5%之间。该法具有分析快速、成本低廉和操作简便等优点。李家珂等^[18]以蛋白酶水解样品, 稀酸溶解, 经过滤以火焰原子吸收分光光度法测定乳制品中钙、镁、铁、锌, 平均回收率为90%~102%, RSD < 11%, 该法操作简单, 快速, 成本低。Xiang等^[19]采用固相萃取—火焰原子吸收法测痕量铅和镉, 检出限低至2.3 μg/L, 平均回收率在90%~ 114%之间, 应用标准参考物(GBW 07605) 中痕量铅和镉, 取得满意结果。GF-AAS是一种常用的痕量分析技术, 灵敏度很高, 且具有取样量少、化学预处理简单、能直接分析固体及高粘度液体试样等优点, 其缺点是该法多受到背景吸收干扰等因素影响, 且不适合做多元素分析。李英杰等^[20]建立了微波消解—GF-AAS测定婴幼儿米粉中痕量铜和镉的方法, RSD分别为4.3%和3.2%, 应用于标准参考(GBW 10010) 以及实际样品(婴幼儿米粉)中痕量铜和镉的测定, 获得了满意的结果。蒋晓凤等^[21]采用密闭微波消解—GF-AAS测定奶粉中铜和锰, 回收率为91.2%~104.1%, RSD为1.91%~4.93%。为了克服GF-AAS不适合多元素分析的缺点, 沙德仁等^[22]采用高分辨率连续光源原子吸收光谱代替锐线光源原子吸收法, 以高压短弧氙灯作为连续光源, 覆盖190~900 nm波长范围, 一次进样可实现快速多个元素顺序测定, 多条标线顺序绘制, 没有干扰, 省时省力, 精密度和准确度高。

原子荧光法(atomic fIuorcence spectrometry, AFS)是通过测量待测元素的游离基态原子, 在特定频率辐射能激发下所产生的荧光强度, 进行的定量分析方法。该法谱线简单、灵敏度高、检出限低、适用多元素的同时测定, 缺点是应用面窄, 测定时受散射光影响较严重。随着氢化物发生进样技术与无色散原子荧光分析相结合, 氢化物发生—原子荧光光谱(HG-AFS)分析技术得到了迅速的发展和应用, 目前已成为金属元素分析的重要手段^[23-25]。王长芹等^[26]采用氢化物发生—原子荧光法测定乳制品中痕量砷, 检出限为0.030 μg/L, RSD(n=6) 为0.98%, 加标回收率为96.5%~104.0%, 结果令人满意。

原子发射光谱法(atomic emission spectrometry, AES)是利用气态原子(或离子)在受到热或电的激发时发射出紫外及可见光的特征辐射进行检测的一种方法。该法分析速度快, 可在几分钟内同时对几十种元素进行定量分析, 选择性好, 检出限低, 用电感耦合等离子体(ICP)新光源, 检出限可低至ng/mL数量级, 准确度高, 试样消耗少, 缺点是不适用于部分非金属元素如卤素等的分析, 大部分非金属元素灵敏度较低, 只能用于元素分析, 不能进行结构、形态的测定, 基体效应较大, 仪器较贵, 难以普及。现在应用最广的是电感耦合等离子体发射仪(ICP-AES), 是以电感耦合等离子矩为激发光源的光谱分析方法。近几年利用ICP-AES测定婴幼儿食品重金属的研究较多^[27-28]。

2.2 ICP-MS法

ICP-MS(inductively coupled plasma mass spectrometry)是以ICP为离子化源的质谱分析法, 尤其是近十年来多接收—电感耦合等离子体质谱法(MC-ICP-MS)、激光烧蚀电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)等新技术的出现, 使得ICP-MS技术得到迅猛的发展。陈永煊^[29]采用ICP-MS对婴幼儿奶粉中9中元素进行测定, 元素的加标回收率在83.5%~ 107.9%之间, RSD为2.3%~ 8.8%。Sandrine等^[30]采用ICP-MS一次性测定食品中21中元素, RSD ≤ 10%, 加标回收大多介于80%~120%, 检测下限为0.001~0.472 mg/kg。

2.3 电化学法

电化学分析法是建立在物质在溶液中的电化学性质基础上的一类仪器分析方法。因具有设备简单、分析速度快、灵敏度高、选择性好等优点而在分析领域中显示出很大的潜力和优越性。对食品重金属的测定主要电化学法有极谱法和溶出伏安法^[31-33]。但电化学法有条件苛刻, 测定结果重现性差的缺点, 今后研究重点应放在提高方法的选择性, 改善测定结果的重现性, 发展金属形态分析的原位、实时分析技术以及进一步研究金属元素的形态与毒性的关系上。

2.4 生物传感器法

生物传感器是根据金属元素可以与酶或者其他物质发生酶抑制或络合等现象从而引起原物质中显色剂颜色、pH值、电导率、吸光度等发生变化, 再借助电信号、光信号加以识别, 从而进行定性定量分析。生物传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、选择性、抗干扰能力强及响应快等优点。白冰等^[34]综述了近年来生物传感器在食品品质及其质量安全检测中的应用。Ibrahim等^[35]采用耐热乳酸脱氢酶制备生物传感器来检测汞和镍。Kestwal等^[36]研制了电化学生物传感器用于汞、银、铅和镉等重金属的检测, 该传感器的最低检测限1×10^-10mol/L, 可重复利用9次, 其有望应用于重金属离子尤其是二价汞的现场实时快速检测。

2.5 其他方法

其他一些检测方法, 例如:高效液相色谱法^[37]、酶抑制法^[38]、免疫分析法^[39]等, 在食品领域金属元素的研究中也有较多的应用。

除了以上的检测方法, 现在很多科研工作者都越来越关注重金属快速检测技术的开发和应用。例如, 重金属快速检测试纸, 试纸及试剂盒对重金属检测灵敏度可达0.01~20 mg/kg, 准确率在95%以上, 而且只需要10 min就可对重金属进行快速检测。

3 实验空白值的控制

食品中微量元素测定的准确性, 一个关键环节是对实验室空白值的控制, 涉及到实验用酸、试剂、实验用水、器皿的清洗以及载气的纯度等等。

3.1 试剂的影响

试剂是引起空白值高的主要原因, 测食品中金属元素一般都要求是优级纯或者高纯试剂, 特别是实验用酸的纯度, 有文献曾分析了7个厂家多个批号的优级纯硝酸, 共分析了15种金属元素, 发现其中都不同程度的金属杂质, 对不合格的酸, 可以采取亚沸腾蒸馏装置进行重蒸馏^[40]。因此, 实验中应加强试剂空白的质量控制, 根据不同的元素和要求, 选择合适的试剂。

3.2 实验用水的影响

金属组分的分析应用去离子水, 电阻值应在18 MΩ以上, 制备的纯水应尽快使用, 以免吸收空气中的挥发性组分和玷污灰尘, 曾有实验室报告, 去离子水在玻璃器皿中贮存一周, 锌含量增高4~6 μg/L, 磷酸盐可达mg/L级, 已不能用于测定^[41]。

3.3 器皿的清洗

通常情况下, 当溶液中待测元素的质量浓度大于10^-3%, 即常量元素分析时, 器皿材质对测定结果的影响不大。当待测元素的质量浓度低于10^-5%时, 器皿因素影响就不可忽略。特别是玻璃材料的器皿, 通常含有锰、铅等金属离子, 很容易进入溶液, 所以如果容器、量器等清洗不干净极易引起空白值的增高和波动。张淑华等^[42]曾对玻璃器皿和石英器皿做过铅、锰、硒空白值的对比, 与玻璃器皿相比, 使用石英器皿时铅和锰的空白值均明显降低(P < 0.05), 硒的空白值没有明显变化。如果实验条件允许, 应尽可能使用石英器皿, 若使用玻璃器皿, 需用25%~30%的硝酸浸泡24 h以上, 用去离子水冲洗干净, 效果较为理想。

3.4 分析者和实验室环境的影响

分析者自身的化妆品、灰尘、油脂等均可以通过分析者玷污样品, 导致空白值升高。空气中的尘埃颗粒能吸附样品溶液中的铅并能产生负面影响, 实验室环境空气中的灰尘、气溶胶、交叉实验产生的废气可能含有铅、硒等可挥发性污染物。所以在分析食品中痕量金属元素的时候, 要尽可能缩短在暴露实验条件下进行分析操作的时间, 作为稀释液的去离子水等试剂最好现配现用, 以减少污染的机会。

另外仪器的条件、试剂的浓度等也会对空白值产生影响, 例如:石墨炉原子吸收测定金属离子时, 石墨管升温的次数、灰化温度、原子化温度以及基体改进剂的选择等, 都对空白值有很大的影响。

4 结语

食品安全举国关注, 食品中金属元素的检测是人们关注的焦点, 众多的测定方法为人们分析食品中金属提供了更多的选择, 在具体的分析中, 应根据样品的特性和待测的元素, 选择合适的方法。

食品前处理方法中, 干灰化法耗酸少, 但回收率较低, 不建议用于检测汞砷等易损失元素。湿消解法耗酸较多, 产生大量有害气体, 易导致空白值偏高, 不建议用于空白值要求较高元素的检测。微波消解用酸少, 元素不易损失, 空白值较低, 但取样量有限制, 对金属含量较少的样品不建议使用。高压消解快速、成本较低但危险系数较高。酸提取法简单、快速, 但并非所有组分都能完全提取, 必须检查提取的程度。直接进样技术包括固体直接进样、滤液直接进样、悬浮物直接进样, 该法快速、操作简单、污染较少, 但受样品性状和方法的限制, 应选择性使用。

选择食品金属元素检测方法时, 对卫生标准限值较高的元素(铁、钙、锌等), 不宜选用灵敏度太高的方法, 例如测奶粉中铁、钙、锌, 火焰原子吸收就能很好满足要求。对卫生标准限值较低元素(铅、镉、汞、砷等), 建议采用灵敏度较高的方法例如石墨炉原子吸收、原子荧光等。在对方法的选择中, 应根据检测的元素和具体要求, 选择合适的方法。

鉴于现有方法的一些优缺点, 探索简单、有效、快速的样品前处理及检测方法, 仍将是今后研究的重点。