差分脈沖伏安法檢測茶葉中痕量鉛的研究

李 培,楊琰寧,謝云飛,姚衛(wèi)蓉,*

(1.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫 214122;2.蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所,江蘇蘇州 215104)

差分脈沖伏安法檢測茶葉中痕量鉛的研究

李 培1,2,楊琰寧1,謝云飛1,姚衛(wèi)蓉1,*

(1.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫 214122;2.蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所,江蘇蘇州 215104)

本文旨在建立差分脈沖伏安法快速測定茶葉中的鉛元素的方法,利用同位鍍汞陽極溶出伏安法對茶葉樣品中鉛元素的含量進(jìn)行測定,并對測試條件進(jìn)行了優(yōu)化,最終選擇了我國四大茶區(qū)共29種茶葉作為樣品。線性范圍為40～400 μg/L;檢測限為:1.2×10-6g/L;加標(biāo)回收率為:91.1%～104.2%;相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=5)為0.86%;將測定結(jié)果與國標(biāo)法檢測結(jié)果進(jìn)行對比,具有良好的線性關(guān)系(r=0.9979)。本研究為茶葉中鉛的檢測開發(fā)出了快速、簡單、準(zhǔn)確的方法,可以用于實際樣品的檢測。

鉛,差分脈沖伏安法,茶葉

鉛(Pb)一種高蓄積性、多親和性的生理性和神經(jīng)性毒物,幾乎對人體所有器官都會產(chǎn)生毒害,對于神經(jīng)系統(tǒng)的毒害尤為嚴(yán)重[1]。近年來,大量的研究和報道表明,我國茶葉重金屬含量,特別是鉛含量呈不斷上升的趨勢[2-6]。

目前對食品中Pb測定,比較常見的方法有原子吸收法、電感耦合等離子發(fā)射光譜法、分光光度法等[7]。陽極溶出伏安法是一種具有高靈敏度、選擇性的電化學(xué)分析方法,并且結(jié)構(gòu)簡單,成本低,便于推廣,在分析領(lǐng)域顯出很大的潛力和優(yōu)越性[8],目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品分析檢測等多種方面[9]。

本研究立足于研究分析茶葉鉛含量情況與地域之間的關(guān)系,分析我國不同產(chǎn)區(qū)所生產(chǎn)的茶葉中痕量鉛的含量[10]。運用電化學(xué)方法的性質(zhì)特點,采用陽極溶出伏安法對茶葉中痕量鉛進(jìn)行測定[11],并且將本實驗方法所檢測出的茶葉鉛含量與國標(biāo)中原子吸收法進(jìn)行對比分析,提高本研究的準(zhǔn)確性與可靠性,隨后討論茶葉中鉛含量隨地域分布所存在的差異及聯(lián)系。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高氯酸、硝酸、無水乙醇、醋酸、醋酸鈉、硝酸汞、鐵氰化鉀 A.R. 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);超純水、10000 μg/mL鉛ICP溶液 百靈威科技有限公司。

CHI660C電化學(xué)工作站、3 mm直徑玻碳盤電極、Ag/AgCl參比電極、鉑絲對極 上海辰華儀器有限公司;FE20K精密pH計、AB 204-N電子天平 Meltler-Toledo Instr Ltd;KQ-50E超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;AAS240原子吸收光譜儀(附石墨爐和鉛空心陰極燈) 美國安捷倫公司;所用玻璃儀器均用0.1 mol/L硝酸溶液浸泡48 h以上,并用超純水沖洗干凈,烘干后備用。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 茶葉樣品采用濕法消化進(jìn)行預(yù)處理,稱取試樣1.0 g左右(精確到0.001 g)于錐形瓶中,放數(shù)粒玻璃珠,加10 mL混合酸(硝酸-高氯酸體積比為3∶1),加蓋浸泡過夜后,于電爐上加熱消解,若變棕黑色,再加混合酸,直至冒白煙,消化液呈無色透明或略帶黃色,放冷,用滴管將試樣消化液洗入或過濾入(視消化后試樣的鹽分而定)25 mL容量瓶中,用水少量多次洗滌錐形瓶,洗液合并并定容至25 mL容量瓶中備用[12]。

1.2.2 電極預(yù)處理 將玻碳電極在麂皮上用0.3 μm的氧化鋁漿打磨,用超純水沖洗后再用無水乙醇和超純水分別超聲波清洗2～3 min后,將玻碳電極用氮氣吹干[13]。

1.2.3 測定方法 將10 mL pH4.0的0.1 mol/L的醋酸-醋酸鈉輔助電解質(zhì)溶液移入電解池中,加入20 μL的硝酸汞溶液及100 μL的樣品消化液后,插入三極系統(tǒng)(3 mm直徑玻碳盤電極、Ag/AgCl參比電極、鉑絲對電極),先在恒定電位下沉積250 s,后使用差分脈沖伏安法進(jìn)行溶出掃描,同時設(shè)置空白對照實驗組。

在電解質(zhì)溶液和pH的選擇時,選用NaAc-HAc緩沖液、KCl溶液、氨水-氯化銨緩沖液、PBS緩沖液作為電解液,對Pb2+標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行對比測定。

在汞液濃度的選擇時,本實驗通過對Hg2+濃度分別為10、20、30、40、50 μg/L的五種濃度進(jìn)行最佳條件的實驗。

石墨爐原子吸收光譜儀測定條件:鉛波長283.3 nm,光譜通帶寬0.5 nm,燈電流10 mA?？郾尘伴_校正,石墨爐升溫程序見表1。

表1 石墨爐升溫程序

吸取鉛標(biāo)準(zhǔn)液15.0、30.0、45.0 μg/L各10 μL,注入石墨爐,測得其吸光值并求得吸光值與濃度關(guān)系的一元線性回歸方程。然后分別吸取樣液和試劑空白液各10 μL,注入石墨爐,測得其吸光值,代入標(biāo)準(zhǔn)系列的一元線性回歸方程中求得樣液中鉛含量。

1.2.4 樣品的選取 本實驗主要針對不同茶區(qū)茶園的茶葉品種進(jìn)行采樣,研究不同茶區(qū)中茶葉中痕量鉛。由于考慮到不同的加工過程[14]可能會導(dǎo)致茶葉不同程度受到鉛離子的污染,因此,本次樣品的選擇四大茶區(qū)中生產(chǎn)的炒青綠茶[15]。由于西南茶區(qū)位于中國西南部,包括云南、貴州、四川三省以及西藏東南部,為確保實驗采樣具有代表性,因此選擇云南地域炒青綠茶3種,貴州地域炒青綠茶1中,四川炒青綠茶2種;華南茶區(qū)位于中國南部,主要包括廣東、廣西、福建、海南等省(區(qū)),由于廣東、福建地區(qū)為最具代表性茶葉產(chǎn)地,因此選擇廣東地域炒青4種,福建地域炒青3種;江南茶區(qū)位于中國長江中、下游南部,包括浙江、湖南、江西等省和皖南、蘇南、鄂南等地,選擇浙江、江西地域生產(chǎn)的炒青各3種,皖南炒青(安徽黃山)2種;江北茶區(qū)位于長江中、下游北岸,包括甘南、陜西、鄂北、豫南、皖北、蘇北、魯東南等地,選擇魯東南炒青2種,陜西地域炒青2種,甘南地域炒青2種,蘇北地區(qū)1種,皖北1種(安徽六安),根據(jù)以上地域的不同,總共選用29種炒青綠茶樣品。

2 結(jié)果與分析

2.1 電解質(zhì)溶液和pH的選擇

根據(jù)Pb2+的溶出電位和溶出峰電流確定最佳的電解液。圖1表明,在NaAc-HAc緩沖液中鉛離子的溶出峰峰形較好,峰值最大。因此本文選擇pH4.0的0.1 mol/L的NaAc-HAc緩沖液作為電解液。

圖1 電解液的種類對Pb2+的溶出峰電流的影響Fig.1 Different buffers on the stripping peak currents of Pb2+注:a是0.1 mol/L氨-氯化銨緩沖液,b是0.1 mol/L KCL溶液,c是0.1 mol/L PBS緩沖液,d是0.1 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖液。

實驗測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)電解液酸度過高時,由于氫離子還原電流會干擾鉛的溶出峰。隨著溶液pH的變化,出峰電位隨pH變化有所漂移,鉛離子的出峰情況如圖2所示的變化,因此,根據(jù)該實驗可得出最佳的電解質(zhì)溶液是pH為4.0的醋酸-醋酸鈉溶液。

圖2 電解液的pH對Pb2+的溶出峰電流的影響Fig.2 Effect of buffer's pH on the stripping peak currents of Pb2+

2.2 汞液濃度的選擇

結(jié)果如圖3,在Hg2+濃度為20 μg/L時,鉛溶出峰的峰電流最大,且峰形較好。隨Hg2+濃度變化溶出峰電位無明顯變化。鍍汞液的濃度會影響汞膜的形成,Hg2+濃度太低,形成的汞膜不夠致密,厚度偏小,則檢測的準(zhǔn)確性有影響;Hg2+濃度太高,汞膜趨厚,靈敏度會下降。所以選擇20 μg/L作為鍍汞液最佳濃度。

圖3 汞液濃度對Pb2+的溶出峰電流的影響Fig.3 Concentration of mercury on the stripping peak currents of Pb2+

2.3 富集電位及富集時間的影響

在不同的沉積時間的條件下,濃度為160 μg/L的鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰電流變化趨勢如圖4所示,實驗結(jié)果表明,在沉積時間為250 s時,鉛溶出峰的峰電流最大,且峰形較好。所以選擇沉積時間為250 s。

圖4 富集時間對Pb2+的溶出峰電流的影響Fig.4 Effects of preconcentration time on the stripping peak currents of Pb2+

在不同的沉積電位條件下,濃度為160 μg/L的鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰電流變化趨勢如圖5所示,實驗結(jié)果表明,在沉積電位為-1.35 V時,鉛溶出峰的峰電流最大,且峰形較好。所以選擇-1.35 V作為最佳沉積電位。

圖5 富集電位對Pb2+溶出峰電流的影響Fig.5 Effects of preconcentration potentials on the stripping peak currents of Pb2+

2.4 Pb2+在鍍汞電極上的增敏行為

圖6是100 μg/L的Pb2+在不同兩種電極上的DPV曲線,由圖可明顯看出對于Pb2+而言,裸玻碳電極的電流響應(yīng)信號比鍍汞電極的弱很多。鍍汞電極在-0.5 V處存在著峰型尖銳,信號強的溶出峰。

圖6 Pb2+在0.1 mol/L的NaAc-HAc緩沖液(pH4.0)中的差分脈沖伏安曲線Fig.6 Differential pulse voltammetry curve of Pb2+ in 0.1 mol/L NaAc-HAc buffer solution(pH4.0)

2.5 線性范圍與檢測限

根據(jù)以上優(yōu)化實驗條件,采用差分脈沖伏安法對Pb2+進(jìn)行測定。根據(jù)實驗結(jié)果,濃度與峰電流的相關(guān)性如圖6所示,鉛的峰電流與其質(zhì)量濃度在40～400 μg/L范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系,回歸方程為I(μA)=0.0123C(μg/L)+0.5776,相關(guān)系數(shù)為R2=0.9967，檢測限可以達(dá)到1.2×10-6g/L。

圖7 不同濃度的Pb2+的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 The calibration curves of Pb2+

使用同一根修飾電極對160 μg/L Pb2+溶液平行測定9次,得出的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.86%。說明該電極的測定結(jié)果具有良好的精密度。

2.6 樣品加標(biāo)回收率

將每種樣品進(jìn)行3次加標(biāo)(1倍、2倍、4倍)回收率實驗,其測定結(jié)果見表3,通過計算得出鉛的相對回收率在91.1%～104.2%之間,有較好的回收率,說明本實驗的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

表2 精密度實驗結(jié)果

表3 茶葉中鉛的測定結(jié)果(n=5)和回收率實驗

GB 2762-2012標(biāo)準(zhǔn)[16]規(guī)定茶葉中鉛含量限量標(biāo)準(zhǔn)為低于5 mg/kg,從以上實驗結(jié)果可以看出所測茶葉均符合國家標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)NY/T 288-2012綠色食品標(biāo)準(zhǔn)[17]中對茶葉中鉛含量限量標(biāo)準(zhǔn)為低于2 mg/kg,從以上實驗結(jié)果可以看出炒青綠茶(江蘇)、安徽高山野菜滴水香茶、炒青綠茶2(浙江)、炒青綠茶2(江西)、貴州針、峨眉山毛尖、炒青綠茶1(福建)、云南白色綠、云南碧螺春這9種茶葉中鉛含量低于限量要求,符合綠色食品標(biāo)準(zhǔn),另外,安徽黃山毛峰綠茶樣品并未能檢測出其鉛離子含量,表明其鉛離子含量低于該方法檢測限,其余18種茶葉中鉛含量高于限量要求,不符合綠色食品標(biāo)準(zhǔn)。另一方面,我國和國外科學(xué)家進(jìn)行過不少分析得出,茶樹鮮葉中鉛含量較低,而通過炒制過程后,成茶中的鉛含量較高[18]。

2.7 茶葉樣品中Pb2+的石墨爐原子吸收法檢測結(jié)果分析

采用石墨爐原子吸收法測定茶葉樣品,將測定結(jié)果與陽極溶出伏安法的測定結(jié)果進(jìn)行對比分析,如表4所示。

表4 陽極溶出伏安法與石墨爐原子吸收法對照實驗結(jié)果

結(jié)果顯示,通過以陽極溶出伏安法和國標(biāo)方法對茶葉中痕量Pb2+的測定結(jié)果的比較,可以得出,實測樣品中Pb2+的結(jié)果與石墨爐原子吸收法所測得Pb2+的含量相符合,相關(guān)系數(shù)r=0.9979,接近于1,表明兩種方法檢測出來的樣品結(jié)果相關(guān)密切,且該方法操作快捷方便、重現(xiàn)性好、靈敏度較高,可以在日后的相關(guān)研究中廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)論

通過分析表3的樣品茶葉中所含鉛離子含量可以初步分析我國一級茶葉產(chǎn)區(qū)中茶葉含鉛量,其中,江北茶區(qū)所產(chǎn)茶葉鉛含量約為1.5～3.2 mg/kg,江南茶區(qū)所產(chǎn)茶葉鉛含量約為0.7～2.3 mg/kg(其東部某些區(qū)域茶葉鉛含量達(dá)4.7 mg/kg),西南茶區(qū)所產(chǎn)茶葉鉛含量約為0.9～2.7 mg/kg,華南茶區(qū)所產(chǎn)茶葉鉛含量約為1.7～2.8 mg/kg。歸納整理以上數(shù)據(jù)可以得出在全國一級茶區(qū)中,茶葉中受鉛離子污染的整體分布情況為江北茶區(qū)>華南茶區(qū)>江南茶區(qū)>西南茶區(qū),其中,江南茶區(qū)的東部茶葉產(chǎn)區(qū)中,茶葉中鉛離子含量要略高于江北茶區(qū)。

本文利用同位鍍汞陽極溶出伏安法對茶葉樣品中鉛元素的含量進(jìn)行測定,并對測試條件進(jìn)行了優(yōu)化,取得了較好的線性范圍及檢測限,該測定結(jié)果與國標(biāo)法檢測結(jié)果對比,具有良好的線性關(guān)系。該研究為本方法在茶葉中重金屬的快速檢測應(yīng)用中奠定了較好的理論基礎(chǔ),并可應(yīng)用于實際樣品的檢測。

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Determination of lead in tea by plating mercury anodic stripping voltammetry

LI Pei1,2,YANG Yan-ning1,XIE Yun-fei1,YAO Wei-rong1,*

(1.The School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;(2.Suzhou Institute of Supervision & Inspection of Product Quality,Suzhou 215104,China)

A successfully differential pulse stripping voltammetry analysis was established for simultaneous and rapid determination of lead by mercury plating method. In this study,29 kinds of tea from four main tea areas in China were as samples. And the test conditions were optimized during experiments. The linear domain rangeed from 40 μg/L to 400 μg/L and the limits of detection was 1.2×10-6g/L. The studied method was applied to the detection of lead in tea samples with average recoveries of 91.1%～104.2%,whose relative standard deviation(n=5)was 0.86%. Compared with the national standard method, this result had good linear relationship(r=0.9979). This study developed a fast,simple and accurate method for the detection of lead in tea,which can be used for the detection of real samples.

lead;anodic stripping voltammetry;tea

2014-12-24

李培(1966-),男,本科,研究方向：食品分析與食品安全,E-mail:947535270@qq.com。

*通訊作者:姚衛(wèi)蓉(1970-),女,博士,教授,研究方向:食品質(zhì)量與安全,E-mail:yaoweirongcn@jiangnan.edu.cn。

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2012YQ170003);國家自然科學(xué)基金(21203076)。

TS201.6

B

1002-0306(2015)23-0301-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.054