單色聚焦X射線熒光光譜法測定糧食中鎘、鉛、砷

羅志浩 宋硙 王晶晶 劉海虹* 王日慶

（1.廣東省食品檢驗(yàn)所（廣東省酒類檢測中心） 廣東 廣州 510000；2.西安佳譜電子科技有限公司）

1 前言

人類活動如礦山開采、金屬冶煉、工業(yè)廢水排放、農(nóng)田污灌、污泥農(nóng)用以及肥料和殺蟲劑的施用，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到農(nóng)作物的生長[1]，其中鎘、鉛、砷被認(rèn)為是主要重金屬污染物。重金屬經(jīng)食物鏈逐步沉積，最后進(jìn)入人體，并在人體內(nèi)與蛋白質(zhì)和酶發(fā)生作用，使它們失去活性，從而產(chǎn)生致癌致畸等毒性作用，甚至危害生命[2-4]。重金屬污染物中鎘、鉛、砷均是蓄積性毒物，對人類健康有巨大毒害作用[5-7]。相關(guān)研究表明鉛、砷還可能是一種致癌物質(zhì)[8-9]。近年來，糧食中重金屬超標(biāo)事件時(shí)有發(fā)生，造成群眾恐慌，影響社會穩(wěn)定。加強(qiáng)對大米、小麥等糧食中重金屬的快速檢測能力，能有效防止被重金屬污染的糧食流入口糧市場，對保障食品安全具有重大的社會意義。

糧食中重金屬污染一直是糧食食品安全檢測的重點(diǎn)，本方法采用的電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICPMS）是目前通用的國標(biāo)參比方法，適用范圍較廣[10-13]，但是該方法適用于配備有大型設(shè)備的中心實(shí)驗(yàn)室使用，難以應(yīng)用于現(xiàn)場檢測。因此需要現(xiàn)場檢測的場合，急需快速篩查重金屬的方法。

目前重金屬快檢方法主要有X射線熒光光譜法、電化學(xué)陽極溶出伏安法、時(shí)間分辨免疫層析定量法等。X射線熒光光譜法是一種利用樣品對X射線的吸收隨樣品中的成分及其含量而變化來定性或定量測定樣品中成分的方法[14-21]，楊學(xué)文等[22]對X射線熒光光譜法與石墨爐原子吸收光譜法進(jìn)行比較，得出該方法可滿足現(xiàn)場糧食收購要求。但該方法只針對稻谷中的鎘，不能同時(shí)測定多種基質(zhì)的多種重金屬。電化學(xué)陽極溶出伏安法是一種通過預(yù)電解將被測物質(zhì)電沉積到電極上，然后施加反向電壓使富集在電極上的物質(zhì)重新溶出，根據(jù)溶出過程中所得到的伏安曲線來進(jìn)行定量分析的方法[23-28]。時(shí)間分辨免疫層析定量法是待測溶液中的重金屬離子與特異性抗體結(jié)合后，抑制了層析過程中抗體與硝酸纖維膜檢測線上待測金屬——牛血清白蛋白偶聯(lián)物的免疫反應(yīng)，使檢測線上T信號值熒光強(qiáng)度降低，通過檢測線T信號值與質(zhì)控線C信號值熒光強(qiáng)度變化來計(jì)算待測樣品中元素的含量[29-30]。

本文采用單色聚焦X射線熒光光譜法測定糧食中鎘、鉛、砷，在X射線熒光光譜法基礎(chǔ)上增強(qiáng)了入射光強(qiáng)度等參數(shù)，對目標(biāo)元素的檢測下限更低，檢測時(shí)間更短，能夠更快更準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)不同樣品基質(zhì)中鎘、砷、鉛的同時(shí)檢測。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

大米基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW（E）100360（鎘認(rèn)定值0.22±0.02 mg/kg；鉛認(rèn)定值0.049±0.007 mg/kg、砷認(rèn)定值0.12±0.02 mg/kg）、GBW（E）100349a（鎘認(rèn)定值0.44±0.02 mg/kg、鉛認(rèn)定值0.21±0.02 mg/kg、砷認(rèn)定值0.20±0.02 mg/kg）、GBW（E）100349（鎘認(rèn)定值0.41±0.02 mg/kg；砷認(rèn)定值0.25±0.03 mg/kg）、GBW（E）100356（鉛認(rèn)定值0.25±0.02 mg/kg）；玉米基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW（E）100498（鎘認(rèn)定值0.11±0.01 mg/kg）；小麥基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW（E）100496（鎘認(rèn)定值0.10±0.01 mg/kg）（鋼研納克檢測技術(shù)有限公司）。

單色聚焦X射線熒光光譜儀E-max（HDXRF）（西安佳譜科技有限公司）；臼式研磨儀萊馳RM200、自動分樣儀Retsch PT100（弗爾德（上海）儀器設(shè)備有限公司）；Agilent 7800 ICP-MS（安捷倫科技（中國）有限公司）。

2.2 測定方法

2.2.1 國家參比方法

《GB 5009.268—2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》稱取固體樣品0.4 g（精確至0.00 g），加入10 mL硝酸過夜，按照微波消解儀標(biāo)準(zhǔn)操作步驟進(jìn)行消解，冷卻后取出排氣，趕酸，用水定容至25 mL，混勻備用，同時(shí)做空白試驗(yàn)。

2.2.2 單色聚焦X射線熒光光譜法

將試樣粉碎至過40目篩，混合均勻。先將儀器預(yù)熱30 min，稱取0.7～1.0 g樣品于樣品杯，用樣品頂桿旋轉(zhuǎn)推入樣品杯內(nèi)，把樣品口（膜面）放在裝樣壓槽上，推緊頂桿，至膜面平整。將裝好樣品的裝樣杯正確放置到檢測艙中測試，待600 s后在液晶屏上讀取測定結(jié)果。

風(fēng)機(jī)每時(shí)段的發(fā)電量是由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸處每時(shí)段的平均風(fēng)速及風(fēng)機(jī)的出力特性決定的,其輸出功率可根據(jù)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家提供的網(wǎng)側(cè)輸出功率曲線經(jīng)過多項(xiàng)式擬合得到,具體公式[11-12]為

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

根據(jù)不同元素的熒光X射線具有各自的特定波長，通過特征X射線波長進(jìn)行定性，通過光管的原始譜和探測器的探測效率進(jìn)行理論數(shù)據(jù)擬合，然后再收集大量實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的微調(diào)，再根據(jù)樣品測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)的算法方式，建立儀器內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣品前處理粒徑研究

國家參比方法分別對實(shí)驗(yàn)室鎘元素陽性樣品用自動分樣儀進(jìn)行分樣，取樣研磨，分別過不同粒徑樣品篩。參比方法對樣品結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，參照CNASGL 032006《能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價(jià)指南》中均勻性檢驗(yàn)單因子方差分析，對樣品均一性進(jìn)行評估，采用F檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，判定樣品是否均勻。

單色聚焦X射線熒光光譜法對確認(rèn)均勻性后的不同粒徑代表性樣品進(jìn)行測試，按照GB5009.268規(guī)定，該方法測定的穩(wěn)定性精密度是否超過標(biāo)準(zhǔn)方法中規(guī)定的來考察設(shè)備穩(wěn)定性。選取最優(yōu)粒徑作為樣品粒徑驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

選取實(shí)驗(yàn)室鎘元素不合格留樣，使用自動分樣儀進(jìn)行分樣，取樣研磨，分別過18目（粒徑880μm）、40目（粒徑380μm）、80目（粒徑180μm）、100目（粒徑150μm）篩，各取7份樣品，進(jìn)行平行測試。樣品均勻性測定結(jié)果見表1。

表1 樣品均勻性測定（濃度單位：mg/kg）

參照CNAS-GL 032006《能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價(jià)指南》中均勻性檢驗(yàn)單因子方差分析，對樣品均一性進(jìn)行評估，采用F檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，通過組間變動性和組內(nèi)變動性的比較來判斷各組測量值之間有無系統(tǒng)誤差，二者的比值小于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的臨界值Fa（3.866，查表可知），則認(rèn)為樣品是均勻的。從測試數(shù)據(jù)可知，該樣品均勻性符合驗(yàn)證需求。

取不同粒徑的代表性樣品A、B、C、D，各取7份樣品，分別用HDXRF進(jìn)行平行測試，每份樣品測試3次，測試時(shí)間為600s，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 樣品粒徑對HDXRF精密度的影響（濃度單位：mg/kg）

通過不同顆粒度的測試結(jié)果來看，精密度隨顆粒增大而增大，當(dāng)粒徑>380μm時(shí)，精密度>10%，測試結(jié)果偏差較大，粒徑<380μm時(shí)，精密度為8.35%，粒徑<180μm時(shí)，精密度為2.37%，精密度均<10%，因此樣品粒徑<380μm，即粉碎到過40目篩即可。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法的確立

選擇對應(yīng)元素限量附近濃度水平的質(zhì)控樣進(jìn)行驗(yàn)證，分別進(jìn)行20次平行測定，檢測限的計(jì)算方式為所得測試平均值所對應(yīng)濃度值標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍，結(jié)果見表3。

表3 檢測限驗(yàn)證數(shù)據(jù)（濃度單位：mg/kg）

3.2.2準(zhǔn)確性

單色聚焦X射線熒光光譜法與國家參比方法分別對糧食實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢測，使用的軟件為SPSS Statistics 22（美國IBM公司）配對t檢驗(yàn)法驗(yàn)證2種方法的檢測結(jié)果是否存在顯著性差異。檢驗(yàn)結(jié)果如下，T檢驗(yàn)參數(shù)Td＜T0.05.6=2.447，說明本法檢驗(yàn)結(jié)果與國家參比方法結(jié)果間無顯著性差異，結(jié)果見表4。

表4 方法準(zhǔn)確性測定（濃度單位：mg/kg）

3.2.3 重復(fù)性

取同一臺設(shè)備測試分別含鉛、砷、鎘陽性樣品，獲得精密度如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重復(fù)性測試結(jié)果（濃度單位：mg/kg）

由表5所示，同一樣品中不同元素平行測試6次的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較低，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差和極差均符合GB 5009.268規(guī)定，說明該方法檢測結(jié)果可靠，重現(xiàn)性高。

3.2.4 穩(wěn)定性

采用同一臺儀器，連續(xù)12 h測試分別含鉛、砷、鎘陽性樣品，獲得精密度如表6所示。

表6 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)穩(wěn)定性測試結(jié)果（濃度單位：mg/kg）

由表6所示，不同元素連續(xù)測試的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較低，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差和極差均符合GB 5009.268規(guī)定，說明該方法檢測結(jié)果可靠，重現(xiàn)性高。

3.2.5 儀器臺間差

采用2臺儀器，測試分別含鉛、砷、鎘陽性樣品，t檢驗(yàn)法驗(yàn)證2種方法的檢測結(jié)果是否存在顯著性差異。檢驗(yàn)結(jié)果如下，T檢驗(yàn)參數(shù)Td＜T0.05.6=2.447，說明本法檢驗(yàn)結(jié)果與國家參比方法結(jié)果間無顯著性差異，結(jié)果見表7。

表7 方法準(zhǔn)確性測定（濃度單位：mg/kg）

3.2.6 判定區(qū)間驗(yàn)證結(jié)果分析

由5家實(shí)驗(yàn)室分別對對應(yīng)基質(zhì)的限量附近濃度水平的鉛、砷、鎘樣品進(jìn)行測定，每個(gè)水平的樣品分別測試10個(gè)獨(dú)立樣品，測試時(shí)間分別為300s、600s。測試結(jié)果見表8、9，參照GB/T 3358.2《統(tǒng)計(jì)學(xué)詞匯及符號 第2部分：應(yīng)用統(tǒng)計(jì)》[31]中的定義和CAIA/SH001-2015《稻米 鎘的測定X射線熒光光譜法》[32]中規(guī)定的篩檢規(guī)則進(jìn)行判定區(qū)間結(jié)果分析。判定區(qū)間研究數(shù)據(jù)見表10，考慮到判定區(qū)間的一致性，最大波動區(qū)間范圍設(shè)定為60%～140%。因此設(shè)立判定區(qū)間為當(dāng)結(jié)果（w）＜60%限量或w＞140%限量時(shí)，以300s初測結(jié)果進(jìn)行結(jié)果判定，當(dāng)結(jié)果為60%限量≤w≤140%限量時(shí)，以600s復(fù)測結(jié)果平均值進(jìn)行結(jié)果判定。

表8 測試時(shí)間為300 s的驗(yàn)證結(jié)果（濃度單位：mg/kg）

表9 測試時(shí)間為600 s的驗(yàn)證結(jié)果（濃度單位：mg/kg）

表10 不同測試時(shí)間限值濃度水平的波動區(qū)間（濃度單位mg/kg）

4 討論

本文采用的單色聚焦X射線熒光光譜法與電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）相比較，結(jié)果表明該方法檢出限、定量限、準(zhǔn)確性、重復(fù)性和穩(wěn)定性均符合要求，前處理簡單，無需試劑處理，對人員操作、環(huán)境要求不高，單個(gè)樣品檢測時(shí)間縮短至600 s，效率更高，能滿足鎘、鉛、砷元素的同時(shí)測定，同時(shí)設(shè)立判定區(qū)間為當(dāng)結(jié)果w＜60%限量或w＞140%限量時(shí)，以300 s初測結(jié)果進(jìn)行結(jié)果判定，當(dāng)結(jié)果為60%限量≤w≤140%限量時(shí)，以600 s復(fù)測結(jié)果平均值進(jìn)行結(jié)果判定。更有利于糧食類食用農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)場快速篩查。