农作物样品重金属检测的试样制备与质量控制

2012-01-22杨喜爱肖爱平冷鹃程毅廖丽萍聂晴岚

中国麻业科学 2012年5期

杨喜爱，肖爱平，冷鹃，程毅，廖丽萍，聂晴岚

(中国农业科学院麻类研究所，湖南长沙410205)

据21世纪经济报道，至2012年我国受重金属污染的耕地面积已达2000万公顷，占全国总耕地面积的1/6。由于根系吸收，土壤中的重金属进入农作物体内，然后通过食物链进入人体，对人体健康产生严重危害。因此通过直接检测和监控农作物的重金属污染状况，了解其发生危害的机制和规律，可以制定有效的预防和治理措施，为指导农作物的安全生产和实行农产品质量安全认证等方面提供有效的技术支持。

目前，用于重金属的检测分析一般都采用高灵敏度和高选择性的测定技术，已具备成熟的标准分析方法，主要包括原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectroscopy，AAS)、原子荧光光谱法(A-tomic Fluorescence Spectrometry，AFS)和电感耦合等离子体质谱法(Inductively Coupled Plasma－Mass Spectrometry，ICP － MS)［1，4，8，13］。这三种检测方法均要求分析试样为离子型液体试样，因此必须将样品充分分解，对于农作物样品则必须使其中的有机物质充分分解，使待测金属离子形成可溶盐后转入溶液才能用于测试分析。主要步骤包括样品前处理、试样制备和检测分析。其中前两个步骤是检测分析阶段的前提条件，重金属在作物体内含量一般低于10 μg/g，属于痕量分析，如果样品前处理和试样制备过程稍有不当，就会造成样品污染或者待检重金属元素成分的损失，导致最后的测定值和真值的偏差加大，因此必须对样品前处理和试样制备这两个关键环节进行严格的过程质量控制。

1 样品前处理

样品前处理过程包括样品的采集、清洗、干燥和粉碎。采集有代表性的农作物植株部位，比如是整株取样还是根、茎、叶等部位的独立取样，如需独立取样应将样品独立包装，并且用不含有被测重金属元素的材料袋包装，尽快送达分析室，置于4℃冰箱中保存，避免与其他化学试剂混放，防止污染。将采集的样品先用自来水洗掉附着的泥砂，然后用去离子彻底清洗以除尽其他杂质，晾干。四分法取样缩分，称取一定量样品，置于烧杯中放人烘箱，于80～105℃下烘干，然后放入干燥器中冷却、称量，计算样品含水量。用不锈钢粉碎机将干燥后的样品粉碎，过40～60目尼龙筛，放人聚乙烯瓶中，混匀备用，经过干燥粉碎的样品可以储放很长时间。对于果蔬类新鲜样品，用组织捣碎机捣碎，制成匀浆样品。新鲜样品应立即进行试样制备，不能久放。每处理一个样品后应将处理工具彻底清理干净，再用于下一个样品的处理，以免样品交叉污染。［2，11，14］

2 试样制备方法与质量控制

2.1 常压湿法消解

又称湿灰化法或湿氧化法，即在常压条件下将样品直接放在玻璃或聚四氟乙烯烧杯中，用氧化性强酸直接加热消煮样品，使有机物质分解，获得试样溶液的过程。此法设备简单，易于操作，危险性相对较小，因此应用最为广泛，适用于多种类型样品的消解。缺点是反应条件相对温和，反应时间长，消解能力一般，不适合难溶样品的分解，不过消解时可同时加入合适催化剂以加速氧化分解。该法酸的用量大，酸中杂质容易造成试剂空白偏高。由于是敞开式消煮，易引入外源性的交叉污染，同时一些挥发性的重金属元素如Hg等，容易产生挥发损失并且造成环境污染。

常用的混酸有:HN03－HCLO4、HN03－HCl03－HClO4、HN03－HClO4－H2SO4、HN03－H2S04、H2SO4－H2O2和HNO3－H202。一般用硝酸+高氯酸或浓硫酸+高氯酸，比例一般为4:1，但如果是高脂肪、高蛋白或者高糖的样品混酸比例则应用5:1，该比例可以防止在加热消解过程中爆沸。消解温度一般低于200℃。当瓶口开始冒白烟了而溶液颜色还是深棕色时，这说明消解还没有达到终点，这时应加适量硝酸继续反应。最后需加蒸馏水赶酸，当有白色烟雾时即可。

该法应防止消解过程中发生炭化，可在消解杯上面盖一个表面皿使其产生回流或者加装个漏斗减少水分的蒸发。同时注意控制温度，刚开始控制在100℃，当红棕色烟散后再逐渐缓慢升高温度。消化过程中当溶液颜色一变深应立即滴加硝酸，使颜色恢复到原来状态。如果发现碳化应立即取下消煮杯放置到室温后再滴加混合酸继续消解，直到样品清亮透明。尽量避免炭化，绝对避免烧干。

常压湿法消解要注意的另一个问题就是尽可能降低污染，在消解过程中样品与酸和容器长时间接触，酸及容器往往就成了最大的污染源，因此应严格使用优级纯酸，但市售的高纯试剂也含有一定的杂质，试剂购回后应做空白试验，并进行校正，扣除所得空白值后才是样品分析值。同时通过空白试验确定所购买的酸是否可用，否则需要对酸进行提纯。应试验得出消解完全时酸的最少加入量，样品消解完全后尽量将酸赶尽，以免干扰测定。其次应选择合适的消化容器，各种消化容器都不同程度含有无机杂质。当待测溶液浓度大于10－5时，器皿材料杂质含量影响不大，当待测溶液浓度小于10－7时，溶液中的重金属离子可能吸附在容器上，容器中的杂质也可能溶出而进入溶液，吸附和溶出都严重影响分析结果。玻璃材料器皿不适用于该法的消解处理，聚四氟乙烯材料耐化学腐蚀和热稳定性很好，是最合适的消解器皿［5，6，7］。

2.2 高温干法消解

又称干法灰化，即在较高温度条件下破坏分解有机质，使分析目标矿物残留在灰份中，用少量的酸将残留矿物溶解，使被测元素呈可溶解状态后制成待测液即可进行测定。干法灰化在高温电炉中进行，适于大批量试样分析，灰化过程受污染较少，空白值低。缺点是周期长，炉温不均匀，灰化温度难控制，高温挥发损失及坩埚上滞留损失严重，有时还会形成酸不溶性混合物，产生沉淀滞留损失，导致回收率偏低，准确度下降。如何减少损失，提高方法的准确度是干法灰化需要特别注意的重要问题。

灰化法需要的干样样品量一般小于10 g，鲜样小于50 g，样品量过大，易引起灰化困难或时间太长，这可能会引入新的误差;相反，样品太少，则可能会引入样品缺乏均匀性的误差，使检测结果缺乏代表性。灰化温度一般控制在500～600℃。时间通常控制在4～8 h。纤维素和蛋白质含量高的样品灰化时间较短，而脂肪和糖类含量高的样品则需要较长时间。通常根据灰分的颜色判断灰化是否完全，当灰分呈白色或灰白色但不含炭粒时，则认为灰化完全。

该法比较适用于有机物含量高的农作物样品，不适用于土壤和矿质样品。由于样品中的汞、铅、镉、锡、硒等元素因高温易挥发，导致测试结果偏低，因此该法也不太适合含易挥发性元素样品的分析。但在试样中加入一定量的助灰化剂，可以防止或降低某些重金属元素的挥发，并且灰化前加入助剂，可促进有机物氧化分解，降低灰化温度，使易挥发元素转变为挥发性较小的硫酸盐和磷酸盐，从而减少挥发损失。比如加入MgO+Mg(N03)2可以防止As的灰化损失，ZnO+Na2C03可以防止Sb的灰化损失，ZnO可以防止Hg的挥发，碱性溶剂可以防止Ge的挥发，加入少量HN03可以适当降低Pb的挥发。

为减少样品因温度过高而导致重金属元素的挥发，在高温电炉灰化以前，可预先将样品在电热板上低温炭化至无烟，然后移入冷的高温电炉中，缓慢升温至预定温度，温度一般控制500～550℃，并经常变换坩埚在高温电炉中的位置，使样品受热均匀，防止样品局部过热。灰化所用瓷皿的釉层应保持完好，因为高温时有蚀痕或部分脱釉的瓷皿器壁容易吸附金属元素，形成难溶的硅酸盐而产生损失。如果坩埚内还有炭粒，说明灰化不彻底，这时应取出坩埚，放冷，滴加硝酸并用小火蒸干，然后放入高温电炉中继续完成灰化［9，10］。

2.3 微波消解

微波消解法是将样品放置在密闭消解罐中，通过微波加热，在高温高压条件下，用强酸和氧化剂混合液快速高效分解有机质样品的过程。微波消解具有以下显著优点而成为目前最快速、准确、安全的样品消解方法。1.消解时间短。样品直接吸收微波能以及罐内迅速形成的高温高压，可使样品在几分钟到二十几分钟内消解完成，是电热板消解速度的10～100倍;2.试剂用量少，空白值低。消解一个样品一般只需15 mL的酸溶液，只有传统方法用酸量的几分之一。因为消解是在密闭罐内进行，酸不会挥发损失，不必为保持酸的体积而继续加酸，不仅节省试剂，也降低了分析空白值;3.避免挥发损失和样品的污染，提高分析的准确度和精密度。由于一直处于密闭状态下反应基本能避免样品之间的相互污染和外部杂质元素的干扰，同时能避免挥发性重金属元素的损失，保证了检测结果的可靠性，能解决含高脂肪和蛋白质植物性难消解样品和易挥发元素汞、砷等样品的试样制备难的问题;4.易于控制。微波消解系统能实时显示反应过程中密闭罐内的压力、温度和时间三个参数，并能准确控制，反应的重复性好;5.降低劳动强度，改善工作环境。由于挥发的酸大大减少，能有效改善工作环境，保护测试人员的身体健康。微波消解不足之处在于仪器昂贵，一次消解样品个数少，样品处理量小。

使用微波消解法应特别注意避免安全事故隐患，农作物类样品富含脂肪和蛋白质类有机物质，在密闭状态下吸收微波能发生消解反应，快速产生的CO2和NO2等气体副产物产生很高压力，容易发生安全事故。在进行微波消解之前，应对消解仪器的结构、性能、安全控制及消解罐的材料组成和理化指标等有充分的了解。根据样品的性质特点以及所使用的酸的种类和用量，设定微波消解反应压力、温度和时间，采用程序升温控制模式，逐步增大功率和升高温度，避免因快速升温、反应剧烈而引起的爆炸事故。微波消化植物性样品使用HNO3－H2O2、HNO3－HClO4消解体系能得到很好的消解效果。单独使用HNO3消解不完全。HClO4不易提纯也可能会引起爆炸，应避免使用。HNO3－H2O2是常用的混合酸，具有较强的氧化性，消解完毕后易于挥发除去，能减少对测定的干扰。为提高消解速度，在进行微波处理前可预先用混酸浸泡样品20 min。放入样品后，拧紧和密封好所有罐盖，消解完毕后，待消解罐冷却至室温压力下降至零后将消解罐移至通风柜，再打开罐，以避免因温度过高，压力过大消解液溅出而造成检测人员受伤害［5，7］。

3 其他控制要点

首先实验环境的清洁程度要求非常重要，实验室空气中的灰尘、气溶胶、交叉实验产生的废气以及实验室内的装置设备等都可能成为污染源，所以实验室以及实验设备应保持清洁无污染，室内尽量少开窗，避免使用金属材料的设备。如果条件许可设置独立的重金属痕量分析实验室，配备超净工作间、通风柜、工作台等封闭装置。通过这些措施可以使空气污染降低10～100倍。其次测试人员的专业理论水平和操作习惯也直接影响着分析结果的可靠性，如分析人员污染防范意识不强、操作不规范或不细心，如用手直接触摸样品或实验器皿、使用金属器械处理样品等，都可能导致污染。因此分析人员应经过专项培训，具备良好的责任心和卫生习惯，能熟练掌握痕量分析的各项要求和技能。实验室要配备防护手套、防毒口罩和面罩，尽量减少测试人员和样品的直接接触，保护实验人员免受有毒有害气体等物质的伤害。其次所有容器在使用前需用清洗剂仔细清洗，采用超声波清洗器清洗，可同时升高温度以加快清洗速度和洗涤效果，然后用自来水、蒸馏水反复冲洗，再用硝酸(1+1)充分浸泡，用去离子水冲洗干净并在超净环境中干燥后方可使用。如暂时不用，应密封存放，避免空气污染［3，6，10］。

4 结语

农作物样品不同于土壤等其他无机物样品，内含大量脂肪、蛋白质等有机成分，整个试样制备过程也要复杂些，首先要破坏、消解样品中的有机质体，使待测元素完全转变为离子状态，制备成液体试样后才能有效地进入下一步的测试分析过程。试样(试液)的制备过程是整个测试分析过程中不可缺少的关键环节，也是最耗时、费力的处理过程，对测试结果的准确性有着直接的影响。因此必须充分重视试样制备的各个处理环节，尽量减少外来因素的污染和待测元素的损失。

农作物样品重金属的分析检测属于痕量分析，是一个十分严肃精细的操作过程，对样品本身、操作人员、环境、仪器设备、试剂以及试样制备和检测过程都有严格的要求，其中任何一环有污染或者操作不当都有可能导致检测结果的误差，因此必须对整个检测环境、材料和操作过程进行严格的质量控制才能保证检测结果的可靠性，才能为农作物的安全生产、农产品的质量安全、环境监测和治理提供可靠的指导依据。

［1］陈炜彬，黄俊生，池泳浩，等.火焰原子吸收法测定植物叶片中Pb、Cd、Cu、Zn含量［J］.广东微量元素科学，2004，11(7):48－51.

［2］傅素虹，林专红.茶叶重金属含量分析消化方法改进［J］.中国卫生检验杂志，2005，15(9):1141－1143.

［3］高芹，邵劲松，余云飞.农产品中重金属痕量分析样品制备的质量控制［J］.监测分析，2007，(5):102－104.

［4］金航，王元忠，杨维泽，等.电感耦合等离子体－原子发射光谱法测定滇龙胆中的镉和铅［J］.光谱实验室，2010，27(5):1872－1874.

［5］罗颂华.常用食品和药材的微波消解的条件［J］.计量与测试技术，2007，34(9):41－43.

［6］骆新峥.食品中常见的重金属污染及检测技术研究进展［J］.质量技术监督研究，201 0，(6):39－43.

［7］倪小英.稻米重金属检测及前处理方法研究.硕士学位论文，2008.

［8］覃志英，陈广林，盛家荣.微波消解－火焰原子吸收光谱法测定植物样品中的铁［J］.检测技术，2003，19(2):108－110.

［9］姚振兴，辛晓东，司维，等.重金属检测方法的研究进展［J］.分析测试技术与设备，2011，17(1期):29－35.

［10］余若祯，王红梅，方征，等.重金属离子快速检测技术研究与应用进展［J］.环境工程技术学报，2011，第1卷，5期439－442.

［11］张春盛，吴舜芳，林炳国，等.西洋参等8种中药的重金属检测［J］.药物鉴定，2009，18(17):20－22.

［12］张军，束文圣.植物对重金属镉的耐受机制［J］.植物生理与分子生物学学报，2006，32(1):1－8.