刘淑萍 乔继浩

(甘肃省计量研究院，兰州 730000)

Pb、Cd、As和Cr污染属于全球问题，这些有毒有害元素超过耐受摄入量会对人的器官造成不同程度的伤害，引发不同的病症[1-3]，甚至危及生命。因此，各个国家针对当地情况制定了适合自己国情或区域的食品污染物限量标准。我国GB 2762—2017《食品安全国家标准-食品污染物限量》中对不同食品种类中的Pb、Cd、As和Cr含量作了明确的规定，其中谷物中Pb、Cd、As和Cr含量分别不高于0.2、0.1、0.5和1.0 mg/kg。欧盟发布的(EC)NO 1881/2006号法规中谷物中Pb含量不超过0.2 mg/kg，Cd含量不高于0.1 mg/kg。国际食品法典委员会(CAC)在2010年第72次会议颁布了《食品和饲料中污染物和毒素通用标准》，规定谷物中铅限量为0.2 mg/kg，小麦中Cd限量为0.2 mg/kg，精米中As限量为0.2 mg/kg。

目前，小麦粉中Pb，Cd，As和Cr的测量方法主要有电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法[4]，电感耦合等离子体光谱(ICP-OES)法[5]，原子吸收光谱(AAS)法，As也常用原子荧光光谱(AFS)法测量[6]。其中ICP-MS方法线性范围宽，灵敏度好，而且能同时进行多元素测量，具有简便、快捷、准确和高效等特点，已成为复杂基体多元素检测的重要工具[7-8]。

本实验采用微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定小麦样品中的Pb、Cd、As和Cr，从多方面优化了实验条件。通过对GBW(E) 100493小麦粉成分分析标准物质和 NIST SRM 1567 Wheat Flour标准物质进行验证，测定结果与标准值一致，可为小麦粉中多元素准确可靠的检验检测提供方法参考，对保护人民身体健康具有非常重要的意义。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

7900电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS (安捷伦科技有限公司)，XPR204电子天平(Mettler-Toledo公司，最小分度0.1 mg)，Multiwave PRO微波消解仪(Anton Paar公司)，ZM200碾磨仪(Retsch公司)，AS200筛分仪(Retsch公司)，Milli-Q Integral 5超纯水机(Millipore公司)；DHG-9920A鼓风干燥箱(上海一恒公司)；Mastersizer2000激光粒度分析仪(马尔文公司)。

铅单元素标准储备溶液(GBW08619，标准值1 000 μg/mL，中国计量科学研究院)，镉单元素标准储备溶液(GBW08612，标准值1 000 μg/mL，中国计量科学研究院)，砷单元素标准储备溶液(GBW08611，标准值1 000 μg/mL，中国计量科学研究院)，铬单元素标准储备溶液(GBW08614，标准值1 000 μg/mL，中国计量科学研究院)，Wheat Flour(SRM 1567b，NIST)，小麦粉成分分析标准物质(GBW(E) 100493，钢研纳克检测技术有限公司)，内标溶液(Agilent公司)，优级纯硝酸(默克公司)，超纯水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

小麦粉原材料采自于白银市东大沟沿岸重金属严重污染区，首先将采集到的小麦由脱皮机脱壳并除杂，然后进行清洗，再置于鼓风干燥箱中在80 ℃的条件下烘干24 h；接着用碾磨机碾磨，再用150 μm筛网经筛分仪筛分；筛分后的样品放置在360°旋转的滚筒式均分仪中，摇至12 h，从不同位置取样6次，用微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定，计算其相对标准偏差小于5%时，样品可认为均匀。随后将样品在洁净工作台上进行双层分装，先取样品按20 g/瓶的规格，装入50 mL的棕色玻璃瓶中，再装入复合膜铝箔袋抽真空熔封。以双层包装主要避免样品稳定性遭受外界环境的影响。最后所有样品采用60Co辐照杀菌处理，储存于避光干燥处。

1.2.2 样品消解

消解样品前，首先在各消解罐中分别加入6 mL的分析纯浓硝酸，设置清洗消解方法(见表1)，在微波消解仪中消解，完成后冷却然后依次使用自来水和纯净水各冲洗2遍，重复上述清洗操作步骤1次，以保证前处理整个系统清洁，防止样品污染。其次采用重量法在罐中依次称取约0.5 g(准确到0.000 1 g)的小麦粉样品6份，小麦粉成分分析标准物质(GBW(E)100493) 4份，NIST SRM 1567b标准物质4份，空白2份。然后在各消解罐中依次加入优级纯浓硝酸6 mL，置于微波消解仪中消解(消解方法见表2)。接着将消解好的样品转移到带盖的50 mL聚乙烯管中，使用超纯水清洗消解管内壁多次，再转移到聚乙烯管中，尽可能让消解罐中的残留样品转移完全，以防损失；最后用超纯水定容至大约50 mL，准确称量，记录称量数据。

表1 微波消解清洗方法

表2 微波消解小麦粉方法

1.2.3 标准曲线配制

用重量法依次称取一定量(精确到0.000 1 g)Pb、Cd、As和Cr的单元素溶液标准物质到带盖50 mL聚乙烯管中，加HNO3(2%)逐级稀释成Pb为0、0.25、0.5、1、2.5和5.0 μg/kg，Cd为0、2.5、5.0、10、25和50 μg/kg，As和Cr为0、0.5、1.0、2.0、5.0和10 μg/kg的系列混合标准溶液。

1.2.4 内标溶液配制

采用重量法称量1 mg/kg的内标储备溶液2.5 g(准确到0.000 1 g)到50 mL聚乙烯管中配制成50 μg/kg的内标溶液，通过自动进样方式引入。

1.2.5 样品测定

首先对仪器进行调谐，使其灵敏度达到最佳水平，保证氧化物产率156CeO+/140Ce+低于1.5%，双电荷产率70Ce++/140Ce+低于2.0%。

调谐后的仪器条件：RF功率1 500 W，载气流速0.90 L/min，He流速4.3 mL/min，Omega透镜电压为10.8 V，Omega偏转电压为-80 V，提取透镜-160 V，Deflect 1.4 V，截取锥和采样锥均为铂锥，PFA同心雾化器，积分时间0.3 s，采样深度8 mm。

2 结果和讨论

2.1 粒径分布分析

小麦粉样品粒径分布分析采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪，将约0.2 g小麦粉样品置于清洁的800 mL烧杯中，加入约700 mL蒸馏水作为分散剂，在3 000 r/min的转速下搅拌12 s，超声1.5 min；其后，在小麦粉的折射参数为1.52，吸光值为0.01，折光率为10%～20%的条件下，置于激光粒径分析仪中进行测定，每个样品重复3次，通过数据处理获得分析结果和样品的粒径分布的频率曲线图，小麦粉样品分析结果和频率分布分别见表3和图1。表3中d(0.1)、d(0.5)和d(0.9)分别表示粒径大小占10%、50%和90%的微粒量。由表3和图1可知，此样品中，粒径小于130 μm的粒子大于90%，符合筛分时使用的筛网孔径(150 μm)值；另外，每个样品重复测定3次，测定结果的标准偏差均小于3%，说明制作的小麦粉样品粒径分布比较均匀。

表3 小麦粉粒径分析结果

图1 小麦粉粒径分布Figure 1 Particle size distribution of wheat flour.

2.2 样品失水率

小麦粉样品在整个制备过程中，经过很多步骤，因此成品中会引入少量水分，尤其是打开包装后泄真空的样品，易吸收外界环境中的水分。为保证测量结果准确可靠，一方面消解样品时在一定条件下提前烘干样品；另一方面通过失水验证，计算样品中的失水率进行水分校正。本次实验分别在60、80和100 ℃三个温度下进行水分测定，首先准确称量约0.5 g(精确到0.000 1 g)的样品，置于烘箱中干燥，每隔1 h称量一次，记录称量结果，连续测量9 h，测量结果如图2所示。图2表示，当在60 ℃ 时，样品烘至5 h后失水率趋向稳定；当温度处于80 ℃时，烘至2 h后样品失水率呈稳定趋势；而温度处于100 ℃时，烘至2 h样品失水率已趋向稳定。综合上述分析，建议在温度为80 ℃，烘干时间为2 h时，进行小麦粉样品测量前的失水校正，既确保效率，也防样品中易挥发成分损耗。

图2 小麦粉样品在不同温度下的失水率对比Figure 2 Comparison of the water loss rate for different temperature in wheat folur.

2.3 同位素的选择

元素周期表中绝大多数元素有多个同位素，选择待测元素同位素除考虑同位素天然丰度外，还要考虑同位素的受干扰情况，通常用丰度高，干扰小的同位素为待测元素的质量数。在Pb、Cd、As和Cr中，Pb、Cd和Cr均为多同位素元素。Pb的同位素有204Pb、206Pb、207Pb和208Pb，其相对丰度分别为1.4%、24.1%、22.1%和52.4%，其中204Pb和204Hg是同量异位素；Cd的同位素有106Cd、108Cd、110Cd、111Cd、112Cd、113Cd、114Cd和116Cd，其相对丰度分别为1.25%、0.89%、12.49%、12.80%、24.13%、12.22、28.73%和7.49%，其中106Cd、108Cd、110Cd、113Cd、114Cd、116Cd分别与106Pd、108Pd、110Pd、113In、114Sn、116Sn是同量异位素；Cr的同位素为50Cr、52Cr、53Cr和54Cr，其相对丰度分别为4.34%、83.79%、9.50%和2.37%，且50Cr、54Cr与50V、50Ti、54Fe是同量异位素。为消除ICP-MS方法测量过程中同量异位素的干扰，并结合各元素在自然界中同位素相对丰度的高低，选择208Pb、111Cd、75As和53Cr为待测同位素。

2.4 质谱干扰和消除

Pb、Cd、As和Cr的质谱干扰有多原子离子、氧化物、双电荷和同量异位素等干扰。多原子离子干扰主要有氢氧化物、氩化物和氯化物等，如40Ar35Cl+和40Ca35Cl+干扰75As+，38Ar15N+、36Ar16O1H+和40Ar13C+干扰53Cr+，94Zr16O1H+干扰111Cd+；氧化物35Cl18O+和36Ar17O+干扰53Cr+，59Co16O+干扰75As+，98Mo16O+干扰111Cd+，192Pd16O+干扰208Pb+；双电荷是因元素的第二电离能低于Ar的第一电离能导致的，在这四种元素中主要是150Nd2+和150Sm2+对75As+的干扰；上述三种干扰通过优化ICP-MS测量条件和选择适当的监测模式来消除，此次使用具有八极杆质量分析器技术并结合He碰撞池模式来消除以上干扰。而同量异位素导致的干扰通过同位素的选择予以避免。

2.5 内标元素选择

小麦粉样品基体比较复杂，既有常见的质谱干扰又有复杂基体导致的基体效应，而基体效应也是元素准确测量的重要干扰因素之一[9-10]。研究发现使用适当的内标元素既可弥补样品本身引起的基体效应，提高测量的灵敏度，并能准确定量各质量段的元素[9，11]。一般用于内标的元素有Li、Sc、Ge、Y、Rh、In、Lu、Tb、Ho和Bi等，选择内标元素时要求样品本身应不含有内标元素；而且内标元素的质量数和第一电离能与待测的元素相接近，加入内标的浓度最好是标准曲线的中间范围，多元素分析时最好选用双内标和多内标。加入内标前，首先对样品进行全元素半定量分析，发现样品中含有Li、Sc、Ge的量较大，而Y是调谐的关键元素，故Pb、Cd、As和Cr分别选择Bi、In和Rh作为内标元素，内标在线加入浓度为50 μg/kg，其回收率在85.0%～115%。

图3 小麦粉中Pb、Cd、As 和Cr元素ICP-MS分析内标回收率Figure 3 Internal standard recovery of Pb，Cd，As and Cr in wheat flour by ICP-MS.

2.6 校准曲线绘制

用配制的标准系列溶液绘制标准工作曲线，待测元素的信号和内标元素信号的比值(比率)为纵坐标，标准溶液的浓度为横坐标，见图4。由图4可见Pb、Cd、As和Cr分别在0～5、0～50、0～10和0～10 μg/kg质量浓度范围内呈线性关系，其相关系数均大于0.999 9。

图4 ICP-MS法测量小麦粉中Pb Cd As 和Cr的校准曲线Figure 4 Calibration curve of Pb Cd As and Cr in wheat flour by ICP-MS.

2.7 检出限和定量限

首先，通过标准曲线校正重复测量空白溶液11次，计算11次空白结果的标准偏差(s)，标准偏差的3倍(3s)，即为检出限(DL)；而标准偏差的10倍(10s)则为定量限(QL)，结果见表4。

表4 小麦粉中Pb Cd As 和Cr元素的检出限和定量限

2.8 测量结果

将消解好的样品溶液通过电感耦合等离子体质谱仪对Pb、Cd、As和Cr元素按照实验方法进行测定，每个样品平行测定2次，由表5计算结果可知Pb、Cd、As和Cr元素在小麦粉样品中含量分别用质量分数(w)表示为0.110、2.70、0.289和0.416 mg/kg，其标准偏差分别为0.003 1、0.042 6、0.005 4和0.017 1 mg/kg；相对标准偏差分别为2.82%、1.58%、1.87%和4.11%，均小于5%，说明该方法测量精度较好。

表5 小麦粉中Pb、Cd、As、Cr元素含量测定结果

2.9 准确度实验

为了验证该方法的准确可靠，选择了NIST SRM1567b和GBW(E)100493小麦粉有证标准物质进行方法验证，同时用归一化偏差(En)对结果进行评价。由表6中验证和评价结果显示，各元素的测定结果和标准值是一致的，说明用于各元素定值的方法是准确可靠的。

表6 小麦粉中Pb Cd As和Cr元素测定方法验证结果

3 结论

采用微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定小麦粉中的Pb、Cd、As和Cr含量，Pb、Cd、As和Cr分别在0～5、0～50、0～10和0～10 μg/kg质量浓度范围内呈良好的线性关系，其相关系数均大于0.999 9；各元素测定结果相对标准偏差均小于5%；通过检出限和定量限的结果显示该方法可满足绝大部分类似基体样品的测定。同时使用NIST SRM 1567b和GBW(E)100493标准物质验证了本实验所采用的方法是准确可靠的，可用于类似食品基体中这些元素的检验检测。