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摘 要：目的：通过微波消解-电感耦合等离子体质谱法同时测定大米中的砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）4种重金属元素。方法：采用微波消解法消解样品，以45Sc、72Ge、115In和209Bi这4种元素作为内标，ICP-MS测定大米中砷、铅、镉、铬的含量。结果：4种重金属元素标准曲线相关系数R为0.999 9～1.000 0，检出限为0.005 070～0.041 60 ng/mL，回收率为81.68%～99.20%，RSD均小于5%。结论：本方法线性良好，检出限低，精密度和灵敏度高，重复性和稳定性良好，操作簡便，快速准确，可用于大米中砷、铅、镉、铬4种重金属元素的含量测定。
关键词：电感耦合等离子体质谱法;大米;重金属含量
食品的质量决定着人们的生活质量。大米是我国大部分地区人们的主要粮食，是获取营养素的基础食物，其质量优劣关乎着人们的身体健康。砷、铅、镉和铬均为有害重金属元素，一旦被人体吸收容易在体内蓄积，达到一定浓度，人体就会出现重金属急性或慢性中毒，影响人们的身体健康。因此，探寻一种能同时快速准确地测定大米中几种重金属元素的方法，对大米样品中的重金属元素检测有十分重要的意义。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.1.1 仪器
T660微波消解仪（MILE STONESRL公司）;Milli-Q超纯水仪（倍捷科技公司）;7800型电感耦合等离子体质谱仪（美国安捷伦公司）;BSM220.4电子天平（上海卓精电子科技有限公司）;高速多功能粉碎机（永康市铂欧五金制品有限公司）。
1.1.2 试剂
超纯水;65%硝酸（优级纯GR，天津市科密欧化学试剂有限公司）;30%过氧化氢（优级纯GR，国药集团化学试剂有限公司）;调谐液（浓度为10 μg/L，美国安捷伦公司）;标准溶液：ICP分析多元素标准溶液GNM-M196438-2013（As、Pb、Cd、Cr浓度均为10 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心）;内标液（Sc，Ge，In，Bi浓度均为100 mg/L，美国安捷伦公司）;标准物质：大米粉成分分析标准物质GBW（E）100348（钢铁研究总院分析测试研究所，钢铁纳克检测技术有限公司，湖南省粮油产品质量监测中心）;本实验所用玻璃仪器均用20%硝酸浸泡过夜，再用超纯水冲洗后备用。
1.1.3 样品
不同产地的10批次大米样品。
1.2 方法
1.2.1 仪器工作参数
用1 mg/L调谐液对仪器进行优化，使仪器达到最佳工作条件，各项参数均符合检测要求。ICP-MC仪器的设定参数为：①等离子体。RF功率1 550 W，RF匹配1.60 V，采样深度9.0 mm，雾化器0.8 L/min，蠕动泵0.1 r/s，雾化室温度2 ℃，补偿/稀释气体0.30 L/min;②透镜。提取透镜1～60.0 V，提取透镜2～200.0 V，Omega偏转电压-120 V，Omega透镜6.4 V，碰撞池入口-30 V，碰撞池出口-85 V，Deflect6.6 V，Plate Bias-75 V;③碰撞池。氦气流量4.5 mL/min，八极杆偏转电压-18.0 V，八极杆RF 200 V，能量歧视5.0 V。
1.2.2 样品处理方法
将在市场上购买的大米样品粉碎，准确称取样品0.3 g（精确至0.000 1 g）于微波消解罐中，加入2 mL过氧化氢和6 mL硝酸，盖紧微波消解罐的盖子后放入微波消解仪中，按表1的消解程序进行消解，消解结束后取出冷却，冷却后用超纯水少量多次的转移消解液至50 mL容量瓶中，加水至刻度线，摇匀，同时做样品空白实验及加标回收试验，上机测定。
1.2.3 标准溶液的制备
（1）绘制标准曲线。精密量取1.00 mL标准溶液于100 mL容量瓶中，用5%硝酸稀释，得到浓度为100 ng/mL标准储备液，再精确量取一定量的标准储备液，用5%硝酸稀释，得到以下浓度梯度的标准溶液：0.0 ng/mL、1.0 ng/mL、2.0 ng/mL、5.0 ng/mL、10.0 ng/mL、20.0 ng/mL和50.0 ng/mL。
（2）内标液的制备。精确量取一定量的内标标准溶液，用5%硝酸逐级稀释，制得浓度为1.0 μg/mL的内标标准溶液。
1.2.4 调谐液的制备
精密量取一定量的调谐液，用5%硝酸稀释，制得浓度为1 mg/L的调谐液。
1.2.5 上机测定
打开电感耦合等离子体质谱仪，设置好工作程序和样品序列，按2.1的条件进行调谐，将仪器调至最佳工作状态，满足实验要求，同时选择Sc、Ge、In、Bi作为待测元素的内标物，以消除机体效应，克服信号漂移，使基线稳定。待仪器达到实验要求并保持稳定后，分别将系列标准溶液、样品空白溶液、样品溶液、样品加标溶液及质控样溶液引入仪器进行测定。
2 结果与分析
2.1 前处理方法的选择
2.1.1 消解方法的选择
对比干法消解、湿法消解和微波消解3种不同前处理方式的消解效果。实验结果表明，湿法消解和干法消解均会造成部分元素损失而导致回收率偏低，而微波消解是在密闭容器中利用微波加热消解液和试样，在高温高压条件下使样品快速溶解，该消解方式可将样品中的有机物消解完全，元素损失较小，回收率相对较高[1]。因此，本实验选择微波消解作为样品前处理方式。
2.1.2 消解体系的选择
在金属元素检测的各种实验方法中，常用的消解体系有HNO3、HNO3-H2O2、HNO3-HClO4和HNO3-H2SO4等。HNO3虽然有一定的消解能力，但大米基质比较复杂，不容易完全消解，所以本实验不考虑只用HNO3作为消解体系。HClO4是一种强氧化剂，能彻底分解有机物，高氯酸在 245 ℃分解，产生大量气体副产品，在常压下预处理使用，对于密闭消解体系，要谨慎评估，不可轻易使用。硫酸几乎可以破坏所有的有机物，但是在密闭消解时要严格监控反应温度，因为浓硫酸沸点是338 ℃，远高于聚四氟乙烯的最高使用温度240 ℃，在消解时可能熔化聚四氟乙烯消化管，而且很多硫酸盐是不可溶的（如Ba、Sr、Pb），对测定结果会产生影响[2]。HNO3-H2O2消解体系氧化性较强，且过氧化氫加入硝酸中，能降低硝酸用量，降低氮气的释放，降低消解温度，加速样品消化。硝酸含有O、N和H元素，与气体类似，过氧化氢同水相似，两者均不会产生多原子离子干扰[3]。对比以上几种消解体系，选择HNO3-H2O2作为本实验的消解体系。因此，本实验最终选择HNO3-H2O2作为消解体系，用微波消解的方式进行样品前处理。
2.2 方法学验证
2.2.1 线性关系与检出限
将制备好的标准溶液进行上机测定，以浓度（ng/mL）为横坐标，各元素与内标溶液响应值比值为纵坐标，绘制标准曲线，相关系数为0.999 9～1.000 0，线性良好，满足实验要求。检出限为0.005 07～0.041 60 ng/mL，检出限低，表明该方法灵敏度高。线性及检出限结果见表2。
2.2.2 准确度
按照1.2.2的处理方法对质控样进行前处理，上机测定，计算结果并与标准值比较，得出相对误差，相对误差均小于10%，符合《实验室质量控制规范 食品理化检测》
（GB 27404—2008）的相关要求[4]，说明该方法准确可靠，结果见表3。
2.2.3 加标回收率实验
在样品中加入适量的标准溶液，按照2.2的方法对加标样品进行前处理。本实验做了3个浓度的加标回收实验，每个浓度的加标样都做了2个平行实验，实验结果取2个平行实验的平均值。加标回收率在81.68%～99.20%，回收率高，说明方法准确度高，实验结果见表4。
2.2.4 精密度及稳定性实验
本实验分别对样品空白和质控样进行9次重复测定，得出各元素的RSD。结果显示相对标准偏差RSD均小于5%，表明各元素在本次实验条件下测定结果稳定，精密度高，重现性好，结果见表5。
2.2.5 样品测定结果
本实验对不同产地的10批次大米样品进行测定，测定结果见表6，按照《食品安全国家标准 食品中污染物限量》行业标准第1号修改单（GB 2762—2017/XG1—2021）的相关规定[5]，均未超出相应元素的规定标准（As、Pb、Cd≤
0.2 mg/kg，Cr≤1 mg/kg）。在这10批次大米中，均未检出Pb，其中3批次样品未检出Cr，As和Cd虽然均有检出，但是不同批次大米检出的结果均不相同，这可能与大米的生长环境、大米品种及加工过程中引入某些元素等因素有关。
3 结论
ICP-MS因其操作方便快捷，检测元素范围广，具有较高灵敏度和准确度等优势，成为测定各种元素最常用的分析方法，已广泛应用于食品、医药等行业中。本实验建立了一种能同时测定大米中砷，铅，镉，铬4种重金属元素的检测方法，实验结果表明，该方法线性良好，检出限低，准确度和精密度均高，消耗试剂少，操作步骤简单，能同时测定大米中的砷、铅、镉和铬4种重金属元素的含量，为大米中其他元素的检测提供了检测依据，也为大米的质量监控和安全性研究奠定实验基础。
参考文献
[1]孔维恒，严华，徐姗，等.微波消解-电感耦合等离子体质谱法同时测定橄榄油中的18种金属元素[J].食品安全质量检测学报，2015，6（11）：4330?4335.
[2]吴莉，王玉.电感耦合等离子体质谱法测定茶包中15种微量元素的含量[J].中南药学，2017，15（10）：1430-1433.
[3]丁素君.微波消解-ICP-MS测定香椿芽中微量元素含量[J].食品研究与开发，2016，37（14）：128-130.
[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.实验室质量控制规范 食品理化检测：
GB/T 27404—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.
[5]国家卫生和计划生育委员会，国家食品药品监督管理总局.《食品安全国家标准 食品中污染物限量》行业标准第1号修改单：GB 2762—2017/XG1—2021[S].北京：中国标准出版社，2021.
关键词：电感耦合等离子体质谱法;大米;重金属含量
食品的质量决定着人们的生活质量。大米是我国大部分地区人们的主要粮食，是获取营养素的基础食物，其质量优劣关乎着人们的身体健康。砷、铅、镉和铬均为有害重金属元素，一旦被人体吸收容易在体内蓄积，达到一定浓度，人体就会出现重金属急性或慢性中毒，影响人们的身体健康。因此，探寻一种能同时快速准确地测定大米中几种重金属元素的方法，对大米样品中的重金属元素检测有十分重要的意义。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.1.1 仪器
T660微波消解仪（MILE STONESRL公司）;Milli-Q超纯水仪（倍捷科技公司）;7800型电感耦合等离子体质谱仪（美国安捷伦公司）;BSM220.4电子天平（上海卓精电子科技有限公司）;高速多功能粉碎机（永康市铂欧五金制品有限公司）。
1.1.2 试剂
超纯水;65%硝酸（优级纯GR，天津市科密欧化学试剂有限公司）;30%过氧化氢（优级纯GR，国药集团化学试剂有限公司）;调谐液（浓度为10 μg/L，美国安捷伦公司）;标准溶液：ICP分析多元素标准溶液GNM-M196438-2013（As、Pb、Cd、Cr浓度均为10 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心）;内标液（Sc，Ge，In，Bi浓度均为100 mg/L，美国安捷伦公司）;标准物质：大米粉成分分析标准物质GBW（E）100348（钢铁研究总院分析测试研究所，钢铁纳克检测技术有限公司，湖南省粮油产品质量监测中心）;本实验所用玻璃仪器均用20%硝酸浸泡过夜，再用超纯水冲洗后备用。
1.1.3 样品
不同产地的10批次大米样品。
1.2 方法
1.2.1 仪器工作参数
用1 mg/L调谐液对仪器进行优化，使仪器达到最佳工作条件，各项参数均符合检测要求。ICP-MC仪器的设定参数为：①等离子体。RF功率1 550 W，RF匹配1.60 V，采样深度9.0 mm，雾化器0.8 L/min，蠕动泵0.1 r/s，雾化室温度2 ℃，补偿/稀释气体0.30 L/min;②透镜。提取透镜1～60.0 V，提取透镜2～200.0 V，Omega偏转电压-120 V，Omega透镜6.4 V，碰撞池入口-30 V，碰撞池出口-85 V，Deflect6.6 V，Plate Bias-75 V;③碰撞池。氦气流量4.5 mL/min，八极杆偏转电压-18.0 V，八极杆RF 200 V，能量歧视5.0 V。
1.2.2 样品处理方法
将在市场上购买的大米样品粉碎，准确称取样品0.3 g（精确至0.000 1 g）于微波消解罐中，加入2 mL过氧化氢和6 mL硝酸，盖紧微波消解罐的盖子后放入微波消解仪中，按表1的消解程序进行消解，消解结束后取出冷却，冷却后用超纯水少量多次的转移消解液至50 mL容量瓶中，加水至刻度线，摇匀，同时做样品空白实验及加标回收试验，上机测定。
1.2.3 标准溶液的制备
（1）绘制标准曲线。精密量取1.00 mL标准溶液于100 mL容量瓶中，用5%硝酸稀释，得到浓度为100 ng/mL标准储备液，再精确量取一定量的标准储备液，用5%硝酸稀释，得到以下浓度梯度的标准溶液：0.0 ng/mL、1.0 ng/mL、2.0 ng/mL、5.0 ng/mL、10.0 ng/mL、20.0 ng/mL和50.0 ng/mL。
（2）内标液的制备。精确量取一定量的内标标准溶液，用5%硝酸逐级稀释，制得浓度为1.0 μg/mL的内标标准溶液。
1.2.4 调谐液的制备
精密量取一定量的调谐液，用5%硝酸稀释，制得浓度为1 mg/L的调谐液。
1.2.5 上机测定
打开电感耦合等离子体质谱仪，设置好工作程序和样品序列，按2.1的条件进行调谐，将仪器调至最佳工作状态，满足实验要求，同时选择Sc、Ge、In、Bi作为待测元素的内标物，以消除机体效应，克服信号漂移，使基线稳定。待仪器达到实验要求并保持稳定后，分别将系列标准溶液、样品空白溶液、样品溶液、样品加标溶液及质控样溶液引入仪器进行测定。
2 结果与分析
2.1 前处理方法的选择
2.1.1 消解方法的选择
对比干法消解、湿法消解和微波消解3种不同前处理方式的消解效果。实验结果表明，湿法消解和干法消解均会造成部分元素损失而导致回收率偏低，而微波消解是在密闭容器中利用微波加热消解液和试样，在高温高压条件下使样品快速溶解，该消解方式可将样品中的有机物消解完全，元素损失较小，回收率相对较高[1]。因此，本实验选择微波消解作为样品前处理方式。
2.1.2 消解体系的选择
在金属元素检测的各种实验方法中，常用的消解体系有HNO3、HNO3-H2O2、HNO3-HClO4和HNO3-H2SO4等。HNO3虽然有一定的消解能力，但大米基质比较复杂，不容易完全消解，所以本实验不考虑只用HNO3作为消解体系。HClO4是一种强氧化剂，能彻底分解有机物，高氯酸在 245 ℃分解，产生大量气体副产品，在常压下预处理使用，对于密闭消解体系，要谨慎评估，不可轻易使用。硫酸几乎可以破坏所有的有机物，但是在密闭消解时要严格监控反应温度，因为浓硫酸沸点是338 ℃，远高于聚四氟乙烯的最高使用温度240 ℃，在消解时可能熔化聚四氟乙烯消化管，而且很多硫酸盐是不可溶的（如Ba、Sr、Pb），对测定结果会产生影响[2]。HNO3-H2O2消解体系氧化性较强，且过氧化氫加入硝酸中，能降低硝酸用量，降低氮气的释放，降低消解温度，加速样品消化。硝酸含有O、N和H元素，与气体类似，过氧化氢同水相似，两者均不会产生多原子离子干扰[3]。对比以上几种消解体系，选择HNO3-H2O2作为本实验的消解体系。因此，本实验最终选择HNO3-H2O2作为消解体系，用微波消解的方式进行样品前处理。
2.2 方法学验证
2.2.1 线性关系与检出限
将制备好的标准溶液进行上机测定，以浓度（ng/mL）为横坐标，各元素与内标溶液响应值比值为纵坐标，绘制标准曲线，相关系数为0.999 9～1.000 0，线性良好，满足实验要求。检出限为0.005 07～0.041 60 ng/mL，检出限低，表明该方法灵敏度高。线性及检出限结果见表2。
2.2.2 准确度
按照1.2.2的处理方法对质控样进行前处理，上机测定，计算结果并与标准值比较，得出相对误差，相对误差均小于10%，符合《实验室质量控制规范 食品理化检测》
（GB 27404—2008）的相关要求[4]，说明该方法准确可靠，结果见表3。
2.2.3 加标回收率实验
在样品中加入适量的标准溶液，按照2.2的方法对加标样品进行前处理。本实验做了3个浓度的加标回收实验，每个浓度的加标样都做了2个平行实验，实验结果取2个平行实验的平均值。加标回收率在81.68%～99.20%，回收率高，说明方法准确度高，实验结果见表4。
2.2.4 精密度及稳定性实验
本实验分别对样品空白和质控样进行9次重复测定，得出各元素的RSD。结果显示相对标准偏差RSD均小于5%，表明各元素在本次实验条件下测定结果稳定，精密度高，重现性好，结果见表5。
2.2.5 样品测定结果
本实验对不同产地的10批次大米样品进行测定，测定结果见表6，按照《食品安全国家标准 食品中污染物限量》行业标准第1号修改单（GB 2762—2017/XG1—2021）的相关规定[5]，均未超出相应元素的规定标准（As、Pb、Cd≤
0.2 mg/kg，Cr≤1 mg/kg）。在这10批次大米中，均未检出Pb，其中3批次样品未检出Cr，As和Cd虽然均有检出，但是不同批次大米检出的结果均不相同，这可能与大米的生长环境、大米品种及加工过程中引入某些元素等因素有关。
3 结论
ICP-MS因其操作方便快捷，检测元素范围广，具有较高灵敏度和准确度等优势，成为测定各种元素最常用的分析方法，已广泛应用于食品、医药等行业中。本实验建立了一种能同时测定大米中砷，铅，镉，铬4种重金属元素的检测方法，实验结果表明，该方法线性良好，检出限低，准确度和精密度均高，消耗试剂少，操作步骤简单，能同时测定大米中的砷、铅、镉和铬4种重金属元素的含量，为大米中其他元素的检测提供了检测依据，也为大米的质量监控和安全性研究奠定实验基础。
参考文献
[1]孔维恒，严华，徐姗，等.微波消解-电感耦合等离子体质谱法同时测定橄榄油中的18种金属元素[J].食品安全质量检测学报，2015，6（11）：4330?4335.
[2]吴莉，王玉.电感耦合等离子体质谱法测定茶包中15种微量元素的含量[J].中南药学，2017，15（10）：1430-1433.
[3]丁素君.微波消解-ICP-MS测定香椿芽中微量元素含量[J].食品研究与开发，2016，37（14）：128-130.
[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.实验室质量控制规范 食品理化检测：
GB/T 27404—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.
[5]国家卫生和计划生育委员会，国家食品药品监督管理总局.《食品安全国家标准 食品中污染物限量》行业标准第1号修改单：GB 2762—2017/XG1—2021[S].北京：中国标准出版社，2021.