单色聚焦X射线荧光光谱法测定粮食中镉、铅、砷

罗志浩 宋硙 王晶晶 刘海虹* 王日庆

（1.广东省食品检验所（广东省酒类检测中心） 广东 广州 510000；2.西安佳谱电子科技有限公司）

1 前言

人类活动如矿山开采、金属冶炼、工业废水排放、农田污灌、污泥农用以及肥料和杀虫剂的施用，已经严重威胁到农作物的生长[1]，其中镉、铅、砷被认为是主要重金属污染物。重金属经食物链逐步沉积，最后进入人体，并在人体内与蛋白质和酶发生作用，使它们失去活性，从而产生致癌致畸等毒性作用，甚至危害生命[2-4]。重金属污染物中镉、铅、砷均是蓄积性毒物，对人类健康有巨大毒害作用[5-7]。相关研究表明铅、砷还可能是一种致癌物质[8-9]。近年来，粮食中重金属超标事件时有发生，造成群众恐慌，影响社会稳定。加强对大米、小麦等粮食中重金属的快速检测能力，能有效防止被重金属污染的粮食流入口粮市场，对保障食品安全具有重大的社会意义。

粮食中重金属污染一直是粮食食品安全检测的重点，本方法采用的电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）是目前通用的国标参比方法，适用范围较广[10-13]，但是该方法适用于配备有大型设备的中心实验室使用，难以应用于现场检测。因此需要现场检测的场合，急需快速筛查重金属的方法。

目前重金属快检方法主要有X射线荧光光谱法、电化学阳极溶出伏安法、时间分辨免疫层析定量法等。X射线荧光光谱法是一种利用样品对X射线的吸收随样品中的成分及其含量而变化来定性或定量测定样品中成分的方法[14-21]，杨学文等[22]对X射线荧光光谱法与石墨炉原子吸收光谱法进行比较，得出该方法可满足现场粮食收购要求。但该方法只针对稻谷中的镉，不能同时测定多种基质的多种重金属。电化学阳极溶出伏安法是一种通过预电解将被测物质电沉积到电极上，然后施加反向电压使富集在电极上的物质重新溶出，根据溶出过程中所得到的伏安曲线来进行定量分析的方法[23-28]。时间分辨免疫层析定量法是待测溶液中的重金属离子与特异性抗体结合后，抑制了层析过程中抗体与硝酸纤维膜检测线上待测金属——牛血清白蛋白偶联物的免疫反应，使检测线上T信号值荧光强度降低，通过检测线T信号值与质控线C信号值荧光强度变化来计算待测样品中元素的含量[29-30]。

本文采用单色聚焦X射线荧光光谱法测定粮食中镉、铅、砷，在X射线荧光光谱法基础上增强了入射光强度等参数，对目标元素的检测下限更低，检测时间更短，能够更快更准地实现不同样品基质中镉、砷、铅的同时检测。

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

大米基质标准物质GBW（E）100360（镉认定值0.22±0.02 mg/kg；铅认定值0.049±0.007 mg/kg、砷认定值0.12±0.02 mg/kg）、GBW（E）100349a（镉认定值0.44±0.02 mg/kg、铅认定值0.21±0.02 mg/kg、砷认定值0.20±0.02 mg/kg）、GBW（E）100349（镉认定值0.41±0.02 mg/kg；砷认定值0.25±0.03 mg/kg）、GBW（E）100356（铅认定值0.25±0.02 mg/kg）；玉米基质标准物质GBW（E）100498（镉认定值0.11±0.01 mg/kg）；小麦基质标准物质GBW（E）100496（镉认定值0.10±0.01 mg/kg）（钢研纳克检测技术有限公司）。

单色聚焦X射线荧光光谱仪E-max（HDXRF）（西安佳谱科技有限公司）；臼式研磨仪莱驰RM200、自动分样仪Retsch PT100（弗尔德（上海）仪器设备有限公司）；Agilent 7800 ICP-MS（安捷伦科技（中国）有限公司）。

2.2 测定方法

2.2.1 国家参比方法

《GB 5009.268—2016食品安全国家标准 食品中多元素的测定》称取固体样品0.4 g（精确至0.00 g），加入10 mL硝酸过夜，按照微波消解仪标准操作步骤进行消解，冷却后取出排气，赶酸，用水定容至25 mL，混匀备用，同时做空白试验。

2.2.2 单色聚焦X射线荧光光谱法

将试样粉碎至过40目筛，混合均匀。先将仪器预热30 min，称取0.7～1.0 g样品于样品杯，用样品顶杆旋转推入样品杯内，把样品口（膜面）放在装样压槽上，推紧顶杆，至膜面平整。将装好样品的装样杯正确放置到检测舱中测试，待600 s后在液晶屏上读取测定结果。

风机每时段的发电量是由风机转轴处每时段的平均风速及风机的出力特性决定的,其输出功率可根据风机生产厂家提供的网侧输出功率曲线经过多项式拟合得到,具体公式[11-12]为

2.3 标准曲线的建立

根据不同元素的荧光X射线具有各自的特定波长，通过特征X射线波长进行定性，通过光管的原始谱和探测器的探测效率进行理论数据拟合，然后再收集大量实际标准样品的光谱数据实现各个参数的微调，再根据样品测试结果和标准结果进行校准的算法方式，建立仪器内置标准曲线。

3 结果与分析

3.1 样品前处理粒径研究

国家参比方法分别对实验室镉元素阳性样品用自动分样仪进行分样，取样研磨，分别过不同粒径样品筛。参比方法对样品结果进行确认，参照CNASGL 032006《能力验证样品均匀性和稳定性评价指南》中均匀性检验单因子方差分析，对样品均一性进行评估，采用F检验进行统计处理，判定样品是否均匀。

单色聚焦X射线荧光光谱法对确认均匀性后的不同粒径代表性样品进行测试，按照GB5009.268规定，该方法测定的稳定性精密度是否超过标准方法中规定的来考察设备稳定性。选取最优粒径作为样品粒径验证实验结果。

选取实验室镉元素不合格留样，使用自动分样仪进行分样，取样研磨，分别过18目（粒径880μm）、40目（粒径380μm）、80目（粒径180μm）、100目（粒径150μm）筛，各取7份样品，进行平行测试。样品均匀性测定结果见表1。

表1 样品均匀性测定（浓度单位：mg/kg）

参照CNAS-GL 032006《能力验证样品均匀性和稳定性评价指南》中均匀性检验单因子方差分析，对样品均一性进行评估，采用F检验进行统计处理，通过组间变动性和组内变动性的比较来判断各组测量值之间有无系统误差，二者的比值小于统计检验的临界值Fa（3.866，查表可知），则认为样品是均匀的。从测试数据可知，该样品均匀性符合验证需求。

取不同粒径的代表性样品A、B、C、D，各取7份样品，分别用HDXRF进行平行测试，每份样品测试3次，测试时间为600s，具体数据见表2。

表2 样品粒径对HDXRF精密度的影响（浓度单位：mg/kg）

通过不同颗粒度的测试结果来看，精密度随颗粒增大而增大，当粒径>380μm时，精密度>10%，测试结果偏差较大，粒径<380μm时，精密度为8.35%，粒径<180μm时，精密度为2.37%，精密度均<10%，因此样品粒径<380μm，即粉碎到过40目筛即可。

3.2 实验方法的确立

选择对应元素限量附近浓度水平的质控样进行验证，分别进行20次平行测定，检测限的计算方式为所得测试平均值所对应浓度值标准偏差的3倍，结果见表3。

表3 检测限验证数据（浓度单位：mg/kg）

3.2.2准确性

单色聚焦X射线荧光光谱法与国家参比方法分别对粮食实物标准物质进行检测，使用的软件为SPSS Statistics 22（美国IBM公司）配对t检验法验证2种方法的检测结果是否存在显著性差异。检验结果如下，T检验参数Td＜T0.05.6=2.447，说明本法检验结果与国家参比方法结果间无显著性差异，结果见表4。

表4 方法准确性测定（浓度单位：mg/kg）

3.2.3 重复性

取同一台设备测试分别含铅、砷、镉阳性样品，获得精密度如表5所示。

表5 实验室内重复性测试结果（浓度单位：mg/kg）

由表5所示，同一样品中不同元素平行测试6次的相对标准偏差较低，重复性标准差和极差均符合GB 5009.268规定，说明该方法检测结果可靠，重现性高。

3.2.4 稳定性

采用同一台仪器，连续12 h测试分别含铅、砷、镉阳性样品，获得精密度如表6所示。

表6 实验室内稳定性测试结果（浓度单位：mg/kg）

由表6所示，不同元素连续测试的相对标准偏差较低，重复性标准差和极差均符合GB 5009.268规定，说明该方法检测结果可靠，重现性高。

3.2.5 仪器台间差

采用2台仪器，测试分别含铅、砷、镉阳性样品，t检验法验证2种方法的检测结果是否存在显著性差异。检验结果如下，T检验参数Td＜T0.05.6=2.447，说明本法检验结果与国家参比方法结果间无显著性差异，结果见表7。

表7 方法准确性测定（浓度单位：mg/kg）

3.2.6 判定区间验证结果分析

由5家实验室分别对对应基质的限量附近浓度水平的铅、砷、镉样品进行测定，每个水平的样品分别测试10个独立样品，测试时间分别为300s、600s。测试结果见表8、9，参照GB/T 3358.2《统计学词汇及符号 第2部分：应用统计》[31]中的定义和CAIA/SH001-2015《稻米 镉的测定X射线荧光光谱法》[32]中规定的筛检规则进行判定区间结果分析。判定区间研究数据见表10，考虑到判定区间的一致性，最大波动区间范围设定为60%～140%。因此设立判定区间为当结果（w）＜60%限量或w＞140%限量时，以300s初测结果进行结果判定，当结果为60%限量≤w≤140%限量时，以600s复测结果平均值进行结果判定。

表8 测试时间为300 s的验证结果（浓度单位：mg/kg）

表9 测试时间为600 s的验证结果（浓度单位：mg/kg）

表10 不同测试时间限值浓度水平的波动区间（浓度单位mg/kg）

4 讨论

本文采用的单色聚焦X射线荧光光谱法与电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）相比较，结果表明该方法检出限、定量限、准确性、重复性和稳定性均符合要求，前处理简单，无需试剂处理，对人员操作、环境要求不高，单个样品检测时间缩短至600 s，效率更高，能满足镉、铅、砷元素的同时测定，同时设立判定区间为当结果w＜60%限量或w＞140%限量时，以300 s初测结果进行结果判定，当结果为60%限量≤w≤140%限量时，以600 s复测结果平均值进行结果判定。更有利于粮食类食用农产品现场快速筛查。