原子吸收光譜分析食品中重金屬前處理技術的研究進展

原子吸收光譜分析食品中重金屬前處理技術的研究進展

20世紀70年代，原子吸收光譜法被廣泛應用于化學分析。由于其高靈敏度和低檢測限制，它引起了人們的廣泛關注。它在痕跡金屬元素檢測領域迅速發(fā)展。這已經(jīng)有50年了。通過研究人員的改進，提出的原子吸收光譜法具有更好的準確度、更強的干擾和更簡單的操作方法，已成為食品重金屬分析中的一種重要方法。原子吸收光譜法在實際操作中通常先對食品樣品進行前處理(消解和富集),然后送入原子吸收光譜儀中進行檢測。食品樣品前處理大致有兩步:第一步是通過消解破壞有機質(zhì),將樣品消化成樣液,第二步是通過富集凈化待測組分,制備適合原子吸收光譜儀檢測的樣液。前處理過程是原子吸收光譜分析中耗時最長的一個環(huán)節(jié),也是后續(xù)檢測的關鍵,往往決定了食品內(nèi)重金屬檢測結(jié)果準確度。然而,多年來食品樣品的前處理多數(shù)使用強酸作為消解劑,不僅容易造成環(huán)境污染,而且消解過程耗時長,樣品易損耗,結(jié)果準確度不高;富集過程多數(shù)使用有機溶劑作為萃取劑,易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象,導致分離困難,有機溶劑易揮發(fā)、有毒、易燃,容易引發(fā)安全事故,因此,食品樣品的前處理技術亟需改進。本文綜述了原子吸收光譜分析食品重金屬前處理技術的現(xiàn)狀和技術改進的方向,旨在為食品樣品的前處理技術發(fā)展提供參考。1常規(guī)消化法食品樣品的消解是將樣品中的有機質(zhì)破壞,使樣品消化成樣液的過程。常規(guī)方法有:濕法消解、干法消化。在常規(guī)消解方法的基礎上,有酸提取法、輔助濕法消解等改進技術。1.1法灰化法消解濕法消解是指在一定的溫度、壓力或其它條件下,用強酸或強堿溶液,通過氧化或催化作用,利用消解試劑與樣品之間化學反應來分解樣品的方法。最常用的消解試劑是:鹽酸+硝酸、硝酸+高氯酸混合試劑。干法灰化是在一定的溫度范圍加熱,灼燒破壞有機物和分解樣品,將殘留的礦物質(zhì)灰分溶解在合適的強酸中作為隨后測定試樣的方法。早在1975年江西食品發(fā)酵工業(yè)科學研究所在測定罐頭食品中的重金屬時使用了濕法消解,濕法消解對設備和操作人員的要求低,容易上手;但是存在著消解劑耗費量大、耗時耗力、樣品易損耗等問題比較嚴重。王利平等采用干法灰化法測定食品中痕量Pb;唐英等比較了干法灰化法與其它消化方法在測定大米中鎘含量的優(yōu)勢和劣勢,干法灰化方法操作簡單,無試劑污染,空白值低;但是,由于灰化加熱溫度高達500~800℃,造成金屬元素的揮發(fā)損失,對檢測結(jié)果的準確性有較大的影響。1.2分散和改進技術1.2.1待測中金屬元素的提取酸提取法是指在一定條件下,通過酸的作用,提取樣品中的待測組分。該方法是濕法消解的改進,與濕法消解不同之處在于:酸提取法的反應溫度通常不高于100℃,因此安全系數(shù)高,待測組分的損耗少。李大春、周明慧等報道了酸提取法在茶葉和谷物中的應用,該法大大縮短了分析時間,降低分析成本,簡化了處理步驟。只是目前酸提取法僅適用于待測金屬元素的形態(tài)以酸可溶性游離或絡合態(tài)形式存在的樣品,因此,該方法應用范圍相對窄。若對酸提取劑的作用機理做進一步了解,研發(fā)出可提取非酸可溶性重金屬的提取劑,將有望擴大酸提取法應用范圍。1.2.2微波輔助消解菜籽粕輔助濕法消解是濕法消解的補充和改良,是在外力(微波、超聲波、振蕩等)的輔助作用下,促進食品樣品濕法消解。該方法比常規(guī)濕法消解耗時少、速度快、試劑消耗少,而且比酸提取法應用范圍廣。因此近幾年有關應用報道較多。賀小敏等用微波輔助消解法消解菜籽粕,檢測其中的Pb和Cd含量,并優(yōu)化了微波輔助消解的方法,達到了簡化實驗程序的目的,并且有助于實現(xiàn)食品樣品分析的自動化;曹德菊等使用機械振蕩輔助消解法測定雞蛋中的Fe、Mn、Cu等元素,消解過程只需少量試劑就可以達到較好的效果,減少了污染,取得較滿意的檢測結(jié)果;程光磊等利用超聲振蕩輔助法測定茶葉中Pb,提高了Pb的溶出率和測定的準確度。盡管輔助濕法消解擁有許多優(yōu)勢,但該方法對輔助設備有一定的要求,從而限制其發(fā)展;消解過程使用強酸,對環(huán)境造成了污染。若能在現(xiàn)有基礎上用簡單設備代替常規(guī)輔助設備、用綠色消解劑(如:雙氧水)代替強酸,既有助于輔助濕法消解的發(fā)展又有利于環(huán)境。1.2.3采用原子吸收光譜檢測方法近年來,學者們不僅對常規(guī)方法進行改良,也從其它方面探索了食品樣品前處理的改進技術。固體樣品懸浮液進樣、液體樣品直接進樣等直接進樣法就是改進技術之一。直接進樣法無須完全消解樣品,只需要將樣品制成液態(tài)或者懸浮液態(tài),再配合使用化學改進劑(鈀、磷酸鹽等)消除基體干擾,即可進入原子吸收光譜檢測設備。李勝清等以聚乙二醇辛基苯基醚為乳化劑,正丁醇為助乳化劑,NH4H2PO4為化學改進劑,制備了生物柴油及其原料菜籽油的微乳液樣品,用以測定樣品中鉛的含量;翟志雷等直接溶解進樣測定嬰幼兒配方乳粉中Pb,該方法顯示前處理操作極為簡便,耗時不足常規(guī)方法的3%,檢測結(jié)果卻同常規(guī)方法相差無幾;Silva等提出通過加酸密閉加熱,再用超聲波處理大米,制成大米泥漿直接進樣測定大米中的Hg;姚晶晶等使用懸乳液進樣法測定蘑菇中的Pb、Cu、Zn、Ni。直接進樣法的操作相當簡便,耗時極少,是頗有前景的方法,但是目前對化學改進劑的機理研究滯后于應用,而且各類化學改進劑適用的樣品范圍也不十分清楚,導致直接進樣法的使用效率大打折扣。2常規(guī)樣液富集食品樣品經(jīng)過以上某種方法消解之后一般呈液體狀態(tài),通常稱為樣液。樣液在進入設備檢測之前,需要進行富集操作以提高待測組分的濃度,確保檢測結(jié)果的準確度;常規(guī)樣液富集方法主要是液―液萃取;而改進技術有:固相萃取技術、分散液―液萃取技術、濁點萃取技術、在線富集技術等幾大類。2.1液液萃取分離液―液萃取是利用待測組分在兩液相(通常一相為水相,另一相為有機溶劑)之間定向轉(zhuǎn)移,把待測組分從樣液中分離出來的方法。只要選取合適的萃取劑,所有的物質(zhì)都能用液―液萃取分離富集,因此該方法目前仍然被廣泛使用。蔡文華等建立有機溶劑萃取―氫化物發(fā)生原子熒光法測定食品中總無機砷的方法;周杰使用鋅試劑絡合以及二苯氨基脈絡合―火焰原子吸收光譜法測定食品中銅和鎘。報道顯示方法操作簡便、實驗成本低,適合在基層實驗室中推廣。但在實際操作中,液―液萃取存在許多問題:有機溶劑的乳化現(xiàn)象導致分相困難,萃取效率較低;有毒易揮發(fā)的有機溶劑使用量大,容易造成環(huán)境污染,存在較大的安全隱患。因此對常規(guī)液―液萃取進行改進,研發(fā)綠色環(huán)保、萃取效率高的富集技術迫在眉睫。2.2萃取類新型萃取技術為避免常規(guī)液―液萃取分相的困難,效率較低的缺陷,學者們相繼研發(fā)了幾類新型萃取技術。其中固相萃取、分散液―液萃取、濁點萃取、在線富集技術是發(fā)展成熟應用較多的技術。新型萃取技術萃取劑用量少,綠色環(huán)保,減少了環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生。另外單滴微萃取、超臨界流體萃取技術也值得關注。2.2.1其他富集技術固相萃取(solidphaseextraction,SPE)是利用固相吸附劑(硅膠吸附劑、生物質(zhì)材料、納米材料、石墨烯等)將樣液中的部分溶質(zhì)(可以是待測組分也可以是干擾物)富集分離的技術。該技術既能處理大批量樣品,又能處理微量樣品,具有回收率好、富集效率高、萃取劑用量少、易于自動化等許多優(yōu)勢,而且在很大程度上避免了常規(guī)液―液萃取的乳化現(xiàn)象,因此SPE的發(fā)展速度是其他富集技術望塵莫及的。有關報道的數(shù)量也相當多:向國強等使用改性花生殼作為固相萃取吸附劑,成功地應用于測定奶粉、茶葉中痕量Cd,回收率在97.1%~107%之間;舒靜等成功利用蛋膜固相萃取測定酵母粉中的痕量Cd,富集倍數(shù)達到100倍;Cheng等將新型化學改進硅膠作為固相萃取吸附劑,測定啤酒和茶飲料中的Pb,回收率在97.3%~102.5%結(jié)果令人滿意。由報道可見,研究者們不斷嘗試使用不同吸附材料進行萃取,除了以上提到的硅膠吸附材料、生物質(zhì)材料,還有新型吸附材料:碳納米管、石墨烯;Xie等報道了碳納米管的應用,利用功能化二氧化硅、十八碳基材料、表面活性劑作為分析物分離和預濃縮吸附各種樣品;Emadi等使用氧化鐵和氨基功能化二氧化硅核殼磁性納米顆粒富集樣液中的Pb2+,并將此技術應用到實際樣品測定中,結(jié)果令人滿意;Karimi等將改性石墨烯納米顆粒作為吸附劑分離和預濃縮Cd離子,并應用于海洋食品樣品中Cd離子檢測。報道中提到的碳納米管和石墨烯由于具有較大的比表面積、表面易功能化等特點,受到了廣泛的關注,其作為吸附劑的優(yōu)勢在于:用少量的吸附劑可達到較強的萃取能力;提取和分離時間縮短至幾分鐘,甚至幾秒鐘;可選擇性和分散性好。由此可見,石墨烯和碳納米管經(jīng)過進一步發(fā)展將有望作為優(yōu)異的吸附劑而廣泛用于SPE。2.2.2在萃取過程中的應用分散液―液萃取(Dispersiveliquid–liquidmicro–extraction,DLLME)通常采用注射器將數(shù)微升萃取劑分散到幾毫升樣液中,同時進行多個單滴液相萃取,離心分離之后取萃取相進行設備檢測。DLLME技術的關鍵點是:萃取劑和分散劑的選擇。有關報道中的常用萃取劑有:二硫化碳、氯苯、二氯甲烷、氯仿等與水密度相差不大的溶劑,分散劑一般是極性有機溶劑:丙酮、甲醇、乙醇等。Jiang等在堿性條件下,在大米的消解樣液中快速注入含有四氯化碳和萘酚的丙酮溶液,利用四氯化碳萃取樣液中的Co和Ni,然后用石墨爐原子吸收法測定樣液中的Co和Ni含量,結(jié)果表明DLLME富集能力強,富集速度快;王俊平等使用雙硫腙、三氯甲烷、乙醇萃取體系的分散液―液萃取技術處理魚和茶葉的消解樣品,測定樣品中的Hg含量,實驗證明:DLLME作為有效的綠色微萃取技術和高效富集法,有更好的富集能力和超快的富集速度,一般只需幾秒鐘即可完成富集。雖然DLLME富集能力優(yōu)異、富集速度快,但是目前DLLME的使用僅限于消解后的水樣,因此DLLME仍然要與消解聯(lián)用才能達到檢測目的。若能不經(jīng)歷消解,樣品使用DLLME富集之后可以直接進行檢測,就可以擴大DLLME的使用范圍。將DLLME直接應用于食物樣品前處理中作為一個新的發(fā)展方向正在被更多人關注。2.2.3電解質(zhì)與濁點萃取濁點萃取(CloudPointExtraction,CPE)是在樣液中加入表面活性劑,讓表面活性劑達到濁點溫度,使待測組分產(chǎn)生沉淀,再采取相應的方法進行分離富集的方法。因此,表面活性劑的選擇是濁點萃取的關鍵步驟,常用的表面活性劑有:TritonX–100、TritonX–114、SDS等。各類表面活性劑的濁點溫度并非一成不變,而是隨加入的電解質(zhì)的不同而變化:加入NaCl等鹽析型電解質(zhì)可使?jié)狳c溫度降低,加入NaNO3等鹽溶型電解質(zhì)可使?jié)狳c溫度升高。除了加入表面活性劑,濁點萃取之前通常需要加入螯合劑,萃取過后需要適當溶劑稀釋后才能進樣。有關CPE的報道有:溫圣平等以TritonX–114為表面活性劑,基于甲基綠(MG)與CdI42–形成疏水性離子締合物的濁點萃取新體系,建立了濁點萃取―火焰原子吸收光譜法測定大米樣品中痕量Cd的新方法,將該法成功應用于大米樣品中痕量Cd的測定,其回收率在91.0%~107.0%;Ulusoy等用TritonX–114作為表面活性劑,濁點萃取富集樣液,通過火焰原子吸收光譜法同時測定Pb(II)和Sn(II),該法已經(jīng)應用于果汁、西紅柿醬、玉米和豌豆罐頭的總Pb和Sa的測定中,文獻顯示CPE具有不使用有機溶劑、富集倍數(shù)和萃取率高、易于工業(yè)化、操作簡便、成本低、表面活性劑可用透析法回收再利用等很多優(yōu)點,是一種環(huán)境友好的分離和富集痕量金屬離子方法,但是目前在濁點沉淀機理研究、兩相分離技術的開發(fā)、萃取劑的選擇以及CPE自動化等方面需要更深入的研究。2.2.4流動注射前處理原子吸收光譜分析食品內(nèi)重金屬富集過程,通常采用先富集再進樣的離線富集法。然而與離線富集法相對的在線富集技術因其流程簡單,減少了二次污染等優(yōu)勢,近年來發(fā)展速度較快。在線富集技術(on–lineenrichment)是指將待測樣液流動注射至原子吸收光譜儀之后再進行富集操作,富集之后直接在設備內(nèi)進行檢測。有關在線富集應用的報道層出不窮:蘇耀東等設計了Pb(Ⅱ)的磷酸鹽沉淀在線富集的編結(jié)反應器,痕量Pb(Ⅱ)與磷酸二氫鉀溶液在微酸性條件下在反應器中反應,平均回收率為91%;李永科等在流動注射分析體系中用裝有黃原脂棉的微型柱對溶液中Cu2+進行在線富集,靈敏度可提高36倍,標準加入回收率95%~105%,相對標準偏差小于5.0%;張宏康等建立了流動注射在線預富集與火焰原子吸收光譜聯(lián)用測定皮蛋中痕量Pb的吸力洗脫新方法,測定500μg/L的Pb,富集系數(shù)由傳統(tǒng)方法的3.7提高到11.6,檢出限(3σ)為3.91μg/L,以0.1‰的三乙醇胺為掩蔽劑,Pb在皮蛋中的回收率為97.0%~99.5%;JiuyingTian等運用割縫管原子捕獲(STAT–FAAS)流動注