食品中重金属总量及形态分析研究进展

李 莉，李伟青，申德省，2，王秀娟，张 峰，*

(1.中国检验检疫科学研究院烟草安全与控烟技术研究所，北京100123;2.浙江工商大学，浙江杭州310012)

食品中重金属元素的含量超标对人体危害很大，因此近年来重金属元素总量及形态分析成为研究的热点。重金属元素不但可以通过生物富集作用最终到达人体造成慢性中毒，而且可以在人体内经过各种反应变成毒性更大的物质。人们吸收食品所含营养物质的同时，有害元素也随之被人体吸收。美国 FDA(Food and Drug Administration)［1］最近的一份报道把食品中的砷、镉、铅、汞、硒等元素及其化合物列为有害物质，可能造成癌症、呼吸系统疾病、心血管疾病、生殖发育疾病等。重金属是自然界中广泛存在的元素，并且大量的重金属以不同的形态存在于与人类密切相关的水、空气和食物中，且元素的毒性和生物重要性都依赖于其化学形态。如以砷化合物半致死量(LD50)计，其毒性依次为砷烷(H3As)＞三价无机砷(As(III))＞五价无机砷(As(V))＞甲基砷酸(MAA)＞二甲基砷酸(DMAA)＞三甲基砷氧(TMAO)＞砷胆碱(AsC)＞砷甜菜碱(AsB)。形态分析是研究某一元素在真实环境中的形态信息，用以研究元素形态的生物活性或毒性，更具有实际意义。国内外食品中重金属含量超标现象时有发生，重金属超标不仅严重危害人体的身心健康，而且会严重阻碍商品进出口贸易，造成巨大经济损失。同时重金属含量的检测方法也在逐步更新，标准不断提高。因此，对于重金属检测方法的研究显得尤为重要。本文就重金属总量分析方法和元素形态分析方法的研究进展进行了综述，并展望了分析方法的发展趋势。

1 重金属总量测定

1.1 前处理方法

食品中重金属含量分析常用的前处理方法有消解法、湿消化法、干灰化法、酸提取法、离子交换法、萃取法等，具有不同的特点，见表1。

干法灰化法具有空白值低、灵敏度高、操作简便等优点，但该方法存在费时、耗电量大、回收率低、测定结果偏低、不适应挥发性元素等缺点。湿法消化法分解速度快、回收率高，但是该方法试剂耗量大、空白值高、污染环境。与传统的灰化法(干法和湿法灰化法)相比，微波消解技术具有省时、省酸、安全、污染少、空白值低、容易监控等特点，经常与AAS、ICP-MS、AFS等检测技术联用。酸提取法操作简便、污染少，但是如果采用过高浓度的酸提取样品，容易引起样品的过度分解，造成较强的基质效应。液液萃取法具有速率快、容量大、试剂易再生等优点，但是萃取试剂易挥发、易燃、有毒。液相微萃取法是在液液萃取法基础上发展起来的，但与其相比，具有灵敏度高、基质效应低等优点，特别适合于环境样品中痕量、超痕量污染物的测定。固相萃取法与传统的液液萃取法相比，可以提高分析物的回收率，更有效的将分析物与干扰组分分离。与固相萃取法相比，固相微萃取法具有萃取相用量少、对待测物的选择性高、溶质易洗脱等特点，已成功用于气态、水体、固态中的挥发性有机物、半挥发性有机物以及无机物的分析。膜萃取法和膜过滤法虽然操作过程简单，并且体系较稳定，但其选择性低、通量小，不适合萃取复杂基质中的重金属元素。超临界CO2络合萃取法具有选择性能好、流程简便、萃取速度快、后处理简单等优点，但是该方法一般需要较昂贵的萃取设备，不适用于小型实验室。浊点萃取法可以有效地消除基体干扰，提高方法的选择性及测定灵敏度，适用于金属螯合物、生物大分子的分离与纯化及环境样品的前处理。

表1 前处理方法Table 1 Sample preparation methods

1.2 元素总量的仪器检测方法

通过检索食品中元素分析的相关文献，对铅、铜、汞、砷、硒、铬、镉、锌、锡、碘十种元素的元素总量的仪器检测方法进行汇总，见表2。

高效液相色谱法检测速度快，效率高，灵敏度高，试样无需气化，沸点高、相对分子质量大的物质原则上都可以分析;另外，卟啉类试剂灵敏度高，能和多种金属元素生成稳定有色络合物，目前已广泛用作高效液相色谱测定金属离子的衍生试剂［32］。吴献花［33］等利用四-(邻氯苯基)-卟啉(T2CPP)柱前衍生含有镍、铜、锡、铅、等重金属的样品，有效分离测定了食品中6种重金属含量。

电感耦合等离子体质谱法在元素分析和形态分析上有非常广泛的应用。该方法几乎可以分析所有的元素，灵敏度高、检出限低、线性检测范围宽，并且可以实现多元素的同时检测，但其设备价格昂贵、易受污染，限制了其广泛应用。许蔼飞［34］建立了微波消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)同时测定中药三七中5种重金属(铜、砷、镉、汞、铅)含量的方法，该研究建立的方法快速，检测准确，灵敏度高。

光谱法中等离子体发射光谱法(ICP-AES)能同时检测多种元素，检测效率高。火焰原子吸收光谱法(FAAS)现主要用于单个元素分析。石墨炉原子吸收光谱法是在原子化器中用电流加热样品，样品全部原子化，避免了火焰原子吸收光谱法中样品原子浓度在火焰气体中的稀释，提高了灵敏度，但往往基体干扰严重。王书兰［35］等利用石墨炉原子吸收光谱法测定了白酒中铬、铜、铅等微量重金属，该方法快速、准确、无污染，在测定白酒中微量重金属方面具有较高的实用价值。

比色法是通过加入某种物质使被测组分显色，然后通过测量颜色的深度定量，但是该方法检出限高，很难达到食品中污染物检测的要求。张铁涛［36］等采用双硫腙比色法测定了三亚红沙海域金枪鱼、海鲳鱼中重金属汞的含量，为该海域海产品重金属汞的污染状况提供理论基础。

溶出伏安法是在极谱分析的基础上发展出来的，因为经过长时间的预先电解，被测物质被富集浓缩，因而有较高的灵敏度，可测定10-9～10-12g/mL的痕量元素。同时该方法具有分析速度快，测定元素多，检测需要样品少，有机物干扰小等优点。于庆海［37］等利用微分脉冲阳极溶出伏安法准确测定了海水中Cu、Pb、Cd、Zn 4种痕量元素，并且测定结果非常可靠。

利用酶抑制作用的生物传感器在重金属检测中也有应用，不过实际应用较少，因为灵敏度较低［38］。

根据实际研究的需要选用合适方法对重金属含量进行分析。例如，气相色谱法虽然分析能力较强，但是色谱柱工作温度下不气化的组分和不稳定的化合物不适合气相色谱法分析。电感耦合等离子体质谱法仪器价格昂贵，等离子工作气体费用较高，所以当其他方法可以满足需求时，可以优先采用其他分析方法。

2 元素形态分析

2.1 前处理方法

理想的前处理方法既要有良好的回收率(70%～120%)，又要保持元素在样品中的原始形态，常用的提取液有酶、水、甲醇、甲醇与水［39］、盐酸、氯仿等。前处理方法在前面有所介绍，不再赘述，它们都有各自优缺点，需根据实际研究的需要，采用合适方法对样品进行前处理。

2.2 分离方法

元素形态分离主要依靠色谱技术。气相色谱要求被测物质有挥发性或者通过衍生化变成挥发性物质;高效液相色谱适用于生物活性物质、高沸点和热不稳定化合物的分离。台希［40］等建立了环境水样中痕量重金属镍、铜、银、铅、镉和汞的低灵敏度高效液相色谱检测方法;离子色谱分离机理主要是离子交换，可同时检测样品中的多种成分，同时分离同一元素的不同价态。叶欣［41］利用离子色谱同步分离及检测城市环境中植物样品中Cu2+、Ni2+、Zn2+和Mn2+等重金属离子含量的新方法。方法检出限低，校准曲线线性良好，能应用于检测植物标准样品及城市环境中的植物样品的重金属离子含量;毛细管电泳(CE)消耗低、成本低、分离度高、分离体系灵活、无需衍生，CE进样量小(纳升级)，浓度检出限低，但样品基质的耐受能力弱，大量基质引入分离毛细管会导致目标分析物的迁移时间变化，从而导致分析结果不准确。因此，在CE分析前往往需要辅以合适的样品前处理技术和CE在柱富集技术［42］。范银苹［43］等建立了一种毛细管电泳检测电镀水中痕量重金属离子的新方法。Cu2+、Zn2+、Ni2+、Mg2+、Ca2+、Cr3+和Fe3+的检出限分别为 0.163、0.256、0.077、0.153、0.203、0.062、0.142mg/L，均明显低于国家规定标准，所建方法已成功用于实际电镀废水样品中痕量重金属离子的富集和检测。

2.3 仪器检测方法

目前元素形态分析检测方法主要有电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)、原子荧光光谱法(AFS)、电喷雾质谱法(ES-MS)、电喷雾串联质谱法(ES-MS-MS)等。

2.3.1 电感耦合等离子体质谱法 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)检测限低，线性范围宽，干扰少，精密度高，可同时测定多元素，但长时间运行易产生信号漂移。常和其它技术联用，如扇形磁场质谱仪(SF-ICP-MS)，飞行时间质谱仪(TOF-ICP-MS)，高效液相色谱串联电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICP-MS)。聂西度［44］等利用电感耦合等离子体质谱法测定了甜味剂中 Cr、Co、Ni、Cu、As、Cd、Sn、Sb、Hg 和Pb等十种重金属元素的含量，该方法对十种待测元素的检出限在0.003～0.038μg·L-1之间，加标回收率在93.0%～106.6%之间，方法简便、快速、准确。

2.3.2 等离子体原子发射光谱法 等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)根据各元素特征谱线的存在和强度对待测样品中相应元素定性和定量分析。此法同时检测多种元素，检出限低，基体效应小，检测效率高。吕培［45］等用螯合树脂、阳离子交换树脂以及有机溶剂萃取等分离方法对白虎汤水煎液中Ca的不同形态进行富集分离，采用ICP-AES对不同形态的Ca含量测定，钙元素检出限为0.038μg·mL-1，RSD 1.5%，可溶性Ca的离子态比例为83.25%，有机结合态比例为23.79%。

2.3.3 原子荧光光谱法 原子荧光光谱法(AFS)根据特定波长荧光来定性，由特定波长荧光强度和浓度之间的关系定量。利用氢化物发生技术(金属-酸还原法，硼氢化物还原法，电解法)，将待测元素还原为气态组分，氢化过程有消除基体干扰和预富集作用。I Ipolyi［46］等用高效液相色谱-紫外消解-氢化物发生-原子荧光法(HPLC-UV-HG-AFS)有效分离硒元素和含硒氨基酸五种形态。SeCys、SeMet、SeEt、Se(IV)和 Se(VI)的检测限分别为 0.31、0.43、0.7、0.44、0.32g·L-1，实际样品(瓶装矿物质水)的回收率为96%～104%。

2.3.4 电喷雾质谱法 电喷雾质谱(ESI-MS)提供分子和结构信息，但易受基体干扰，分析物应尽可能纯化。由于HPLC-ICP-MS和CE-ICP-MS均不能提供化合物的分子结构信息，因此在缺少标准物的情况下ESI-MS是不可缺少的形态分析工具。Volker Nischwitz［47］等用排阻色谱串联或反相色谱分离猪肝提取液，用ICP-MS定量和ESI-MS鉴别分子量，发现Fe、Cu、Zn和Mn这四种金属元素主要以和蛋白(转铁蛋白、金属硫蛋白和超氧化物歧化酶)结合方式存在。

2.3.5 电喷雾串联质谱法 电喷雾串联质谱法(ESI-MS-MS)可以对HPLC-ICP-MS未能鉴定出的形态进一步分析。ESI-MS-MS可以在ESI-MS在扫描母离子后，通过碰撞池把母离子打碎，进一步检测子离子，准确度大大增加。Like Gong［48］等用HPLCICP-MS和HPLC-ESI-MS/MS对泥鳅水溶性硒蛋白中的硒形态进行了分析，发现泥鳅肌肉组织纯化的硒蛋白质中硒代蛋氨酸(Se-Met)是主要的含硒氨基酸形态。另外HPLC-ICP-MS发现一种极性与硒半胱氨酸(Se-(Cys)2)相似的硒化合物，HPLC-ESIMS/MS发现这是与(Se-(Cys)2不同的另外一种硒化合物。

3 展望

随着社会的进步和生活水平的提高，人们对重金属的危害越来越重视，各国和国际组织对于食品中的重金属监管的力度逐渐加大，检测的标准更加严格，元素总量及形态的分析方法不断更新。前处理技术、分离技术和检测技术的创新都有助于改进元素总量及形态分析方法，科学家在这些领域也都做出了重要的创新性工作。对于元素形态分析，样品前处理技术非常关键，处理不好会使形态发生转变。随着学科交叉的深入，生物、材料、物理、机械、电子等领域的进步对于推动元素分析方法的改进意义重大。比如，色谱技术的强分离能力与分光光度法、光谱法、质谱法等手段的结合;利用酶的专一性和高效性能够有助于推动快速检测技术的发展;新材料的研制可以推动色谱分离填料的进步，使待测物得到更好的分离;基质标准物质的研发也将大大推动标准检测方法的进步;前处理技术和检测技术在自动化、在线、高通量方面的进步也是重金属分析的发展趋势。

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