食品中重金属快速检测的前处理研究进展

韩晋辉，翟培

(广东食品药品职业学院，广东广州 510520)

随着工农业的快速发展，环境污染所导致的食品安全问题引起了社会的广泛关注。国土部门数据显示，我国每年受重金属污染的粮食高达1 200万t，约10%的稻米存在镉超标的问题;国家海洋局《2008年中国海洋环境质量公报》提供的数据表明，我国近岸海域部分贝类体内的铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)残留水平超过第Ⅳ类海洋生物质量标准，其中个别站位贝类体内As的残留超第3类海洋生物质量标准。重金属污染已成为引起食品安全问题的主要原因之一。为了避免重金属引起的食品安全问题，不仅需要加强环境监管力度，杜绝环境污染事件发生，也需要在食品原料、生产、流通的过程中及时发现重金属污染问题。

食品中重金属的含量较少而且形态多样，检测时需要采用适当的样品前处理方法，以提取分离待测元素。实验室检测常用的前处理方法有:干法消化法和湿法消化法，但都耗时较长。样品前处理已成为食品安全快速检测重金属的主要限速因素之一，目前已引起了广大学者的关注，快速、简便、提取率高、适合现场检测的样品前处理方法已成为重金属检测研究的热点。高效的样品前处理技术与食品安全快检技术联用，可以有效减少基体干扰对快检过程的影响，提高快检准确度，是发展准确定量食品安全快检技术的关键所在［1］。目前常见的快速检测重金属样品的预处理方法有:微波消解技术、酸浸提技术、萃取技术等。

1 微波消解技术

微波消解法是近年来比较热门的样品处理技术，即将样品置于聚四氟乙烯消解罐中，加入浓酸，再将消解罐置于消解仪的微波场中，在微波电场的作用下，分子间由于高速的碰撞和摩擦而产生高热，迅速加热了酸和溶质，密封罐内发生氧化还原反应及放热，并产生大量气体，形成容器内的高压氛围，提高了溶样酸的沸点、氧化能力和活性。微波消解食品样品时最常使用的酸是硝酸，硝酸是一种强氧化剂，是可获得超高纯度、适用于痕量元素分析所需的强酸之一，广泛用于释放生物和植物样品中痕量元素。食物样品中大部分为有机成分，在消解过程中会产生大量CO2及硝酸的还原产物NO2，因此当消解反应开始后，反应体系内压强会迅速增加，硝酸在1.01×105Pa下，沸点是120℃，而当压力提升到5.05×105Pa时，其沸点可达到176℃，可以大大加快样品的消解速度。食物样品一般不含难消解的物质，微波消解时应注意样品和加入酸的量，减少消解过程中体系内的气体量，大量的气体不利于消解结束时系统的降温和降压。研究表明，当食物中油脂含量较大时，应采用更大的消解压力、增加消解时间或加入H2O2等试剂以保证样品的完全消解。

微波消解法结合了高压消解和微波快速加热2个方面的性能进而加快了样品的消解速度。大量研究表明，微波消解法能更有效地萃取各种固体样品中的金属元素，且由于样品处于密闭容器中，也避免了待测元素的损失和可能造成的污染。微波消解法已被收录为美国环境保护署(EPA)的标准方法，许多重金属快速检测的研究都把微波消解作为样品处理的主要手段，加之商品化的微波消解装置已经成熟，使得该技术广泛应用于食品中重金属的实验室检测和食品安全现场快速检测当中。大量的试验证明(表1)，微波消解法适用于不同重金属检测方法的样品前处理，利用微波消解法进行食品样品前处理，和国标方法相比消化时间短、消解完全、结果准确，精密度和准确度都较好［2］。

2 酸提取技术

酸提取法又叫酸浸提法，是利用HCl、HNO3等酸对金属元素具有强的溶解能力，选择提取样品中的待测元素。对于食品样品，酸浸提时浓度不宜过高，尤其是谨慎使用H2SO4及HClO4，原因是当酸浓度较高时基质分解程度加剧，易造成较强的基体干扰。酸提取方法操作简便、快速准确、干扰少，是一种较为理想的样品预处理方法。目前在食品重金属快速检测中有较广泛的应用，具体见表2。与常规样品预处理技术相比，酸提取时加热温度不超过100℃，可以有效减少金属元素的损失，尤其是在测定铅、砷、汞3种元素时，李海等用超声辅助酸提取，测定油脂类食品中铅的条件试验，方法回收率为86.7% ～103.0%［8］。

表1 微波消解法分离提取重金属的应用

表2 酸提取技术分离重金属的应用

由表2可以知，酸提取技术对于重金属的提取率因重金属以及提取方法不同而有差异，在使用过程中对于试验设备和条件要求不高。因此，酸提取技术可以作为食品中重金属快速检测的样品前处理技术适用于半定性、半定量的现场快速检测，便于食品安全监管人员在现场进行问题样品的筛选。

3 萃取技术

食品中限量元素含量甚微，不少金属元素的含量很低，一般在10-3～10-6g/L水平，有的甚至达到10-9g/L，萃取技术被广泛用于食品测定前进行富集提取，以提高检测方法的灵敏度。常用的方法主要有固相萃取、微萃取、络合溶剂萃取等富集分离技术。目前，萃取技术已能与食品安全快检技术联用，建立适于复杂食品样品分析的快检方法，该方法多运用于实验室快速检测或检测车中的车载色谱检测。

3.1 固相萃取 固相萃取技术(SPE)是一种用于样品分离、纯化、浓缩的重要的样品前处理手段。主要利用样品流经固体吸附剂时，不同化合物与吸附剂间的吸附与解吸附作用，将液体样品中的目标化合物与样品基底以及干扰化合物分离，再通过洗脱液迅速洗脱，达到分离和富集的效果。SPE具有回收率和富集倍数高、有机溶剂用量少、无相分离操作、能处理微量样品和易于实现自动化等优点。近年来，高分子材料合成技术、分子印迹技术等新技术与传统固相萃取技术相结合，衍生出众多技术改进和创新。常用的固相萃取剂有:键合硅胶、树脂、分子印迹聚合物等。

3.1.1 键合硅胶。目前使用最为广泛的固相萃取材料是键合硅胶，它的应用推动了固相萃取技术的迅速发展。在所有的键合硅胶中，目前使用最多的是C18键合硅胶。与其他材料比较，键合硅胶在重金属检测样品前处理中具有吸附速度快、吸附容量高、选择性好、无溶胀等优点。樊静等采用二苯卡巴腙化学键合硅胶，萃取Hg2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+4种金属离子，在pH 8.5的条件下，4种金属离子的富集百分率为93% ～100%［16］;Amin等采用C18SPE膜富集5-(4-氯苯基偶氮)-6-羟基嘧啶二酮与Ni(Ⅱ)快速反应形成的复合物，结合紫外-可见分光光度法可快速检测食品样品中痕量Ni(Ⅱ)，方法富集倍数达 100，定量下限达 0.01 μg/ml［17］。

3.1.2 分子印迹技术。分子印迹技术(MIT)是制备对特定目标分子具有分子识别性能的分子印迹聚合物(MIP)的技术。分子印迹聚合物模拟酶-底物或抗体-抗原之间相互作用，对印迹分子(也称模板分子)进行专一识别。该技术集分离与富集于一体，可选择性识别富集复杂样品中的目标物。MIT与分析技术联用后，具有较高的灵敏度，在重金属检测方面有很大的发展空间。目前，分子印迹技术已经成功制备出了以 Ni2+、Cu2+、Pd2+、Cd2+、Cr3+、Zn2+等多种金属离子为模板分子的金属离子印迹聚合物［18］。Li等的研究小组以Cu2+为模板分子，以硝酸纤维素膜为支撑物，制备了聚乙烯醇-离子印迹复合膜，该复合膜结构中形成了对Cu2+具有良好选择性的空穴，采用室温磷光法测定了头发和茶叶样品中的Cu2+，检出限达1.1 ng/L［19］。孙军德等利用根霉工业发酵中的废弃菌丝体进行表面分子印迹，研究了根菌霉丝体壳聚糖表面印迹吸附剂对废水中Cr6+的吸附性能和影响因素，结果表明，在最佳条件下pH为3.5～4.5时，吸附容量为45 mg/g［20］。江伟等采用分子印迹技术通过制备铅印迹壳聚糖包覆硅藻土微球(pbCSDE)，研究了PbCSDE对重金属Pb2+、Cu2+的吸附［21］。

3.1.3 树脂。树脂分为天然树脂和合成树脂。树脂做为重金属检测的固相萃取剂具有吸附快、脱除效率高等优点，且树脂型号较多，可以根据重金属的种类加以选择。有研究表明，对羧甲基纤维素钠(CMC-Na)进行化学交联后，可以实现与多种重金属离子的分离富集。近年来，基于过渡元素的成螯倾向而合成的螯合树脂，也可以实现痕量重金属离子的定量检测，如:氨基羧酸类、肟类等不同螯合树脂在重金属萃取方面的应用都有较高的萃取率。钱涛等研究了LS-5000型氨基磷酸型螯合树脂对Pb2+的吸附性能及在模拟浓缩果汁铅的去除中的应用［22］。结果表明，氨基磷酸型螯合树脂在酸性条件下对Pb2+具有良好的吸附性能，静态吸附平衡时间为1 h，最大吸附量为5 527.45 μg/g树脂，负载Pb2+的树脂可用1 mol/L的HNO3解吸，解吸后的树脂可以再利用。常用的螯合树脂如Amberlite XAD和merrifield氯甲基树脂，其中Amberlite XAD 包括 Amberlite XAD-2000，Amberlite XAD-2，Amberlite XAD-1180等一系列常用的树脂，可直接用来富集金属离子，也可作为被修饰的基体。Kumar等用1，2，4-三唑-2-硝基苯基-3-硫酮(NPTT)修饰Amberlite XAD-2树脂得到Amberlite XAD-2-NPTT，对铅的富集因子为60，此法成功用于测定水和蔬菜中的铅［23］。

3.1.4 纳米材料。利用纳米材料具有不同于其他传统固体材料的特异性质，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等能够充分发挥其对痕量物质的快速吸附富集，尤其是针对食品中的重金属可以弥补传统分离富集技术存在的响应速度慢、灵敏度低、选择性差的这些缺陷，成为在食品安全快速检测技术中对于食品中微量的重金属进行分离富集的较为理想的吸附材料。Vassileva等以纳米二氧化钛及二氧化铈作为吸附剂对重金属离子吸附性能进行了研究，结果表明，它具有高吸附容量、吸附和洗脱快捷以及良好的重现性［24］。Behbahani等用双硫腙功能化修饰纳米多孔SiO2(SBA-15)制备了一种新的吸附剂，结合固相萃取来分离和测定食品和农产品中微量的镉、铜、镍、铅离子，萃取效率均大于97%，提供了一种简单、快速、重复性好、选择性高的检测方法［25］。Nagihan M等将纳米技术与固相萃取技术相结合，制备了掺杂巯基的新型磺酰胺树脂，并作为一种新型萃取吸附剂用于水中二价铅离子的富集吸附，与石英缝管捕集原子吸收光谱联用，将检测灵敏度提高280倍［26］。目前氧化物纳米材料、表面修饰氧化物纳米材料、磁性氧化物纳米材料、碳纳米管、纳米钛酸锶钡粉体(BST)、有机-无机杂化纳米材料和复合材料等都被作为样品处理技术应用于饮用水及部分食品检测过程中重金属的快速检测。3.2 液相微萃取 目前与食品安全快检联用的液相微萃取(LPME)主要包括单滴微萃取(SDME)及分散液液微萃取(DLLME)。SDME是采用悬挂在进样器针端的小体积有机相液滴对大体积样品溶液中目标物进行富集、萃取的一种前处理技术。Wen等将“绿色溶剂”离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐作为SDME萃取剂，结合分光光度法建立了茶叶以及脱脂奶粉样品中痕量重金属Cu2+的快检方法，检出限达 0.15 μg/L［20，27］。Rezaee 等于 2006 年提出了 DLLME 技术，在样品溶液中加入少量萃取剂混合分散得到乳浊液，再经离心分层后取微量萃取剂进样分析［28］。DLLME操作简便、适用性广，经常与光谱技术联用实际用于食品安全快检。Wen等采用DLLME-分光光度法联用技术建立了大米、茶叶等食品中痕量Cd(Ⅱ)的快检方法，该方法环境友好、灵敏度高［29］。

4 结语

综上所述，食品组成成分复杂，重金属在食品中的存在形态多样，因此检测时受到严重的基体干扰。快速检测方法对灵敏度、准确性和检测速度都有较高的要求，但同时要求检测方法简便易行，适合基层执法的使用。目前应用的有害重金属快检分析方法在样品前处理和快检方法2个方面都受到技术的局限。样品前处理方面，应用较多的微波消解法虽然较传统消解方法效率有所提升，但该方法对仪器设备有较高要求，并且难以大量处理样品。酸浸提法对试验设备和条件要求不高，但该方法存在空白值较高、稳定性欠佳等缺点。此外，目前快检方法对目标物的选择性不高，导致快检结果的准确度较低。重金属分离富集方法较多，但操作大多比较复杂，仅适用于实验室检测。将高效的样品前处理技术与食品安全快检技术联用，可以有效减少基体干扰对快检过程的影响，提高快检准确度，是目前发展准确定量食品安全快检技术的关键所在。快速、简便、自动化的前处理技术不仅省时、省力，而且可以减少由于不同人员操作及样品多次转移带来的误差，能够极大地简化现场快速检测和实验室快速检测的工作步骤。随着便携仪器及车载仪器的研究开发，固相萃取、微萃取以及磁分离等样品前处理技术与先进分析仪器的联用将大大提高重金属元素分析的准确性和效率，这将成为未来食品安全快检技术的关键。

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