四種儀器分析法測定預混飼料中鎘元素的含量

前言：鎘（Cd）是有毒重金屬元素，毒性較大且無法被生物降解，為慢性蓄積性毒物，過量攝入會對機體的生產(chǎn)、繁殖造成不良影響，甚至會引起器官病變、造成生物體死亡。鎘元素可在食物鏈中傳遞，因此飼料中的鎘元素最終也會影響人體。被鎘元素污染的食物會影響人體的腎、肺、骨骼和生殖系統(tǒng)等，鎘元素于2012 年被世界衛(wèi)生組織列入 1 類致癌物清單，為確定致癌物。為保障畜牧業(yè)健康發(fā)展、食品安全以及居民健康，需對飼料中的鎘元素進行監(jiān)測。 檢測鎘元素的儀器分析方法主要有火焰原子吸收光譜（FAAS）法、石墨爐原子吸收 光 譜（GFAAS）法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP—AES）法以及電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）法等。在中華人民共和國國家標準（GB/T 13082—2021）中，推薦應用FAAS以及GFAAS 2種吸收光譜方法測定飼料中的鎘元素，但另外2種方法在實際工作中也被普遍采用�；�于此，本研究考察這4種儀器分析法測定不同預混合飼料中鎘元素含量的差異，旨在為更準確、高效地分析預混飼料中的鎘含量提供參考。

供試試劑及樣品：
65%硝酸
氫氟酸
30%過氧化氫
1000 mg/L鎘標準溶液
飼料中鎘標準參考樣品（編號CQCM101468，廣州佳途科技股份有限公司），
試驗用水為一級水。
5個預混飼料樣品均購于市場

主要儀器：
火焰/石墨爐原子吸收光譜配鎘（Cd）空心陰極燈（FAAS/GFAAS）
電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）
電感耦合等離子體質譜儀配同心霧化器（ICP-MS）
超純水裝置
PRO-HP型微波消解儀

儀器工作條件
火焰原子吸收光譜檢測波長為 228.80nm，火焰類型為空氣-乙炔，燈電流為4mA，氧化劑流量為10.00 L/min，乙炔流量為2.50 L/min，狹縫寬度為0.7nm，背景矯正方式為氘燈。
石墨爐原子吸收光譜檢測波長為228.80nm，燈電流為4mA，干燥溫度/時間為 110 ℃/30 s，灰化溫度/時間為300 ℃/20 s，原子化溫度/時間為1500 ℃/5 s，除殘溫度/時間為2450 ℃/3 s，背景校正方式為氘燈，狹縫寬度為0.7 nm，進樣量為20μL。
電感耦合等離子體發(fā)射光譜檢測波長為228.80 nm，射頻功率為1300W，氣體為Ar，等離子體氣流量為15 L/min，輔助氣流量為0.2 L/min，霧化器氣流量為0.65 L/min，蠕動泵速為1.5 mL/min，觀測方式為軸向觀測，等離子體穩(wěn)定時間為15 min。
電感耦合等離子體質譜射頻功率1550 W， 載氣為He，等離子體氣流量為1.03 L/min，蠕動泵速為每秒0.10轉，霧化室溫度為2 ℃，碰撞氣流量為4.5mL/min，采樣錐為鎳錐，采樣深度為8nm。

試驗方法
標準曲線的繪制：用2%（m∶m，下同）硝酸逐級稀釋鎘標準溶液（1000 mg/L）以配置標準系列溶液，得到濃度為0.0005、0.0010、0.0020、0.0030、 0.0040、0.0050、0.0100、0.0200、0.0400、0.1000、0.2000、0.4000、1.0000、2.0000、4.0000、10.0000 mg/L的系列標準溶液，上機測試，分別以吸收光譜吸光度、發(fā)射光譜譜線強度、質譜¹¹¹Cd的CPS（每秒的計數(shù)）為縱坐標（Y），質量濃度為橫坐標（X），采用外標法作圖，得到各儀器的線性范圍、回歸方程及相關系數(shù)（r）。
樣品消解條件的優(yōu)化：設置4種消解酸，分別是HNO₃ 6.0mL、HNO₃ 5.5mL+30%H₂O₂0.5 mL、 HNO₃5.5mL＋HF0.5mL、HNO₃5.0 mL＋HF0.5mL＋30%H₂O₂0.5mL。準確稱取樣品0.3~0.4g（精確至0.0001g）于消解罐內(nèi)膽中，加入消解酸，旋緊罐蓋， 置于微波消解儀中消解。待消解完畢后將消解罐放入趕酸板中，于140 ℃加熱趕除過量酸至約0.5mL，用水少量多次沖洗消解罐及罐蓋，收集消解液至10mL塑料離心管中并定容。
準確度試驗為探究不同儀器對檢測準確度的影響，按照“樣品消解條件的優(yōu)化”優(yōu)化的消解條件平行消解7份鎘標準參考樣品，采用4種儀器進行測試，若測試結果超出儀器對應的線性范圍，則取適量樣液用2%的硝酸稀釋后再次上機測試。
加標回收率試驗為判斷儀器的精密度，按照“樣品消解條件的優(yōu)化”優(yōu)化的消解條件，分別對5個樣品進行單水平加標回收試驗（n=7），通過4種儀器對各加標樣品及原樣品進行測定。

結果與分析
線性關系的考察
線性范圍大的儀器可以更方便地檢測不同含量的樣品，反之則有可能需要對處理后的樣液進行稀釋或濃縮以適應儀器，引入不必要的誤差。標準 溶液經(jīng)上機測試，分別以測定鎘元素的吸收光譜吸光度、發(fā)射光譜譜線強度、質譜¹¹¹Cd的CPS（每秒的計數(shù)）為縱坐標（Y），質量濃度為橫坐標（X），采用外標法作圖，得到各儀器的線性范圍、回歸方程及相關系數(shù)（r），詳見表 1。

各儀器的檢出限通過重復測試空白溶液11次，以3倍標準差（3σ）計算得出。由表 1可知，ICP-MS和GFAAS的檢出限明顯低于ICP-AES、FAAS，且ICP-MS的檢出限最低，但在實際檢測中ICP-MS因其自身耐鹽性及樣品復雜性等會出現(xiàn)檢出限較此理論值有所升高而稍高于GFAAS的情況。4種儀器的r均大于0.9950，表明線性關系較好。

樣品消解條件的優(yōu)化
飼料樣品的消解方式主要有干法灰化消解、 混合酸濕法消解以及微波濕法消解等。鞏佳第等、李慧娟等和葛亞明等的研究比較這3種消解方式對飼料樣品中元素檢測的影響，綜合考慮方法的重復性、準確性以及對環(huán)境的污染程度，本研究采用微波濕法消解方式對樣品進行處理。為保證樣品消解完全，探究了5個預混飼料樣品在4種組成的酸、消解溫度分別為170 ℃和180 ℃、消解 20 min后的消解液狀態(tài)，在ICP-MS 儀器上測定各自的鎘元素含量（n=3），結果如表2所示。

在不加入氫氟酸的情況下，消解完成后消解罐底部均有明顯未消化完的黑色沉淀，加入過氧化氫變化不明顯；在消解溫度為170 ℃時，即使加入少量氫氟酸，消解罐底部的沉淀量也明顯減少，但仍有少量沉淀物剩余。結果表明，加入氫氟酸可以有效促進樣品的消解，而加入過氧化氫對結果沒有明顯影響；樣品在消解溫度為180 ℃時消解更徹底。本研究選擇的優(yōu)化消解條件為消解溫度180 ℃，HNO₃5.5 mL＋HF0.5 mL。優(yōu)化后的微波消解程序如表 3所示。


標準參考樣品準確度測試
由表4可知，各儀器所測數(shù)值均在參考樣品標準值范圍內(nèi)，且測值結果經(jīng)t檢驗，所得 t均小于t_0.05，6，說明4種儀器分析方法的測定結果與標準值在95%置信水平下均無顯著差異。因此，本研究使用4種儀器對結果準確度未造成影響。


加標回收率試驗
加標回收試驗的添加量應與原樣品中待測物含量相近，一般為樣品中含量的0.5~2.0倍�；�于 “樣品消解條件的優(yōu)化”中 5個樣品在最優(yōu)消解條件下的預測值，分別對5個樣品進行單水平加標回收試驗（n=7），通過4種儀器對各加標樣品及原樣品的同一消解后樣液 進行測定，考察不同儀器對結果精密度及回收率的影響，各樣品加標量及不同儀器測定的加標樣品回收率和相對標準偏差（RSD）見表5。

由表5可知，4種儀器的回收率在95.1%~103.5%， RSD在1.22%~5.32%。說明使用不同儀器樣品的回收率產(chǎn)生了差異。考慮影響最大的因素是各樣品處理后的酸度無法完全統(tǒng)一和不同樣品中的元素差異引起基質效應。

試樣酸度的影響
經(jīng)處理定容后的樣液pH與0.9%~4.5%的硝酸 溶液相近，為探究酸度對各儀器檢測鎘元素的影響程度，配置硝酸濃度分別為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%與測試樣品濃度相近的標準溶液，以2%硝酸為空白校正，各儀器所用標準溶液濃度及測定結果如圖2所示。隨著硝酸濃度的升高，F(xiàn)AAS法的吸光度呈升高趨勢；GFAAS法的吸光度及ICP-MS的CPS呈先升后降趨勢，并在硝酸濃度為2.0%時GFAAS法的吸光度及ICP-MS的CPS最高；ICP­—AES法的情況較為特殊，其譜線強度在硝酸濃度為0.5%~1.0%呈下降趨勢，而后呈先升后降趨勢，也在硝酸濃度為2.0% 時達最高值。計算各儀器所得數(shù) 據(jù)的變異系數(shù)（CV），以此判斷酸度對測定結果引起 的波動大小。4種儀器的CV分別2.001%（FAAS）、2.319%（GFAAS）、4.924%（ICP—AES）、1.572%（ICP—MS）�？梢钥闯�，在日常檢測中，ICP-MS 受酸濃度變化影響程度最小，其次是 FAAS，而 ICP-AES 受酸濃度影響程度最大。


基質效應
通過比較基質標準曲線與溶劑標準曲線斜率判斷基質效應對各儀器的影響程度。將5個飼料樣品進行消解，按照“樣品消解條件的優(yōu)化”優(yōu)化條件下的測定值，參考“線性關系的考察”各儀器線性范圍，對消解液進行適當稀釋，繪制各儀器線性范圍內(nèi)的5個飼料樣品的基質標準曲線，得到各基質標準曲線斜率如表6所示。當基質標準曲線斜率大于溶劑標準曲線斜率時，認為存在基質增強，測定基質中鎘元素含量時若使用普通酸溶液會導致測定值偏大；反之，則存在基質抑制，測定值會偏小。分析基質標準曲線斜率與溶劑標準曲線斜率的比值（斜率比），各儀器斜率比范圍分別為0.990~1.006（FAAS）、0.978~1.033（GFAAS）、0.976~ 1.002（ICP-AES）、0.966~1.034（ICP-MS），可以看出FAAS受基質影響最小，ICP-MS受基質影響最大。


結論
FAAS受樣品基質干擾最小，試樣酸度差異對其影響也較小，線性范圍較寬，為2個數(shù)量級，檢出限較高；
GFAAS 受樣品基質干擾較大，試樣酸度差異對其影響也較大，線性范圍窄，僅為1個數(shù)量級，檢出限低；
ICP-AES 受樣品基質影響較小，受試樣酸度差異的影響最大，其線性范圍寬，檢出限較高；
ICP-MS 受樣品基質影響最大，受試樣酸度差異的影響最小，其線性范圍寬，檢出限低。4種方法在標 準參考樣品準確度測試過程中測定值均與標準值無顯著差異，因此不同方法的檢測結果均有其參考價值，而具體方法應該對照實際樣品、檢測要求和操作人員水平等對 4種儀器進行選擇。
參考文獻
陸世清，蔣 健，徐巴居 . 四種儀器分析法測定預混飼料中鎘元素的含量［J］. 中南農(nóng)業(yè)科技，2023，44（12）：38-42．