《粮油检验 大米中锰、铜、锌、铷、锶、镉、铅的测定 稀酸提取-电感耦合等离子体质谱法》-编制说明

粮油检测 大米中锰、铜、锌、铷、锶、镉、铅的测定 稀酸提取-电感耦合等离子体质谱法编制说明标准起草组2017 年 2 月粮油检测 大米中锰、铜、锌、铷、锶、镉、铅的测定 稀酸提取-电感耦合等离子体质谱法编制说明1制定本标准的必要性及意义大米是我国大部分地区，特别是南方居民一日三餐的主食来源，每天都被大量的消耗，而受地理环境、灌溉用水、矿藏分布等因素的影响，我国大米中各种重金属的含量也不尽相同，在各种重金属中，有些元素是对人体有益，有些在适当含量下对人体有益，超过限量则会对人体产生毒害作用，而有些重金属则对人体的脏器和神经系统会造成强烈的损害，特别是近年来，铅、镉大米的污染事件频繁爆发，引起人们的注意，这些已经存在的或者潜在存在的大米中重金属污染无疑将给我国人民的身体健康安全造成潜在的威胁，多重金属排查监测也将会受到越来越多机构的重视；同时，能快速高效的检测较多种类的重金属元素对于原产地溯源研究也具有重要的意义。目前，常见的大米中重金属的检测方法主要有原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、电感耦合等离子体质谱分析、原子荧光光谱分析等，但普遍存在样品前处理复杂耗时和仪器本身检测快的突出矛盾。湿法消化法、干法灰化法和微波消法等经典的元素分析前处理技术虽然能准确提取样品中的重金属，但费时费力，步骤繁琐。一个流程前处理下来少则也需 2-3 个小时，而仪器的检测通常能在 5 min 之内完成；而且消耗强腐蚀性酸和氧化试剂较多，需要较高的温度，在增加待测样品损失和被污染的风险的同时也增加了操作人员的安全隐患，已经难以适应当前大批量高通量绿色环保快速检测的需求。稀酸浸提大米中重金属元素是以大米中有多种重金属的形态基本以酸可溶性的游离或络合态存在为基础，适当将酸的浓度、大米的粒径以及浸提条件进行控制，即可将大米中相关的重金属浸出，浸出液经过适当的高速离心后，可将固体悬浮液全部沉降，满足电感耦合等离子体质谱仪对于样品的要求，同时，为完全消解的样品中含有的可溶性成分可在仪器炬焰高温下彻底灰化，进入后端质谱的检测。该法能极大缩短分析时间，减少处理步骤，避免样品在消解和处理过程中的玷污及损失，并且，该法可针对 7 种重金属元素进行检测，极大的提高了大米中重金属的检测效率及分析准确度，减少实验消耗，降低成本和环境污染，尤其适合大批量样品的检测，为大米中重金属检测提供一个快速精准的方法。二、工作基本情况按照粮油标准化技术委员会和国家粮食局标准质量中心的要求，由国家粮食局科学研究院主要负责该标准的制订研究以及起草工作。为了更好的完成标准任务，起草组在广泛征求了相关行业和部门的意见的基础上，查询了大量国内外资料，具体如下：（1）根据行业标准制修订工作的要求成立了本标准起草组，确定标准制修订方案和工作计划。（2）成立标准起草组后，查阅收集国内外相关食品、农产品中无机元素相关检测标准及技术资料。目前国内无使用酸浸提-电感耦合等离子体质谱法测定谷物中无机元素的国家、行业标准。（3）通过与行业专家以及仪器厂商的沟通讨论，本次标准制定时，借鉴国内外相关文献报道以及标准，在实验基础上，形成了粮油检测 大米中锰、铜、锌、铷、锶、镉、铅的测定 稀酸提取-电感耦合等离子体质谱法行业标准征求意见稿。（4）2015 年 10 月-2016 年 7 月，向各验证单位发送标准草案稿、标准验证说明、验证报告格式等文件，并向参与实验室寄送标准验证样品以及相关试剂耗材，进行联合验证。（5）2016 年 7-12 月，回收联合验证数据，并进行数理统计，在验证的基础上形成了本标准的征求意见稿和编制说明。2标准编制原则1.本标准是根据 GB/T1.1-2009标准化工作导则第 1 部分：标准的结构与编写规则 、GB/T 20000.2-2009标准化工作指南第 2 部分：采用国际标准的规则 、GB/T20001.4-2009标准编写规则第 4 部分：化学分析方法 的规定进行本国家标准的编制。2.本标准在制定过程中遵循“科学性、适用性、规范性”的原则，在方法建立过程中，与有关的仪器生产厂商合作，通过对标准物质以及实际样品进行测试，对检测方法的各个步骤、各项指标结合仪器厂商提供的反馈信息及实际运用要求进行不断的完善和规范，使该方法标准具有广泛的适用性；同时，检测结果与国标法规定的相关前处理方法检测结果进行比对，使方法的准确性和精密度有更进一步的保证。3.强制性国家标准食品安全国家标准 食品中污染物限量 （GB2762-2012）中对粮食中铅、镉含量有明确的规定，本标准所述方法完全符合此限量水平谷物中相关元素的检出要求。3标准的主要内容本标准为推荐性标准，主要结构内容包括：1.封面2.前言3.标准的主体内容：范围、规范性引用文件、方法提要、试剂和溶液、仪器和设备、分析步骤、结果计算和精密度。3.1 范围本标准规定了大米中锰、铜、锌、铷、锶、镉、铅的电感耦合等离子体质谱（简称 ICP-MS）法的原理、试剂和材料、仪器和设备、分析步骤、结果计算、精密度。本标准适用于大米中锰、铜、锌、铷、锶、镉、铅的测定。3.2 规范性引用文件下列标准对于本标准的应用是必不可少的。凡是注日期的引用标准，仅所注日期的版本适用于本标准。凡是不注日期的引用标准，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。GB 5491 粮食、油料检验 扦样、分样法GB/T 6682 分析实验室用水规格和试验方法3.3 原理试样研磨至一定粒径后，试样中的锰、铜、锌、铷、锶、镉、铅可经过稀硝酸震荡提取进入提取液中，提取液经离心后用电感耦合等离子体质谱仪测定，样品中元素浓度与质谱信号强度成正比。通过测定质谱的信号强度对试样溶液中的元素进行定量分析。3.4 试剂和材料3.4.1 试剂 注：除非另有说明，本方法所用试剂均为优级纯，水为 GB/T 6682 规定的一级水。3.4.1.1 硝酸（HNO3）：经亚沸蒸馏或采用高纯试剂。3.4.1.2 氩气（Ar）：高纯氩气（99.99%）或液氩。3.4.2 试剂配制3.4.2.1 硝酸溶液（595）：取 50 mL 硝酸，缓慢加入 950 mL 水中，用水稀释至 1000 mL。3.4.3 标准品3.3.3.1 元素贮备液（1000 mg/L） (Mn、Cu、Zn、Rb、Sr、Pb 、Cd)：采用有证标准物质单元素或多元素标准贮备液，贮备液以稀硝酸介质为佳。3.4.3.2 内标溶液（1000 g/L ） （Ge ） 。采用有证内标溶液，以稀硝酸介质为佳。3.4.4 标准溶液配制3.4.4.1 混合标准工作溶液：吸取适量单元素标准贮备液或多元素混合标准贮备液，用硝酸溶液（595）逐级稀释配成混合标准溶液系列，各元素质量浓度参见附录 A 中表 A.1，亦可依据样品溶液中元素质量浓度，适当调整标准系列各元素质量浓度范围。3.4.4.2 内标使用液：取适量单元素贮备液（1000 mg/L）混合，用硝酸溶液（595）配制合适浓度的内标使用液。内标使用液浓度参见附录 A。3.5 仪器和设备3.5.1 电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS） 。3.5.2 天平：感量为 0.1 mg。3.5.3 高速离心机，具 10 mL 离心位，12000 r/min。3.5.4 谷物粉碎机，粉碎粒径可达 40 目。3.5.5 震荡机。3.5.6 试验筛：筛孔直径为 0.40 mm。3.6 分析步骤3.6.1 扦样与分样按 GB 5491 执行，在采样过程中，注意防止样品污染。3.6.2 试样制备 将具有代表性的样品粉碎，过 0.40 mm 试验筛，混匀后室温保存备用。在试样制备和保存过程中，应防止污染。3.6.3 试样前处理准确称量粉碎至合适粒径的大米样品 0.2 g（精确到 0.001 g）于 10 mL 离心管中，加入 5 mL 10%硝酸后，于振荡器上震荡 15 min，12000 r/min 离心 5 min，取上清液 1 mL 用去离子水稀释 510 倍备用，同时做试剂空白。3.6.4 仪器参考条件3.6.4.1 优化仪器操作条件，使灵敏度、氧化物和双电荷化合物达到测定要求。3.6.4.2 测定参考条件：在调谐仪器达到测定要求后，编辑测定方法、选择各待测元素同位素及所选用的内标元素，依次将试剂空白、标准系列、样品溶液引入仪器进行测定。待测元素所选的同位素及内标元素可参见附录 C。对没有合适消除干扰模式的仪器，可采用干扰校正方程对测定结果进行校正，仪器软件一般都含有干扰校正方程，铅、镉同量异位素干扰校正方程可参见附录 D。3.6.5 标准曲线的制作将标准系列工作溶液分别注入电感耦合等离子质谱仪中，测定相应元素的信号响应值，以相应元素的浓度为横坐标，以相应元素与所选内标元素响应比值离子每秒计数值比（CPS ratio ）为纵坐标，绘制标准曲线。3.6.6 试样溶液的测定将试样溶液注入电感耦合等离子体质谱仪中，得到相应的信号响应比值，根据标准曲线计算待测液中相应元素的浓度。3.7 结果计算试样中待测元素含量按照式（1）计算：（1）式中： X 试样中待测元素含量，单位为毫克每千克（ mg/kg） ； 试样溶液中被测元素质量浓度，单位为毫克每升（mg/L） ；c 试样空白液中被测元素质量浓度，单位为毫克每升（mg/L） ；0V 试样消化液定容体积，单位为毫升（mL） ；n 试样稀释倍数；m 试样称取质量，单位为克（g） ；计算结果以重复性条件下获得的两次独立测定结果的算术平均值表示，含量小于 1 mg/kg，结果保留两位有效数字；含量大于 1mg/kg，结果保留三位有效数字。3.8 精密度样品中各元素含量大于 1 mg/kg 时，在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的 10%；小于等于 1 mg/kg 且大于 0.1 mg/kg 时，在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的 15%；小于等于 0.1 mg/kg 时，在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的 20%。3.9 其他本标准各元素的检出限及相关参数见下表。表1 各元素的检出限目标化合物 检出限（ug/L） 线性范围（ug/L） 相关系数Mn 0.48 0300 1.0000mnVcX)(0Cu 0.2 0100 1.0000Zn 0.5 0300 1.0000Rb 0.20 010 0.9999 Sr 0.10 010 1.0000 Cd 0.005 010 1.0000Pb 0.1 010 0.99994标准的验证测定实验及结果分析（一）本实验室对方法的建立及验证情况浸提方法是直接利用酸溶液对固体基质浸提，取清液上机的方法，酸消耗量少，操作简单，耗时短且十分安全，大大简化了传统消解方法的操作过程。本研究以大米、玉米、小麦三种样品为实验基质，分别对前处理方法从酸度，浸提（消解）时间，粒径，离心等操作条件方面进行了优化研究，为评价浸提效果，实验以与全消解结果对比计算得到的相对浸提率作为指标（其中：） ，按照目前国标方法对于检测精密度的最高要求（在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的10%） ，浸提法检测值和全消解检测值的变异系数（）在10%以内则认为浸提值和全消解值无差异，此时相对提取率在90%110%之间。在确定这些参数后，本研究对可行元素种类、加标回收率、方法的准确性和稳定性等指标进行了考察。具体研究结果如下：1 浸提方法研究结果1.1 酸度影响浸提效果的最主要的因素即为浸提液的硝酸浓度，固定浸提时间为15min，研究考察了 5%20%浓度范围内硝酸对于大米样品的浸提效果。由实验结果（图 1-1）显示，对于大米样品中的铅、镉、铜、锌、锰等元素，10%的硝酸 10 min 即可全部浸提；对于基体中的总砷，由实验结果可知浸提法无法全部提取，导致检测结果偏低。另外，由于监测方法以 ICP-MS 为终端检测手段，此方法对硝酸浓度要求不高，在 5%以下即可，本浸提液虽为 5%20%硝酸，但浸提后需要进行 510 倍的稀释才可以上机，所以硝酸浓度均符合上机要求，出于低浓度的硝酸可减少对操作人员潜在危害考虑，针对大米样品采取 10%浓度的硝酸进行浸提。1-1 不同酸度处理的糙米样品的相对回收率结果（n=3）1.2 粒径分别对大米进行 30 目（0.5mm） 、40 目（0.4 mm） 、60 目（0.25 mm）三个粒径粉碎处理，选取较难提取的铅、铜元素作为研究对象，进行粒径对于浸提效果的影响实验研究，由实验结果（图 1-2）可见，对于铅、铜两种元素，大米基体在考察的粒径范围内均较易浸提，随着粒径的减小，浸提效率略有提高，但均在 90%以上，考虑既要检测结果能满足日常检测的需要，又需要满足常规实验室对于物料得粉碎能力以及后面浸提时间的贡献，将浸提法检测大米中重金属含量样品需粉碎粒径控制在 40 目及以上。图 1-2 样本粉碎粒径对于铜和铅检测结果的影响 （n=3）1.3 浸提时间在 10%硝酸浓度下本研究对粒径为 0.4 mm（40 目）的大米样品的浸提时间进行了考察。浸提在批量振荡器上震荡完成，时间设置范围为 0（混匀） 、3 、5、10、15 、20 min，通过实验结果（图 1-3）可见，除砷元素外，其余元素不同浸提时间均能达到 90%以上的浸提率，其中镉元素、锰元素在大米基质里不需剧烈或者长时间震荡浸提，即可全部溶到浸提液中，而对于铜、锌、铅等元素，则需要浸提震荡 15 min 以上浸提率才能达到 100%左右，考虑到检测方法需要进行多元素同时测定，最后确定浸提时间为 15 min，方式为振荡器批量震荡。图 1-3 不同浸提时间对糙米样品相对提取率的影响1.4 沉降方式由于终端检测手段为 ICP-MS，故需保证上机样品澄清透明，我们分别对浸提后的样品进行 6000 rpm，8000 rpm，10000 rpm，12000 rpm 离心，离心时间设定在 5 min，稀释上清液进行各相关元素 ICP-MS 检测，检测结果显示，在不同离心条件下，大米基体中各元素检测结果显示其浸提率虽然具有差别，但是并没有趋势性变化，并且浸提率均在 90%105%之间，从离心上清液的澄清程度以及浸提效果角度考虑，最后选择 12000 rpm，离心 5 min。图 1-4为较易提取的镉元素和较难浸提的铅元素的检测结果，由于元素较多，其余结果未附。图 1-4 不同沉降方式对于镉和铅检测结果的影响 1.5 加标回收实验分别针对大米样品进行两个水平（1/2 倍样品含量及 1 倍样品含量）的加标回收，各考察元素加标回收率结果（表 2）在 90111 之间，符合欧盟指令对于加标回收率的相关要求。表 2 大米样品两个水平的加标回收情况% Mn Cu Zn Cd Pb大米(1/2 倍) 105 108 111 109 98大米(1 倍) 108 107 111 107 1091.6 方法准确性性考察分别针对大米样品与有证标准物质比对以确定方法的准确性，对大米粉标准物质 NIST1568b 进行检测，结果（表 3）显示，标准物质定值中涉及到的适用元素的检测结果均能在定值范围内，方法准确性满足要求。表 3 NIST1568b 的浸提检测结果（ n=3）元素 标准物质赋值 (mg/kg) 不确定度 (mg/kg) 检测平均值 (mg/kg) RSD (%)Mn 19.20 1.80 19.51 3.8 Cu 2.35 0.16 2.29 6.1 Zn 19.42 0.26 19.65 6.9 Cd 0.022 0.001 0.023 9.1 1.7 方法稳定性考察我们在不同时间对大米样品的浸提溶液进行跟踪（5 次）监测，结果（表4）显示，大米样品各元素的变异系数在 10%之内，说明浸提法的稳定性良好。表 4 大米样品多次检测稳定性结果(n=5)元素 平均值SD(mg/kg) CV(%)Mn 19.93 0.54 2.7 Cu 2.94 0.19 6.5 Zn 18.02 1.09 6.1 Cd 0.418 0.023 5.6 Pb 0.203 0.015 7.4 1.8 可行元素扩展考察结果在保证铜、镉、铅等元素浸提效率的优化条件下，本实验为扩大监测方法检测重金属元素的范围，对大米样品的浸提溶液和全消解溶液中的 V、Sr、Rb等重金属元素进行多次测定，通过与全消解样品的比对结果（图 1-5） ，提示Sr、Rb 两种重金属的相对浸提率均在 90%110%之间，用此优化浸提方法作为检测的前处理方法是可行的，而 V 元素的浸提率则相对较低，在 40%以下。则在考察的元素范围内，本方法监测重金属范围为铅、镉、铜、锌、锰、锶、铷7 种。图 1-5 浸提方法可行元素扩展的检测结果（n=3）注：检测样品玉米中的 V 元素很低，几乎不含，故不在图中显示其相对提取率。1.9 方法检出限及线性范围参照 JJF 1159-2006四极杆电杆耦合等离子体质谱仪校准规范中，6.3.3.3 关于检出限的检定规定，其表示方法为空白溶液中某元素的 11 次测量结果的 3 倍标准偏差所对应的浓度（单位为 ng/L），分别计算获得电感耦合等离子体质谱仪测定相关 7 种元素的方法检出限见表 5，同时相关元素的线性范围及相关系数也列于表 5 中，以供参考。表 5 方法检出限、线性范围及相关系数元素 检出限（ g/L） 线性范围（ g/L） 相关系数 Cu 0.10 050 0.9999 Mn 0.09 0100 1.0000 Zn 0.20 0100 1.0000 Cd 0.05 010 1.0000 Pb 0.09 010 0.9999 Sr 0.10 010 1.0000 Rb 0.20 010 0.9999 （2）实验室联合验证按照行业标准的实施进度，我们在确立方法后，积极开展该行业标准的联合验证工作，标准的联合验证工作进展情况总结汇报如下：1、验证样品的准备本次实验室联合验证，标准制定组样品均采用按照 JJF1343-2012标准物质定值的通用原则及统计学原理相关要求进行制备的参考物质，保证样品均匀性、稳定性良好，定值采用本实验室已经经过确认的两种及以上原理的准确方法进行。同时，此批参考物质铅、镉的含量均在较高的水平，可测试制定的方法是否能对此两种重金属达到良好的检测效果，满足检测需求，测试样品中各相关元素的含量如表 6 所示。表 6 测试样品各元素含量一览元素 中间值（ mg/kg） 不确定度（ mg/kg）Cu 3.10 0.16Mn 29.4 1.7Zn 21.2 1.0Cd 0.261 0.020Pb 0.220 0.020Sr 0.324 0.020Rb 14.2 1.02、标准验证单位本次标准验证工作得到了行业相关单位的大力支持，同时，我们还积极联系长期保持良好合作关系的仪器厂商参加到验证工作中来，各单位对此方法表现出较为浓厚的兴趣，共有国家粮油标准研究验证测试中心（中粮研究院质检中心） 、陕西省粮油产品质量监督检验所、天津市粮油质量检测中心、湖南省粮油质量监测中心、江西中储粮粮油质检中心、安捷伦 6 家单位参与到该行业标准的验证工作中，为方法的准确性、精密度以及普遍适用性提供尽可能多的依据。3、 验证数据的回收以及问题沟通标准文本、验证说明、验证报告、征求意见表、验证样品于 2015 年 8 月初已发送或寄送到各单位相关人员，按照验证要求，各单位对标准所述方法开展验证，验证过程中，标准制定小组相关成员积极与各验证单位沟通，解答验证单位技术人员的问题，同时也对标准方法以及表达等方面进行了进一步的梳理和完善。数据返回后，针对偏离较大的数据，我们又与验证单位就操作步骤、仪器设置等细节问题进行沟通，力求找到数据偏离原因，重新寄送样品反复进行验证，经与验证单位的共同努力，目前收到各家返回的数据 6 家。4、验证情况及验证数据统计分析4.1 验证单位使用仪器情况在 5 家返回数据的验证单位中，使用仪器的品牌主要包括进口主流品牌P.E、安捷伦，各品牌的使用型号也不尽相同，这位说明方法适用性提供了较好的基础。4.2 实验室联合验证统计结果此次验证行业标准，计划参加验证单位 7 家（含本单位），返回数据除 Sr和 Rb 外，均为 7 家。验证采用大米样品进行方法精密度实验。全部数据采用柯克伦和格拉布斯（Grubbs）法检验，剔除离群值，根据情况处理歧离值后，计算大米各元素各水平的总体平均值（m） ，重复性限（ r）和再现性限（R ） ，统计结果详见表 7。由统计结果可见，酸提取法测定大米基体中相关 7 种元素，其都符合食品法典委员会程序手册 （第二十版）中关于联合验证中 HorRat在 2 之内的规定。并且，本次验证剔除离群实验室后，统计的平均值均在本实验室制定的参考物质的定值范围内，说明该方法测定结果准确可靠，并且与传统前处理方法处理的样品检测结果一致， 表 7 酸提取法测定大米样品中多元素实验室联合验证统计结果参数 Mn Cu Zn Rb Sr Cd Pb实验室数目 7 7 7 5 5 7 7参加统计实验室数目 6 7 5 4 5 6 6离群实验室数目 1 1 2 1 0 1 1平均值，m（mg/kg） 28.9 2.97 21.9 14.6 0.315 0.275 0.218 重复性标准偏差，Sr（mg/kg） 0.328 0.053 0.399 0.217 0.008 0.005 0.002 重复性限，r （ mg/kg） 0.928 0.150 1.129 0.614 0.022 0.014 0.006 再现性标准偏差，SR（mg/kg） 1.584 0.161 1.312 0.377 0.023 0.014 0.017 再现性限，R （ mg/kg） 4.482 0.456 3.714 1.066 0.066 0.040 0.049 HorRat 值 0.57 0.40 0.60 0.24 0.39 0.27 0.40 同时，为证明标准所述前处理方法的准确性，我们在验证说明中特别强调各家验证单位需使用传统的前处理进行样品中相关元素的检测，我们同样对全部数据采用柯克伦和格拉布斯（Grubbs）法检验，剔除离群值，根据情况处理歧离值后，计算谷物中各元素各水平的总体平均值（m ） ，重复性限（r ）和再现性限（R ）以及 HorRat 值，将离群实验室数目、总体平均值以及 HorRat 值进行比较。与国标法相比，返回数据在离群实验室数目、总体平均值和 HorRat 值方面均较为理想，将提取法和国标法符合要求的数据进