《微量元素的测定》PPT课件.ppt

第十三章 食品中重金属含量的测定,2019年6月10日,方国臻,重金属污染,重金属：密度在5以上的金属统称为重金属，如金、银、铜、铅锌、镍、钴、镉、铬和汞等45种。 从污染方面所说的重金属，实际上主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍、锡等。 目前最引起人们注意的是汞、镉、铬等。,重金属的危害,重金属离子对活的有机体有严重的毒理效应，所以重金属离子污染给人类带来了严重的威胁。 重金属对人体的危害，一方面通过直接饮用造成重金属中毒而损害人体健康；另一方面，间接污染农产品和水产品，通过食物链对人体健康构成威胁。 重金属能抑制人体化学反应酶的活动，使细胞质中毒，从而伤害神经组织，还可导致直接的组织中毒，损害人体解毒功能的关键器官肝、肾等组织。,一. 常见重金属及中毒,砷(Arsenic, As) 急性中毒: 食入性中毒：急性期会有恶心、呕吐、腹痛、血便、休克、低血压、溶血、大蒜、及金属味、肝炎、黃疸、急性肾衰竭、昏迷、抽搐。 吸入性中毒: 咳嗽、呼吸困难、胸痛、肺水肿、急性呼吸衰竭。 氢化砷中毒: 在高浓度暴露后2-4时发作，引起大量溶血，会有腹痛、血尿及黄疸(triad)的典型症状，急性肾衰竭并不少见。,慢性中毒,A. 皮肤:湿疹、角质化、皮肤癌。 B. 神经:中枢及周边神经病变。 C. 血液:贫血、血球稀少、白血病。 D. 其他:周边血管病变、四肢坏死(乌脚病Black foot disease)及肝功能异常。 肺癌、肝癌及膀胱癌的机牵大幅上升。,镉(Cadmium, Cd),急性中毒: 食入恶心、腹痛、呕吐、出血性肠胃炎、肝、肾坏死、心脏扩大。 吸入氧化镉引起严重的金属熏烟热(Metal fume fever)在暴露后12一24小时后，发生胸痛、头痛、咳嗽、呼吸困难、发烧、肺水肿、肾肝坏死。 慢性中毒: 食入肾病变包括低分子量蛋白尿，胺基酸尿及糖尿、痛痛病、高血压、心脏血管疾病、及癌症。 吸入肺纤维化及肾病变。,铬(Chromium, Cr),急性中毒: 六价铬：剧毒及腐蚀性皮肤:（铬溃疡）Chrome ulcer，鼻中膈穿孔，过敏性接触皮肤炎（吸人）,胃肠出血性胃肠炎（食入1-2公克会致命），肾：急性肾衰竭（食入，吸入或皮肤吸收），肺：72小时后会发生肺水肿(吸入大量). 三价铬: 为身体必须元素，为糖份代谢必要，肠胃吸收困难(1%)。 慢性中毒: 长期六价铬暴露可能引起癌症，尤其是肺癌。 呼吸系统：气喘及尘肺症,铜(Copper, Cu),急性中毒: 大多为食入硫酸铜或食入铜食器污染的食物、果汁所致。 食入大量的铜，会引起严重的恶心、含绿蓝物的呕吐、腹痛、腹泻、吐血、变性血红素症、血尿等症状。 严重者会有肝炎、低血压、昏迷、溶血、急性肾衰竭、抽搐等并发症。 甚至死亡也可能发生。,铜慢性中毒原因,A. 因为铜为人体必须元素，吸收后很快的经由尿液及胆汁排出。 目前医学文献少有慢性铜中毒报告。 但有人认为长期暴露过多的铜或长久使用铜餐俱及水管，可能引起慢性肝病变。 长期吸入铜粉尘及熏烟，会导致鼻中膈穿孔、肺部肉芽肿、肺间质纤维化(Vineyard Sprayers Lung)及肺癌。 B. 威尔森病(Wilson Disease):是先天性铜代谢异常的一种疾病。 铜会堆积在大脑神经核、内脏及角膜上面，造成健康伤害，又叫作hepatolenticular degeneration。 长时间的累积，青春期后渐渐会有永久性脑部病变及肝硬化的病症出现。,汞(Mercury, Hg),1. 元素汞中毒: A. 急性中毒：（主要为吸人汞蒸气所致） 急性支气管炎、肺炎、口腔炎、肠炎、发烧、意识混乱、呼吸困难、 吞食元素汞一般没有症状，除非相当大量。 B.慢性中毒: 主要影响中枢神经，有三项特别症状（Triad）：发抖、牙龈炎、及红。 Erethism（包括失眠、害羞、记忆衰退、情绪不稳、神经质、及食欲不振） 其他有视力障碍晶体混浊，类似巴金森症状，周边神经病变。,2.无机汞中毒,A. 急性中毒:主要是食入性中毒，病患会有局部腐蚀性，产生消化道出血、坏死、休克、甚至急性肾衰竭出现。 急性吸入烟雾，会产生急性呼吸窘迫症候群及肺纤维化，缺氧而死亡。 B. 慢性中毒则类似元素汞慢性中毒。,3. 有机汞,长链的有机汞毒性作用与无机汞类似，短链有机汞如甲基汞毒性如下: A.急性中毒: 心、呕吐、腹痛、血球少、口腔炎、蛋白尿、肾病症候群、肾衰竭，但仍以中枢神经病变为主要症状，包括皮肤会有红皮症痒及脱落性皮肤炎。 B.慢性中毒: 与急性中毒类似，中枢神经异常为主要症状，但是视野缩小及视力受损，感觉及运动障碍，肌肉萎缩及智能受损较明显。 出生的孩童会有类似脑性麻痹的症状，最有名的例子为Minamata Disease(水俣病,锰(Manganese, Mn),急性中毒: 吸入氧化锰的粉尘即有可能产生所谓金属熏烟热或化学性肺炎，氧化锰常因焊接或切割含锰物而产生的。 发冷、发烧、恶心、咳嗽都会发生。 慢性中毒： 主要是引起神经及精神上的异常，分为三个阶段 A.初期认知障碍及情绪困扰，包括有食欲不振、肌痛、神经质、躁动、无法控制暴力行为、失眠、性欲降低。 B.中期无法控制的哭笑、说话障碍、视幻觉、行动笨拙、意识皆乱。 C.后期行走困难、僵硬、无法说话、抖动、类似“巴金森症” 。,镍(Nickel, Ni),急性中毒: A. 一般常见于吸入有机镍Nickel carbonyl所致，中毒症状类似一氧化碳中毒，但合并有血糖及尿糖上升；常会有恶心、呕吐、头痛、头晕、失眠、躁动持续数小时、然后12小时到5天没症状。 随之会有如肺炎般的胸闷、呼吸困难、咳嗽、心悸、流汗、虚弱及视力模糊。 严重者4到13天可能会死亡。 B. 二价无机镍中毒：误饮镍污染的饮水或透析用水被污染所致，其症状为恶心、呕吐、头痛、心悸、虚弱、腹泻、呼呶短促、咳嗽等持续1-2天。 慢性中毒: 长期皮肤接触会有过敏性皮肤炎发生，另外慢性呼吸道疾病、免疫机能异常、及癌症都可发生。 常见于从事电镀业者。,铅(Lead, Pb),急性中毒(成年人): A.轻微及中度中毒：疲倦、躁动、感觉异常、肌痛、腹痛、抖动、头痛、恶心、呕吐、便秘、体重减少、性欲降低。 B.严重中毒：运动神经病变、脑病变、抽搐、昏迷、严重腹绞痛、急性肾衰竭。,铅(Lead, Pb),慢性中毒: 中枢神经：脑病变、精神智能障碍、神经行为异常（血铅浓度30ug/dl以上），影响孩童发育、发展及智商（血铅浓度5 ug/dl以上）。 周边神经：运动神经传导速度变缓，血铅浓度大于30ug/dl尺神经传导即受影响。 血液：贫血、溶血、抑制ALAD（血铅浓度10ug/dl以上）及FEP（15ug/dl）。 尿中ALA上升（血铅浓度30ug/dl以上）及红血球Basophilic stippling。 肾脏：高血压、痛风，及慢性肾衰竭。 其他：降低甲状腺荷尔蒙浓度及慢性肾衰竭，干扰维生素D代谢、减少精子活动性及数目、致癌性。,锌(Zinc, Zn),急性中毒: A.食入性：恶心、呕吐、腹痛、血便、发烧、常自行恢复。 B.吸入性：吸入氯化锌的烟雾微粒会引起咳嗽、呼吸困难，严重者会变成呼吸窘迫症，急性肾衰竭，甚至死亡。 C.接触性：皮肤接触锌化合物会引起皮肤炎，有些人会溃疡，眼睛喷到氯化锌及硫酸锌溶液会引起伤害。 D.金属熏烟热：吸入氧化锌的粉尘及烟雾4到小时后发生，有金属味，咳嗽、呼吸短促、疲劳、肌痛、发烧到，流汗，化学性肺炎，肺水肿等。 大多数人功能可完全恢复。,锌(Zinc, Zn),慢性中毒: 长期大量锌暴露，会引起慢性锌中毒，如长期吃雄性动物生殖器、服用大量锌药片。 会引起贫血、白血球稀少症、免疫力受损、体重减轻等症状。,二. 元素形态,一种元素的生理、毒理影响以及生物可给性、环境行为和迁移性在很大程度上取决于它的形态，如不同的键合形式或氧化态。元素的某一形态可能是有毒的，而同一种元素的另一形态却可能是无毒的，甚至对生物组织的特定功能是必需的。因此，测定元素特定的化学形态的含量，如Cr（VI）而不是总铬，有机汞而不是总汞，对于解释它们的生物化学行为和评价对环境的潜在危害是很有必要的。作为元素物种鉴别和含量测定的形态分析也越来越受到人们的重视。,形态分析的几个概念,物种（species） 按照IUPAC的定义，物种是指一种元素的不同存在形式，如不同的氧化态或不同的键合形式。 形态（speciation） 按照IUPAC的定义，形态是指一种元素不同物种的分布情况。 形态是指某一元素以特定的分子、电子和原子核结构存在的形式，包括同位素、不同价态、无机化合物、有机络合物、有机金属化合物、大分子络合物等。,形态分析的几个概念,形态分析（speciation analysis） 按照IUPAC的定义，形态分析是识别和测定存在于某样品中的一种特定元素不同化学物理形式的过程。,形态分析的对象,1一种元素的天然物种之间的差别。 如砷的化合物包括As(III)、As(V)、单甲基砷酸(MMA)、二甲基砷酸(DMA)、砷胆碱(AsB)、砷甜菜碱(AsT)。 这些物种的毒性顺序：As(III)As(V) MMADMA，而AsB和AsT可认为是无毒的。 另一个例子是铬，Cr(III)是人体必需，有利于糖的代谢，而Cr(VI)则被认为是高毒性的。,2. 人工合成物质是一类新的需要分析的对象,如用作广谱杀菌的有机锡化合物，这些化合物会对生态环境产生不利影响。到目前为止，虽然食物中有机锡还不足以引起危害，但鱼和海产品中的这些化合物含量呈上升趋势。虽然现在不能确定这些化合物对人类产生多大的危害，确切的数据也比较缺乏，但有一点可以肯定在人类活动将它们引入到环境之前，环境中有机锡的浓度为零。,3. 另一种情况是一种元素以低毒性、低浓度、大范围的形式进入环境，但这种元素可能在食物链底部的生物体内转化为有毒物种，而且在食物链的顶部达到很危险的程度。 汞就是一个这样的例子，无机汞在酶的作用下，通过甲基化转化为高毒性的甲基汞。,三样品的预处理,1样品的储存 如何保持样品中元素各形态的稳定性是形态分析中的首要问题。 为了避免化学形态的改变，常采用调节pH、调节温度和避免光照等措施保存样品。 如：Measures等将海水用盐酸酸化到pH 2，在4个半月内没有发现硒浓度和氧化态的明显变化。 Heninger等报道使用盐酸因吸附活性位点被Cl-饱和而避免了器壁对硒的吸附。,在低pH值时，Cr（VI）具有较强的氧化性，所以保存Cr（VI），可用HCO3-/H2CO3调节到pH 6.4。 研究表明硒化合物的稳定性与温度有关。Se（VI）在4、25和40 C分别保存30、15和7天后，有明显的损失。然而，温度对Se（IV）的影响相对较小。Se（IV）在-20和4C时相当稳定，而在25和40C分别经过6个月和15天后才发现其浓度有明显的损失。 光照对砷的形态有显著的影响。As（III）、As（VI）、砷甜菜碱(AsB)、砷胆碱(AsC)、一甲基砷酸(MMA)和二甲基砷酸(DMA) 在合适的pH且避光可稳定保存1年。 Demesmay等研究表明：如果在20 C不避光保存，所有的As（III）4个月后都转化成As（V），而在40 C避光保存时，在相同的时间内仅有少量的As（III）转化成As（V）。,2稀释和萃取,稀释可以消除一些复杂基体的干扰。Aguilar在测定锌电镀液中的杂质Fe（CN）64-和Fe（CN）63-时，采用稀释的方法消除了基体锌羟基配合物的干扰，整个分析过程仅需4min。 对于固体样品，要求将分析物种转移到溶液中，可用水或缓冲液，有机溶剂萃取后再进行形态分析。 Medina等在测定甲基汞时，以Cl-作为CH3Hg+的反离子，用甲苯萃取，用0.1%的半胱氨酸水溶液反萃取，水相萃取物直接进行CE分离。 超临界和亚临界流体萃取也用于形态分析的预处理。这种技术具有快速、高效，较少使用有机溶剂的特点。,3预富集,由于生物和环境样品中形态分析重要的物种的含量较低，需要进行预富集。,四. 食品中重金属分析检测技术,紫外-可见分光光度法（金属离子）,原子吸收分光光度法（可测定70多种元素，检出限：10-8）,原子荧光光谱法（As、Bi、Pb、Sn、Se、 Sb、Te、Zn、Cd （g/L ）,电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES) (70多种元素),电感耦合等离子体质谱(ICP-MS),多元素同时分析,检出限：10-12 g/mL,（形态分析，联用技术：HPLC-ICP-MS，CE-ICP-MS）,紫外-可见分光光度法,A=kbc,原理：利用物质在被外能激发后所产生的原子发射光谱来进行分析的方法。 原子发射光谱的产生： 原子由激发态回到基态（或跃迁到较低能级）时，若此以光的形式放出能量，就得到了发射光谱。其谱线的波长决定于跃迁时的两个能级的能量差。 光谱分析可用于进行定性、半定量、定量分析。,（一）原子发射光谱分析法,光谱定性分析： 元素的灵敏线：灵敏线一般是指一些强 度较大的谱线 。 最后线：是指当样品中某元素的含量逐渐减少时，最后仍能观察到的几条谱线。它也是该元素的最灵敏线。 分析线：进行分析时所使用的谱线。 定性分析方法： 标准试样光谱比较法 铁光谱比较法（又称为标准光谱图比较法）,样品三 次不同 的曝光,标准 图谱,Fe谱;,光谱半定量分析： 谱线强度比较法 将试样与已知不同含量的标准样品在一定条件下摄谱于同一光谱感光极上，然后在映谱仪上用目视法直接比较被测试样与标样光谱中分析线黑度，若黑度相等，样品中欲测元素的含量近似等于该标准样品中该元素的含量。 谱线呈现法 元素含量低时，仅出现少数灵敏线，随元素含量增加，谱线随之出现。可编成一张谱线出现与含量关系表，依此估计试样中该元素的大致含量。,例如,铅的光谱 Pb % 谱线特征 0.001 2833.069 清晰可见 2614.178和2802.00弱 0.003 2833.069 清晰可见 2614.178增强2802.00变清 0.01 上述谱线增强,2663.17和2873.32出现 0.03 上述谱线都增强 0.10 上述谱线更增强,没有出现新谱线 0.30 2393.8, 2577.26 出现,光谱定量分析 谱线强度与试样中被测元素浓度的关系： I=acb 式中：I为发射光谱线的强度；a为同谱线性质、实验条件有关的常数；b为与谱线的自吸有关的常数，当无自吸时，b=1，当有自吸时，b1。c为被测元素浓度。 将上式取对数，得： lgI=lga+blgc 谱线强度的对数与被测元素浓度的对数具有线性关系。,原子吸收光谱分析法,利用物质的气态原子对特定波长的光的吸收来进行分析的方法原子吸收光谱分析法。 原理：当适当波长的光通过含有基态原子的蒸气时，基态原子就可以吸收某些波长的光而从基态被激发到激发态，从而产生原子吸收光谱。,原子吸收分光光度计 原子分光光度计由光源、原子化系统、分光系统及检测显示系统四个部分构成。,光源： 光源应满足的条件： 1）能辐射出半宽度比吸收线半宽度还窄的谱线，并且发射线的中心频率应与吸收线的中心频率相同。 2）辐射的强度应足够大。 3）辐射光的强度要稳定，且背景小。 空心阴极灯,钨棒构成的阳极和一个圆柱形的空心阴极，空心阴极是由待测元素的纯金属或合金构成，或者由空穴内衬有待测元素的其它金属构成。,原子化器 原子化器是将样品中的待测组份转化为基态原子的装置。 火焰原子化器：火焰原子化法是利用气体燃烧形成的火焰来进行原子化的。火焰型的原子化系统我们把它叫做火焰原子化器。,非火焰原子化法：常用的非火焰原子化法主要有电热高温石墨管原子化法和化学原子化法。 石墨炉原子化器,石墨炉原子化器与火焰原子化器比较有如下优点： 1）原子化效率高，可达到90%以上，而后者只有10%左右。 2）绝对灵敏度高（可达到10-1210-14），试样用量少。适合于低含量及痕量组分的测定。 3）温度高，在惰性气氛中进行且有还原性C存在，有利于易形成难离解氧化物的元素的离解和原子化。 分光系统一般用光栅来进行分光 检测系统包括检测器、放大器、对数转换器、显示 器几部分。,原子吸收光谱法定量分析 原子吸收光谱法是一种元素定量分析方法，它可以用于测定60多种金属元素和一些非金属元素的含量。 定量分析方法： （一）标准曲线法：配制一系列不同浓度的待测元素标准溶液，在选定的条件下分别测定其吸光度，以测得的吸光度A为纵坐标，浓度为横坐标作图，得到标准曲线。 再在相同条件下测定试液的吸光度，由标准曲线上就可求得待测元素的浓度或含量。,注意事项： 配制标准溶液时，应尽量选用与试样组成接近的标准样品，并用相同的方法处理。如用纯待测元素溶液作标准溶液时，为提高测定的准确度。可放入定量的基体元素。 应尽量使得测定范围在T=3090%之间（即A=0.050.5），此时的测量误差较小。 每次测定前必须用标准溶液检查，并保持测定条件的稳定。 应扣除空白值，为此可选用空白溶液调零。,标准加入法： 取两份体积相同的试样溶液，设为A和B，在B中加入一定量的待测元素，然后分别将A和B稀释到相同体积，再分别测定其吸光度。,形态分析-联用技术,金属和有机金属化合物的毒性和生物效应取决于它们的化学形态。研究表明，元素的不同形态具有不同的毒性特点和化学特性，同系的化合物其物理化学性质以及生物效应可能有很大差别。如砷化合物的毒性顺序是：As(III)As(V)MMAADMAA，而AsB和AsC基本无毒。 仅依靠测定金属的总量已经不能充分反应它们对人体的危害。 必须准确鉴别和测定食品中微量或者痕量的金属和有机金属形态。,形态分析-联用技术,气相色谱、高效液相色谱、毛细管电泳具有高的分离效率。 原子吸收光谱、原子荧光光谱、电感耦合等离子体质谱是高灵敏度和高选择