稻米中镉的快速检测方法-X射线荧光光谱法编制说明.docx

粮油检验 稻米中镉的快速检测方法 X射线荧光光谱法编制说明镉，化学符号Cd，熔点320.9，沸点765，在元素周期表中名列第48位，能引起人体中毒，包括致癌、肾脏衰竭、骨痛病等。镉是联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)公布的对人体毒性最强的3种重金属之一。1972年FDA /WTO把镉确定为第3位优先研究的食品污染物，1974年联合国环境规划署提出具有全球意义的12种危险化合物中，镉被列在了首位。研究表明，水稻是对镉吸收最强的大宗谷类作物，其籽粒中镉含量仅次于生菜。一般镉含量超标的大米被俗称为“镉大米”。我国国家标准GB 2762-2012 （食品中污染物限量）规定，大米镉含量0.2 mg/kg、面粉镉含量0.1 mg/kg、肉鱼镉含量0.1 mg/kg、蛋类镉含量0.05 mg/kg等。镉在人体积蓄潜伏期可长达10年-30年，并且会影响下一代的健康。因此镉大米给民众带来了很大的恐慌，受到民众的广泛关注。大米“镉危机”涉及到环境保护、土壤污染防治、食品安全保障、市场秩序维护等多个方面。近几年来，政府、企业加强了对大米的整个生产流通环节的监管力度。实现对“镉大米”的监管，检测特别是快速检测技术是基础。现有技术中，对粮食中重金属元素的检测手段主要是化学消解-分析仪器（原子吸收光谱、原子荧光光谱）检测法。一方面，现有的检测设备不能满足对粮食中的重金属镉元素的现场快速分析要求，表现在：前处理时间较长，操作复杂，仪器便携性差，对环境要求较高，不适合现场分析使用；而且仪器需要使用很多耗材，包括酸、气、容器等。另一方面，能量色散型X荧光光谱技术已经日趋成熟起来，它采用微型大功率X射线光管和高灵敏度半导体硅漂移探测器，可以简单快速的分析元素周期表中钠（Na）以后的元素，应用范围广泛。传统的检测方法具有稳定可靠、灵敏度高等特点而受到广泛应用，但是样品前处理操作复杂，周期较长，并且受到设备、人员和环境的制约，不适合基层人员的掌握和推广，因此，建立灵敏、准确、快速、便于操作的稻米中重金属镉的检测技术，对于基层检查应用很有意义。本标准项目是通过X射线直接激发稻米中的重金属镉产生特征荧光，再对镉元素的特征荧光进行定性和定量检测，该方法具有简单、快速、准确、无二次污染排放的特点，恰好符合现场快速检测的要求。本标准有助于提高粮食样品检测效率，降低成本，绿色低碳环保，保障从业人员健康安全。1工作简况1.1任务来源及起草单位2013年9月、2014年2月国家粮食局标准质量中心先后两次在湖南省粮油产品质量监测中心组织对粮食中镉含量快速测定方法进行测试验证，并对验证结果进行了专家评审。本行业标准就是在此基础上提出并立项的。根据2014年粮油行业标准制定计划的要求，由湖南省粮油产品质量监测中心（湖南省粮油科学研究设计院）牵头负责粮油检验 稻米中镉的快速检测方法 X射线荧光光谱法起草工作。起草单位成立的标准起草组负责进行本标准的各项工作。1.2标准研制主要工作过程（1）根据该标准的特点，2014年5月，查询了国内外资料，对相关检测机构、粮库、粮食加工企业进行了调研，并在湖南省长沙市召开了第一次专家研讨会，与会专家针对标准文本草案和编制说明等提出了修改意见和建议。（2）2014年8月，编写了粮油检验 稻米中镉的快速检测方法 X射线荧光光谱法(草案)，并在北京召开了第2次起草小组讨论会，标准起草单位对所拟标准草案和编制说明作编写介绍，并对其说明进行了详细审校和充分讨论。（3）2014年9月，采用两家厂家（目前只有两家）的能量色散X射线荧光仪器6家实验室进行了方法验证。（4）2014年10月，形成标准的送审讨论稿。2标准的编制原则和标准的主要内容2.1标准编制原则本标准是根据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/T20001.4-2009标准编写规则第4部分：化学分析方法的规定进行编制的。2.2确定标准主要内容鉴于标准立项时，能够形成商业化稻米中重金属镉的快速定量X射线荧光光谱技术，且经过国家粮食局标准质量中心组织通过验证测试的只有钢研纳克检测技术有限公司，因此本标准的具体操作方法参照该公司的NX-100F食品重金属检测仪的具体操作方法作为模版，按照国际标准的惯例，标注“钢研纳克检测技术有限公司生产的NX-100F食品重金属检测仪通过粮食行业验证的产品，提供此信息仅为了方便本标准的使用者，而并不是对NX-100F食品重金属检测仪的认可，任何可以得到与其方法结果相同的产品均可使用”的说明，确保其它厂家研制的类似产品同样能适用于此标准。2.2.1测定原理根据玻尔的原子模型，原子是由原子核和核外电子组成的，原子处于基态时，其能量稳定。当受到外界的X射线照射时，高能X射线与原子的内层核外电子发生相互作用，内层电子吸收X射线的能量后发生跃迁并产生空穴，整个原子能量处于不稳定状态，外层较高能级电子会自发向低能级跃迁。在跃迁过程中，会将多余的能量以X射线的形式释放出去，被称为X射线荧光。X射线荧光能量除了与跃迁的电子层有关外，还与原子序数有关，因此，不同能量的X射线荧光对应着不同的元素，同时元素含量越大，所对应能量的X射线荧光的能量也就越大。2.2.2适用范围本标准规定了用X射线荧光光谱法测定稻米中镉含量的快速筛检和定量分析测定原理、仪器设备、样品制备、样品测定与结果表述。2.2.3关于样品制备的要求理论上讲样品的状态（米粒、米粉）与样品的致密度以及均匀性有关，要求对不同状态样品绘制不同的校准曲线，测试中根据样品的状态选用不同的校准曲线，完成样品测试。本方法中重金属镉检测的制样一般都要求制备至少100g样品。因生长位置不同，不同米粒中的重金属含量有差异，为了保证所测样品能够代表所取样品的均匀性，所以选择粉状作为测试样品状态。 使用磨粉机磨碎稻米样品，将粉碎后的粉状样品过筛，得到两个糙米样品的20目、40目、80目三种粒度的米粉，然后采用定量分析模式分别对不同粒度的样品重复检测6次，取平均值，不同粒度的米粉测定结果与原子吸收测定结果均无显著性差异，结果如表1所示： 表1 不同粒度样品的结果样品目数标准值测定值(mg/Kg)平均值标准偏差tt0.95，5样品1200.1960.2030.1910.020.542.5710.2090.1780.1650.1710.22400.1960.2070.200.020.970.2240.1740.1970.2310.193800.1960.1890.200.030.530.2360.2120.2270.1980.153样品2200.40.3630.400.030.270.4150.3580.4320.4330.376600.40.3260.380.050.890.3190.3650.390.4220.459800.40.4090.380.040.900.3510.3480.3540.3790.461从表1结果看所有tt0.95，5，所以过多少目筛的米粉样品镉结果与经典方法原子吸收测定结果均无显著性差异。而制备更细的粉状样品需要的时间更长，对粉碎机的要求越高， 20目筛已满足均匀性要求，因此标准选择对粉状样品要求为过20目筛。2.2.4方法线性范围与检出限以石墨炉原子吸收法（GFAAS）检测结果为横坐标，本标准中所用能量色散X射线荧光法（EDXRF）的检测结果为纵坐标，计算稻米的线性范围：02.0 mg/kg（7点），在“快速筛检”模式下回归方程: y=1.2003x-0.0249；相关系数r为0.9963；在定量分析模式下回归方程: y=0.9543x+0.0191；相关系数r为0.9988；（见图1和图2）。图1 “快速筛检”模式下稻米中镉的石墨炉原子吸收和X射线荧光两种方法检测值线性关系图2 定量分析模式下稻米中镉的石墨炉原子吸收和X射线荧光两种方法检测值线性关系取1个空白样品的20次测定结果进行计算，方法检出限（LOD）为测定值的3倍标准偏差，定量限(LOQ)为测定值的10倍标准偏差。测试结果表明，在快速筛检模式时EDXRF的LOD为0.068 mg/kg，LOQ为0.23 mg/kg（见表2），在定量分析模式时EDXRF的LOD为0.046 mg/kg，LOQ为0.15 mg/kg（见表2）。表2 EDXRF的检出限数据浓度单位：mg/kg测试次数测试值（快速筛检）测试值（定量分析）10.01020.050.0130.04040.040.0250.030.01600.0170.01080.030.0390.050.02100.060.041100.01120.040.01130.050.03140.040.041500.03160.060.041700180.070.03190.010200.040.04平均值0.03150.0185标准偏差0.02280.0153检出限/3SD0.06840.04592.2.5分类范围的确定本标准提出的方法主要为了满足现场快速检测的需求，因此按照行业对“镉大米”分类收储的要求，结果以稻米中镉的3个浓度范围进行判定：（1）、浓度小于0.2mg/Kg（不超标）；（2）、浓度位于0.2 mg/Kg至0.4mg/Kg之间（超标）；（3）、浓度大于0.4mg/Kg（严重超标）。判定方法的流程如下图所示：2.2.5.1不同地区稻米镉超标情况不同，为了进一步提高效率，按照测试时间不同，把测试流程分为两个阶段：快速筛检和定量分析。这样在超标情况较少的区域，能够很快完成合格稻米的筛分。如快速筛检阶段已能判断被测样品处于某一浓度区间，则测试结束；否则仪器将继续测量并自动转入定量分析模式，直至完成判别。根据不同厂家仪器的测试情况，从启动测量程序开始，快速筛检时间不超过300s；定量分析时间不超过1200s。即当被测样品完成快速筛检后，测量继续进行至定量分析结束。2.2.5.2 分别在“快速筛检”和“定量分析”模式下，用相同的系列标准样品进行仪器校准曲线的绘制，并对系列样品进行测试。本标准制订过程中，由6个实验室分别对6个水平的含镉大米样品进行测定，每个实验室对每个水平的镉按GB/T 6379.1规定的重复性条件测定6次。共同实验结果和按照国标方法计算的重复性限r, 再现性限R见表3。表3本标准的精密度测试数据试样Cd含量/mgkg-1精密度/mgkg-1（快速筛检）精密度/mgkg-1（定量分析）认可值测定值重复性限r再现性限R重复性限r再现性限R10.0660.09580.08560.0876 0.06310.063120.190.18000.1150.115 0.07640.076430.2240.20950.1080.1130.07170.074240.3400.32550.1250.1320.07430.082350.4490.44010.124 0.138 0.07830.080760.8110.8416 0.138 0.178 0.09230.124采用CD95规则进行稻米中Cd浓度是否超标的判断。在95%的置信水平下，的临界差为：其中为两次测量平均值，为真值，R为方法的再现性限，r为方法的重复性限。对于筛检而言，同一样品仅查一次，即n=1, 即为测量值，即为限值（本标准规定为0.2、0.4mg/Kg）。因此,判断测量值同限值的临界差则简化为:其中X为筛检方法的测量值。当X0+CD95即为超标；X0-CD95为不超标。介于两者之间则为可疑区间。对多地多实验室样品测试数据进行统计，计算出方法的再现性限R及其同浓度间的相关性，进而计算快速筛检、定量分析模式0.2mg/Kg、0.4 mg/Kg两个浓度下的数值，见表4。表4 (数值表（根据R计算）)浓度/模式快速筛检 (300s)定量分析（720s）0.2 mg/Kg0.080.050.4 mg/Kg0.090.06按上述是否超标原则作出判断。例如，在快速筛检模式下，0.2mg/Kg浓度水平的为0.08，因此测量值X，即0.2-0.08=0.12（mg/Kg）以下可判为不超标。依次类推。得到如下判定规则。2.2.5.3在快速筛检模式下，测试样品。若测试结果显示镉的浓度小于0.12mg/Kg【（0.2-0.08）】，则判定样品中镉的浓度小于0.2mg/Kg（置信度95%）；若测试结果显示镉的浓度大于0.49mg/Kg【（0.4+0.09）】，则判定样品中镉的浓度大于0.4mg/Kg（置信度95%）；若测试结果显示0.12 mg/Kg 测试结果0.49 mg/Kg【（可疑区间）】，则此样品进入定量分析模式。2.2.5.4若测试结果显示0.12 mg/Kg 测试结果0.49 mg/Kg，则程序继续测试至定量分析模式结束。在定量分析模式下，若测试结果显示镉的浓度小于0.15mg/Kg【（0.2-0.05）】，则判定样品中镉的浓度小于0.2mg/Kg（置信度95%）；若测试结果显示镉的浓度大于0.46mg/Kg【（0.4+0.06）】，则判定样品中镉的浓度大于0.4mg/Kg（置信度95%）；若0.25 mg/Kg【（0.2+0.05）】测试结果0.34mg/Kg【（0.4-0.06）】，判定样品中Cd的浓度在0.20.4mg/Kg之间。若0.15 mg/Kg测试结果0.25 mg/Kg【（可疑区间）】或0.34测试结果0.46mg/Kg【可疑区间】，则判为可疑样品。测试程序结束。2.2.6方法精密度2.2.5.2中共同实验结果按GB/T 6379. 2进行统计分析，计算方法的精密度见表5、表6。表5 精密度（快速筛检，以300s数据为例）元素水平范围（mg/kg）重复性限再现性限Cd0.0682.000r=0.105+0.0425cR=0.0958+0.1014c式中，c是重复测定值的平均值(浓度)。表6 精密度（定量分析，以720s数据为例）元素水平范围（mg/kg）重复性限再现性限Cd0.0462.000r=0.0679+0.0276cR=0.0604+0.0697c式中，c是重复测定值的平均值(浓度)。2.2.7方法准确性与标准方法参考值比较能量色散X射线荧光光谱法与石墨炉原子吸收光谱标准方法分别对4组样品进行检测，每个样品检测两次，采用配对t检验法比较两种方法的检测结果是否存在显著性差异。经计算，tD=1.63，查t分布表，t0.05,7=2.365，tD=1.63 t0.05,7=2.365，说明GFAAS参考值与EDXRF测定值之间无显著差异（见表7）。表7 稻米中镉的配对t-检验表（定量分析）浓度单位：mg/kg序号GFAAS检测值EDXRF测试值差值di均值d标准偏差sdtdt0.05,710.0660.0430.023-0.01910.03318971.632.36520.0660.074-0.00830.2240.2190.00540.2240.293-0.06950.4930.499-0.00660.4930.4900.00370.1900.248-0.05880.1900.233-0.0432.2.8应用验证我们采用NX-100F食品重金属分析仪对九份稻米样品进行了准确性和重复性应用验证。结果见表8和表9。从表8和表9可看出：快速法与国家标准方法比较，偏差在-5.34%+8.08%之间；稻米重复性测定的卡方检验2=2.892620.95（5）=11.0705，满足GB/T 4889-2008 数据的统计处理和解释正态分布均值和方差的估计与检验要求，满足本标准检测产品准确性和精密度性能评价要求。表8 准确性验证（定量分析）浓度单位：mg/kg样品编号湿法消解-GFAAS测试值平均值偏差(%)10.190.190.190.26%0.19120.2940.3160.286-2.72%0.25630.1090.1060.105-4.13%0.10340.810.8560.866.23%0.86550.5260.5610.5688.08%0.57660.6840.6420.648-5.34%0.65370.40.3660.394-1.50%0.42280.810.8130.8180.93%0.82290.5260.5280.5351.71%0.542表9 重复性验证（定量分析）测定次数测定值mg/kg平均值标准偏差220.95（5）极差10.2350.2270.01142.89259311.07050.03320.207 30.230 40.224 50.227 60.240 注：标准规定：相对偏差20%，两次测定绝对差0.042，6次测定的重复性临界极差CrR95(6)=f(6)*0.042/2.8=4.0*0.042/2.8=0.06，重复性标准差=0.042/2.8=0.015，2=（n-1）s2/2，根据GBT 4889-2008 数据的统计处理和解释正态分布均值和方差的估计与检验，查附录A表A.4得到20.95（5）=11.07053采用国际标准和国外先进标准的情况，以及与国际、国外同类标准水平的对比，或者与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况本方法（定量分析模式）检出限为0.046 mg/kg，定量下限为0.15 mg/kg，具有较高的精密度、准确性和特异性；同现行国标一致性较好。对于糙米、精米和米粉样品，几乎不需要前处理，5min之内完成初步筛查、20min之内就能完成一个样品的准确测定，方法要求条件低，操作简单。实验结果表明，特别适合于稻米中镉快速筛检、准确测定的要求，易于推广应用。4 与有关的现行法律、法规和强制性国家标准、行业标准的关系本标准颁布实施，符合国家对于食品安全监控的法律、法规要求。所提供的现场快速检测方法，是对现行国家标准GB/T 5009.15-2003 食品中镉的测定这一实验室分析方法的重要补充。5 重大分歧意见的处理经过和依据无。6 按照标准化法的有关规定，提出强制性标准或推荐性标准的建议建议将本标准列为推荐性行业标准。7 废止现行有关标准的建议无8 其他应予说明的事项无9 参考文献1 荆镝, 王同彦. 镉与人体健康J. 内蒙古环境保护, 1996, 8(4): 32-34.2 谢黎虹, 许梓荣. 重金属镉对动物及人类的毒性研究进展 J. 浙江农业学报, 2003, 15(6): 376-381.3 李青仁, 王月梅, 王惠民. 微量元素铅, 汞, 镉对人体健康的危害J. 世界元素医学, 2006, 13(2): 32-38.4 崔玉静, 黄益宗, 朱永官. 镉对人类健康的危害及其影响因子的研究进展J. 卫生研究, 2006, 35(5): 656-659.5 K. 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