1、食品污染物监测元素分析技术,刘秀梅 2013年3月,主 要 内 容,元素分析技术的质量控制,一,元素分析及其样品前处理实验操作技能,二,原子吸收石墨炉法测定铅、镉、铬、铝,三,原子荧光光度计法测定总砷、总汞,四,电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定铅、镉、铬、铝、砷、汞,五,一、元素分析技术的质量控制,金属痕量元素分析是一种难度较大的检测技术,原子吸收分光光度计 PEAA-800,由于食品中重金属含量属痕量范围，前处理和测定时可能带来的外来污染和基体干扰较多，常常导致检测结果与真值偏差较大。,质量控制应用于食品中痕量元素分析,为了使分析数据能够准确地反映实际情况，必须对整个分析过程（特别
2、是质量控制关键点） 进行质量控制。质量控制的目的：是把分析测试的误差控制在容许范围内，保证分析的精密度、准确度，使分析数据在给定的置信水平内有把握达到要求的质量 同时，采取有效实验和措施，对分析结果进行质量评价，及时发现分析过程中的问题，确保分析结果的可靠性。,食品中痕量元素分析质量控制关键点,痕量分析中普遍存在的误差除取样外是主要是受到试剂、实验室器皿、仪器和待测元素的环境污染（而不是损失），在极个别情况下，真实含量可能搞错到若干个数量级，以致分析结果与原样品中的原始浓度没有关系。因此，控制污染是质量控制最大的关键点。 其它的分析过程都含有一些重要的质量控制的关键点。,空白值反映了分析过程的
3、污染状况和实验水平,空白：就是除了不加样品外，按照样品分析的操作手续和条件进行实验得到的分析结果。 在痕量分析中，当样品中被测元素与空白值常常处于同一数量级，空白值的大小及其波动性对分析准确度的影响就很大，直接关系到方法的检出限和报出测定下限的可信程度。 空白值的大小也影响方法的精密度，空白值愈大或不恒定，所得结果的精密度就越差。认为只要空白值恒定就不会影响测定结果精密度的看法是不正确的。因此要降低空白值。,实验前的准备：容器材料（一）,塑料制品是最佳的试剂和试样贮存容器材料。各种材料的重要性递减顺序：聚四氟乙烯聚乙烯石英铂硬质玻璃。尽可能选择好的或是一次性材料（如聚四氟乙烯和聚乙烯瓶）做为储
4、存待测溶液和试剂的容器。,实验前的准备：容器材料（二）,少用玻璃器皿（玻璃或石英表面有一深度为0.1m的活化层，使容器表面与溶液中的离子之间可能发生吸附、离子交换、还原、沉淀等复杂的物理化学过程）。当容器与稀溶液（离子浓度10-3mol/L）保持长时间接触时，可以观察到溶液中痕量组分逐渐降低的现象。如铅这种不太活泼的元素在中性溶液中储存，在玻璃容器内一小时后的损失可高达60%，大多数元素都有不同程度的影响。,实验前的准备：容器的清洗,由于玻璃瓶可能含有的金属空白相对较高，玻璃器皿清洗后，还要用1+4的HNO3浸泡过夜，或加热后再用纯水洗净，这样可清除器皿上重金属的污染。而一个未洗净的玻璃容器留
5、下的空白值可能相当于一个清洁容器空白值的数倍。,实验前的准备：纯水和试剂,纯度不够的硝酸或其它试剂都会严重影响到最终的测定结果。消解用酸的选择尤其重要，在食品消解常常使用HNO3，HClO4和H2SO4。 其他试剂：标准溶液的配置和储存必须小心处理，一般是储存在聚乙烯塑料瓶中，并且避光和尽量短时间在空气中暴露。,实验前的准备：通风橱,通风橱的洁净度差容易导致污染，使实验结果的空白值比较高，数据的准确度和可信度降低，所以要特别保持通风橱的通风和清洁卫生。,取样（一）：四原则,代表性 典型性 适时性 防污染,取样（二）：称样量大小,湿式消解：0.53g 微波消解：0.5 g,称样量由检测方法的检测
6、限、卫生标准限量指标、耗酸量和样品代表性等综合因素决定。 在满足需要的前提下，称样量越少越好。如果称样量太多，需要很长的消解时间和耗费大量的消解试剂。,样品前处理：三种方式,重金属痕量分析的误差，一部分来源于样品前处理时的污染和损失。因此无论选择那种消解方式，都要尽可能避免污染和损失。 样品的消解方式包括： 湿式消解（常规样品和大量抽检时） 微波消解（污染物监测和各类食品考核） 干灰化法（由于方法的局限性，少采用）,样品前处理：湿式消解（一）,1、多年的实验和研究后，发现20+1或是40+1的硝酸和高氯酸的混合酸是比较有效、合适和安全的。2、当使用硝酸-高氯酸混合酸，若样品中的有机强还原性物质
7、未完全反应时，应注意控制温度，保持消化液23mL，不要消化至干，否则可能发生轻微爆炸。3、消解过程中，既要使样品消解完全和充分，又要避免损失和特殊情况的发生。,样品前处理：湿式消解（二）,4 消化至溶液无色透明或微微带有绿色，若样品液颜色变棕黑色，则补加适量硝酸消解，直到冒出白烟，此时消解完全。5 含有低级醇类的食品样品，如香精、酒类和汽水等液体样品，在消化前需将样品加热挥发醇类，待醇类挥发完毕后，再加入酸消化，否则容易发生剧烈反应，甚至爆炸。,样品前处理：湿式消解（三）,6 与用小烧杯消解相比较，采用50mL硬质玻璃消解管进行湿法消解具有许多优点：硬质玻璃消解法的缺点是敞开消化，当实验室或通
8、风柜洁净度较差时，有可能引起污染和损失。,样品前处理：微波消解,微波消解温度高，消解进程大大加快。消耗酸溶剂少，空白值低；避免了样品的挥发损失和污染，提高了分析的准确度和精密度。 赶酸后，由于称样量较湿式消解法小，可定容少至8mL。,样品前处理：干灰化法,1 干灰化法易使待测元素损失，使测定结果偏低，我们较少采用。如灰化温度高于500时，可使Pb、Cd损失，尤其是Cd这样的低温元素。2 但低于500往往样品灰化不完全，残留碳粒影响测定结果，若加入助灰剂过硫酸铵有可能由于试剂纯度不够带来杂质而使空白值偏高。并且增大测定的干扰。,分析方法：基体改进剂,石墨炉原子吸收仪法测定铅、镉和铬，使用钯+磷酸
9、二氢铵（0.2g/L+20g/L）为基体改进溶液，测定铬用磷酸二氢铵溶液（20g/L），测定铝用硝酸镁溶液(0.5g/L)。 混合基体改进剂钯+磷酸二氢铵让基体中难挥发成份转化成易挥发磷酸氢盐，在原子化前逸出，又可将待测金属和钯组成稳定的合金，可采用较高的灰化温度和原子化温度，减少基体在气相中的干扰。提高了测定的灵敏度和精密度，从而保证结果的准确性，比单纯使用钯或磷酸二氢铵要好。,分析方法：质量控制措施,1 样品空白：了解实验的污染控制状况和实验数据的准确性，3个以上的比较稳定和平行的空白才能代表整批样品的空白水平。2 平行双样：能反映实验的稳定性和精密度。对同批测定的精密度进行估计。3 加标
10、回收：发现样品前处理是否存在损失或污染，测定中是否存在干扰。在加标回收达到要求后，才能开始进行样品的检验 。,总 结,在重金属痕量分析过程中，从实验准备开始就严格控制污染和损失。在样品消解过程中，既要使消解完全，避免损失和特殊情况的发生。在上机测试中，既要把仪器调整到最佳状态，准确定量，又要做好质量控制样品，确保测定结果准确和可靠。正确使用有效数字和数字修约进行结果统计。,二、元素分析及其样品 前处理实验操作技能,（一）痕量元素分析的主要影响因素,环境因素的影响 容器的污染 试剂的纯度 样品的制备 测试仪器的灵敏度及干扰问题 测试者的基本操作技能,美国标准局（NBS）研究Pb和Ag的分析空白,
11、分 析 空 白：,空白：包括样品的玷污（正空白）、样品的损失（负空白）和仪器噪声水平。样品的玷污产生的空白叫做分析空白。 分析空白对痕量分析结果的准确度、精密度和方法检测限起着决定性的作用。 分析空白来源于环境、试剂、器皿、分析测试者等等。 分析空白的监测和空白值的扣除。,分析测试工作者可能引入的玷污,研究不同人的不同手指上的Pb含量，用酒精棉球擦洗手指，然后浸泡酒精棉球并萃取，用原子吸收法测得不同人手指洗出的Pb含量在0.120.4 g内变化，吸烟者手指上洗出的Pb量为0.64 1.84 g内变化，比不吸烟者高出 5倍左右；若用1mol/L HNO3浸泡普通人的手指15 min，用同位素稀释
12、质谱法测定浸泡液中的Pb含量在0.8 13.1 g内变化。,二、样品的制备,常见样品的预处理方式： 水分较少的食品采用直接粉碎，过 60 目筛。 新鲜植物或蔬菜，先用水清洗，阴干，在 60 烘箱干燥至恒重，玻璃研磨钵粉碎。 多水分的食物，先用水清洗，沥干，用冻干机冻干 24 小时后，再粉碎，冻干前后要称量，计算其水分。,2、样品前处理的主要方法消化法,消化处理是元素分析中常用的一种样品前处理方法，即破坏、消解样品中的有机物,释放出被测组分。通常在高温或高温结合强氧化剂条件下,使样品中有机物分解,其中碳、氢、氧等元素生成二氧化碳和水蒸气逸出。 消化技术主要有湿法消化、微波消化、干法灰化和密闭压力
13、罐法,其中湿法消化和微波消化这两种方法应用得较多。,3、几种消化法各自的优缺点,干法灰化：部分元素易损失，回收率低，污染的几乎较大，分析空白较高。 湿法消化: 消化试剂一般采用混酸体系,而消除样品中基体干扰的试剂有硝酸铵、磷酸二氢铵、氯化钯等,试剂消耗大，分析空白高，消化时间长。,微波消化：溶样速度快、样品分解完全、待测元素损失较少、试剂耗量少、空白值低、样品测定回收率较高，消化杯费用昂贵且难以清洁。 密闭压力罐法：样品分解完全、待测元素损失较少、试剂耗量少、空白值低、样品测定回收率较高，适用大批样品消化，消化时间长。 痕量元素分析一般采用“微波消化”及“密闭压力罐法”来进行样品的前处理。,H
14、NO3在室温条件下可以分解有机物，而在高温条件下可使有机物完全矿化；H2O2在较低温度下即可分解成高能态活性氧，与硝酸混合，其氧化能力可显著提高，能更有效地破坏有机物。 对于含有不溶物二氧化硅的食品，如：茶叶、贻贝、蚝等，须用HF溶解，一般采用 HF-HNO3 或 HF-HNO3-H2O2 混酸体系。,4、混合酸消解体系,在密闭条件消化时，HCLO4的分解会使罐内压力增大，可能会造成安全隐患，因此，避免采用含HCLO4的混酸体系。 消化后，有些待测元素易生成不溶物，尽量少用H2SO4。,消解内罐及外罐,电热恒温鼓风干燥箱,检出限,式中：CL：检测低限；Sb：空白值标准偏差，（一般平行测定20次
15、）；b： 方法校准曲线斜率。 对于已制定MRL的物质：（ CL + 3SMRL ） CMRLSMRL：MRL处的标准偏差；CMRL：已制定最高残留限量（MRL） 对于禁用物质，方法检测限应尽可能低。,测定低限,精密度实验,需进行三水平试验，平行测定6次以上，计算相对标准偏差（RSD）： 禁用物质：方法测定低限、两倍方法测定低限、十倍方法测定低限。 已制定最高残留限量（MRL）：方法测定低限、MRL、选一合适点。 未制定最高残留限量（MRL）：方法测定低限、常见限量指标、选一合适点。 根据标准曲线的上限浓度C，配制0.1C、0.5C、0.9C的标准溶液浓度，平行测定6次以上，计算相对标准偏差（R
16、SD）。,准确度实验,回收率实验：需进行三水平试验 禁用物质：方法测定低限、两倍方法测定低限、十倍方法测定低限。 已制定最高残留限量（MRL）：方法测定低限、MRL、选一合适点。 未制定最高残留限量（MRL）：方法测定低限、常见限量指标、选一合适点。 测定标准物质： 加标回收实验：根据样品本底值的浓度，在样品中分别加入0.5C、2C、4C的标准溶液，测其回收率。,数据的分析,分析空白的监测和空白值的扣除。 空白值的波动较大，往往在百分之几十，甚至百分之几百的水平上波动。 可靠并行之有效的方法是把分析空白降至可以忽略不计。 在分析过程中做空白的平行测定，监视分析过程。 在分析空白主要来自试剂的玷
17、污时，空白值比较稳定，若有必要，可以扣除空白值。.,标准物质的选择与测定,环境水样标准物质，用以检测标准系列的配制浓度是否准确，其测定的直读浓度应在曲线范围内。 标准物质的基质尽量接近被测样品，与被测样品同步消化处理。 测定结果不在标准值范围内，应考虑： 分析空白，是否存在试剂、容器污染等。 方法的检出限是否适合本次检测。 样品基质的干扰。 被测元素的存在形式，消化方法是否合适。,三、原子吸收石墨炉法测定食品中铅、镉、铬、铝,石墨炉原子吸收分析最佳条件选择石墨炉原子吸收分析有关灯电流、光谱通带及吸收线的选择原则和方法与火焰法相同。石墨炉按照干燥、灰化、原子化程序升温和采用惰性气体保护。因此，选
18、择合适的干燥、灰化、原子化温度及时间和惰性气体流量是石墨炉原子吸收分析所特殊需要的。,干燥温度和时间的选择干燥阶段是一个低温加热过程，其目的是蒸发样品的溶剂或含水组分。干燥条件直接影响分析结果的重观性。干燥温度与时间，应根据不同基体组分的样品进行选择。一般而言，干燥温度应稍高于溶剂的怫点。如水溶液应选择在100125范围内。甲基异丁基甲酮(MIBK，沸点117)作溶剂，可选用120。干燥温度的选择必须避免样液过于猛烈的沸腾，流散或飞溅，又要保证有较快的蒸干速度。所以有时宁可选择稍低于溶剂的沸点温度，适当延长干燥时间，以解决样液流散飞溅现象。选用斜坡升温干燥是有利的。,干燥时间要与干燥温度相配合
19、，通常依进样体积而定。例如，进样10、20、50、100 l时，其干燥时间可分别选用15、20、40、60 s。对于某些粘度较大、易冒泡的有机溶剂或含盐量高和较为粘稠的液体样品，干燥过程较难控制，如体液、海水、废水和油类样品，最好采用斜坡升温，同时延长干燥时间，并且加入适量乙醇或MIBK稀释剂，以改善干燥过程。,灰化温度和时间的选择设置灰化阶段的目的，是保证待测元素没有明显损失的前提下以相同的化学形态进入原子化阶段和降低基体及背景吸收干扰。灰化温度和时间，是石墨炉原子吸收分析中最重要的参数，需认真加以选择。,图8 灰化温度曲线 由图8可以看出，当温度为T1时，基体开始热解，背景吸收急剧下降。当
20、温度为T2时，背景吸收下降到可被氘灯完全扣除的最低程度。当温度超过T3时，原子吸收信号由于灰化损失而逐渐下降。因此，灰化温度应选在T2T3之间。,若待测元素较基体组分难挥发，可选择稍高的灰化温度，除去基体组分而待测元素无灰化损失；若待测元素较基体组分易挥发，可选择稍低的灰化温度，使基体组分“残留”而待测元素仅被原子化；若待测元素与基体组分挥发性相近或相同，应选用基体改进技术。,原子化温度和时间的选择原子化温度是由元素及其化合物的性质所决定的。最佳原子化温度的选择是通过实验来确定的。通常借助绘制原子化温度曲线即原子吸收吸光度随原子化温度的变化曲线，如图9所示。原子化始现温度，是吸光度达0.004
21、4时石墨炉的温度。对大多数元素而言，原子化温度曲线在达到最大吸光度值后趋于平稳，即此后吸光度不再随温度增加。当温度高到一定程度，吸光度反而有下降的趋势。最佳原子化温度应选在刚好出现最大吸光度时对应的温度。某些难挥发的元素的原子化温度曲线可能不出现平台，原则上应选较高的原子化温度或吸光度峰值处的原子化温度,热清洗和空烧某些石墨管材料纯度不够，特别是分析常见元素时，空白值较高。如果在测定前不进行高温处理即热清除，即使不加样品，则原子化阶段也会出现吸收信号。如果手动热清除，必须注意空烧时间以免损伤石墨管。石墨炉升温程序中设置有热清除一步。其温度高于原子化温度，时间一般为35 s。若经多次空烧，空白值
22、仍然很高，该石墨管则不能用于该元素的测定。,惰性气体流量的选择为了延长原子化器的使用寿命和减缓其表面物理化学性质变坏及避免分析元素原子蒸气再被氧化，原子化器须在无氧条件下工作，否则会使石墨炉原子化器的表面因生成CO和CO2而迅速变得疏松多孔,为此需采用惰性气体保护，目前常用氩气作保护气体。,在应用标准曲线法时，特别应当注意的是应使标准溶液和样品溶液的基体匹配以及测定条件的一致，才能保证准确度。因此，需了解样品的基体情况和试验吸喷速率有无差异，每次分析测定时都应重新绘制标准曲线。在实际分析中，如何设计实验，如何以样品大致浓度估计标准系列浓度范围和根据标准曲线最佳线性范围调整样品浓度，是分析工作者
23、的基本功。以往多通过绘图查知样品浓度，最好利用一元线性回归方程计算分析结果。标准曲线法适合批量样品的分析。,四、原子荧光光度计法测定食品中的总砷、总汞,分析过程中的注意事项,污染 在分析过程中必须使用高纯蒸馏水、去离子水或者纯度更高的水。 分析过程中使用的化学试剂是造成污染的重要原因。 特别注意使用者在操作仪器时带来人为污染 实验室的环境对仪器也有较大的影响。,标准溶液 在配制工作曲线溶液时，一定要注意所配制溶液中被测元素的价态，在测量前一定要把元素价态调整到可以发生氢化物反应的价态。 溶液中必须维持一定的酸度，以保证溶液的稳定性。在配制更稀的标准溶液时，一定要保证使用的稀释剂（去离子水）和酸
24、等其他方试剂有较高的纯度，不含有被测的元素。 在配制汞的标准溶液时，为了增加汞的稳定性，应保持溶液的酸度为2%HNO3左右的酸度，在汞的母液中还应加入少量的重铬酸钾保护。,试剂 硼氢化钠（钾）溶液 A.硼氢化钾（钠）必须有足够的纯度 B.在配制硼氢化钾（钠）溶液时，一定要将硼氢化钾（钠）固体溶解在一定量的氢氧化钠（钾）碱溶液中，以保证硼氢化钾（钠）的稳定性。 C.硼氢化钾（钠）溶液最好放在外面带有黑罩的塑料瓶中，直接光照将引起还原剂的分解并产生气泡，影响测定精度。 D.硼氢化钾与硼氢化钠一般可以互相代替使用，但因为钾盐分子量较大，应该进行浓度的换算以维持硼氢根的量相一致，3%的硼氢化钾溶液相当
25、于2.1%的硼氢化钠，换算系数为0.7。 E.硼氢化钾溶液尽量当天配制作用。,酸氢化物发生原子荧光法中所用的酸必须要保证较高的纯度，还应该检查中是否含有被测元素，必要时要先提纯。 水在测量过程中，水的纯度也很关键，纯度差的水可能会直接影响到测量的结果。,提高测量精度和准确度的注意事项 测定前需用标准溶液调整仪器的灵敏度，待读数稳定后再开始测定。 大批试样分析中每测定10个试样作一次标准校准，或用一个标准点校对漂移情况，以保证测定结果的准确性。 在室温较低时，应注意延长As的预还原时间，因为此时还原速度较慢，以免氢化物反应不完全造成测定误差。 尽可能使用空白值低的试剂，以提高测定的准确度。 用标
26、准加入法检查基体效应的存在与否。,样品预处理a.所用的处理方法要保证被测元素的完全分解b.在处理过程中不应造成被测元素的损失和损污染。c.样品预处理时应加做试剂和样品的回收率试验，以便全程监测样品处理过程。d.溶液最终的酸度及介质要符合被测元素发生氢化物反应的要求。,分析方法的建立,最佳反应介质的建立样品处理后必须在氢化物发生之前将溶液调整到被测元素的最佳反应介质。并将高价态的元素还原为合适价态，最好是样品处理并定容后溶液已经处于最佳的反应酸度，被测元素也处于合适的价态。,干扰的考虑a.所用的元素灯光源必须有足够的光谱纯度b.对分析对象的基本成分应有一个粗略的了解c.不应随意扩大检验方法的使用范围d.克服Cu、Ni、Co等元素带来的液相干扰e.克服气相干扰f.当灵敏度满足要求时，尽量减小仪器条件g.在方法制定或建立时，必须对实际样品做回收率实验,五、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定铅、镉、铬、铝、砷、汞,谢谢大家！,
