氢化物发生-高分辨连续光源原子吸收光谱法
测定食品中的汞和砷

任 婷，曹 珺，赵丽娇*，钟儒刚

（北京工业大学生命科学与生物工程学院，环境与病毒肿瘤学北京市重点实验室，北京 100124）

摘 要：使用氢化物发生-高分辨连续光源原子吸收光谱法对谷类、蔬菜、饮品、水产品和乳制品5类共22 种常见食品中汞和砷的含量进行检测。建立样品预处理和连续光源原子吸收光谱法定量分析的方法，汞和砷的检出限分别为0.067、0.088 μg/L，加标回收率为97.0%～104.2%和96.4%～105.1%，相对标准偏差为0.8%～4.7%和3.5%～4.9%（n=6）。结果表明：全麦面、咖啡和4 种海鲜类样品中的汞含量较高；韭菜、带鱼、贝类和虾中的砷含量较高。

关键词：氢化物发生-高分辨连续光源原子吸收光谱法；食品；汞；砷；定量分析

Determination of Mercury and Arsenic in Foods by Hydride Generation-High Resolution Continuum
Source Atomic Absorption Spectrometry

REN Ting, CAO Jun, ZHAO Li-jiao*, ZHONG Ru-gang

(Beijing Key Laboratory of Environmental and Viral Oncology, College of Life Science and Bioengineering,
Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: Hydride generation-high resolution continuum source atomic absorption spectrometry (HG-HRCS-AAS) has been employed in this work to determine mercury (Hg) and arsenic (As) levels in 22 kind of foods including cereals, vegetables, beverage, aquatic products and dairy foods. The methods for sample pretreatment and quantitative analysis were established. The limit of detection (LOD) was 0.067 µg/L for Hg and 0.088 μg/L for As. The recoveries of Hg and As from spiked samples were 97.0%–104.2% and 96.4%–105.1%, with RSD of 0.8%–4.7% and 3.5%–4.9% (n = 6), respectively. The results showed that the content of Hg was higher in whole wheat flour, coffee and aquatic products samples and was detectable in fruit juice samples. The content of As in Chinese leek, coiliaspp, shellfish and shrimp was higher than that in other tested foods.

Key words: hydride generation-high resolution continuum source atomic absorption spectrometry; foods; mercury; arsenic; quantitative analysis

中图分类号：TS207.7 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）08-0062-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201408011

汞和砷是食品中可能存在的重金属元素，研究表明汞和烷基汞具有潜在神经毒性，且对肾脏和胃肠道有毒害作用，其中甲基汞和乙基汞的毒性极强[1-3]。联合国粮食与农业组织和世界卫生组织联合的食品添加剂专家委员会已将饮食中汞的每周允许摄入量定为1 μg/kg体质量（成人）[4]。砷可引发恶性肿瘤、肾脏功能紊乱和肝硬化等健康问题[5-6]，已被美国环保署和世界卫生组织列为致皮肤癌和肺癌的A类致癌物[7-8]。大气沉降、杀虫剂的使用、化肥污染和水污染能够导致果蔬中汞和砷积聚，并通过食物链对人体造成伤害[9-11]。

原子吸收光谱法具有灵敏度高、精度好、选择性高、测定元素种类多等特点，已被广泛应用于食品中微量重金属的测定[12-15]。氢化物发生-原子吸收光谱法（hydride generation-atomic absorption spectrometry，HG-AAS）是利用选择性的化学还原反应，将样品消化液中的待测元素还原成挥发性的共价氢化物，借助载气流将其导入原子光谱分析系统进行定量测定。自1969年Holak[16]把经典的砷化氢发生反应与原子光谱相结合，建立了氢化物发生-原子光谱联用技术，该方法已被大量用于汞、砷和硒的测定中。Anawar等[12]使用HG-AAS法对萨拉曼卡（西班牙）和达卡（孟加拉国）某市场销售的土豆、西红柿、洋白菜等几十种蔬菜中的砷含量进行了测定和比较，该方法检出限为0.07 μg/L，相对标准偏差5%～10%，标样测定回收率为102.6%。Wilhelm等[13]使用HG-AAS法测定了鱼类、谷物、蔬菜和乳制品中的汞和砷含量，方法定量限分别为0.1 μg/kg（干质量）和1.5 μg/kg
（干质量）。莫晓玲等[17]使用HG-AAS法测定了腐竹和酱油中的砷含量，方法特征质量浓度为0.17 μg/L，检出限为0.014 μg/L，样品加标回收率为94.2%～102.8%。Ciftci等[18]使用HRCS-AAS和传统线光源原子吸收光谱法2 种方法对水样中的铝含量进行了测定，结果表明使用HRCS-AAS的检测限为0.49 μg/L，后者的检测限为3.91 μg/L。Becker等[19]考察了HRCS-AAS对基底复杂样品的检测效果，结果表明该方法较传统线光源原子吸收光谱法具有更高的灵敏度和精密度、检测限更低。

高分辨连续光源原子吸收光谱（high resolution continuum source atomic absorption spectrometry，HRCS-AAS）法使用高强度短弧氙灯作为连续光源，具有无需预热、无需空心阴极灯、分辨率高和分析速度快等优点，近年来已被广泛用于不同样品中金属含量的检测[20-23]。da Silva等[23]使用HRCS-AAS测定了鱼等海洋生物样品中汞的含量，方法检出限为0.1 μg/g，证明该方法是一种灵敏度高、简便快捷的检测方法。本研究采用HG-HRCS-AAS法并对定量分析方法进行了优化，测定了谷类、蔬菜、饮品、水产品和乳制品5类共22 种食品中的汞和砷含量，以期为食品质量安全相关标准的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

汞标准溶液（100 µg/mL）、砷标准溶液
（1000 µg/mL） 国家标准物质中心；硝酸、盐酸、硫酸、30%过氧化氢、高锰酸钾（KMnO4）、氢氧化钾（KOH）、硼氢化钾（KBH4）、硫脲（均为优级纯） 北京化工厂。

1.2 仪器与设备

ContrAA 700高分辨连续光源原子吸收光谱仪、HS55A-氢化物发生器 德国Jena公司；EH/EG电热板 美国LabTech公司；ETHOS A微波消解仪 意大利Milestone公司；ZM200精细研磨机 德国Retsch公司；PL5241超纯水装置 美国Pall公司；202-A数显电热恒温干燥箱 上海泸南科学仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

需要进行预处理的样品按类别采取了不同的预处理方式（表1）。经预处理后称取0.5 g样品，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入7 mL 浓HNO3和1 mL H2O2，静置1 h，使消化剂充分浸泡样品。密闭消解罐，置于微波消解仪中进行消解，设置消解功率为1000 W，10 min升温至190 ℃，保持30 min，然后通风降温至45 ℃。各样品和空白均做3组平行。消解完毕后，将样品转移至烧杯，置于120 ℃电热板上加热赶酸，待样品挥发至约为2 mL时，加入10 mL去离子水，继续加热，待样品再次挥发至约为2 mL时停止赶酸，用去离子水定容至50 mL。

表 1 样品的预处理方式

Table 1 Pretreatments for different types of samples

1.3.2 检测条件

本工作中采用的HRCS-AAS使用高强度短弧氙灯作为连续光源；光学系统为高分辨率的中阶梯光栅；氖灯自动校正系统的光学分辨率2 pm；紫外高灵敏度的电荷耦合器线阵检测器；同时背景校正[24]。

本研究采用HG-HRCS-AAS法测定22 种食品中的汞和砷含量。表2为2 种元素的测定条件，每个样品均读数3次，取平均值。

表 2 HG-HRCS-AAS测定参数

Table 2 Experimental conditions for the determination of
Hg and As by HG-HRCS-AAS

1.3.3 数据处理

采用上述工作条件对样品进行分析，根据下式计算样品中汞和砷的含量：

式中：X为样品中待测元素的含量/（mg/kg）；ρ1为测得的消解液中待测元素的质量浓度/（mg/L）；ρ0为空白样品中待测元素的质量浓度/（mg/L）；m为称取样品的质量/g；V为样品溶液的总体积（50 mL）；w为烘干后样品占烘干前样品质量的百分比。

2 结果与分析

2.1 消解条件的确定

本研究采用微波消解法对样品进行消解。该方法具有污染小、待测物不易挥发、耗酸量小、消化时间短等优点，近年来广泛应用于食品检测领域[25-26]。HNO3分解产生的NO2配合H2O2在酸性介质中产生的活泼氧自由基，具有很强的氧化能力，有利于提高消解反应速度。参考文献[22]，使用浓HNO3-H2O2（7∶1，V/V）微波消解体系能够得到无色透明的澄清消解液，并且空白值较低，因此本研究采用该体系对样品进行微波消解。

2.2 参数优化

本研究使用硼氢化物-碱体系作为汞和砷氢化物发生的还原剂，该还原剂具有还原能力强、反应速度快以及可同时用于多元素测定的优点。被硼氢化物在碱性溶液中的分解速度和待测元素与氢化合的速度是决定氢化物形成的重要因素，而这2个因素受硼氢化物浓度、碱的种类及浓度、载气流速与氢化物发生装置等因素的影响。因此需要先对还原剂用量、载气流速、反应时间等条件进行优化。在本研究中，将硼氢化钾与氢氧化钾以3∶1的比例配制成还原剂。

2.2.1 还原剂用量

在选定的仪器工作条件下，对还原剂含量（0.5～2 g/100mL）进行优化。结果表明，随着硼氢化钾含量的增加，吸光度随之增大，当硼氢化钾含量大于1.5 g/100mL时，汞和砷测定吸光度开始下降，重复性开始变差。这可能是因为硼氢化钾样品中存在同样能形成氢化物的某些类似元素和过渡金属元素，从而降低了待测元素氢化物的形成效率。这与Welz等[26]的研究结果一致：适当降低硼氢化物的含量可有效减少此类干扰。因此本研究选择还原剂含量为1 g/100mL。

2.2.2 反应时间

合适的预吹扫时间有利于氢化物的产生，并排净石英管中的空气；合适的反应时间可保证还原剂与样品反应完全。对汞和砷2元素各自的预吹扫时间和反应时间进行了优化，汞的最佳预吹扫时间为30s，反应时间为20s；砷的最佳预吹扫时间为30s，反应时间为15s。

2.2.3 载气流速

载气将反应罐中的氢化物送入石英管中，同时为待测元素的原子化提供惰性气体保护。使用高纯氩气（99.999%）作为载气，对4种载气流速（0、100、417、517 mL/min）进行比较，当流速为100 mL/min时，待测元素吸光度高且重复性好。

2.3 标准曲线的绘制

Aspect CS软件提供了线性和非线性2种拟合方法，通过比较2种元素标准曲线的相关系数，可以看出采用非线性方程的相关性均高于线性方程（表3）。

表 3 标准曲线方程及相关性系数

Table 3 Regression equations with correlation coefficients and linear ranges

2.4 准确度与精密度

本研究对空白样品重复测定11次，求得测定吸光度的标准偏差，得到汞和砷的检出限分别为0.067、0.088 μg/L。使用带鱼样品进行加标回收率及精密度实验，每种样品做3组平行。所有样品进行微波消解后经HG-HRCS-AAS对每组样品重复测定6次，计算加标回收率及相对标准偏差。汞和砷的回收率分别为：97.0%～104.2%和96.4%～105.1%，相对标准偏差分别为0.8%～4.7%和3.5%～4.9%，满足定量分析要求（表4）。

表 4 汞和砷测定方法的回收率和相对标准偏差

Table 4 Recovery and RSD of the method for Hg and As

2.5 样品的测定

在最佳测定条件下对5类共22 种样品中汞和砷的含量进行测定，结果如图1所示。结果表明，全麦面、咖啡和水产品（带鱼、贻贝、鲤鱼和虾）中的汞含量较高，果汁中也含有一定量的汞。将测定结果与GB 2762—2012《食品中污染物限量》[27]进行了比较，所有样品中的汞含量均未超出国家标准限定值。

韭菜和水产品（带鱼、贻贝和虾）中的砷含量较高，韭菜中的砷含量为0.122mg/kg，大大超出国标对蔬菜中砷含量的限定值0.05mg/kg[27]；带鱼中的砷含量为0.173mg/kg，也明显超出了国标中鱼类的砷限量标准0.1mg/kg[27]。本研究结果与其他结果相接近：Uhegbu等[28]使用AAS法测得产自尼日利亚瓦里市的虾中砷含量为0.152mg/kg；王茂波等[29]采用氢化物发生原子荧光光谱法测得产自山东烟台海域的虾中砷含量为0.189mg/kg。

图 1 22种被测食品中的汞（A）和砷（B）的含量

Fig.1 Comparison of Hg (A) and As (B) contents in 22 kinds of foods determined by HG-HRCS-AAS

与欧盟[30]、世界卫生组织[31]和澳大利亚新西兰食品标准法典[32]对各种食品中汞和砷含量的限量标准相比，我国国标对食品中汞和砷的限量标准进行了比较细致的划分和更加严格的要求。然而，随着生活水平的提高、居民饮食的多样化，国标仍需要进一步完善以覆盖更多种类的食品。例如，液体咖啡和咖啡粉中的汞和砷含量水平均较高，但国标中尚无相关限量；茶叶中的重金属限量仅涉及铅，未涉及对汞和砷的限定要求；饮料和奶酪类食品的汞和砷限量标准均未列入国标等。

3 结 论

本研究对样品前处理过程和HG-HRCS-AAS测定参数进行了优化，确认了方法的灵敏度、回收率和精密度能够满足食品中痕量汞和砷元素的定量分析，并测定了谷类、蔬菜、饮品、水产品和乳制品5大类共22 种食品中的汞和砷的含量。为完善食品质量控制标准提供了科学依据。本研究所建立的分析方法对推动我国食品安全标准与国际水平接轨以及降低通过膳食途径摄入重金属的风险具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] Alonso E V, Cordero M T S, de Torres A G, et al. Mercury speciation in sea food by flow injection cold vapor atomic absorption spectrometry using selective solid phase extraction[J]. Talanta, 2008, 77(1): 53-59.

[2] Armentab M M. Heavy metals: implications associated to fish consumption[J]. Environmental Toxicology and Pharmacology, 2008, 26(3): 263-271.

[3] Tuzen M, Dogan O, Karaman U I, et al. Mercury (Ⅱ) and methylmercury speciation on Streptococcus pyogenes loaded Dowex Optipore SD-2[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 169(1/3): 345-350.

[4] The Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (JECFA). Food contaminants (Seventy-second Meeting)[R]. Rome: JECFA, 2010.

[5] Bhattacharyach S K. Human health effects from chronic arsenic poisoning-a review[J]. Journal of Environmental Science and Health Part A: Toxic/Hazardous Substanc, 2006, 41(10): 2399-2428.

[6] World Health Organization (WHO). Task Group on Environmental Health Criteria for Arsenic: Arsenic[R]. Geneva: WHO, 1981.

[7] Environmental Protection Agency (EPA). National primary drinking water regulations, arsenic and clarifications to compliance and new source contaminants monitoring[R]. Washington DC: EPA, 2001.

[8] World Health Organization (WHO). IARC monographs on the evaluation of the carcinogenic risk of chemicals to humans[R]. Geneva: WHO, 1980.

[9] Chojnacka K, Chojnacki A, Gorecka H, et al. Bioavailability of heavy metals from polluted soils to plants[J]. Science of the Total Environment, 2005, 337(1/3): 175-182.

[10] Mantovi P, Bonazzi G, Maestri E, et al. Accumulation of copper and zinc from liquid manure in agricultural soils and crop plants[J]. Plant Soil, 2003, 250(2): 249-257.

[11] Raghunath R, Tripathi R M, Suseela B, et al. Dietary intake of metals by mumbai adult population[J]. Science of the Total Environment, 2006, 356(1/3): 62-68.

[12] Anawar H M, Garcia-Sanchez A, Hossain M N, et al. Evaluation of health risk and arsenic levels in vegetables sold in markets of Dhaka (Bangladesh) and Salamanca (Spain) by hydride generation atomic absorption spectroscopy[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2012, 89(3): 620-625.

[13] Wilhelm M, Wittsiepe J, Schrey P, et al. Consumption of homegrown products does not increase dietary intake of arsenic, cadmium, lead, and mercury by young children living in an industrialized area of Germany[J]. Science of the Total Environment, 2005, 343(1/3): 61-70.

[14] Tuzen M, Soylak M. Trace heavy metal levels in microwave digested honey samples from Middle Anatolia, Turkey[J]. Journal of Food and Drug Analysis, 2005, 13(4): 343-347.

[15] Tuzen M, Soylak M. Evaluation of trace element contents in Canned foods marketed from Turkey[J]. Food Chemistry, 2007, 102(4): 1089-1095.

[16] Holak W. Gas-sampling technique for arsenic determination by atomic absorption spectrophotometry[J]. Analytical Chemistry, 1969, 41(12): 1712-1713.

[17] 莫晓玲, 张志. 氢化物发生-原子吸收光谱法测定食品中总砷含量[J]. 食品研究与开发, 2009, 30(2): 105-108.

[18] Ciftci H, Er C. Solid-phase extraction and separation procedure for trace aluminum in water samples and its determination by high-resolution continuum source flame atomic absorption spectrometry (HR-CS FAAS)[J]. Environmental Monitoring and Assessment , 2013, 185(3): 2745-2753.

[19] Becker R H, Florek S, Heitmann U. Observation, identification and correction of structured molecular background by means of continuum source aas-determination of selenium and arsenic in human urine[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2000, 15(2): 137-141.

[20] Zhao Lijiao, Ren Ting, Zhong Rugang. Determination of lead in human hair by high resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry with microwave digestion and solid sampling[J]. Analytical Letters, 2012, 45(16): 2467-2481.

[21] 孙博思, 任婷, 赵丽娇, 等. 浊点萃取-高分辨连续光源石墨炉原子吸收光谱法测定环境水样中的痕量铅[J]. 光谱学与光谱分析, 2012, 32(10): 2847-2852.

[22] 任婷, 赵丽娇, 钟儒刚. 高分辨连续光源石墨炉原子吸收光谱法测定面制食品中的铝[J]. 光谱学与光谱分析, 2011, 31(12): 3388-3391.

[23] da Silva A F, Lepri F G, Borges D L G, et al. Determination of mercury in biological samples using solid sampling high-resolution continuum source electrothermal atomization atomic absorption spectrometry with calibration against aqueous standards[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2006, 21(11): 1321-1326.

[24] Resano M, García-Ruiz E. High-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry: is it as good as it sounds? A critical review[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2011, 399(1): 323-330.

[25] Costa L M, Santos D C M B, Hatje V, et al. Focused-microwave-assisted acid digestion: evaluation of losses of volatile elements in marine invertebrate samples[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2009, 22(3): 238-241.

[26] Welz B, Schubert-Jacobs M. Mechanisms of transition metal interferences in hydride generation atomic absorption spectrometry. Part 4. Influence of acid and tetrahydroborate concentrations on interferences in arsenic and selenium determinations[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1986, 1(1): 23-27.

[27] 国家标准化管理委员会. GB 2762—2012 食品中污染物限量[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.

[28] Uhegbu F O, Chinyere G C, Ugbogu A E, et al. Arsenic and chromium in sea foods from Niger Delta of Nigeria: a case study of Warri, Delta State[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2012, 89(2): 424-427.

[29] 王茂波, 刘正毅, 李静, 等. 烟台市海域水产品中重金属和砷污染状况调查[J]. 中国食品卫生杂志, 2012, 24(1): 67-70.

[30] European Union (EU). Setting maximum levels for certain contaminants in foodstuffs[R]. Brussels: EU, 2006.

[31] World Health Organization (WHO). Methyl mercury[R]. Geneva: WHO, 1990.

[32] Food Standards Australia New Zealand (FSANZ). Contaminants and natural toxicants[R]. Wellington: FSANZ, 2012.