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第十三章 食品中重金属含量的测定. 西昌学院轻化工程学院. 食品中所含的元素有 50 多种。 1 、分类： 从营养学的角度，可分为必需元素、非必需元素和有毒元素三类； 从人体需要的角度，可分为常量元素（含量在 0.01% 以上）、微量元素（含量低于 0.01% ）两类。. 第一节 概述. 常量元素：需求比例较大如钾、钠、钙、镁、磷、氯、硫等； 人体必需的微量元素有：碘、锌、硒、铁、铜、钼、铬、钴； 有毒元素：其极小的剂量即可导致机体呈现毒性反应，而且人体中具有蓄积性，随着在人体内的蓄积量的增加，机体会出现各种中毒反应，如汞、镉、铅、砷等；
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第十三章食品中重金属含量的测定 西昌学院轻化工程学院
食品中所含的元素有50多种。 • 1、分类： • 从营养学的角度，可分为必需元素、非必需元素和有毒元素三类； • 从人体需要的角度，可分为常量元素（含量在0.01%以上）、微量元素（含量低于0.01%）两类。 第一节 概述
常量元素：需求比例较大如钾、钠、钙、镁、磷、氯、硫等；常量元素：需求比例较大如钾、钠、钙、镁、磷、氯、硫等； • 人体必需的微量元素有：碘、锌、硒、铁、铜、钼、铬、钴； • 有毒元素：其极小的剂量即可导致机体呈现毒性反应，而且人体中具有蓄积性，随着在人体内的蓄积量的增加，机体会出现各种中毒反应，如汞、镉、铅、砷等； • 限量元素：按食品卫生的要求有一定限量规定的元素，包括：必需微量元素及有害元元素。
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。 • 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。 • 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。
2、检测意义 • 评价食品的营养价值 • 开发和生产强化食品具有指导意义 • 有利于食品加工工艺的改进和食品质量的提高 • 了解食品污染情况，以便查清和控制污染源
第二节 元素的提取与分离 • 这些元素都以金属有机化合物的形式存在于食品中，要测定这些元素先要进行样品处理： • 用灰化法和湿化法先将有机物质破坏掉，释放出被测元素。以不丢失要测的成分为原则。 • 破坏掉有机物后的样液中，多数情况下是待测元素浓度很低，另外还有其它元素的干扰，所以要浓缩和除去干扰。
被测组分的分离与浓缩 • 比色法测定：用合适的金属螯合剂在一定条件下与被测金属离子生成金属螯合物，然后用有机溶剂进行液液萃取，使金属螯合物进入有机相从而达到分离与浓缩。 • 原子吸收分光光度法：测痕量元素则用离子交换法分离、提纯金属离子或除去干扰离子。
一、螯合萃取原理 1、样品溶液： • ① 金属离子+螯合剂=金属螯合物（金属螯合物溶于有机溶剂，如果有色可进行比色测定）—— 有机相 • ② 水+其它组成 ——水相 2、此法为液—液溶剂萃取法。 • 优点：较高的灵敏度，选择性，分离效果好，设备简单，操作快速。 • 缺点：工作量较大，耗用试剂，溶剂较高，有的易挥发，易燃，有毒等。
金属离子在未成螯合物之前，受水分子极性作用，以水合离子形式存在，为亲水性，难溶于有机溶剂，故不好直接用有机溶剂萃取。金属离子在未成螯合物之前，受水分子极性作用，以水合离子形式存在，为亲水性，难溶于有机溶剂，故不好直接用有机溶剂萃取。 • 选择适当的金属螯合剂可将金属离子变为疏 • 水性的金属螯合物，然后再萃取。 • 物质能否有亲水性，主要看其是否能与水子 • 形成氢键。 二、螯合反应与亲水性
三、萃取分离的基本原理 1、分配系数PD、KD • 萃取时，有两相互不相溶，一相为水相，一相为有机相，物质A 在两相中存在量不同。在一定温度下，分配达到平衡。A在两相中活度比不再变，即PD，KD为常数。 PDA = αA有/αA水 • 浓度很低时，用浓度代替活度α。 KD = [A]有/ [A]水
2、分配比 D = C有 / C水 • C有——溶质在有机相中聚合、络合等总浓度 • C水——溶质在水相中聚合、络合、水解的总浓度 3、萃取百分率E：表示萃取的完全程度 E =（被萃取物在有机相中的总量 / 被萃取物的总量） ×100%
四、萃取平衡与条件 1、常用的螯合剂 • 实际应用的，目前已达100多种； • 食品分析中常用的： • 双硫腙（HDZ）、 • 二乙基二硫代甲酸钠（NaDDTC）、 • 丁二酮肟、 • 铜铁试剂 CuP （N—亚硝基苯胲铵） • 这些螯合剂与金属离子生成金属螯合物，相当稳定，难溶于水，易溶于有机溶剂，许多带有颜色可直接比色。
2、金属螯合物的萃取平衡 • 用有机溶剂萃取金属螯合物，金属在有机相和水相中的分配比与许多因素有关，当其他因素固定下来以后，金属分配率与pH有关。
3、影响分配比值的几个因素： • （1）螯合剂的影响：螯合剂与金属离子生成的螯合物越稳定，萃取效率就越高。 • （2）pH的影响：pH 越高，有利于萃取，但金属离子可能发生水解反应。
（3）萃取溶剂的选择：溶剂是否有利于萃取的分离主要取决于它们的物理性质和化学性质。（3）萃取溶剂的选择：溶剂是否有利于萃取的分离主要取决于它们的物理性质和化学性质。 • ①一般尽量采用惰性溶剂，避免产生副反应。 • ②根据螯合物的结构，由相似相溶原理来选：含烷基螯合物选卤代烃（CCl4、CHCl3等），含芳香基螯合物选芳香烃（苯、甲苯等）。 • ③溶剂的相对密度与溶液差别要大、粘度小。 • ④无毒。无特殊气体、挥发性较小。
4、干扰离子的消除 • 控制酸度：控制溶液的pH值 • 使用掩蔽剂 • 例：KCN 可掩蔽 Zn2+、Cu2+ • 柠檬酸铵可掩蔽 Ca2+、Mg2+、AL3+、Fe3+ • EDTA可以掩蔽除 Hg2+、Au2+ 以外许多金属离子。
第三节 几种限量元素的测定 • 原子吸收分光光度法（可测定70多种元素，检出限10-8） • 紫外-可见分光光度法（金属离子） • 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）
一、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。 • 原理：使光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的原子蒸汽时，被待测元素的基态原子所吸收，在一定范围与条件下，入射光被吸收而减弱的程度与样品中待测元素的含量呈正相关，由此可得出样品中待测元素的含量。 • 基本点是：基态自由原子可以吸收特定波长的光。
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。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。 （一）原子吸收分光光度计
1、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。 • 常用光源：空心阴极灯
2、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：是利用气体燃烧形成的火焰来进行原子化的。 • 非火焰原子化法： • 石墨炉子化器 • 氢化物原子化器
石墨炉原子化器与火焰原子化器比较有如下优点：石墨炉原子化器与火焰原子化器比较有如下优点： • 原子化效率高，可达到90%以上，而后者只有10%左右。 • 绝对灵敏度高（可达到10-12～10-14），试样用量少。适合于低含量及痕量组分的测定。 • 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。
3、分光系统一般用光栅来进行分光 4、检测系统包括检测器、放大器、对数转换器、显示 器几部分。
（二）原子吸收光谱法 • 定量分析方法： • 1、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。 • 2、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。
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=30～90%之间（即A=0.05～0.5），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。
1、原理： 样品湿法消化处理后，导入原子吸收分光光度计中，经原子化，铁、镁、锰、铜、锌分别在波长248.3nm、285.2nm、279.5nm、324.8nm、213.8nm处，对铁、镁、锰、铜、锌空心阴极灯发射的谱线有特异吸收。在一定浓度范围内，其吸收值与它们的含量成正比，与标准系列比较后能求出食品中被测元素的含量。 二、食品中铁、镁、锰、铜、锌的测定
2、仪器：①原子吸收分光光度计；②分析天平。 3、试剂： ①盐酸；②硝酸；③高氯酸； ④混合酸消化液：硝酸与高氯酸之比为4:1（体积比） ⑤0.5mol/L硝酸溶液：量取45mL硝酸，用去离子水稀释至1000mL ⑥铁、镁、锰、铜、锌的标准溶液：直接购买储备液，然后用0.5mol/L硝酸溶液稀释成所需要的浓度，储存在聚乙烯瓶中，4 ℃ 保存。
4、测定： • ① 样品消化：精确称取均匀样品干样0.5~1.5g、湿样 2.0~4.0g、饮料等液体样品5.0～10.0mL于250mL高型烧杯中，加混合酸消化液20～30mL，盖上表面皿。置于电炉加热消化，至无色透明为止。加入3mL去离子水，加热以挥去多余的硝酸。待烧杯中的液体接近2～3mL时，取下冷却。用去离子水洗并转移至10mL的刻度试管中，用去离子水定容至刻度。 • 取与消化样品相同量的混合酸消化液，按上述操作做空白试验。
② 测定： • 将各标准使用液按下表配制成不同浓度系列的各相应元素的标准稀释液 • 按仪器说明书调节狭缝、空气及乙炔的流量、灯头高度、元素空心阴极灯电流等参数至最佳状态，下表为测定时的参数，供参考。
③绘制标准曲线：以标准系列的浓度值为横坐标，各元素对应的吸光度为纵坐标绘制标准曲线。③绘制标准曲线：以标准系列的浓度值为横坐标，各元素对应的吸光度为纵坐标绘制标准曲线。 • ④计算：
5、说明及注意事项： • ① 所用玻璃仪器均以硫酸-重铬酸钾洗液浸泡数小时，再用洗衣粉充分洗刷，后用水反复冲洗，最后用去离子水冲洗烘干，方可使用。 • ② 微量元素分析的样品制备过程中应特别注意防止各种污染。所用设备如电磨、绞肉机、匀浆器、打碎机等必须不锈钢制品。所用容器必须使用玻璃或聚乙烯制品。 • ③ 蔬菜、水果、鲜鱼、鲜肉等含水量高的样品用水冲洗干净后，再用去离子水充分洗净。含水量小的样品（如米、面、豆类、奶粉等）取样后立即装容器密封保存，防止空气中的灰尘和水分污染。 • ④ 由于火焰原子法的原子化程度较低，且待测元素的蒸汽被火焰气体大量稀释，对于要求灵敏度较高的一些重金属含量测定，石墨炉原子法是理想的选择。（如铅、镉、铬等元素的测定国标中都选用石墨炉原子法作为第一法）。
原理：样品经消解（可选用干法灰化、湿法消化、微波消解法中的任何一种），制成试样液，按照仪器说明书调节有关参数至最佳状态，以标准曲线法进行定量计算。原理：样品经消解（可选用干法灰化、湿法消化、微波消解法中的任何一种），制成试样液，按照仪器说明书调节有关参数至最佳状态，以标准曲线法进行定量计算。 • 测定参数： 三、食品中铅、镉、铬的测定——石墨炉原子化法
四、双硫腙比色法测 Pb、Zn、Cd、Hg的含量 （一）二硫腙的性质 • 1、溶解特性：二硫腙，紫黑色结晶粉末，可溶于CHCl3及CCl4中；不溶于水，又不溶于酸，微溶于乙醇，可溶于氨碱性水溶液。 • 2、易氧化：在有氧化剂（例如Fe3+、Cu2+等）存在，日光照射下易氧化为二苯硫卡巴二腙，此氧化物不溶于酸性或碱性水溶液，但溶于CHCl3或CCl4中，呈黄色至棕色，不与金属起鳌合反应。另外, 为了防止样品中的Fe3+或Cu2+氧化二硫腙，应在水溶液中加入还原剂盐酸羟胺。
3、双硫腙与金属离子的反应 • 在酸性溶液中并有过量双硫腙存在时生成单取代双硫腙盐，即1个双硫腙分子中有1个H原子被金属离子所取代，二价金属离子则同时与2个双硫腙分子反应。 • 在碱性溶液中或双硫腙量不足时、生成二代（双取代）双硫腙盐，即1个双硫腙分子中有个H原子同时被金属离子所取代。
4、 二硫腙盐的萃取性能 • 主要决定于水相中的pH值和二硫腙试剂的浓度。稳定性较高的二硫腙盐，如Pt，Pd，Au，Ag，Hg，Cu等的二硫腙盐，可从强酸性溶液中萃取；Bi、Zn、In、Sn等的二硫腙盐则可以从微酸性溶液中萃取；而Co、Ni、Pb和Cd等的二硫腙盐只能从中性或碱性溶液中萃取。 • 某些金属离子有氧化双硫腙的性质，在水溶液中加入盐酸羟胺，可阻止氧化作用。
5、选择性：二硫腙可与许多金属离子起反应，故其选择性不高，但可以通过控制pH值和应用掩蔽剂来提高它的选择性。常用的掩蔽剂有：EDTA，硫氰化物，氰化物，柠檬酸盐和酒石酸盐等。5、选择性：二硫腙可与许多金属离子起反应，故其选择性不高，但可以通过控制pH值和应用掩蔽剂来提高它的选择性。常用的掩蔽剂有：EDTA，硫氰化物，氰化物，柠檬酸盐和酒石酸盐等。 • 6、比色特性：二硫腙与不同的金属离子所生成的金属鳌合物颜色从紫红色到橙黄色不等，当有机相(如氯仿, 四氯化碳)中过量的二硫腙很少时进行比色测定，近似于单色法；一般的情况下有机相中都有过量的二硫腙，此时的比色测定称为混色法，故要求二硫腙使用液的浓度都很低，一般在0.001％～0.0005％（W/V）。
（二）铅的测定（Pb）——双硫腙法 • 1、原理： • 在碱性（pH值在9左右）溶剂中，Pb2+双硫腙形成红色络合物，溶于氯仿或CCl4中，红色深浅与铅离子浓度成正比，比色测定。 • 2、条件： • 测定前要加盐酸羟胺、氰化钾、柠檬酸铵来掩蔽铁、铜、锡、镉等离子。
3、测定步骤： • （1）用铅标准溶液（1ug/ml）标定双硫腙溶液，①铅标准溶液：用HNO3来溶解Pb(NO3)； ②双硫腙溶液：0.001%（溶于CCl4）。 • （2）测定样品：粉碎、消化、定容（用蒸馏水）、测定，再根据所用双硫腙量计算样品中铅含量。
4、注意： • ① 双硫腙法用氰化钾作掩蔽剂，不要任意增加浓度和用量以免干扰铅的测定。 • ②氰化钾，剧毒，不能用手接触，必须在溶液调至碱性再加入。废的氰化钾溶液应加NaOH和FeSO4(亚铁)，使其变成亚铁氰化钾再倒掉。 • ③如果样品中含Ca、Mg的磷酸盐时，不要加柠檬酸铵，避免生成沉淀带走使铅损失。 • ④样品中含锡量＞150mg时，要设法让其变成溴化锡，而蒸发除去，以免产生偏锡酸而使铅丢失。 • ⑤测铅要用硬质玻璃皿，提前用1-10% HNO3浸泡，再用水冲洗干净。
（三）锌的测定（Zn）GB 5009.14 • 1、原理： • 在pH 4.5-5.0，锌离子与双硫腙生成红色络合物，此络合物溶于CCl4，其它金属离子靠加入硫代硫酸钠、盐酸羟胺溶液和pH值的控制。
2、要领： • （1）锌标准曲线重现性差，平行作1-2份标准锌，以进行校正。 • （2）硫代硫酸钠不能任意增加，因为它也是络合物。 • （3）本法灵敏度较高，必须严格控制pH值，同时所用水应为无锌水，经阴、阳离子交换树脂纯化。器皿也先用硝酸溶液洗涤，然后再用无离子水冲洗干净。
（四）双硫腙分光光度法测定汞含量 • 1、原理： • 样品经消化后，汞离子在酸性溶液中可与双硫腙生成橙色络合物， 溶于三氯甲烷，络合物的颜色深浅与汞的浓度成正比，在波长490nm处测定吸光度，与标准系列比较而进行定量。
2、试剂 • （1）盐酸羟胺溶液(200g／L) • （2）双硫腙三氯甲烷溶液(0.5g／L)： • （3）双硫腙使用液：吸取1.0mL双硫腙溶液，加三氯甲烷至10mL混匀。用1cm比色杯，以三氯甲烷调节零点，于波长510nm处测吸光度(A)，用下式算出配制l00mL双硫腙使用液(70％透光率)所需双硫腙溶液的毫升数(V)。要求双硫腙使用液的浓度控制在5-10mg/L，而透光率为70％（即吸光度为0.155）时，双硫腙使用液的浓度大约是5mg/L
