固体进样检测食品痕量重金属的多孔碳材料近炬蒸发-ICP技术与机理研究

The heavy metal pollution has become a serious problem of environment and food safety in China, hence the rapid analysis method was research focus for monitoring heavy metals. Among these technologies, the near-torch vaporization inductively coupled plasma (NTV-ICP) has a good future because of the high transfer efficiency, small matrix interference and multi-elements in-field analysis capability, moreover other advantages such as no digestion treatment, promoting the limit of detection, saving time and being environmentally friendly. In this work, the vaporization performances of foamy carbon, carbon fibre, porous graphite and vitreous carbon materials will be tested, and the best one with small power consumption, fast heat dissipation and good corrosion resistance will be choosed as vaporizer and sampler materials for the next assembly of the NTV and ICP units. By the new instrument of NTV-ICP-AES/MS, the vaporization action,transfer mechanisms and matrix interference of Cd, As, Hg, Pb and Cr elements will be studied; and the effects of the matrix modifiers, gradient heating program of the NTV, separation of ashing from vaporization process, and the atom trapping technique on the vaporization and ionization of matrix and multi-elements will be evaluated,then the optimal method for eliminating matrix interference will be choosed. Further, the homogeneity and minimum sample mass of multi-elements in rice, spinach, apple and milk powder samples will be assessed, and the supporting pretreatments will be also developed. On the basis of results above, the method of solid sampling NTV-ICP-AES/MS for detecting trace Cd, As, Hg, Pb, Cr elements in food will be established. This work will provide scientific supports for in-field and rapid detection of multi heavy metals in food, and play active roles on improving our independent capability of designing and developing advanced instruments and protecting food safety in China.

重金属是我国食品和环境安全重要的危害因子，其快速检测技术是当前研究热点。近炬蒸发-电感耦合等离子体（NTV-ICP）技术以其传输效率高、基体干扰小和多元素现场分析能力，以及无需消解、灵敏度高、省时环保等特点，具有广阔发展前景。本项目拟研究多种多孔碳材料蒸发性能，优选功耗小、散热快、耐灼蚀材料作为电热蒸发和进样部件，设计、组装NTV装置与ICP-发射光谱/质谱仪串联；在此基础上研究Cd、As、Hg、Pb、Cr等元素的蒸发和激发行为、传输机制、干扰机理，研究基体改进剂、NTV梯度蒸发、灰化与蒸发程序分离、原子阱捕获等对基体、元素蒸发和激发行为的影响，优选干扰消除方法；进一步研究大米、菠菜、苹果、奶粉等样品中待测元素均匀性和最小取样量，建立食品中痕量重金属的直接固体进样多元素分析方法。本项目将为实现食品痕量重金属现场快速检测提供科学依据，为推动我国仪器自主研发、保障食品安全起到积极作用。

本项目筛选了多孔碳材料的电热蒸发器和样品舟，利用钨丝原子阱消除食品固体的基体干扰，通过优化串联接口以及气路系统，集成了电热蒸发原子阱ICP-MS串联仪器系统，初步揭示了Cd和Zn在仪器系统中的蒸发、捕获、释放行为的机理，建立了食品中Zn和Cd的同测方法。具体如下：（1）研制了多孔碳材料电热蒸发器和样品舟，钨丝原子阱捕获装置，构建了电热蒸发原子阱系统；（2）通过优化设计串联接口及气路系统，采用双气路模式，选择氩（Ar）氢（H2）混合气（v:v=96:4）作为辅助气和载气的气源，实现了电热蒸发原子阱装置与ICP-MS的串联。（3）首次发现了钨丝在常温下可以有效捕获和释放Zn元素的现象。利用ICP-MS的多元素筛查能力，研究了钨阱对多种目标元素的捕获能力。结果表明，钨丝对Zn和Cd具有良好的捕获和释放能力，回归系数R2＞0.995；并具有较高的准确度，RSD（n=11）<10%。此外，通过AFS和XPS分析，证实了Cd和Zn在电热蒸发、捕获和释放过程均呈现原子态。（4）优化了仪器系统的工作条件。对辅助流速、载气流速、电热蒸发功率以及释放条件等仪器工作条件进行了优化，确定了辅助气流速0.3L/min、载气流速0.7L/min、蒸发功率80W（20s）、释放条件30W（0.6s）等最适仪器工作条件。检出限分别为1pg（Zn）和0.1pg（Cd）；混标测试时（Zn:Cd=50:1），线性范围1pg～2.5μg（Zn）和0.1pg～50ng（Cd），R2>0.99；11次测定的RSD分别为3.1%（Zn）和1.4%（Cd）。（5）建立了食品中Zn和Cd同步检测的固体进样ICP-MS方法。采用基体匹配标准曲线，建立了谷物、菠菜、茶叶、猪肝等典型食品中Zn和 Cd同测方法，方法定量限分别为0.3μg/kg（Zn）和0.03μg/kg（Cd）（进样量为10mg），加标回收率为88%～116%，本方法与微波消解ICP-MS确证方法的检测结果无显著差异（p＞0.05），且RSD＜10%（n=3），能够满足食品中重金属Zn和Cd快速检测的需求。本项目共发表SCI论文3篇，中文核心期刊1篇；授权实用新型专利2项；培养硕士研究生1名；相关成果获得2016年中国分析测试协会科学技术奖青年奖。