一种快速检测大米中无机砷的方法与流程

1.本发明属于无机砷分析检测技术领域，具体涉及一种快速检测大米中无机砷的方法。


背景技术：

2.砷作为一种非金属广泛存在于自然界中，其具有多种形态，包括无机砷(三价砷和五价砷)和有机砷，其中无机砷的毒性远大于有机砷，已被世界卫生组织国际癌症研究机构确认为i级人类致癌物，并在食品卫生监督检验中被列为重点监督检验的有害元素。大米及其制品是全世界人们的主要粮食作物之一，相对于小麦、玉米等粮食作物，因其特殊的生长环境具有对砷更强的吸附能力，且主要以无机砷和二甲基砷的形态存在，在gb 2762-2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中明确规定了大米中无机砷的限量标准：0.2mg/kg。
3.目前，大米中无机砷的测定方法主要是以大型设备为主，例如：液相色谱
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原子荧光光谱法(lc-afs)、液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(lc-icp/ms) 等，上述方法的检测结果准确、稳定性高、可靠性强，但存在整体流程繁琐复杂、需经验丰富的专业人员操作、需借助昂贵的大型设备、检测费用高、难以在基层大面积推广等问题。并且，当前市场上暂无成熟的大米中无机砷的现场快速定量检测技术和产品。
4.有鉴于此，有必要提供一种快速检测大米中无机砷的方法来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速检测大米中无机砷的方法。解决现有的检测方法存在整体流程繁琐复杂、需经验丰富的专业人员操作、需借助昂贵的大型设备、检测费用高、难以在基层大面积推广等问题。
6.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明是通过如下的技术方案来实现的：
7.一种快速检测大米中无机砷的方法，包括如下步骤：
8.s1、无机砷的提取：将大米样品粉碎过筛、加入无机砷提取液，然后进行超声提取，提取完成后，冷却并离心，得到上清液；
9.s2、无机砷的还原：向步骤s1中得到的上清液中加入铜离子掩蔽剂和还原剂，混合均匀后，即为待测样品液；
10.s3、无机砷的检测：使用便携式电化学重金属检测仪，采用方波伏安法进行检测，首先将检测仪上的一次性丝网印刷电极浸没于砷工作缓冲液中，进行电极的活化，然后加入步骤s2中制得的待测样品液，进行检测，即可快速对大米中无机砷进行定量。
11.进一步地，步骤s3中，所述一次性丝网印刷电极包括pet底板，所述pet 底板上依次设置有辅助电极、工作电极和参比电极，所述工作电极为正方形。
12.本发明中，对工作电极的形状进行了优化，经测试，在相同面积条件下，正方形工作电极有最高的电流信号，圆形、长方形工作电极次之，椭圆形工作电极电流信号最低；并
且正方形工作电极稳定性最高，因此，选择正方形工作电极。
13.进一步地，所述工作电极中的油墨碳基材料为acheson碳浆pr406。
14.本发明中，对工作电极中的油墨碳基材料进行了优化，经测试，acheson 碳浆pr406具备最好的效果，可明显提高检测灵敏度及稳定性。
15.进一步地，步骤s3中，所述砷工作缓冲液为含有0.5％四氯金酸钠的 0.05mol/l硫酸溶液。
16.本发明中，对砷工作缓冲液进行了优化，经测试，当砷工作缓冲液为含有 0.5％四氯金酸钠的0.05mol/l硫酸溶液时，电流信号响应值最大。
17.进一步地，步骤s1中，所述过筛筛网的孔径规格为40目。
18.本发明中，将大米样品粉碎过筛，增大了大米颗粒的比表面积，使其充分的和无机砷提取液接触，便于大米中无机砷快速、高效的溶出。
19.进一步地，步骤s1中，所述无机砷提取液为1mol/l硝酸溶液或/和1mol/l 硫酸溶液，所述大米样品的质量与所述无机砷提取液的体积比为1：10。
20.本发明中，选用具有强氧化性的硝酸溶液或硫酸溶液进行提取，无机砷的溶出率更高。
21.进一步地，步骤s1中，所述超声提取的参数如下：超声频率为40khz，温度为80℃，提取时间1.0h。
22.本发明中，利用超声波的次级效应，如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应等也能加速欲提取成分的扩散释放，并充分与溶剂混合，利于无机砷的快速提取。
23.进一步地，步骤s1中，所述离心的参数如下：8000r/min，离心10min。
24.进一步地，步骤s2中，所述铜离子掩蔽剂选自0.2～10％乙二胺四乙酸、0.2～10％氨基三乙酸、0.2～10％二亚乙基三胺五乙酸和0.2～10％l-半胱氨酸中的一种或多种混合；所述铜离子掩蔽剂的加入体积与所述上清液的体积比为1： 8。
25.本发明中，使用铜离子掩蔽剂可以防止大米样品中铜离子干扰，提高了测试结果的准确性。
26.进一步地，步骤s2中，所述还原剂选自2～15％抗坏血酸、2～15％硫脲、 2～15％亚硫酸钠和2～15％碘化钾中的一种或多种混合；所述还原剂的加入体积与所述上清液的体积比为1：8。
27.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
28.本发明采用的一次性丝网印刷电极，取代了传统的玻碳电极或金电极，无需打磨、操作简单、即用即抛、价格低廉、易批量化生产、且性能稳定，再结合便携式电化学重金属检测仪首次应用于大米中无机砷的现场快速定量检测，同时，对工作电极的形状、工作电极中的油墨碳基材料、砷工作缓冲液的浓度进行了优化，最后测得样本定量限低至0.1mg/kg；本发明的方法简单、快速和高效，适合于在基层进行大规模的生产和应用。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图。
30.图1为本发明一次性丝网印刷电极结构示意图；
31.图2为本发明无机砷标准工作曲线图；
32.图3为本发明砷工作缓冲液中四氯金酸钠浓度的优化结果图；
33.图中附图标记含义：1：pet底板；2：辅助电极；3：工作电极；4：参比电极。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明中，便携式电化学重金属检测仪(携带pei 201系列工作站)、一次性丝网印刷电极、大米无机砷阴性空白样由武汉千星铄金科技有限公司提供；
36.大米粉无机砷质控样由国家粮食和物资储备局科学研究院提供，其中，大米中无机砷浓度依次为：0.046mg/kg、0.081mg/kg、0.12mg/kg、0.19mg/kg、 0.44mg/kg。
37.本发明所使用的其他常规试剂和设备，如无特殊说明，均可市售获得。
38.实施例1大米中无机砷的提取与还原
39.提取：称取大米样品1.0
±
0.01g，经粉碎过40目筛网，然后放置于15ml 塑料离心管中，并加入10ml 1.0mol/l硝酸溶液；上述溶液旋涡震荡3～5min，并置于超声波清洗仪中超声恒温提取，超声频率为40khz，温度为80℃，提取时间1.0h；待提取完毕后，取出冷却至室温，8000r/min离心10min，上清液备用。
40.还原：准确移取800μl上述过滤清液置于2ml离心管中；然后分别加入 100μl 0.2～10％二亚乙基三胺五乙酸和100μl 2～15％亚硫酸钠，旋涡充分震荡 3min，即为待测样品液。
41.实施例2砷工作缓冲液中四氯金酸钠浓度的优化
42.采用如下的方法进行优化：
43.1)便携式电化学工作站采用方波伏安法，设置各参数为：沉积电位-0.8v、沉积时间300s、扫描起始电位-0.15v、终止电位0.35v、电位增量0.004v、振幅0.025v、频率12.5hz；
44.2)用微量移液器分别移取800μl含0、0.1、0.2、0.35、0.5、0.75、1.0％四氯金酸钠的0.05m的硫酸溶液置于700样品杯中，将一次性丝网印刷电极(砷)，插入电极插头中，压下电极插头使电极工作区域完全浸没于溶液中，点击便携式电化学工作站界面的工作按钮，进行电极的活化；
45.3)活化结束后，再分别准确加入20μl 0.5mg/l的无机砷标准溶液，点击便携式电化学工作站界面的工作按钮，进行检测，读取并记录氧化还原电流信号。
46.结果如图3所示，从图中可以看出，当四氯金酸钠的浓度为0.5％时，目标物电流信号响应值最大。因此，本发明选择含有0.5％四氯金酸钠的0.05mol/l 硫酸溶液作为砷工作缓冲液。
47.实施例3大米中无机砷标准工作曲线的建立
48.1)便携式电化学工作站采用方波伏安法，设置各参数为：沉积电位-0.8v、沉积时
间300s、扫描起始电位-0.15v、终止电位0.35v、电位增量0.004v、振幅0.025v、频率12.5hz；
49.2)用微量移液器准确移取800μl 0.5％四氯金酸钠的0.05mol/l硫酸溶液于 700样品杯中，将一次性丝网印刷电极(砷)，其结构如图1所示，插入电极插头中，压下电极插头使电极工作区域完全浸没于溶液中，点击便携式电化学工作站界面的工作按钮，进行电极的活化；
50.3)将大米粉无机砷质控样(无机砷浓度依次为：0.046mg/kg、0.081mg/kg、 0.12mg/kg、0.19mg/kg、0.44mg/kg)按照实施例1中的方法进行处理，活化结束后，加入200μl上述大米样品处理液，点击便携式电化学工作站界面的工作按钮，进行检测，记录对应的氧化还原电流，以对应的氧化还原电流为横坐标，质控样大米中无机砷浓度值为纵坐标，利用excel绘制大米中无机砷的标准工作曲线，具体见图2。
51.实施例4大米中无机砷样品的测试
52.样品的处理和测试同实施例3一致，测试完成后，根据记录的氧化还原电流，以及无机砷的标准工作曲线，计算出大米样品中无机砷的含量。
53.实施例5本发明所述的电化学快速定量方法与液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(lc-icp/ms)结果的对比
54.1)分别称取无机砷浓度为0.081mg/kg、0.19mg/kg、0.44mg/kg的大米(每个浓度6份)，分别按实施例1和3进行操作，读取并记录仪器检测的结果；
55.2)将无机砷浓度为0.081mg/kg、0.19mg/kg、0.44mg/kg的大米(每个浓度6份)用液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(lc-icp/ms)进行检测， lc-icp/ms检测的方法参照gb 5009.1-2014《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》，记录相应的检测结果；
56.具体检测结果如表1所示：
57.表1电化学快速定量方法与液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(lc-icp/ms) 结果的对比
58.[0059][0060]
从表中的结果可以看出，本发明所述的电化学快速定量检测结果与 lc-icp/ms检测结果无差异，且回收率在90-120％以内，稳定性即相对标准偏差在《10％，满足现场快速检测得需求。
[0061]
实施例6大米中无机砷的定量限测试
[0062]
采用实施例1和3中的方法重复测试10次空白大米样品，取其平均值的标准偏差乘以大米无机砷标准物质标准曲线斜率结果的3倍作为检出限(lod)， 10倍作为定量限(loq)，具体结果见表2：
[0063]
表2大米中无机砷的定量限
[0064]
测定次数空白大米粉电流信号/μa10.01520.01230.01640.01850.02860.01370.02580.01490.022100.029lod(mg/kg)0.018loq(mg/kg)0.062
[0065]
从表中的结果可以看出，大米中无机砷的定量限为0.062mg/kg。
[0066]
实施例7一次性丝网印刷电极(砷)的工作电极形状优化
[0067]
采用如下的方法进行优化：
[0068]
1)便携式电化学工作站采用方波伏安法，设置各参数为：沉积电位-0.8v、沉积时间300s、扫描起始电位-0.15v、终止电位0.35v、电位增量0.004v、振幅0.025v、频率12.5hz；
[0069]
2)用微量移液器准确移取800μl 0.5％四氯金酸钠的0.05mol/l硫酸溶液于 700样品杯中，将一次性丝网印刷电极(正方形、圆形、长方形、椭圆形)，插入电极插头中，压下电极插头使电极工作区域完全浸没于溶液中，点击便携式电化学工作站界面的工作按钮，进行电极的活化；
[0070]
3)活化结束后，再分别准确加入20μl 5μg/l的无机砷标准溶液，点击便携式电化学工作站界面的工作按钮，进行检测，读取并记录氧化还原电流信号。
[0071]
结果如下表3所示：
[0072]
表3不同工作电极形状对电流信号的影响
[0073][0074]
从表中的结果可以看出，在相同面积条件下，正方形工作电极有最高的电流信号，圆形、长方形工作电极次之，椭圆形工作电极电流信号最低；并且正方形工作电极稳定性最高，因此，选择正方形工作电极。
[0075]
实施例8一次性丝网印刷电极(砷)不同油墨碳基材料优化
[0076]
采用如下的方法进行优化：
[0077]
1)便携式电化学工作站采用方波伏安法，设置各参数为：沉积电位-0.8v、沉积时间300s、扫描起始电位-0.15v、终止电位0.35v、电位增量0.004v、振幅0.025v、频率12.5hz；
[0078]
2)用微量移液器准确移取800μl 0.5％四氯金酸钠的0.05mol/l硫酸溶液于 700样品杯中，将一次性丝网印刷电极(不同油墨碳基材料：acheson碳浆pr406、广莱集gc-810-1、爱迪克c-1011-6、依美ci-2018、盛田capiton-ci、日本十条ch-8mod2)，插入电极插头中，压下电极插头使电极工作区域完全浸没于溶液中，点击便携式电化学工作站界面的工作按钮，进行电极的活化；
[0079]
3)活化结束后，再分别准确加入20μl 5μg/l的无机砷标准溶液，点击便携式电化学工作站界面的工作按钮，进行检测，读取并记录氧化还原电流信号。
[0080]
结果如下表4所示：
[0081]
表4不同碳基材料对电流信号影响
[0082][0083]
从表中的结果可以看出，acheson碳浆pr406具备最好的效果，可明显提高检测灵敏度及稳定性。
[0084]
以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，
本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。