Методы определения тяжелых металлов в сырье и готовой пищевой продукции.

• Методы определения ртути в пищевых продуктах

Пищевые продукты и напитки имеют сложный химический состав, при этом тяжелые металлы могут присутствовать в очень малых количествах, поэтому необходимо выбирать методы анализа с низким пределом обнаружения и высокой селективностью. Для определения тяжелых металлов в растительном сырье и готовых пищевых продуктах используют различные методы анализа, среди них спектральные методы анализа (атомно-абсорбционный, атомно-эмиссионный, спектрофотометрический и фотометрический анализ), электрохимические (инверсионная вольтамперометрия, полярография), рентгенофлуоресцентный анализ и т.д.

Для определения содержаний элементов Ca, Fe, Ti, Mn, Cr, Cu, Ni, Zn, Br, Sr, Ba и Pb в лекарственном растении красноднев малый применили метод рентгенофлуоресцентного анализа (РФА), который позволяет анализировать образцы без разрушения их основы химическим и термическим воздействием. Авторами работы [20] приведены пределы обнаружения методики ренгенофлуоресцентного определения элементов в растениях.

Для определения свинца в томатном, апельсиновом, ананасовом соках методом переменно-токовой полярографии используют кислотное озоление пробы с последующей обработкой пероксидом водорода. Определению мешает Sn (IV) и значительный избыток меди. Методика определения свинца в виноградном соке основана на экстракционном концентрировании 8-оксихинолината свинца бутанолом-1 при pH 10-12 и последующем полярографировании экстракта на фоне 0,75 М раствора LiCl+1M HCl в смеси (1:4) этанола и воды. Разработанная методика полярографического определения свинца без минерализации пробы пригодна для определения до 0,01 м к г/мл свинца. Определение свинца в апельсиновом соке методом дифференциальной импульсной полярографии проводится на фоне 0,1М СН₃СООН + 0,5М СН₃СООNa (pH 4,5) в присутствии тритона Х-100. Предел обнаружения 0,01 мкг/л [21].

Изучена возможность определения Pb, Cd и Cu в образцах меда без предварительного разложения пробы с использованием анодной дифференциальной импульсной инверсионной вольтамперометрии в проточной ячейке. Показано, что вольтамперометрическое определение Cd²⁺ и Pb²⁺ в водном растворе меда возможно при использовании индикаторного ртутного электрода типа "висячая капля" после модифицирования его Тритоном Х-100. Предел обнаружения по Pb²⁺, Cd²⁺ 20 мкг/л. Определение Cd²⁺, Cu²⁺ и Pb²⁺ возможно при использовании пленочного ртутного электрода на стеклоуглеродной подложке [22].

Наиболее часто для определения тяжелых металлов в пищевых продуктах применяют спектральные методы анализа. Метод твердофазной спектрофотометрии (ТФС) эффективен для определения Cu, Pb, Zn, Fe (III), Cd, Hg, Sn(IV) в пищевых продуктах. Твердофазная спектрофотометрия позволяет проводить фотометрическое определение в фазе сорбента. Изучено комплексообразование ряда токсичных элементов с красителями кислотного и основного типа в твердой фазе [23].

Атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) характеризуется низкими значениями нижних границ интервалов определяемых содержаний элементов в растворах, широким диапазоном интервала определяемых содержаний элементов в растворах, широким диапазоном интервала линейности градуировочных характеристик, высокой сходимостью результатов единичных определений, низким уровнем влияний сопутствующих компонентов на результаты анализа, информативностью, простым решением проблемы приготовления адекватных составу анализируемого раствора образцов сравнения [24].

Методика анализа, включающая автоклавную пробоподготовку в сочетании с АЭС-ИСП, применена для определения Cu, Zn, Mn, и Cr в плодах и цветках разных видов боярышника. Уровни содержаний сопутствующих элементов не мешают определению Cu, Zn, Mn, и Cr в интервале содержаний 10^-3 – 10 ^-6 масс.% [24].

Метод атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) обладает высокой экспрессностью и точностью, низким пределом обнаружения . Его основное преимущество перед другими методами в высокой селективности, простоте подготовки проб к анализу и возможности определения нескольких элементов из одного раствора по единой методике [6].

Был предложен простой метод для прямого определения меди в различных образцах чая пламенной атомно-абсорбционной спектрометрией (ПААС). Метод ПААС был применен для определения меди в пяти различных образцах чая. Предел обнаружения 0,05 мг/мл. Исследования показали, что определению меди методом ПААС не мешают высокие концентрации других элементов [25].

Электротермическая атомно-абсорбционная спектрометрия (ЭТААС) используется для массового определения низких уровней концентрации металлов в различных типах образцов, позволяет напрямую анализировать твердые образцы. Высокая чувствительность метода позволяет исключить стадии экстракции и предварительного концентрирования. Однако по сравнению с ПААС он менее экспрессен и при анализе в графитовой печи в отличие от пламенных атомизаторов обязательно требуется коррекция фона. Недостатком можно считать и то, что ЭТААС не используется для анализа тугоплавких элементов [26].

Был предложен прямой атомно-абсорбционный анализ твердых пищевых продуктов, основанный на использовании электротермического атомизатора, в котором зоны испарения и атомизации разделены графитовыми фильтрами. В таком атомизаторе твердую пробу дозируют в испаритель, отделенный от аналитической зоны перегородкой - фильтром из пористого графита. При нагреве испарителя пары пробы поступают в аналитическую зону после фильтрации через графитовый фильтр, что исключает выброс неатомизированных частичек. Способ прямого экспрессного атомно-абсорбционного определения кадмия в твердых пробах с помощью модифицированной кюветы Львова с графитовым фильтром-перегородкой позволяет устранить стадию перевода твердой пробы в раствор, подавить неселективное поглощение, существенно сократить время, необходимое для проведения анализа. Предел определения кадмия при массе порошковой пробы 10 мг составляет 4,6*10^-3% [27].

Существует ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов», который устанавливает метод определения свинца, кадмия, меди, цинка и железа в пищевом сырье и продуктах. Метод основан на минерализации продукта способом сухого или мокрого озоления и определении концентрации элемента в растворе минерализата методом пламенной атомной абсорбции [28].

ГОСТ 26932-86 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения свинца» и ГОСТ 26933-89 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения кадмия» для определения свинца и кадмия в поваренной соли предлагают атомно-абсорбционный и полярографический методы [29, 30]. Атомно-абсорбционный метод основан на предварительном концентрировании свинца и кадмия с последующим их определением на атомно-абсорбционном спектрофотометре в пламени ацетилен-воздух. Полярографический метод основан на сухой минерализации (озолении) пробы с использованием в качестве вспомогательного средства азотной кислоты и количественном определении свинца и кадмия полярографированием в режиме переменного тока [29,30].

Таким образом, для определения тяжелых металлов в пищевых продуктах наиболее широко используются спектральные методы анализа, в частности атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный, так как они достаточно селективны, экспрессны, имеют низкие пределы обнаружения и высокую чувствительность.

Методы определения ртути в пищевых продуктах

Содержание ртути в пищевых и других биологических объектах очень мало. Для определения ртути используют разные методы, среди них: колориметрический, атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС), метод нейтронно-активационного анализа (НАА), электрохимические методы и т.д.

Колориметрический метод основан на переводе металла, содержащегося в навеске, в комплекс с дитизоном, который экстрагируют органическим растворителем и затем колориметрируют. Эти операции длительны; предел обнаружения составляет около 0,05 мг/кг. Для определения требуется большая навеска (5 г) образца. Вследствие маленького предела обнаружения этот метод нельзя использовать для анализа биологических объектов [19].

При нейтронно-активационном анализе содержание ртути определяют измерением излучения изотопов ²⁰³Hg и ^197mHg. Гамма спектр изотопа ²⁰³Hg показан на рис.5. При химическом выделении изотопов ртути из облученного материала радиоактивность препаратов измеряют на простых пересчетных установках. Содержание ртути определяют относительным методом, т.е. путем сравнения активности пробы и эталона. Чувствительность определения ртути при облучении потоком 1010 нейтрон/см²•сек при весе пробы 1 г составляет 10^-5-10^-6 %, при потоках 1013-1014 нейтрон/см•сек можно определять содержание ртути 10^-7-10^-8%[23].

К недостаткам метода можно отнести: малую доступность источников активирующих частиц, необходимость защиты от радиоизлучений и высокую стоимость оборудования.

При анализе различных объектов на валовое содержание ртути возникает ряд проблем как общих для всех методов анализа, так и специфических для инверсионной вольтамперометрии (ИВА) [24]. Как правило, не все соединения ртути могут давать аналитический сигнал, поэтому необходим перевод их в аналитическую форму. Для определения следов ртути в водах методом ИВА широко применяют золотой и золото-графитовый дисковые электроды. Величина тока пика ртути (II) зависит от количества золота на поверхности электрода. Оптимальной оказалась концентрация золота (III) 4•10^-6 М. При большей концентрации золота пик ртути выше, но требуется и большее время для электрохимической очистки электрода, иначе пики растут от опыта к опыту. На аналитический сигнал ртути заметно влияют хлорид-ионы. С увеличением их концентрации пик увеличивается и смещается к более отрицательным значениям потенциалов, что указывает на образование устойчивых комплексов ртути с хлорид-ионами вероятностного состава HgCl⁺.

Инверсионная дифференциальная импульсная вольтамперометрия позволяет определять ртуть (II) при концентрациях ниже 10-9 М в оптимальных условиях протекания электродного процесса, например на золотом индикаторном электроде [25]. Методика находит ограниченное применение, так как требуется сложное оборудование и специальная предварительная подготовка электрода. На углеродном электроде, без использования вспомогательных элементов, нижняя определяемая концентрация ионов ртути (II) равна 4•10^-6-4•10^-9 М. Если поверхность углерода предварительно покрывают тонкой золотой пленкой, она снижается до 5•10^-10 при с_min, равной 5•10^-11 М, на дисковом вращающемся электроде, в условиях повышенного массопереноса на стадии электронакопления. Снижение сmin при нанесении пленки золота объясняется как облегчением осаждения ртути за счет улучшения смачиваемости электрода ртутью путем амальгамирования, так и образованием интерметаллического соединения ртути и золота.

Более перспективна из практических соображений методика инверсионного определения ионов ртути (II) на импрегнированном графитовом электроде в присутствии ионов золота (II), которые используются для консервации водных растворов при определении низких концентраций ионов ртути (II). Образовавшийся «in situ» золото-графитовый электрод пригоден для определения ионов ртути (II) в диапазоне концентраций 10^-9-2•10^-6 М без сложной предварительной подготовки. Хотя импрегнированный графитовый электрод обладает хорошими электроаналитическими свойствами, последние могут варьироваться в широком диапазоне в зависимости от способа его изготовления.

Эти недостатки можно устранить при использовании цилиндрического микроэлектрода из углеродного волокна, который характеризуется улучшенными аналитическими свойствами, из-за его микронных размеров и хорошей воспроизводимости. В инверсионной дифференциальной импульсной вольтамперометрии в качестве аналитического сигнала, функционально связанного с концентрацией ртути (II) в растворе, можно использовать как величину тока пика ионизации ртути In, так и площадь под пиком Qn [25]. Данным методом можно анализировать воды различного происхождения, так как достигнутая экспериментально минимальная определяемая концентрация ртути гораздо ниже 1•10^-8 М.

В статье «Высокочувствительные ионоселективные электроды на основе дитиакраун-эфиров для определения ртути в образцах рыб» исследованы электрохимические свойства мембран на основе макроциклических соединений, содержащих в полиэфирном кольце два атома серы [26].Электроды с высокой чувствительностью и селективностью к ртути (II) можно создать, вводя в мембраны тиакраун-эфиры с высокой липофильностью и макроциклической полостью, соответствующей ионному радиусу определяемого катиона, например на основе новых дитиакраун-эфиров (I) и (II):

При несоответствии ионного радиуса ртути (II) размерам полости дитиакраун-эфира электродные свойства Hg²⁺-селективного электрода ухудшаются. Так, ионселективный электрод, основанный на тиакраун-эфире (I), по чувствительности на 2 порядка уступает Hg²⁺-селективному электроду на основе тиакраун-эфира (II). Показано, что ионселективный электрод на основе вещества (II) обладает химической устойчивостью и воспроизводимостью характеристик этого сенсора в растворах сложного состава.

При организации автоматического аналитического контроля за содержанием в питьевых, поверхностных и сточных водах таких нормируемых компонентов, как ртуть, целесообразно использовать простые методы и методики с минимальным набором доступных реагентов, например, проточно-инжекционный анализ (ПИА) с ионометрическим окончанием [27]. Но так как катионы ртути существуют в растворах преимущественно в форме комплексных частиц, прямое потенциометрическое определение с использованием ионселективных электродов (ИСЭ) возможно лишь в редких случаях. Установка для ПИА представлена на рис.6.

Лучшими динамическими и аналитическими характеристиками обладает жидкостной электрод с мембраной на основе нитробензольного раствора ионного ассоциата кристаллического фиолетового и иодидного комплекса ртути. Большое значение для оптимальной работы проточно-инжекционной системы имеет выбор потока-носителя, так как он оказывает влияние на стабильность базовой линии, чувствительность и производительность анализа. Из нескольких исследованных вариантов лучшим оказался 0,1 М раствор KI. При непосредственном введении пробы в систему ПИА в оптимальных условиях предел обнаружения составляет 1•10^-6 моль/л. Этого недостаточно для определения ртути в большинстве объектов окружающей среды. С целью снижения предела обнаружения в схему анализа водных растворов включают этап концентрирования (сорбционное концентрирование ртути (II) проводят в ионообменной колонке с использованием ионообменника в калиевой форме с размерами частиц 0,25-0,5 мм). Минимально определяемая концентрация ртути данным методом является 1•10^-8 М [27].

Обращено-фазовая ВЭЖХ с доколоночным получением производных является перспективным методом разделения и одновременного определения следов ионов металлов [28]. В настоящее время разработана новая методика одновременного определения ионов свинца, кадмия и ртути в виде хелатов с тетра-(4-хлорфенил)-порфирином (Т4ХФП) с использованием в режиме реального времени концентрирования и обращено-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии. Хелаты Hg- Т4ХФП, Pb- Т4ХФП и Cd- Т4ХФП вводят в дозатор и с помощью подвижной фазы направляют в концентрирующую колонку. Хелаты адсорбируются в верхней части концентрирующей колонки. Путем переключения шестиходового крана подается обратный поток подвижной фазы, и удержанные хелаты вымываются в аналитическую колонку. Разделяют в градиентном режиме. Диапазон линейности градуировочного графика 0,01-120 мкг/л для всех хелатов. Пределы обнаружения для Pb, Cd и Hg равны соответственно 2.0, 1.5 и 2.0 нг/л.

Атомно-абсорбционный спектрометрия (ААС) еще в начале 70-х годов практически вытеснила колориметрические методы при определении ртути в воде (питьевой, природной, сточной) и пищевых продуктах [29]. В настоящее время для определения ртути в основном используют ААС и атомно-флуоресцентную спектрометрию (АФС), причем атомизацию проб проводят методом холодного пара (ХП). Метод ААС ХП включает в себя окислительное разрушение органических соединений в пробе (этап пробоподготовки) и последующее восстановление катионной формы ртути раствором дихлорида олова (SnCl₂) или натрия боргидрата (NaBH₄). Образовавшаяся атомарная ртуть выделяется из раствора и потоком газа переносится или прямо в аналитическую кювету (этап измерения), или предварительно в блок накопления (обычно содержащий золотой сорбент) [29].

Ранее в методе АФC для атомизации пробы использовали пламя [30]. Предел обнаружения ртути в водном растворе составлял 2 p.p.b. В последствие в данном методе использовали электротермическую атомизацию или ХП. Интенсивность флуоресценции в воздухе снижена из-за гашения кислорода и азота. Замена воздуха аргоном давала более высокую чувствительность (в 86 раз). Это достигалось использованием амальгам с золотом или фазовым разделением с пористой трубкой политетрафлуороэтиленом. Метод АФС позволяет определять ртуть в воздухе и водных растворах в количестве порядка пикограмма.

К недостаткам ААС ХП и АФС ХП следует отнести необходимость проведения многостадийной и, зачастую, трудоемкой процедуры пробоподготовки для обеспечения полноты выхода ртути. Недостатком также является необходимость борьбы с эффектом «памяти» в реакционном сосуде, коммуникациях и в аналитической кювете [29].

Также существует метод определения метилртути и контроля общей ртути в морепродуктах с использованием ВЭЖХ и масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой [31]. Вытяжки из морепродуктов разделяют с помощью обращено-фазовой ВЭЖХ, где подвижной фазой является L-цистеин (т.к. в рыбе метилртуть связана в комплекс с цистеином или соединением подобным цистеину по составу), используя колонку С-18 (при комнатной температуре) и детектируют с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Общую ртуть вычисляют суммированием метилртути и неорганической ртути, определенных в вытяжках. Для морепродуктов, содержащих 0,055-2,78 мг/кг метилртути и 0,014-0,137 мг/кг неорганической ртути, точность анализа - 0,5 % (относительное стандартное отклонение) для метилртути и для неорганической ртути - 9%. Извлечение суммарного аналита 94% для метилртути и 98% для неорганической ртути. Результаты по метилртути и неорганической ртути в эталоне согласованы с аттестованными значениями. Предел обнаружения 0,007 мг/кг метилртути и 0,005 мг/кг неорганической ртути в морепродуктах. Общие результаты по ртути, определенные этим методом, были эквивалентны результатам, определенным независимым методом (ААС методом холодного пара). Отношение метилртути к общей ртути, определенное этим методом, составляло 93-98% для рыбы и 38-48% для моллюсков.

В настоящее время для определения содержания общей ртути в пищевых продуктах действует ГОСТ 26927-86, основанный на колориметрическом определении ртути с дитизоном [32]. Этот метод характеризуется недостаточной воспроизводимостью, трудоемкостью и может рассматриваться как полуколичественный. Более точный атомно-абсорбцоинный метод определения ртути предусмотрен в указанном ГОСТе только для рыбных продуктов, кроме того, этот метод предусматривает использование зарубежного анализатора ртути типа «MAS-50». Методические указания (МУ) 5178 являются модификацией атомно-абсорбцоинного метода определения ртути для различных пищевых продуктов с использованием отечественного анализатора типа «Юлия-2». Предлагаемый метод основан на мокром кислотном озолении пробы с последующим восстановлением ртути до металлической формы и количественном определении методом беспламенной атомной абсорбции на отечественном анализаторе типа «Юлия-2» Отбор и подготовку проб к испытанию проводят в соответствии с нормативно-технической документацией на продукт или пищевое сырье [33].

• К предыдущему разделу
• К следующему разделу