茶叶中铅等多元素快速检测电化学传感技术的研究

论文摘要

茶叶富含茶多酚、氨基酸、维生素、生物碱和多种微量元素,是世界公认的天然健康饮料,受到世界各国人民的喜爱。近年来,随着人们对食品质量安全问题的关注,茶叶中的重金属污染问题成为茶叶卫生安全的重要问题之一。茶叶中常含有一些重金属元素,如果它的含量超标可能会对人体有害。这些重金属元素含量指标备受世界各国关注,其中主要包括铅、镉、铜等重金属元素含量,特别铅元素含量。我国是茶叶出口大国,茶叶是我国传统出口的优势农产品。因此,在茶叶重金属检测方面,迫切需要一种能够进行实时快速监测、小型便携,价格低廉的重金属检测仪器。相对通常重金属检测方法而言,电化学分析方法是一种公认的快速、灵敏、准确的微量和痕量重金属分析方法。在电化学方法中伏安法是检测重金属最常用的方法,而方波溶出伏安法是伏安法中测定灵敏度最高的方法之一。此外,电化学方法采用的电化学传感器具有微型化、成本低、灵敏度高及使用便捷的特点,是当前重金属元素快速检测研究的热点之一。基于此,本研究将方波溶出伏安法技术及电化学传感器引入茶叶中重金属有害铅元素及其它重金属元素的快速检测中,欲构建一种新颖的重金属快速检测电化学传感器,为建立茶叶中重金属元素快速检测方法提供理论依据和实验基础。本论文主要包含以下几个方面:论文第一部分综述了食品中重金属及其检测现状和发展趋势,特别是对电化学检测方法做了较详尽的介绍,对其在食品中重金属检测分析中的应用进行了回顾和概述。并对常用于电化学方法数据分析的化学计量学方法进行了概述。第二部分探索了基于方波溶出伏安法的汞膜电极测定茶叶中痕量铅的快速测定的新技术。试验优化了电极预镀汞膜的条件;最佳底液浓度及pH值;最佳仪器条件参数等。试验结果表明电极3×10-4mol/L HgCl2镀汞液中于恒电位-1.0 V处预镀汞膜300 s后,在沉积电位-1.0 V,电位增量3 mV,方波频率15 Hz,方波幅度20 mV,pH值4,沉积时间100 s,平衡时间30s条件下,溶出峰电流与铅浓度在10～800μg/L范围内呈现良好的线性关系,其回归方程为:Ip（μA）=0.105x+1.029（μg/L）,相关系数为0.9976,检出限为0.45μg/L（S/N=3）,并研究了多种离子存在条件下对120μg/L的铅离子检测的干扰情况。对茶样中重金属铅进行了检测,获得了良好的结果,与国标检测法进行成对结果的t检验比较,无显著差异,且回收率达到81.29%～107.35%。由此可知,用研究出来的方波溶出伏安法汞膜电极测定茶叶中的痕量铅,具有快速、准确、简便、灵敏等优点,有进一步深入研究的价值。第三部分建立了同位镀汞法修饰的丝网印刷碳电极方波溶出伏安法快速检测茶叶中重金属元素铅的方法。详细描述了建立该系统检测方法的条件优化过程,得到了一系列最佳参数:最佳的同位镀汞液浓度为4×10-4mol/L,沉积电位-1.1 V,电位增量3 mV,方波频率10 Hz,方波幅度55 mV,pH值5,沉积时间280 s,平衡时间40 s。在优选条件下获得的方法线性范围为10～225μg/L,回归方程为Ip（μA）=0.336+0.025X（μg/L）,相关系数为r=0.9986,检测限为0.74μg/L（S/N=3）,并研究了多种离子存在条件下对120μg/L的铅离子检测的干扰情况。此外,本试验还对包括常用和快速的5种茶叶样品前处理方法进行了比较。研究发现,微波消解法消化的样液损失最少,空白值最低,该法茶样的pb2+测定值与国标检测值相近,精密度和准确度试验结果均较优。并对采用微波炉、聚四氟乙烯密封增压微波消化罐消化茶叶的条件进行优化,用标准加入法对分析样品进行检测,与国标方法相比较,无显著偏差。该法配合方波溶出伏安法方法灵敏、准确、快速适合于茶叶中痕量铅的测定。第四部分结合化学计量学方法对铅、镉、铜三种金属离子混合溶液进行了方波溶出伏安法试验。通过对单种重金属离子的检测试验,分别得出了合适的试验工作参数,并对混合金属离子溶液的溶出伏安曲线进行了讨论,结果表明对此三种元素同时进行检测在溶出峰和溶出电位上有变化。因此,对多种重金属离子同时检测需要进行多元校正。首先,运用正交设计方法构造混合标准金属离子浓度校正组,建立了基于主成分分析多元素测试模型,再通过预测标准金属离子浓度来验证其测试模型的预测效果。结果表明基于主成分回归测试模型和偏最小二乘法的多元素测试模型对标准金属离子浓度预测效果相近,方法都比直接用标准曲线法的预测结果好,可进行多元素同步检测定量分析方法。第五部分对论文进行了总结和展望,在上述研究的基础上提出了茶叶中重金属检测的一种快速、简便的新方法,为重金属铅和其它重金属元素的单独和同步检测提供了一种新手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 食品中重金属污染、来源及危害
• 1.2 茶叶中重金属铅的污染现状
• 1.3 食品中金属元素检测方法
• 1.4 电分析化学在重金属元素检测中的研究与应用
• 1.4.1 离子选择性电极法
• 1.4.2 极谱分析法
• 1.4.3 溶出伏安法
• 1.5 化学计量学多元校正分析
• 1.5.1 主成分分析的基本理论
• 1.5.2 主成分回归的基本理论
• 1.5.3 偏最小二乘法的基本理论
• 1.6 课题研究内容及意义
• 1.6.1 研究目标和内容
• 1.6.2 研究整体技术路线
• 1.6.3 选题意义
• 1.7 创新点
• 第二章 玻碳电极方波溶出伏安法检测重金属铅元素
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 仪器与试剂
• 2.1.2 电极预处理
• 2.1.3 检测原理和方法
• 2.1.4 样品前处理方法
• 2.1.5 样品国标检测方法对照
• 2.2 结果和讨论
• 2.2.1 检测方法的优化
• 2.2.2 电极一致性的确定
• 2.2.3 工作曲线及线性范围
• 2.2.4 检出限
• 2.2.5 干扰离子影响
• 2.2.6 样品的测定
• 2.3 结论
• 第三章 丝网印刷碳电极传感器检测茶叶中痕量铅研究
• 3.1 试验部分
• 3.1.1 主要仪器和试剂
• 3.1.2 检测原理及方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 检测方法的优化
• 3.2.2 电极一致性的确定
• 3.2.3 工作曲线及线性范围
• 3.2.4 检出限
• 3.2.5 干扰离子影响
• 3.2.6 样品的前处理比较
• 3.2.7 微波消解法消化条件的优化
• 3.3 结论
• 第四章 方波溶出伏安法同步检测茶叶中铅、镉和铜及其分析
• 4.1 试验部分
• 4.1.1 主要仪器与试剂
• 4.1.2 测试模型的建立
• 4.1.3 测试模型的验证
• 4.1.4 样品处理
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 铅、镉、铜单种金属溶出伏安曲线及互相影响
• 4.2.2 各元素的最佳检测参数的优选
• 4.2.3 测试模型的建立
• 4.2.4 茶叶中铜、铅、镉的测定
• 4.3 结论
• 第五章 课题总结和展望
• 参考文献
• 附录1 英文缩略表
• 研究生期间发表与待发表论文
• 致谢