基于無標樣定量分析的X射線熒光光譜法快速測定谷物中多種營養元素

陸金鑫 賈明哲 時 超 黃蔚霞

基于無標樣定量分析的X射線熒光光譜法快速測定谷物中多種營養元素

陸金鑫 賈明哲 時 超 黃蔚霞

（中糧營養健康研究院食品質量與安全中心，北京 102209）

基于X射線熒光光譜法測試谷物中多種營養元素，分析谷物類型、粒徑、測量時間、基體校正平衡項對檢測結果的影響。在優化后的試驗條件下，通過檢測谷物類標準樣品，驗證了該方法檢測小麥、大米中鎂、磷、硫、鉀等8種營養元素有較好準確度和精密度，適用于谷物中營養元素的快速測定。

X射線熒光光譜法 無標樣定量 谷物 營養元素

營養元素是生物體內一系列酶、激素和維生素等活性物質的組成部分，與機體的新陳代謝密切相關［1］。谷物作為人們每天攝入的主要食物，測定與了解谷物中礦質元素的含量與分布，對于實現谷物的科學加工利用、品質育種及產地溯源都具有十分重要的意義［1，2－4］。

隨著分析技術的不斷更新，營養元素的檢測方法從比較傳統的化學方法，如比色法、滴定法，發展到了基于現代技術的光譜、質譜和色譜檢測手段，如原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發射光譜法（ICP），電感耦合等離子體質譜法（ICP －MS）、離子色譜法（IC）等［5－9］，方法的靈敏度和精密度均有很大提升，并實現了多元素同時檢測。然而，這些分析方法所依賴的前處理手段耗時且不環保，需要熟練的操作才能得到可靠的結果，從而限制了其在日常質控方面的應用。

X射線熒光光譜是利用X射線照射樣品，樣品中存在的各元素被激發后釋放出具有特征能量的X射線熒光。通過測量這些X光的波長和強度，從而識別和定量分析所存在的元素。X射線熒光光譜法具有非破壞性，樣品制備簡單、快速，并實現了針對多元素的廣泛的分析含量范圍，數據精確且穩定。近年來，在農業、食品領域，X射線熒光光譜法得到了初步的推廣應用［10－12］。

隨著X射線熒光光譜無標樣定量分析技術的日趨完善，用戶無需收集標準樣品、建立工作曲線即可對各種未知樣品進行多元素檢測，進一步拓展了X熒光光譜法的應用空間。但由于儀器性能和軟件算法的局限性，無標樣定量分析的應用報道較少，且檢測對象多為奶粉、蔬菜等營養元素含量較高的樣品［13－14］。本研究采用基于無標樣定量分析的X射線熒光光譜法對小麥和大米標準物質中的多種營養元素進行測定，測得磷、硫、鉀、鈣、鎂、錳、鋅、鐵8種元素含量準確，精密度較高，且與ICP檢測結果吻合較好，說明該方法適于小麥、大米等谷物中營養元素的測定，且前處理方式簡單，顯著節省時間和成本費用，是通行標準檢測方法的有益補充。

1 材料與方法

1.1 儀器與設備

Epsilon3 XL型能量色散X射線熒光光譜儀：荷蘭帕納科公司，配置銠靶X光管（最大電壓50 kV，最大電流3 mA）、充氦系統（提高對輕元素的靈敏度）、半導體制冷硅漂移探測器（分辨率＜135 eV）和無標樣定量分析軟件Omnian；Optima 8300型電感耦合等離子體發射光譜儀：美國珀金埃爾默公司；BJ－15型粉末壓片機：天津博君科技有限公司，最大壓力15噸；A11型分析研磨機：德國艾卡儀器設備有限公司。

1.2 材料與試劑

生物成分分析標準物質小麥（GSB－2）、四川大米（GSB－22）和玉米（GSB－3）：廊坊中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所；麥拉膜，聚酯材料，直徑63.5 mm，厚度3.6μm：美國Chemplex公司。

1.3 試驗步驟

準確稱取谷物的標準物質粉末4.00 g，轉移至直徑25 mm的模具中，15 t壓力保持5 min，可制得厚度為6 mm的粉末壓片，置于樣品杯中重復測試2次，計算元素含量的平均值。

1.4 儀器參數

元素序數從小到大，從鎂到鋅被分為4種測量條件，儀器推薦參數見表1。

表1 營養元素的分組測量條件

2 結果與討論

無標樣定量分析的影響因素主要源于2個方面，即樣品本身的物理狀態（樣品厚度、顆粒大小等）和儀器測量參數（測量時間、基體校正等）。有研究表明，粉末壓片的厚度達到6 mm時，對于鈣等較輕元素，特征X射線熒光強度即可達到最大值［4］，即樣品厚度的影響可以忽略。因此選擇4.00 g作為取樣量，確保25 mm模具壓片后樣品厚度為6 mm。另一方面，谷物中99%以上是不產生熒光信號的碳、氫、氧、氮，屬于輕基體樣品，而銠靶的康普頓散射線強度對這些輕元素濃度有較為靈敏的響應，可成為校正依據。參考谷物中淀粉與蛋白質的分子式，綜合得到（CH2O）19N這一平衡項參與濃度計算，從而對樣品進行完整、準確的定量分析［13－14］。對于其他因素，將以谷物標準物質為試驗材料詳細考察對結果準確度和精密度的影響。

2.1 麥拉膜對測定結果的影響

麥拉膜為X射線分析專用薄膜，常用于樣品杯底部的密封，確保裝入的樣品不外漏污染光管的鈹窗。然而，膜中含有鈣、磷、鐵等雜質，可能造成測定結果的偏差。選擇小麥標準物質（GSB－2）壓片后分別放入覆膜和不覆膜的樣品杯中進行測試，并與標稱值進行比對（見表2）。結果表明，麥拉膜的存在使磷、硫、鈣的測定含量明顯偏高，推測是所含雜質的影響，而鎂含量偏低則可能是膜對特征X射線吸收的干擾所致。因此，在后續試驗中將樣品壓片直接置于樣品杯中進行測定。

表2 使用麥拉膜對小麥中營養元素測定結果的影響

2.2 測量時間對測定結果準確度的影響

由表3和表4可知，在儀器推薦的測試條件A下所得小麥（GSB－2）、大米標準物質（GSB－22）中錳、鋅的含量均偏低，其他的元素符合要求。對于玉米標準物質（GSB－3），因為磷、硫和鈣的濃度水平更低，結果也有較大偏差。

表3 營養元素分組測量時間單位／s

表4 不同測量時間下谷物標準物質中營養元素測定結果

測量時間可在儀器推薦值的基礎上適當延長，從而降低待測元素的測定低限［4］。由表4可得，對于小麥和大米樣品，適當延長錳和鋅所在條件組的測量時間，測得結果可滿足標稱值的要求。而對于玉米樣品，可能因為磷和鈣的含量已低于方法的測定低限，延長時間的效果不明顯。綜上所述，優化測量時間有助于提升測定的準確度，特別是小麥和大米樣品8種元素所測得含量均符合標準物質標稱值的要求。

2.3 樣品粒徑對測定結果精密度的影響

粉末樣品的均勻性對于X射線熒光光譜儀的檢測結果有著較大的影響［15］。通常而言，粒徑越小的顆粒越容易混勻，也更容易在樣品杯中均勻分布，有利于檢測結果的重復性。谷物的標準物質在磨碎后過80目篩并混勻，現以小麥標準物質（GSB－2）為例，繼續研磨并分別過100目和200目篩后，收集粉末各壓片3個進行測定，元素含量的平均值和相對標準偏差計算結果見表5。數據表明，從80目到200目，各元素檢測結果及相對標準偏差變化均不顯著，80目可以滿足X射線熒光光譜法測定精密度的要求。

表5 樣品粒徑對小麥標準物質中營養元素測定結果的影響

2.4 實際谷物樣品中營養元素的測定

為了考察該方法的實用價值，選擇4種不同的谷物樣品（全麥粉、小麥粉、早秈米、秈糯米），研磨過80目篩，壓片后進行測定。將測定結果與ICP法檢測值比對，數據列于表6。通過配對t檢驗可知，除了大米樣品中含量較低、接近測定低限的鈣、鐵元素外，這2種方法在95%置信水平上沒有顯著差別，從而進一步證實了該方法的可靠性。

表6 實際谷物樣品中營養元素的測定結果比較

表6 （續）

3 結論

基于無標樣定量分析的X射線熒光光譜法，通過改進試驗方法，優化儀器參數，發展了一種同時快速測定谷物中多種營養元素的檢測方法，無需標樣建立工作曲線、無需復雜樣品預處理，對于小麥和大米樣品，結果的準確度和精密度均令人滿意。

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Rapid Determination of Multi－Nutrient Elements in Cereals by X－Ray Fluorescence Spectrometry Based on Quantitative Analysis Without Standards

Lu Jinxin Jia Mingzhe Shi Chao Huang Weixia
（Food Quality and Safety Centre，Nutrition and Health Research Institute，COFCO，Beijing 102209）

Multi－nutrient elements were determined in cereals，using X －ray fluorescence spectrometry.The influence of cereal type，particle size，measuring time and balance for matrix effect correction was studied.Under optimized experimental conditions，it has been verified that using this method to detect eight nutrient elements in wheat and rice such as magnesium，phosphorus，sulfur and potassium had better accuracy and precision by detection of cereal standard samples，which is applicable to rapid determination of nutrient elements in the cereal.

X － ray fluorescence spectrometry，without standards，quantitative analysis，cereals，nutrient elements

O657.62

A

1003－0174（2016）07－0138－04

中糧集團應用基礎項目（2013－C2－F006）

2014－11－17

陸金鑫，男，1985年出生，博士，光譜分析

黃蔚霞，女，1973年出生，高級工程師，食品質量與安全