X射線熒光光譜法快速測定雞糞中的銅、鐵、錳、鋅、硒

(1.中國農業科學院飼料研究所，北京 100081;2.北京市農林科學院畜牧獸醫研究所，北京 100097;3.北京工商大學，北京 100048)

據報道，我國目前每年使用的微量元素添加劑為30萬～38萬t，但由于生物效價低，大約有95%以上未被動物利用的礦物質隨糞尿排出體外，造成土壤的重金屬污染[1]。在規模化畜禽養殖場中，養雞場的數星排序在前列，雞糞作為有機肥的利用率又較高，約為80%左右[2]。因此，雞糞中無機微量元素的殘留引起了研究者們的廣泛重視[3]。Cu、Fe、Mn、Zn、Se是保證蛋雞健康生長及高效生產所必需的微量元素，為得到最佳生產性能及蛋品質，違規大量添加這些元素的現象時有發生，結果導致這些超量添加的微量元素在畜禽體內的消化吸收利用率極低，在排出的糞便及以其為原料制作的有機肥中含量很高[4]。

有機肥中微量元素的檢測方法主要有原子吸收光譜法[5]、分光光度法[6，7]、電耦合等離子體發射光譜法等[8].這些方法均需對樣品進行復雜前處理，在敞開或封閉的消解設備中利用高濃度的酸進行溶樣，操作過程有有害物質產生，對空氣污染嚴重，并且還存在分析周期較長，分析成本高等問題[9]。X射線熒光光譜法是一種分析速度快、高自動化、重現性良好、測量范圍廣的快速無損分析方法[10]。從 20 世紀中葉起，X 射線開始應用到我國光譜分析領域，其在金屬材料解析[11，12]、巖石土壤樣品多元素分析[9，13]和刑偵物證鑒定[14]等方面的應用一直是快速分析技術的研究熱點。近年來，隨著儀器的升級和數據處理技術的發展，使其在生物樣品分析領域的應用也逐漸成熟[15-17]。但在畜禽糞便微量元素的檢測中的研究至今未見報道。本文對利用能量色散型X射線熒光分析儀(EDXRF)快速測定雞糞中的Cu、Fe、Mn、Zn、Se 5種微量元素的測試條件、精密度、準確性、元素檢測限等進行了系統探索，建立了XRF用于雞糞種多種元素同時測定的快速檢測方法。

1 材料與方法

1.1 儀器及測量條件

1.1.1 儀器

Epsilon1能量色散型熒光光譜儀(荷蘭帕納科公司):15W陶瓷射線光管與大電流 (3 mA)硅漂移探測器，適合輕元素及重元素從 10 至 50kV的探測；30噸油壓機壓片機(北京眾合創業科技發展有限公司)；CP124S電子天平(賽多利斯sartorius)；contrAA700原子吸收光譜儀(德國jena耶拿)

1.1.2 測量條件

為了獲得較高的測量精密度和較低的檢測限，在測量過程中應得到盡可能高的計數率和好的峰比，特別是要適當增加微量元素的測量時間來提高分析準確度[15]。利用所選取的代表性標準樣品為測試對象對測量條件進行優化后獲得的各分析元素的測量條件見表1。

表1 EDXRF的最佳分析條件

1.2 標準樣品的選擇與測試

1.2.1 標準樣品的選擇

想要獲得準確的測量結果，標準樣品應與待測樣品據有相似的物理結構和化學組成，且標準樣品中各元素應具有足夠寬的含量范圍和含量梯度[18]。本研究的標準與待測雞糞樣品均來自于北京市農林科學院畜牧獸醫研究所，為同一蛋雞代謝實驗的樣品。因此，標準樣品與待測樣品的基體相似度較高，且標準樣品根據動物實驗所設置的元素濃度梯度進行選取的，據有較寬的范圍和梯度，其中元素含量范圍如表2所示。

表2 標準樣品中元素含量范圍

1.2.2 標準樣品的測試

標準樣品中Cu、Fe、Mn、Zn、Se的含量采用濕法消解進行預處理后利用原子吸收光譜法進行測定，具體方法參照《GBT 14540-2003 復合肥料中銅、鐵、錳、鋅、硼、鉬含量的測定》。

1.3 樣品的制備：

樣品制備是EDXRF檢測過程中最為重要的環節之一，會顯著影響檢測結果的精度。對于雞糞樣品來說，樣品顆粒度、樣品成型壓力等都與檢測結果相關。經過對制備條件的比較，選取將新鮮糞便樣品在烘箱中100℃下烘干，然后經粉碎機粉碎后過60目篩。稱取樣品4.000g，硼酸鑲邊墊底，在20×103kg壓力下保壓30S，壓制成試樣內徑為32mm，外徑40mm的圓片。標準樣品、比對樣品及未知樣品采用相同的方法制備。

2 結果與分析

2.1 解析重疊譜

能量色散熒光分析方法測量的元素眾多，可以測定鈉(Na)到鈾(U)之間的所有元素。而雞糞樣品中的元素比較復雜，同種元素自身特征射線的相互干擾和測量元素之間的特征射線之間的相互干擾比較嚴重，特征射線峰發生了重疊，影響測量精度[19]。因此在利用EDXRF進行雞糞中金屬元素的定量分析之前，必須首先對重疊譜進行解析。本研究利用儀器自帶軟件中的峰匹配和去卷積方法相結合來進行解譜，將實測的峰輪廓擬合至理論輪廓。在保持測量輪廓形狀固定的情況下，通過選取的不同元素組合來改變擬合出來的理論輪廓面積，直到他們的面積之和與實際測量譜給出最接近的擬合。圖1～3為3種不同測量條件下譜圖的解析結果。

圖1 條件下譜圖的解析

圖2 條件下譜圖的解析

圖3 條件下譜圖的解析

由圖1～3的擬合結果可以看出，擬合出的理論圖譜與實測圖譜很接近，說明該方法對重疊譜的解析效果較好，這為獲得較高的定量分析精度提高了較好的分析基礎。

2.2 方法的線性及靈敏度

在Epsilon1分析軟件中進行標樣測量，根據被測元素的計數率和準確含量，進行線性回歸。考慮到基體效應的影響，采用Ag康普頓內標、元素背景作內標與α經驗系數法相結合的方法進行基體效應校正。各分析元素理論檢出限按照式(1)進行計算(對于95%的置信度)：

(1)

式中：m為單位含量的計數率；Ib為背景計數率；T為峰值和背景的總測量時間(S)

利用不同基體校正方法獲得的最佳定標結果如表3所示。

表3 Cu、Fe、Mn、Zn、Se的定標結果

由表3中顯示的最佳基體校正方法可知，Ag康普頓內標對本研究分析的幾種元素均無明顯補償作用；Cu、Fe、Mn、Zn 4種元素不需內標即可獲得比較好的標準曲線；Se則需采用元素背景作內標才能獲得較好的補償作用。經過基體校正后，所測5種元素，除Zn相關性稍差(R2=0.870)以外，其余4種元素均取得了較高的相關性；雞糞樣品的各元素預測均方根誤差均在可接受范圍內，各元素的理論檢出限在0.08～1.4mg/kg之間，與實際檢出限有一定差別，但仍可以一定程度上代表該方法的靈敏度，與檢測范圍相比較可以看出該靈敏度足夠滿足雞糞中這5種元素檢測的需要。

2.3 方法的精密度

為了考察方法的精密度，選取兩個雞糞標準樣品，每個樣品平行取樣5次制成5個樣片，按照優選的測量條件進行測試,測量結果見表4。

由表4可知：兩個雞糞標準樣品5個平行樣的結果重復性較好，除了由于Se元素含量較低，致使其相對偏差最高達到了8.29%，超過了5%；其余樣品的相對標準偏差均在4%以內，由此可見該方法具有良好的精密度。

表4 方法精密度結果(n=5)

2.4 方法的準確度

選取未參加定標的2個雞糞樣品作為比對樣品，利用原子吸收光譜法測定其中Cu、Fe、Mn、Zn、Se的含量，測定結果作為標準值。然后將每個樣品制成2個樣片，按照優選的測量條件進行測試，2個樣片的平均結果作為該樣品的X射線熒光光譜的測定值，將所得的測定值與標準值進行比較，結果見表5。

表5 EDXRF與標準方法的比對結果

由表5的比對數據可知，除其中1個樣品Mn的相對誤差稍大外，其余元素的相對誤差均小于15%，該方法的準確度完全可以滿足雞糞中Cu、Fe、Mn、Zn、Se等元素的分析要求。

3 結論

提出了利用X射線熒光光譜技術檢測雞糞中的Cu、Fe、Mn、Zn、Se等5種元素含量的快速定量方法。方法操作簡單，測量時間短，可為實驗室節省大量資源。本研究為了盡可能地扣除掉譜線重疊干擾，運用峰匹配和迭代算法相結合來進行重疊譜的解析，并通過引入Ag康普頓內標、元素背景作內標與a經驗系數法相結合的方法來降低基體干擾，獲得了較好的準確度和精密度。重復性測試結果顯示，對同一樣品進行5次平行測定時，5種元素重復測量的標準偏差在1.24%～8.29%之間，除硒由于含量低重復性標準偏差稍大以外，其他元素的標準偏差均小于4%；所測5種元素，除Zn相關性稍差(R2=0.870)以外，其余4種元素曲線的決定系數均大于0.91；與化學方法測定地標準值相比較，Se和Mn元素測定的誤差稍大，其余元素的相對誤差均小于15%，基本可以滿足雞糞中5種元素的測定需求。證明了利用X射線熒光光譜技術對雞糞樣品進行建模分析具有較強的可行性。但由于本研究所涉及的樣品均來自同一蛋雞飼喂實驗的樣品，因此該方法的適用范圍還需要進一步的研究確定。

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