X射線熒光光譜法半定量和電感耦合等離子體質(zhì)譜法全定量快速測定花草茶中多種元素

(華僑大學(xué)分析測試中心，廈門 361021)

花草茶由于其天然來源，且具有養(yǎng)生保健的功效而受到人們的青睞，如茉莉花茶和菊花茶有清熱解毒之功效，玫瑰花茶能強肝養(yǎng)胃[1]，勿忘我可清心明目、滋陰補腎[2]。花草茶種類繁多，特性各異，其所含的元素種類及含量對其性能、功效乃至毒副作用起著重要的作用，元素的過量攝入、攝入不足或不平衡都會不同程度地引起人體生理的異常或發(fā)生疾病[3]。因此，開展花草茶的元素含量測定工作對其研究、開發(fā)應(yīng)用及質(zhì)量控制具有重要意義。

目前，能夠一次性同時測定多種元素的方法主要有X 射線熒光光譜法(XRFS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)與電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等[4]。這些方法均具有分析速率快、線性范圍寬等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用。其中，ICP-MS檢出限低、靈敏度高、準(zhǔn)確度好[5]，但樣品前處理繁瑣耗時，如固體樣品需要使用硝酸等消解再定容稀釋，存在酸用量大、易污染環(huán)境等問題；XRFS可直接分析固態(tài)樣品粉末，制樣簡單，是一種無損的快速分析方法[6]，其無標(biāo)準(zhǔn)樣品分析可用于未知樣品的快速篩查，但檢出限較高，較適用于質(zhì)量分數(shù)在1μg·g－1以上的元素，且由于缺乏XRFS標(biāo)準(zhǔn)品而較難建立標(biāo)準(zhǔn)曲線進行全定量。目前用XRFS[3]或ICP-MS[1]、ICP-AES[7]對花草茶中的元素進行全定量分析均已有報道，但把XRFS半定量和ICP-MS 全定量結(jié)合起來測定元素含量鮮見報道。

本工作將XRFS和ICP-MS結(jié)合，取長補短:先采用粉末壓片、XRFS無標(biāo)準(zhǔn)樣品分析快速篩查花草茶中質(zhì)量分數(shù)在1μg·g－1以上的所有元素種類和含量；再用微波消解處理花草茶，根據(jù)XRFS 的結(jié)果稀釋消解液，用ICP-MS全定量分析元素含量。采用柑橘葉國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對該方法進行驗證，旨在尋找一種快速準(zhǔn)確測定花草茶中多種元素的分析方法，為正確評價花草茶的食用價值提供參考，為花草茶的開發(fā)利用及相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支持。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

ARL PERFORM′X 4200 型X 射線熒光光譜儀；7800 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；Multiwave PRO 型微波消解儀；BHW-09A16型趕酸儀。

23種元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:含1 000 mg·L－1的鈉、鎂、鉀、鈣，10.0 mg·L－1的鋁、鈦、錳、鐵、鎳、銅、鋅、銣、鍶、鋇、鉻、釩、鈷、砷、硒、銀、鎘、鉈、鉛。

內(nèi)標(biāo)儲備溶液:含10 mg·L－1的鉍、鍺、銦、鋰、鈧、釔。

內(nèi)標(biāo)溶液:0.5 mg·L－1，移取適量的內(nèi)標(biāo)儲備溶液，用2%(體積分數(shù)，下同)硝酸溶液稀釋而成，測定時經(jīng)三通在線加入。

調(diào)諧液:含10μg·L－1的鈰、鈷、鋰、鎂、鉈、釔。

硝酸為色譜純；硼酸為分析純；試驗用水為超純水(電阻率為18.2 MΩ·cm)。

1.2 儀器工作條件

1)微波消解條件 微波消解程序見表1。

表1 微波消解程序Tab.1 Program of microwave digestion

2)電感耦合等離子體質(zhì)譜條件 射頻功率1 550 W；等離子體氣流量15.0 L·min－1，載氣流量1.0 L·min－1，輔助氣流量1.0 L·min－1，補充氣流量1.0 L·min－1；采樣深度8 mm；霧化室溫度2 ℃；蠕動泵轉(zhuǎn)速0.1 r·s－1；采樣錐、截取錐均為鎳錐。

1.3 試驗方法

5種市售花草茶(勿忘我、野菊花、茉莉花、玫瑰花、玫瑰茄)均購自某超市，于60 ℃烘干粉碎并過200目(0.075 mm)篩，混勻后置于干燥器中備用。

先采用粉末壓片、XRFS無標(biāo)準(zhǔn)樣品半定量分析快速測定花草茶中的元素種類和含量，再根據(jù)XRFS的測定結(jié)果采用微波消解處理樣品，用ICPMS進行全定量分析。

1.3.1 XRFS無標(biāo)準(zhǔn)樣品半定量分析

樣品制備方法參考文獻[8]略加改進。取過200目篩的花草茶樣品粉末，經(jīng)烘干至恒重，稱取2.000 0 g放入壓片機模具中攤平，用硼酸鑲邊、墊底，在300 k N 下保壓20 s，壓制成直徑為32 mm 和鑲邊外徑為40 mm 的圓片。樣品壓片后貼簽保存，同法制作3個樣片，應(yīng)用XRFS的無標(biāo)準(zhǔn)樣品半定量分析，從氧到鈾元素范圍內(nèi)進行元素譜掃描。每種樣品取3個樣片的測定平均值作為測定值。

1.3.2 ICP-MS全定量分析

ICP-MS的樣品前處理技術(shù)中微波消解技術(shù)因具有快速、分解完全、能有效避免痕量元素損失和樣品污染等優(yōu)點[9]而受到青睞。參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.268－2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測定》，取過200目篩的花草茶樣品粉末，經(jīng)烘干至恒重，稱取0.500 0 g置于微波消解罐內(nèi)，加6 mL硝酸。將微波消解罐置于趕酸儀上于130℃預(yù)消解30 min，加上內(nèi)蓋，旋緊外蓋后置于微波消解儀中按表1設(shè)定好消解程序進行消解。消解結(jié)束后，冷卻，取出微波消解罐置于趕酸儀上于130 ℃趕酸至1 mL左右，然后將消解液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，以少量水洗滌消解罐與蓋子3～4次，合并洗滌液至容量瓶中，用水定容，搖勻，過0.22μm 濾膜后，按儀器工作條件以209Bi、72Ge、115In、6Li、45Sc、89Y 為內(nèi)標(biāo)進行測定。若測定值超出線性范圍用2%硝酸溶液進行稀釋。同法制備試驗空白。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

參考文獻[10]，將5種花草茶樣品中6種元素(鎂、鉀、鈣、錳、鐵、鋅)的XRFS 測定結(jié)果與ICPMS測定結(jié)果進行對比，以散點圖添加趨勢線的形式對這2種方法進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRFS的測定結(jié)果

采用粉末壓片-XRFS 無標(biāo)準(zhǔn)樣品半定量分析對5種花草茶樣品進行快速初篩，通過角度掃描，排除可能干擾的元素，測定出花草茶中質(zhì)量分數(shù)在1μg·g－1以上的所有金屬元素和非金屬元素，XRFS的測定結(jié)果見表2。

表2 XRFS的測定結(jié)果Tab.2 Determination results of XRFS μg·g－1

由表2可知:5種花草茶樣品中均檢出鉀、磷、硫、鎂、鈣、氯、硅、鐵、鋅和錳等10種元素，個別花草茶樣品中檢出鈉、鋁、銅、鋇、溴、鍶、銣、鈦、鎳、鉻等元素；5種花草茶樣品中質(zhì)量分數(shù)最高的元素均為鉀，其中野菊花樣品中鉀的質(zhì)量分數(shù)大于3%；5種花草茶樣品中均含有鐵、錳、鋅等微量元素；只有玫瑰茄樣品中檢出鉻；不同花草茶樣品中各元素種類和質(zhì)量分數(shù)存在差異。

為準(zhǔn)確測定花草茶中各元素含量以評估花草茶健康價值和污染情況，通常采用標(biāo)準(zhǔn)曲線進行全定量分析。由于元素含量范圍跨度大，對于含量不同的元素一般需配制不同含量范圍的標(biāo)準(zhǔn)曲線或稀釋不同倍數(shù)的樣品進行分析。通過XRFS 初篩獲得的花草茶中各元素及含量范圍可為下一步的全定量分析提供良好的數(shù)據(jù)參考，還可根據(jù)元素組成及含量范圍優(yōu)化ICP-MS儀器工作條件及樣品前處理方法。XRFS樣品制備省時簡單，但目前市場上尚未見可用于建立標(biāo)準(zhǔn)曲線的花草茶的XRFS標(biāo)準(zhǔn)品，且XRFS檢出限較高，因此采用ICP-MS進行全定量分析。

2.2 ICP-MS的標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

根據(jù)XRFS的初篩結(jié)果選擇進行ICP-MS全定量分析的元素，并優(yōu)化ICP-MS儀器工作條件，確定各元素的樣品稀釋倍數(shù)。

移取適量的23 種元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液，用2%硝酸溶液稀釋成含1，10，50，100，500，1 000，2 000，5 000，10 000μg·L－1鈉、鎂、鉀、鈣和0.01，0.1，0.5，1，5，10，20，50，100μg·L－1鋁、鈦、錳、鐵、鎳、銅、鋅、銣、鍶、鋇、鉻、釩、鈷、砷、硒、銀、鎘、鉈、鉛的23種元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，以2%硝酸溶液作為空白對照。按儀器工作條件對23種元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進行測定，以23種元素的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的信號強度(3次讀數(shù)的平均值)為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。23種元素的線性范圍、線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見表3。

移取空白樣品溶液，連續(xù)進樣11次，按儀器工作條件進行測定，根據(jù)3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算方法的檢出限(3s)，結(jié)果見表3。

表3 線性范圍、線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)和檢出限Tab.3 Linearity ranges，linear regression equations，correlation coefficients and detection limits

表3 (續(xù))

2.3 ICP-MS的測定結(jié)果

根據(jù)花草茶中元素含量范圍對消解處理后的樣品溶液進行相應(yīng)倍數(shù)的稀釋，按儀器工作條件對5種花草茶樣品中的23 種元素進行ICP-MS 全定量分析，每個樣品重復(fù)測定3次，結(jié)果見表4。由于ICP-MS的檢出限較低，所有選擇的元素均可被檢出。

表4 ICP-MS的測定結(jié)果Tab.4 Determination results of ICP-MS μg·g－1

表4 (續(xù)) μg·g－1

由表4可知:5種花草茶樣品中含量最高的元素為鉀，與2.1 節(jié)中XRFS 測定結(jié)果一致；砷、鉛、鎘、鉻等4種重金屬元素均可被檢出。

2.4 準(zhǔn)確度和精密度

按試驗方法采用XRFS和ICP-MS對柑橘葉國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 10020)進行分析，平行測定6次，計算測定值的相對誤差(RE)和測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表5。

由表5可知:XRFS和ICP-MS的測定值均在認定值范圍內(nèi)；XRFS測定值與認定值的RE均在±15%以內(nèi)，測定值的RSD 均小于5.0%，滿足半定量準(zhǔn)確度(±30%)、精密度的要求；ICP-MS測定值的RE均在±10%以內(nèi)，RSD 均小于3.0%。這說明方法準(zhǔn)確度和精密度均較高。比較含量較高的鎂、鉀、鈣、錳、鐵、鋅等元素，其XRFS和ICP-MS的測定值沒有顯著性差異，可以認為兩者的測定值一致。

表5 準(zhǔn)確度和精密度試驗結(jié)果(n＝6)Tab.5 Results of tests for accuracy and precision(n＝6)

2.5 XRFS與ICP-MS測定結(jié)果比對

將XRFS與ICP-MS測得的5種花草茶樣品中鎂、鉀、鈣、錳、鐵、鋅等6種金屬元素的結(jié)果進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。

表6 XRFS和ICP-MS測定結(jié)果的相關(guān)性分析Tab.6 Correlation analysis of determination results by XRFS and ICP-MS

由表6可知:XRFS 與ICP-MS 測得的鎂、鉀、鈣、錳、鐵、鋅結(jié)果的趨勢線斜率為0.761 2～1.306，相關(guān)性系數(shù)為0.910 8～0.999 8，可比性較好。

XRFS無標(biāo)準(zhǔn)樣品半定量分析制樣簡單、測定快速，可用于未知樣品的快速篩查，但其檢出限較高，只適合質(zhì)量分數(shù)在1μg·g－1以上的元素；ICPMS的檢出限低、靈敏度高，適合于低含量元素的測定。實際測定中可根據(jù)具體需求選擇合適的分析方法。

隨著XRFS 無標(biāo)準(zhǔn)樣品定量分析技術(shù)的日趨完善，用戶無需收集標(biāo)準(zhǔn)樣品、建立標(biāo)準(zhǔn)曲線即可無損、快速地對各種未知樣品中所有元素進行掃描篩查，進一步拓展了XRFS的應(yīng)用空間。XRFS多用于土壤、礦石等無機材料的測定，近些年來在食品和茶葉中的應(yīng)用也較多[11-12]。為了快速獲得未知樣品中各元素種類和含量范圍可選用XRFS 無標(biāo)準(zhǔn)樣品半定量分析進行篩查，但由于其檢出限較高，只能檢出質(zhì)量分數(shù)在1μg·g－1以上的元素，而且受到樣品本身的物理狀態(tài)(樣品厚度、顆粒大小等)和儀器工作參數(shù)(測定時間、基體校正等)的影響，其應(yīng)用尚未得到廣泛普及，應(yīng)多嘗試和開發(fā)，使其更好地發(fā)揮其功能。

常規(guī)的定量分析對于需進行測定的每一種元素都必須提供標(biāo)準(zhǔn)溶液，在完成標(biāo)準(zhǔn)曲線后才能進行測定，且樣品含量需要在標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍內(nèi)才能準(zhǔn)確定量。由于樣品中所含元素往往未知且含量范圍廣，可能從ng·g－1級到mg·g－1級，這給測定工作帶來一定困難。一是配制標(biāo)準(zhǔn)曲線的元素及其含量范圍的選擇；二是樣品處理方法及稀釋倍數(shù)的選擇，通常需要消耗大量時間用于試驗條件的摸索。常規(guī)做法是將樣品消解定容后再進行測定。如微波消解通常稱量不超過約0.5 g樣品消解后定容至25.0 mL或50.0 mL，再稀釋1 000倍按儀器工作條件進行測定。如果測得的含量超過標(biāo)準(zhǔn)曲線上限，則需增大稀釋倍數(shù)，進一步稀釋再測定直至調(diào)整到合適含量；如果按儀器工作條件進行測定顯示未檢出則需減少稀釋倍數(shù)適當(dāng)濃縮樣品再測定。此過程耗時繁瑣，需要用到大量的酸，且多次稀釋易污染樣品造成損失或引入誤差導(dǎo)致結(jié)果異常，尤其當(dāng)樣品量大時，給工作造成很大的不便。本工作通過XRFS無標(biāo)準(zhǔn)樣品半定量分析快速篩查花草茶中元素組成及含量范圍，可為進一步全定量提供數(shù)據(jù)參考，有利于選擇測定元素、確定標(biāo)準(zhǔn)曲線的含量范圍、選擇樣品消解方法及稀釋倍數(shù)以及儀器工作條件的優(yōu)化等，大大節(jié)省了摸索條件的時間且減少了工作量。

對5種花草茶中均含有的鎂、鉀、鈣、錳、鐵、鋅等6種金屬元素的XRFS半定量和ICP-MS全定量測定結(jié)果進行對比和相關(guān)性分析，可比性較好。對于含量較高的元素，采用ICP-MS測定時需要稀釋很多倍數(shù)，操作過程易引入誤差，且標(biāo)準(zhǔn)曲線不易配制，其測定結(jié)果與XRFS 半定量測定結(jié)果相比，可比性較好，可根據(jù)實際測定需求選擇適合的方法。

5種花草茶均檢出鉀、磷、硫、鎂、鈣、氯、硅、鐵、鋅和錳等10種元素，其中鉀、磷、硫、鎂、鈣、氯為人體所需的常量元素[13]，文獻[14]報道，鈣、磷含量比為2∶1時適合于膳食鈣的吸收。勿忘我、野菊花、茉莉花、玫瑰花、玫瑰茄等5種花草茶的鈣、磷含量比分別為2.35，1.31，0.74，1.41，10.58，勿忘我、野菊花和玫瑰花較有利于鈣的吸收；鐵、鋅和錳為人體必需的微量元素[15-16]，玫瑰茄中這3種元素的含量均高于其他4 種，玫瑰茄的錳、鐵、鋅、銅含量比文獻[17]報道的高一倍，勿忘我的錳、鐵、鋅、銅含量與文獻[17]報道的一致。玫瑰茄中的鋁含量和鍶含量是其他花草茶的幾倍到幾十倍。5種花草茶中的鉛、砷、鉻、鎘等重金屬元素的含量普遍較低，但玫瑰茄中的鉻含量較高。可見，玫瑰茄中鋁、鉻等有害元素含量較高，存在一定毒性風(fēng)險，食用需謹慎。綜上可知:花草茶中元素組成豐富，不同種類的花草茶的元素組成和含量各不相同，同一花草茶對不同元素的富集不相同，不同花草茶對同一元素的吸收率也不相同。花草茶對金屬元素的富集程度不僅與花草茶的種類、品種有關(guān)，還受到土壤和水源的影響。不同地區(qū)的土壤所含元素種類和含量均不同，因此花草茶中所含元素有一定的差異性[18]。5種花草茶樣品中含有多種人體所需的元素，飲用花草茶對人體有營養(yǎng)價值[3]，但也不能過量，以免影響健康。

本工作建立了XRFS半定量聯(lián)合ICP-MS全定量快速測定花草茶中多種元素的方法，方法快速、簡便、省時、準(zhǔn)確性好，適用于花草茶中多種元素含量的測定，可為花草茶的健康價值評價和質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)參考。