基于無標(biāo)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(yǎng)元素

陸金鑫 賈明哲 時 超 黃蔚霞

基于無標(biāo)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(yǎng)元素

陸金鑫 賈明哲 時 超 黃蔚霞

（中糧營養(yǎng)健康研究院食品質(zhì)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(yǎng)元素，分析谷物類型、粒徑、測量時間、基體校正平衡項(xiàng)對檢測結(jié)果的影響。在優(yōu)化后的試驗(yàn)條件下，通過檢測谷物類標(biāo)準(zhǔn)樣品，驗(yàn)證了該方法檢測小麥、大米中鎂、磷、硫、鉀等8種營養(yǎng)元素有較好準(zhǔn)確度和精密度，適用于谷物中營養(yǎng)元素的快速測定。

X射線熒光光譜法 無標(biāo)樣定量 谷物 營養(yǎng)元素

營養(yǎng)元素是生物體內(nèi)一系列酶、激素和維生素等活性物質(zhì)的組成部分，與機(jī)體的新陳代謝密切相關(guān)［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(zhì)元素的含量與分布，對于實(shí)現(xiàn)谷物的科學(xué)加工利用、品質(zhì)育種及產(chǎn)地溯源都具有十分重要的意義［1，2－4］。

隨著分析技術(shù)的不斷更新，營養(yǎng)元素的檢測方法從比較傳統(tǒng)的化學(xué)方法，如比色法、滴定法，發(fā)展到了基于現(xiàn)代技術(shù)的光譜、質(zhì)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(fā)射光譜法（ICP），電感耦合等離子體質(zhì)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(shí)現(xiàn)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(huán)保，需要熟練的操作才能得到可靠的結(jié)果，從而限制了其在日常質(zhì)控方面的應(yīng)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(fā)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了針對多元素的廣泛的分析含量范圍，數(shù)據(jù)精確且穩(wěn)定。近年來，在農(nóng)業(yè)、食品領(lǐng)域，X射線熒光光譜法得到了初步的推廣應(yīng)用［10－12］。

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

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)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(tǒng)（提高對輕元素的靈敏度）、半導(dǎo)體制冷硅漂移探測器（分辨率＜135 eV）和無標(biāo)樣定量分析軟件Omnian；Optima 8300型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：美國珀金埃爾默公司；BJ－15型粉末壓片機(jī)：天津博君科技有限公司，最大壓力15噸；A11型分析研磨機(jī)：德國艾卡儀器設(shè)備有限公司。

1.2 材料與試劑

生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)小麥（GSB－2）、四川大米（GSB－22）和玉米（GSB－3）：廊坊中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)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(yàn)步驟

準(zhǔn)確稱取谷物的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)粉末4.00 g，轉(zhuǎn)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(fù)測試2次，計(jì)算元素含量的平均值。

1.4 儀器參數(shù)

元素序數(shù)從小到大，從鎂到鋅被分為4種測量條件，儀器推薦參數(shù)見表1。

表1 營養(yǎng)元素的分組測量條件

2 結(jié)果與討論

無標(biāo)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(tài)（樣品厚度、顆粒大小等）和儀器測量參數(shù)（測量時間、基體校正等）。有研究表明，粉末壓片的厚度達(dá)到6 mm時，對于鈣等較輕元素，特征X射線熒光強(qiáng)度即可達(dá)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(chǎn)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(qiáng)度對這些輕元素濃度有較為靈敏的響應(yīng)，可成為校正依據(jù)。參考谷物中淀粉與蛋白質(zhì)的分子式，綜合得到（CH2O）19N這一平衡項(xiàng)參與濃度計(jì)算，從而對樣品進(jìn)行完整、準(zhǔn)確的定量分析［13－14］。對于其他因素，將以谷物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為試驗(yàn)材料詳細(xì)考察對結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度的影響。

2.1 麥拉膜對測定結(jié)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(zhì)，可能造成測定結(jié)果的偏差。選擇小麥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSB－2）壓片后分別放入覆膜和不覆膜的樣品杯中進(jìn)行測試，并與標(biāo)稱值進(jìn)行比對（見表2）。結(jié)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(zhì)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(xù)試驗(yàn)中將樣品壓片直接置于樣品杯中進(jìn)行測定。

表2 使用麥拉膜對小麥中營養(yǎng)元素測定結(jié)果的影響

2.2 測量時間對測定結(jié)果準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSB－3），因?yàn)榱?、硫和鈣的濃度水平更低，結(jié)果也有較大偏差。

表3 營養(yǎng)元素分組測量時間單位／s

表4 不同測量時間下谷物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中營養(yǎng)元素測定結(jié)果

測量時間可在儀器推薦值的基礎(chǔ)上適當(dāng)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(dāng)延長錳和鋅所在條件組的測量時間，測得結(jié)果可滿足標(biāo)稱值的要求。而對于玉米樣品，可能因?yàn)榱缀外}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(yōu)化測量時間有助于提升測定的準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)稱值的要求。

2.3 樣品粒徑對測定結(jié)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(jié)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(jié)果的重復(fù)性。谷物的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在磨碎后過80目篩并混勻，現(xiàn)以小麥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSB－2）為例，繼續(xù)研磨并分別過100目和200目篩后，收集粉末各壓片3個進(jìn)行測定，元素含量的平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算結(jié)果見表5。數(shù)據(jù)表明，從80目到200目，各元素檢測結(jié)果及相對標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中營養(yǎng)元素測定結(jié)果的影響

2.4 實(shí)際谷物樣品中營養(yǎng)元素的測定

為了考察該方法的實(shí)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(jìn)行測定。將測定結(jié)果與ICP法檢測值比對，數(shù)據(jù)列于表6。通過配對t檢驗(yàn)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(jìn)一步證實(shí)了該方法的可靠性。

表6 實(shí)際谷物樣品中營養(yǎng)元素的測定結(jié)果比較

表6 （續(xù)）

3 結(jié)論

基于無標(biāo)樣定量分析的X射線熒光光譜法，通過改進(jìn)試驗(yàn)方法，優(yōu)化儀器參數(shù)，發(fā)展了一種同時快速測定谷物中多種營養(yǎng)元素的檢測方法，無需標(biāo)樣建立工作曲線、無需復(fù)雜樣品預(yù)處理，對于小麥和大米樣品，結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度均令人滿意。

［1］劉波靜.糧油食品中微量元素的分析及營養(yǎng)機(jī)制的研究［J］. 中國糧油學(xué)報(bào)，2001，16（3）：6 －9

Liu BJ.Investigation of trace elements in cereals and relative nutritional situation［J］.Journal of the Chinese Cereals and Oils Association，2001，16（3）：6 －9

［2］石榮麗，鄒春琴，芮玉奎，等.ICP－AES測定中國小麥微核心種質(zhì)庫籽粒礦質(zhì)養(yǎng)分含量［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（4）：1104 －1107

Shi RL，Zou CQ，Rui YK，et al.Application of ICP－AES to detecting nutrients in grain of wheat core collection of China［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2009，29（4）：1104－1107

［3］Jiang SL，Wu J G，F(xiàn)eng Y，et al.Correlation analysis of mineral element contents and quality traits in milled rice（Oryzastavia L.）［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2007，55（23）：9608 －9613

［4］Otaka A，Hokura A，Nakai I.Determination of trace elements in soybean by X－ray fluorescence analysis and its application to identification of their production areas［J］.Food Chemistry，2014，147：318 －326

［5］周明慧，伍燕湘，王松雪.國內(nèi)外糧谷中元素含量檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2013，15（4）：25－30

Zhou M H，Wu Y X，Wang SX.Current status and progress of internal and externaltesting standards for cereals elements［J］.Journal of Agricultural Science and Technology，2013，15（4）：25 －30

［6］孫建民，崔萌，高崢.痕量磷測定方法的研究及新進(jìn)展［J］. 微量元素與健康研究，2005，22（2）：55 －58 Sun JM，Cui M，Gao Z.Study and proceeding on the determination of trace phosphorus［J］.Studies of Trace Elements and Health，2005，22（2）：55 －58

［7］周大衛(wèi)，楊彥麗，林立，等.小麥粉中硫含量的本底測定［J］. 中國糧油學(xué)報(bào)，2008，23（5）：175 －179

Zhou DW，Yang YL，Lin L，et al.Determination of sulfur background in flour［J］.Journal of the Chinese Cereals and Oils Association，2008，23（5）：175 －179

［8］陸美斌，周明慧，王松雪，等.微波消解－電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定谷物中15種礦質(zhì)元素［J］.食品科技，2013，38（11）：268 －271

Lu MB，Zhou MH，Wang SX，et al.Determination of 15 mineral elements in cereals by ICP－AESwithmicrowave digestion［J］.Food Science and Technology，2013，38（11）：268－271

［9］Wei Y H，Zhang J Y，Zhang D W，et al.Simultaneous determination of Se，trace elements and major elements in Serich rice by dynamic reaction cell inductively coupled plasma mass spectrometry（DRC－ICP－MS）after microwave digestion［J］.Food Chemistry，2014，159：507 －511

［10］包生祥，王志紅.X－射線熒光光譜測定甜瓜中礦質(zhì)元素［J］. 分析化學(xué)，1999，27（5）：558 －561

Bao SX，Wang ZH.X－ray fluorescence spectrometric determination of mineral elements in muskmelon［J］.Chinese Journal of Analytical Chemistry，1999，27（5）：558 －561

［11］De La Calle I，Costas M，Cabaleiro N，et al.Fast method for multielemental analysis of plants and discrimination according to the anatomical part by total reflection X－ray fluorescence spectrometry［J］.Food Chemistry，2013，138：234－241

［12］Gunes A，Inal A，Kadioglu Y K.Determination of mineral element concentrations in wheat，sunflower，chickpea and lentil cultivars in response to P fertilization by polarized energy dispersive X －rayfluorescence［J］.X －Ray Spectrometry，2009，38：451 －462

［13］王志剛，李鳳全，陳勇提.X射線熒光結(jié)合分子式模擬分析圓白菜主、次量元素［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，2006，23（3）：626－628

Wang ZG，Li FQ，Chen YT.Analysis major and minor elements for cabbage by X－ray fluorescence spectrometry and simulation of molecular formula［J］.Chinese Journal of Spectroscopy Laboratory，2006，23（3）：626 －628

［14］王志剛，李鳳全.X射線熒光無標(biāo)半定量分析奶粉微量元素［J］. 廣東微量元素科學(xué)，2006，13（11）：64 －67

Wang ZG，Li FQ.Semi－quantitative analysis on microelements inmilk powder by XRF without standards［J］.Guangdong Trace Elements Science，2006，13（11）：64 －67

［15］陸安祥，王紀(jì)華，潘立剛，等.便攜式X射線熒光光譜測定土壤中Cr，Cu，Zn，Pb和As的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（10）：2848 －2852

LU AX，Wang JH，Pan LG，et al.Determination of Cr，Cu，Zn，Pb and As in soil by field portable X － ray fluorescence spectrometry［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2010，30（10）：2848 －2852.

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(tuán)應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)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(zhì)量與安全