稀釋酸微波消解輔助分析紅茶茶葉中微量元素

孫 杰， 陳志海*，， 汪 倫， 朱耿正， 聶繼華， 唐金順， 張舒羽， 陳發(fā)榮

（1.江蘇力維檢測(cè)科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000；2.蘇州大學(xué) 醫(yī)學(xué)部公共衛(wèi)生學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

紅茶茶葉的加工工藝，屬于全發(fā)酵茶，發(fā)源于中國(guó)武夷山市桐木關(guān)，紅茶具有養(yǎng)胃護(hù)胃和解毒等作用[1]。許多學(xué)者從各自的專業(yè)出發(fā)，對(duì)紅茶中的氨基酸、茶多酚[2]和重金屬元素[3]等方面進(jìn)行了大量研究，其中重金屬元素的污染[4]作為當(dāng)今重要的環(huán)境問(wèn)題之一，紅茶茶葉中微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況以及紅茶與綠茶中微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其浸出率的對(duì)比等方面[5]的研究方式也備受關(guān)注，但紅茶茶葉中微量元素的研究方式一直局限于與綠茶茶葉的對(duì)比或者質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小的報(bào)道，關(guān)于采用主成分分析法對(duì)紅茶茶葉中微量元素進(jìn)行研究的報(bào)道較少。并且對(duì)茶葉前處理的酸均為濃硝酸和鹽酸等濃酸[6-8]，長(zhǎng)期使用可能對(duì)人體傷害太大。本文結(jié)合國(guó)外方法EPA6020對(duì)ICP-MS的狀態(tài)及其測(cè)定過(guò)程進(jìn)行校準(zhǔn)，并且參考稀釋硝酸微波消解煤塊和食品類物質(zhì)的報(bào)道[9-10]。采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)定了8種紅茶茶葉中16種微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，建立了稀釋酸溶液微波消解紅茶茶葉樣品的新前處理方法，并利用SPSS20.0的主成分分析法和箱線圖對(duì)紅茶茶葉中16種微量元素進(jìn)行研究，計(jì)算了8種紅茶茶葉的綜合得分，對(duì)紅茶茶葉的質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為紅茶茶葉性質(zhì)的進(jìn)一步分析提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

主要使用美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的7500a ICPMS，美國(guó)培安公司生產(chǎn)的MARS微波消解儀，美國(guó)LABCONCO公司生產(chǎn)的真空冷凍干燥機(jī)，美國(guó)默克默理博公司生產(chǎn)的Milli-Q超純水純化系統(tǒng)。

優(yōu)化ICP-MS條件具體如下：將分析模式設(shè)置為定量分析；設(shè)置射頻功率范圍為1 350～1 360 W；采樣錐為鉑錐；設(shè)置采樣深度變化范圍為6.6～7.0 mm；設(shè)置等離子體氣流速范圍為14.0～15.0 L/min；設(shè)置載氣流速變化范圍為1.10～1.14 L/min；設(shè)置輔助氣流速為1.0 L/min；設(shè)置霧化室溫度為2.0℃；積分時(shí)間為0.3 s；采集次數(shù)為3次；分析測(cè)試前用10 μg/L 的 7Li、89Y、205Tl、140Ce 的調(diào)諧液按照安捷倫公司提供的使用說(shuō)明對(duì)ICP-MS靈敏度進(jìn)行調(diào)諧，使儀器達(dá)到分析測(cè)定要求，同時(shí)用調(diào)諧溶液做P/A調(diào)諧，使質(zhì)量數(shù)為7、89、205和140的元素檢測(cè)濃度達(dá)到分析要求。

使用的雙氧水和硝酸均為優(yōu)級(jí)純，Ar氣的純度為99.999%，考察準(zhǔn)確度的國(guó)家茶葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GBW07605，實(shí)驗(yàn)所用紅茶茶葉樣品 （標(biāo)記為S1-S8）均為從無(wú)錫某商場(chǎng)采購(gòu)所得。

1.2 紅茶茶葉中微量元素總量的測(cè)定

為減少由于茶葉中水分和茶葉表面的雜質(zhì)而引起的測(cè)定誤差，本次實(shí)驗(yàn)所使用的茶葉樣品首先經(jīng)過(guò)二次蒸餾水清洗一次，然后在-80℃超低溫冰箱中冷凍30 min，再經(jīng)冷凍干燥機(jī)中凍干24 h，然后粉碎，過(guò)80目篩，保存在4℃冰箱中備用。同時(shí)本次所用器皿均按照標(biāo)準(zhǔn)方法要求進(jìn)行清洗和保存。

（新方法N）：分別稱取0.3 g茶葉樣品放入消解罐中，加入6 mL濃度為2.1±0.2 mol/L的HNO3溶液之后，繼續(xù)加入2 mL 30%的H2O2溶液，放入微波消解儀中，設(shè)置溫度為100℃，功率為1 000 W，時(shí)間為1 h。然后放氣，冷卻至室溫，放氣，然后放入微波消解儀中按照以下4道程序進(jìn)行微波消解；4道程序功率均為運(yùn)行功率1 000 W，第一次升溫至90℃，升溫時(shí)間10 min，維持該溫度6 min，。然后設(shè)置第2道程序升溫至125℃，升溫時(shí)間14 min，維持該溫度7 min。第3道升溫程序設(shè)置為升溫至175℃，升溫時(shí)間15 min，維持該溫度8 min。第4道升溫程序設(shè)置為升溫至200℃，升溫時(shí)間16 min，維持該溫度9 min。

（現(xiàn)行方法X）：結(jié)合微波消解處理茶葉樣品的報(bào)道[11-13]，分別稱取0.3 g樣品放入微波消解灌中，然后添加6 mL濃硝酸和2 mL 30%的雙氧水溶液，放置一夜之后，放氣，按照以下3道程序進(jìn)行自動(dòng)消解：升溫至100℃，功率為800 W，升溫時(shí)間為10 min，保持5 min，然后升溫至140℃，升溫時(shí)間設(shè)為10 min，保持 5 min，最后升溫至180℃，升溫時(shí)間為10 min，保持5 min，冷卻至室溫。

同時(shí)在測(cè)定過(guò)程中每批測(cè)定樣品中均用二次蒸餾水定質(zhì)量至30 g左右，過(guò)0.22 μm的膜，同時(shí)測(cè)定3份國(guó)家茶葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07605）平行樣品和空白樣品，并且在測(cè)定的過(guò)程中每測(cè)定20個(gè)樣品時(shí)，測(cè)定一次10 μg/kg的標(biāo)準(zhǔn)溶液作為質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，然后使用空白溶液清洗儀器進(jìn)樣管道1～2 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 新前處理方法分析

使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定復(fù)雜有機(jī)質(zhì)中無(wú)機(jī)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，最常用的酸是濃硝酸，但是最理想的狀況是使用最小量的酸使含有機(jī)質(zhì)樣品消解完全[11]，原因是酸用量越少，酸殘留越少，測(cè)定準(zhǔn)確度越高。同時(shí)微波消解升溫程序采用階段式升溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明當(dāng)微波只運(yùn)行到前3步驟時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶液偏黃，而且轉(zhuǎn)移到聚乙烯瓶中會(huì)發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)異物，然而運(yùn)行到第4步驟的時(shí)候，溶液透明、澄清而且無(wú)可見(jiàn)異物。所以以上均充分說(shuō)明新方法設(shè)置的必要性。此外，采用逐級(jí)升溫方式的主要原因是在低溫時(shí)溶液中液液全部接觸充分反應(yīng)，并且當(dāng)高溫階段的時(shí)候NO+O2可以形成NO2，NO2進(jìn)入水中可以形成硝酸繼續(xù)使用。

為了驗(yàn)證2.1±0.2 mol/L的HNO3溶液適用性，在進(jìn)行測(cè)定樣品之前，分別采用6 mL不同濃度的HNO3溶 液 （2.1±0.2 mol/L、4.2±0.2mol/L、7.3±0.2 mol/L、14.2±0.2 mol/L 和濃硝酸） 和 2 mL H2O2溶液，運(yùn)用微波消解的方式處理國(guó)家茶葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07605），經(jīng)處理的標(biāo)準(zhǔn)偏差的絕對(duì)值情況（測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間差值），主要經(jīng)過(guò)通過(guò)V、Cr、Co、As的差值均擴(kuò)大100倍，Mn、Fe的差值擴(kuò)大為0.1倍，Ni、Sr和 Pb 的差值擴(kuò)大為 10 倍，Cu、Zn 和 Ba的差值不變，Se、Cs 的差值擴(kuò)增為 1 000 倍，Ag、Cd的差值擴(kuò)增為10 000倍，結(jié)果如圖1所示，然后運(yùn)用SPSS20.0顯著性差異分析方法分析2.1±0.2 mol/L和14.2±0.2 mol/L的硝酸溶液、2.1±0.2 mol/L和濃硝酸結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差均不存在顯著性差異 （P＞0.05），說(shuō)明2.1±0.2 mol/L的硝酸溶液可以用來(lái)替代常用濃硝酸溶液。

圖1 不同硝酸濃度條件下測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差值比較圖Fig.1 Picture of comparison with standard deviation between determined values and standard values under different concentration conditions

2.2 新方法準(zhǔn)確度和精確度的驗(yàn)證

由于樣品基體的復(fù)雜性和多樣性，為確保本次方法的準(zhǔn)確性和精確度，在選定的條件下分析了國(guó)家茶葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07605）中的微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從表1可以看出元素的回收率的變化范圍為90%～116%，RSD＜5%，線性較好，并且與現(xiàn)行方法測(cè)定值進(jìn)行比較，運(yùn)用SPSS20.0單因素方差分析，得出P＞0.05，說(shuō)明不存在顯著性差異，因此本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

表 1 茶葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07605）的分析Table 1 Analytical results of trace elements in National Reference Standard Materials（GBW07605）

2.3 紅茶茶葉中微量元素分析

列舉了8種紅茶茶葉中16種微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見(jiàn)表2），其中Cs元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.152～0.587 μg/g，V 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為 0.104～0.419 μg/g，Ba 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為 1.244～23.476 μg/g，Ba元素最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)值為最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)值的18.87倍。同時(shí)測(cè)定了大量人體必需微量元素如Sr、Fe、Zn、Mn 等，質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別為 Sr：1.14～11.548 μg/g，F(xiàn)e：579～1 456 μg/g，Zn：11.613～40.277 μg/g，Mn：1 620～4 670 μg/g。 也測(cè)定了 As、Cd、Cr、Pb 等有毒有害元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合《中華人民共和國(guó)食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)》（GB2762-2012）中相應(yīng)元素的限量值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本次測(cè)定的8種紅茶茶葉樣品中Pb、Cd元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量值，有6種紅茶茶葉中的Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于限量值，說(shuō)明紅茶茶葉有輕度的Cr污染，8種紅茶茶葉中的As元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于限量值，可見(jiàn)As元素污染問(wèn)題嚴(yán)重。

表2 不同紅茶茶葉中微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Contents of trace elements in different black tea lea leaves μg/g

續(xù)表2

運(yùn)用SPSS20.0繪制出8種紅茶茶葉樣品中16種微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況，經(jīng)過(guò) V、Co、As、Se、Cs和Pb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)擴(kuò)增10倍，F(xiàn)e和Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)擴(kuò)增 0.01 倍，Cr、Ni、Sr、Ba 不變，Cu 和 Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)擴(kuò)展0.1倍，Ag和Cd分別擴(kuò)展為100倍和1 000倍，結(jié)果如圖 2 所示。 V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb分布均與，而且較為集中；而Cs和As元素的最大值與其最小值、25%和中間值相差較大；Se、Sr、Ag、Ba元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布出現(xiàn)異常。

根據(jù)表 3 可知，Zn、Se、Cu、Pb 和 Cd 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值均小于已報(bào)道值，其中已報(bào)道Cd元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值是測(cè)定平均值的43.53倍，可見(jiàn)在紅茶茶葉的種植、采摘、加工和運(yùn)輸過(guò)程中Cd元素的污染得到了很好的控制。 Cr、Fe、As、Ni、Mn 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值均大于相應(yīng)已報(bào)道值，其中Fe、As和Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別是已報(bào)道值的7.56、12.53和4.7倍，進(jìn)一步說(shuō)明在紅茶茶葉的生產(chǎn)過(guò)程中As元素污染嚴(yán)重。

圖2 茶葉中16種微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖Fig.2 Distribution of 16 kinds of elements in tea leaves

表3 測(cè)定平均值與已報(bào)道值的比較Table 3 Comparison of the mean determined values with the reported values μg/g

2.4 紅茶茶葉中微量元素的主成分分析

由表4分析各因子的特征值和方差貢獻(xiàn)率可知，紅茶茶葉中3個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.381%，可以用于描述紅茶茶葉中微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況，通過(guò)表5載荷矩陣分析可知，第一主成分與 V、Sr、Cr、Ba、Fe 存在高度正相關(guān)關(guān)系，其中V元素具有促進(jìn)人體內(nèi)脂質(zhì)代謝和抑制膽固醇合成的作用，Sr元素是骨骼和牙齒重要組成部分，可用含有Sr元素的藥物治療由于副甲狀腺功能不全而引起的抽搐癥狀，缺Sr會(huì)導(dǎo)致齲齒等癥狀，F(xiàn)e元素對(duì)人體中生理和代謝過(guò)程存在重要作用。第二主成分與As存在高度正相關(guān)關(guān)系，第三主成分與Zn存在高度負(fù)相關(guān)關(guān)系，Zn元素對(duì)人體生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞功能和調(diào)節(jié)機(jī)體免疫有重要作用，通過(guò)以上分析表明V、Sr、Cr、Ba、Fe、As和 Zn 為紅茶茶葉的主成分元素。

表4 主成分特征值和方差貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues and variance of main factors in the contributuion rate

表5 載荷矩陣Table 5 Load matrix

根據(jù) F=0.422 17F1+0.201 66F2+0.179 99F3結(jié)合主成分載荷矩陣計(jì)算8種紅茶茶葉綜合得分，通過(guò)表6的分析可知8種紅茶茶葉的質(zhì)量綜合排名為：S1＞S4＞S5＞S3＞S7＞S2＞S8＞S6，為紅茶茶葉的評(píng)價(jià)提供了理論基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了稀釋硝酸溶液與雙氧水溶液微波消解前處理茶葉樣品的新方法，并結(jié)合國(guó)外方法EPA6020對(duì)儀器和測(cè)定過(guò)程進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)采用微波消解ICP-MS的方法給出了8種紅茶茶葉中16種微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，得出了如下結(jié)論：

（1）確定硝酸溶液的濃度為 2.1±0.2 mol/L時(shí)可以替代濃硝酸溶液使用，結(jié)果準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性較好，并且節(jié)約、對(duì)身體無(wú)傷害。

（2）8種紅茶茶葉中Pb、Cd元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于限量值，有6種紅茶茶葉中的Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于限量值，As元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于限量值，已報(bào)道Cd元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值是測(cè)定平均值的43.53倍，As元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值是已報(bào)道值的12.53倍，結(jié)果說(shuō)明在紅茶茶葉的生產(chǎn)過(guò)程中As元素污染嚴(yán)重，有輕度的Cr污染而Cd元素污染在紅茶茶葉的種植、采摘、加工和運(yùn)輸過(guò)程中得到了很好的控制。

表6 8種紅茶茶葉的綜合排名Table 6 Comprehensive evaluation in 8 kinds of black tea leaves

（3）通過(guò)箱線圖分析16種微量元素的分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除S1樣品中Ba元素以外，整體分布較為集中。

（4）通過(guò)主成分分析法對(duì)8種紅茶茶葉中16種微量元素分析，表明 V、Sr、Cr、Ba、Fe、As和 Zn 為紅茶茶葉的主成分元素，對(duì)8種紅茶茶葉的質(zhì)量做出了評(píng)價(jià)，為紅茶茶葉性質(zhì)的研究方式提供了理論基礎(chǔ)。