基于能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)對(duì)茶葉檢測(cè)條件的優(yōu)化

馬江媛，桑曉霞，李葉麗，黃登宇*

1(山西大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原，030006)2(山西大學(xué)食品藥品快速檢測(cè)中心，山西 太原，030006)

中國是茶的發(fā)源地，有著悠久的歷史，且茶葉品種繁多[1-2]，受到世界各國人民的大力追捧。茶葉中含有豐富的化合物, 包括茶多酚 (25%～35%)、茶多糖 (20%～25%)、蛋白質(zhì) (25%～30%) 以及26種氨基酸、50余種礦質(zhì)元素和維生素等多種功能性成分[3]。因此，很長(zhǎng)時(shí)間以來，茶葉一直被人們視為預(yù)防衰老、預(yù)防高血壓、降低血脂的重要飲品。目前，我國將茶葉基本分為：紅茶、綠茶、黃茶、白茶、黑茶、烏龍茶六大類[4]。但是，茶葉中也含有極少量的重金屬元素[5]。當(dāng)前重金屬超標(biāo)問題是繼農(nóng)藥殘留問題之后，在我國茶葉質(zhì)量安全問題中日漸突出的又一重要問題[6]。

茶葉中重金屬的檢測(cè)方法有原子吸收光譜法[7-10]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[11-14]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、分光光度法[15-16]以及其他多種新興發(fā)展起來的檢測(cè)技術(shù)。但是這些檢測(cè)方法維修費(fèi)用高，操作復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求，而采用能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)(energy dispersive X-ray fluorescesce spectrometry，EDXRF)檢測(cè)，可以很好地克服上訴缺點(diǎn)[17]，而且檢測(cè)的精密度和穩(wěn)定性還比較好，可滿足食品快速檢測(cè)要求。本文建立了茶葉中重金屬元素的EDXRF檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)過程涉及到若干技術(shù)環(huán)節(jié)，比如前處理過程[18]、檢測(cè)過程中常用技術(shù)[19]等，這些環(huán)節(jié)都會(huì)影響最后的測(cè)量精度，而本文重點(diǎn)針對(duì)儀器檢測(cè)條件的優(yōu)化進(jìn)行深入研究，為茶葉中重金屬元素的檢測(cè)提供新的方法依據(jù)，同時(shí)也拓寬EDXRF檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

茉莉花茶；玫瑰花茶；金銀花茶；菊花茶；黃山綠茶；工夫紅茶。

電子天平(BSA224S)，德國Sartorius公司；標(biāo)準(zhǔn)篩，紹興市上虞區(qū)道墟五四儀器廠；粉末壓片機(jī)(PC-12)，天津精拓儀器公司；100 g手提式粉碎機(jī)(HK-02A)，廣州旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司；EDXRF熒光光譜儀(EDX8300H)，北京賽必達(dá)科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品預(yù)處理

主要選用茉莉花茶作為實(shí)驗(yàn)樣品，將茉莉花茶樣品用粉碎機(jī)粉碎，過不同目數(shù)標(biāo)準(zhǔn)篩，置于干燥環(huán)境，儲(chǔ)存?zhèn)溆?。并將粉碎好的茉莉花茶粉末樣品在壓片機(jī)不同壓力作用下壓制成緊實(shí)的片狀樣品，便可直接上機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，以儀器顯示的計(jì)數(shù)率為檢測(cè)指標(biāo)，其中計(jì)數(shù)率是指在X射線熒光光譜分析中，X射線強(qiáng)度是以單位時(shí)間通過探測(cè)器窗口的入射X射線光子數(shù)。

1.2.2 EDXRF技術(shù)操作步驟

預(yù)熱：開機(jī)預(yù)熱30 min，使得儀器處于穩(wěn)定狀態(tài)。

初始化條件：初始化元素Ag；管壓45 kV；管流300 mA；儀器溫度16 ℃；真空度93.0 kPa；測(cè)量時(shí)間90 s，放置Ag片上機(jī)初始化。

樣品測(cè)定條件：管壓45 kV；管流300 mA；儀器溫度16 ℃；真空度93.0 kPa。

1.2.3 檢測(cè)條件優(yōu)化

1.2.3.1 儀器檢測(cè)時(shí)間優(yōu)化

控制儀器檢測(cè)時(shí)間為唯一變量，其他條件均一致。對(duì)選定的茉莉花茶粉末樣品，過120目標(biāo)準(zhǔn)篩，在電子天平上精密稱取4 g，經(jīng)30 MPa壓力壓片30 s制成片狀樣品，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，初步設(shè)置儀器檢測(cè)時(shí)間分別為5、30、60、90、120、150 s，對(duì)制備好的樣品進(jìn)行上機(jī)檢測(cè)，記錄不同儀器檢測(cè)時(shí)間下的計(jì)數(shù)率，確定最優(yōu)條件。

1.2.3.2 樣品顆粒粒徑優(yōu)化

控制茉莉花茶粉末樣品顆粒粒徑大小為唯一變量，其他條件均一致，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，初步過140、100、80、40目標(biāo)準(zhǔn)篩和未過篩的茉莉花茶樣品粉末，分別精密稱取4 g，經(jīng)25 MPa壓力壓片30 s制成片狀樣品，在儀器檢測(cè)時(shí)間為90 s條件下進(jìn)行檢測(cè)，記錄不同樣品顆粒粒徑大小下的計(jì)數(shù)率，確定最優(yōu)條件。

1.2.3.3 樣品顆粒緊實(shí)度優(yōu)化

控制樣品顆粒緊實(shí)度為唯一變量，其他條件均一致。對(duì)選定的茉莉花茶粉末樣品，過140目標(biāo)準(zhǔn)篩，在電子天平上準(zhǔn)確稱取5份，每份4 g，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，初步在10、15、20、25、30 MPa五種壓力下壓片30 s制成片狀樣品，在儀器檢測(cè)時(shí)間為90 s條件下進(jìn)行檢測(cè)，記錄不同樣品顆粒緊實(shí)度下的計(jì)數(shù)率，確定最優(yōu)條件。

1.2.3.4 樣品厚度優(yōu)化

控制待測(cè)樣品質(zhì)量為唯一變量，其他檢測(cè)條件均一致。對(duì)選定的茉莉花茶樣品，過140目標(biāo)準(zhǔn)篩，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在電子天平上分別初步精密稱取2、3、4、5 g，經(jīng)25 MPa壓力壓片30 s制成片狀樣品，在儀器檢測(cè)時(shí)間為90 s條件下進(jìn)行檢測(cè)，記錄不同樣品厚度下的計(jì)數(shù)率，確定最優(yōu)條件。

1.2.4 EDXRF技術(shù)對(duì)不同種類茶葉的檢測(cè)

將不同種類的茶葉(玫瑰花茶、金銀花茶、菊花茶、黃山綠茶、工夫紅茶)，對(duì)其重金屬按上訴實(shí)驗(yàn)過程和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，記錄計(jì)數(shù)率。

1.2.5 方法學(xué)評(píng)價(jià)

對(duì)EDXRF技術(shù)檢測(cè)茶葉中的重金屬方法的精密度和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定。取1份待測(cè)樣品，按上訴優(yōu)化結(jié)果操作，連續(xù)檢測(cè)5次，評(píng)價(jià)方法的精密度。精密度常用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示。取1份待測(cè)樣品，按上訴優(yōu)化結(jié)果操作，每隔30 min檢測(cè)1次，連續(xù)測(cè)定5組，評(píng)價(jià)方法的穩(wěn)定性,通常用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來衡量如公式(1)：

(1)

1.2.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2016軟件，制圖采用Oiginpro 7.5軟件。每組實(shí)驗(yàn)平行重復(fù)3次，取平均值作為最終的測(cè)量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 儀器檢測(cè)時(shí)間優(yōu)化

由圖1可以看出，當(dāng)儀器檢測(cè)時(shí)間達(dá)到30 s時(shí)，計(jì)數(shù)率明顯提高，隨著檢測(cè)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，計(jì)數(shù)率將不再有明顯變化。由圖2可以看出，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間為5、30 s時(shí)，RSD之間的差異較大；當(dāng)檢測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)至60 s以上時(shí)，RSD之間的差異顯著縮小，且檢測(cè)結(jié)果之間的RSD均不超過0.20%。原因可能是剛開始時(shí)，光源沒有將樣品完全激發(fā)，或者樣品散射的X射線熒光沒有被探測(cè)器完全吸收，因此檢測(cè)到的計(jì)數(shù)率較小。當(dāng)檢測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)，檢測(cè)精密度越高，為了提高儀器檢測(cè)的準(zhǔn)確度，可以適當(dāng)延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間或者增加檢測(cè)次數(shù)，從而降低相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，但并非檢測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)越好，因?yàn)楫?dāng)達(dá)到一定檢測(cè)時(shí)間后，儀器的精確度與檢測(cè)時(shí)間會(huì)有平衡點(diǎn)[20]。綜合考慮儀器的檢測(cè)精度以及檢測(cè)效率、儀器的使用壽命等因素，因此選擇檢測(cè)時(shí)間為90 s。

圖1 檢測(cè)時(shí)間對(duì)檢測(cè)計(jì)數(shù)率的影響Fig.1 Effect of detection time on detection counting rate

圖2 檢測(cè)時(shí)間對(duì)RSD值的影響Fig.2 Effect of detection time on RSD values

2.2 樣品顆粒粒徑優(yōu)化

由圖3可以看出，隨著標(biāo)準(zhǔn)篩目數(shù)的增加，茶葉粉末樣品顆粒粒徑的減小，檢測(cè)到的計(jì)數(shù)率不斷增加。其原因可能是粉狀待測(cè)樣品顆粒粒徑大小及其分布狀態(tài)會(huì)對(duì)樣品的均一度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響待測(cè)樣品所測(cè)得的X射線熒光強(qiáng)度[21]。因?yàn)椴煌念w粒粒徑對(duì)初級(jí)X射線會(huì)產(chǎn)生不同的激發(fā)效果，對(duì)激發(fā)產(chǎn)生的熒光也會(huì)有不同的影響，進(jìn)而干擾所測(cè)得的熒光強(qiáng)度。結(jié)合實(shí)際操作情況，選擇的茶葉粉末樣品為過140目標(biāo)準(zhǔn)篩的粉末樣品比較合適。

圖3 茶葉顆粒粒徑對(duì)計(jì)數(shù)率的影響Fig.3 Effect of tea particle size on counting rate注：0表示未過篩的茶葉粉末樣品

2.3 樣品顆粒緊實(shí)度優(yōu)化

由圖4可以看出，隨著壓力的逐漸增大，計(jì)數(shù)率也逐漸增大，當(dāng)壓力達(dá)到25 MPa時(shí)，計(jì)數(shù)率基本保持穩(wěn)定，不再有明顯變化。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采用的粉末壓片法是對(duì)固體粉末進(jìn)行制樣，相對(duì)于液體樣品，其中會(huì)含有更多的空氣，而縫隙中的空氣不僅能夠吸收X射線，而且還會(huì)發(fā)生一定程度的散射[22-23]，進(jìn)而影響檢測(cè)效果。故本實(shí)驗(yàn)選擇25 MPa，壓片30 s制樣。

圖4 壓片壓力對(duì)計(jì)數(shù)率的影響Fig.4 Effect of tableting pressure on counting rate注：0表示未經(jīng)過壓片作用的茶葉粉末樣品

2.4 樣品厚度優(yōu)化

樣品厚度通過樣品質(zhì)量來表示，由圖5可以看出，樣品不同質(zhì)量對(duì)計(jì)數(shù)率會(huì)產(chǎn)生顯著影響，且隨著樣品質(zhì)量的增加，計(jì)數(shù)率顯著增大，當(dāng)樣品質(zhì)量達(dá)到4 g以上時(shí)，計(jì)數(shù)率的變化在不斷縮小。因?yàn)樵贓DXRF檢測(cè)時(shí)，X射線熒光本身具有一定的能量，同時(shí)樣品對(duì)X射線也會(huì)發(fā)生一定程度的吸收和散射作用。當(dāng)樣品質(zhì)量過大時(shí)，X射線熒光不能完全穿透樣品而發(fā)射出去；當(dāng)樣品質(zhì)量過少時(shí)，達(dá)不到所需要的厚度，X射線熒光會(huì)直接穿透樣品而不能夠被探測(cè)器檢測(cè)到[24]。在量杯固定的條件下，樣品的厚度與質(zhì)量成正比線性相關(guān)，樣品質(zhì)量越大，則厚度越大。因此，綜合考慮既能提高檢測(cè)精度，又不需要過多樣品等因素，選擇樣品檢測(cè)質(zhì)量為4 g比較合適。

圖5 樣品質(zhì)量對(duì)計(jì)數(shù)率的影響Fig.5 Effect of sample thickness on counting rate

2.5 EDXRF技術(shù)對(duì)不同種類茶葉的檢測(cè)

基于EDXRF技術(shù)對(duì)不同類型茶葉的檢測(cè)結(jié)果見圖6～圖9，通過對(duì)比可以知道，片狀樣品(優(yōu)化條件)與粉末狀樣品(未優(yōu)化條件)檢測(cè)結(jié)果差異較小，但片狀樣品(優(yōu)化條件)測(cè)得的計(jì)數(shù)率明顯高于未過篩、未壓片的茶葉粉末樣品(未優(yōu)化條件)測(cè)得的結(jié)果。且基于該技術(shù)對(duì)不同類型茶葉的檢測(cè)精密度以及穩(wěn)定性均較好，滿足檢測(cè)要求。

圖6 基于EDXRF技術(shù)對(duì)玫瑰花茶檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Detection results of rose tea based on EDXRF technology

圖7 基于EDXRF技術(shù)對(duì)金銀花茶檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Detection results of honeysuckle tea based on EDXRF technology

圖8 基于EDXRF檢測(cè)技術(shù)對(duì)菊花茶的檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Detection results of chrysanthemum tea based on EDXRF detection technology

圖9 基于EDXRF技術(shù)對(duì)黃山綠茶檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Detection results of Huangshan green tea based on EDXRF technology

2.6 方法學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果

EDXRF技術(shù)對(duì)茶葉片狀樣品連續(xù)測(cè)定5組，計(jì)數(shù)率分別為16 406.0、16 399.5、16 405.7、16 411.0、16 408.2，RSD為0.03%，符合國標(biāo)GB 5009.12-2017中規(guī)定的精密度要求[25]。EDXRF技術(shù)對(duì)茶葉片狀樣品，每隔30 min檢測(cè)1次，連續(xù)測(cè)定5組，計(jì)數(shù)率分別是16 481.3、16 440.7、16 405.4、16 438.5、16 406.0，RSD為0.19%。采用EDXRF技術(shù)對(duì)不同種類的茶葉樣品中的重金屬檢測(cè)后，精密度和穩(wěn)定性的RSD均小于5%。

3 結(jié)論

通過對(duì)檢測(cè)條件的優(yōu)化，最終確定為過140目標(biāo)準(zhǔn)篩的茉莉花茶粉末樣品，稱取4 g，25 MPa壓力壓片30 s，制得片狀樣品，在檢測(cè)時(shí)間為90 s時(shí)，儀器所測(cè)得計(jì)數(shù)率最高，且此時(shí)檢測(cè)結(jié)果的精密度為0.03%，穩(wěn)定性為0.19%，在最優(yōu)條件下對(duì)其他種類的茶葉樣品進(jìn)行相同方法的檢測(cè)，得出片狀樣品檢測(cè)結(jié)果普遍優(yōu)于粉末樣品，精密度和穩(wěn)定性均小于5%的結(jié)論。表明EDXRF技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)包括傳統(tǒng)茶以及代用茶在內(nèi)的所有茶葉的檢測(cè)。說明該方法精密度和穩(wěn)定性都比較高。

食品安全質(zhì)量檢測(cè)越來越向無損化、簡(jiǎn)單化、智能化方向發(fā)展[26]。為了進(jìn)一步提高儀器的檢測(cè)精度，可以從儀器構(gòu)造方面著手，優(yōu)化儀器結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高檢測(cè)精度準(zhǔn)確度。在后期的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為X射線熒光光譜儀拓展應(yīng)用范圍，并為X射線熒光檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)茶葉樣品的快速檢測(cè)探索方法依據(jù)，為一線監(jiān)管人員提供便利。