ICP-MS法測(cè)定不同品種茶樹中26種元素及評(píng)價(jià)分析

茶樹［Camelliasinensis（L.）O.Kuntze]是屬于山茶科山茶屬的多年生常綠木本植物，茶制品中不僅含有茶多酚、氨基酸、咖啡堿等活性物質(zhì)，還富含多種礦質(zhì)元素，在全世界被公認(rèn)為天然的綠色健康飲品[]。茶樹在生長(zhǎng)過程中，葉片中的礦質(zhì)元素?zé)o法通過自身合成，需要從土壤、水源和大氣中吸取，不同產(chǎn)區(qū)以及不同品種特性均可能對(duì)元素的吸取產(chǎn)生一定影響[2]。茶葉中富含人體所必需的大量元素和微量元素，其在人體中發(fā)揮著抗氧化、增強(qiáng)免疫力、預(yù)防心血管疾病等功能[3]。但茶葉中也可能含有有害元素，這些有害元素多源于茶園中農(nóng)戶使用的肥料和不合法的農(nóng)藥噴施，長(zhǎng)期飲用有害元素超標(biāo)的茶葉會(huì)導(dǎo)致有害元素富集，從而對(duì)身體產(chǎn)生危害[4]。因此，需要對(duì)茶葉中的有益元素和有害元素進(jìn)行測(cè)定分析，擴(kuò)大和加強(qiáng)茶葉中有害元素的預(yù)警機(jī)制，以此來控制茶葉的品質(zhì)。

在元素測(cè)定方法中，原子吸收光譜法（AAS）原子熒光光譜法（AFS）、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）、電感耦合原子發(fā)射光譜法（ICP-OES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）等均被廣泛使用[5]。ICP-MS在環(huán)境檢測(cè)、食品檢驗(yàn)等領(lǐng)域應(yīng)用較多，具有高靈敏度、低檢出限、線性范圍寬、干擾少以及可以同時(shí)測(cè)定多元素等優(yōu)點(diǎn)，是目前用來測(cè)定元素最準(zhǔn)確的方法之一[6]。

目前針對(duì)茶葉中的有機(jī)成分研究較多，無機(jī)元素方面的研究仍然較為缺乏。筆者采集了42個(gè)品種的茶樹樣品，利用超級(jí)微波消解法結(jié)合ICP-MS，對(duì)其26種元素進(jìn)行測(cè)定，初步分析茶樹葉片中不同元素的含量特征，并通過相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析對(duì)不同品種茶樹中的特征元素進(jìn)行探索，以期對(duì)這些茶葉進(jìn)行質(zhì)量和安全性評(píng)價(jià)，為不同茶樹多元素含量研究提供理論依據(jù)

1材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1試材。以市舒城縣九一六茶廠茶樹資源圃L 中42個(gè)茶樹品種為供試材料，其品種名稱、育種地區(qū)和品種特性等信息詳見表1。1.1.2試劑。鉀、鈣、鎂、鈉、錳、鐵、鋅、鎳、鍶、銅、鉻、鈷、鉬、錫、硒、釩、鋁、硼、鈦、鋇、鉈、鉛、鎘、銻、砷、汞元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（ ，國家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心）；鍺內(nèi)標(biāo)元素儲(chǔ)備液（ ，壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司）；銦、鉍內(nèi)標(biāo)元素儲(chǔ)備液（ 1000mg/L ，壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司）；Multi-ElementTuneA調(diào)諧液（ 10mg/L ，賽默飛世爾科技有限公司）；優(yōu)級(jí)純硝酸（西隴科學(xué)股份有限公司）。

1.1.3儀器。X-SeriesⅡ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（賽默飛世爾科技有限公司）；UItraWAVE20101370型超級(jí)微波消解儀（意大利Milestone公司）；趕酸電熱板（奧普樂科技集團(tuán)有限公司）；Milli-QDirect8型超純水機(jī)（密理博公司）；ME204E/02型電子天平（常熟市百靈天平儀器有限公司）；P70F23P-G5微波爐（廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司）；TUBE-MILL1O0粉碎機(jī)（艾卡儀器設(shè)備有限公司）；BC/BD-528DT冰柜（美菱股份有限公司）；5＼～50和 100～1000uL移液器（艾本德Eppendorf公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1樣品前處理。現(xiàn)場(chǎng)采集茶樹資源圃中的不同品種茶樹的第二葉約 250g ，使用微波爐進(jìn)行統(tǒng)一微波烘干，步驟如下： ① 高火 1min ，翻轉(zhuǎn)； ② 高火 1min ，翻轉(zhuǎn)； ③ 中高火 1min 翻轉(zhuǎn)； ④ 中火 2min ，翻轉(zhuǎn)； ⑤ 中低火 3min 。取適量烘干后的茶葉樣品，使用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過60目網(wǎng)篩后裝入密封袋，于 冰柜備用。電子天平準(zhǔn)確稱取約 茶葉樣品置于石英消解管，依次加入 2.00mL 超純水 硝酸后搖勻，加蓋放置過夜進(jìn)行自行消解，次日將自行消解過的樣品放人微波消解儀，按照操作步驟進(jìn)行微波消解，步驟如下： ① 溫度 ，壓力 15000kPa ，保持 8min ② 溫度 ，壓力 15000kPa ，保持 12min ③ 溫度 ，壓力15000kPa ，保持 10min 。消解結(jié)束后冷卻至室溫，開蓋置于 趕酸電熱板趕酸至剩余溶液 1mL 左右，冷卻至室溫后將剩余溶液轉(zhuǎn)移至 50mL 容量瓶，超純水定容備用，同時(shí)做空白對(duì)照，每個(gè)樣品做3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。

1.2.2標(biāo)準(zhǔn)溶液制備。移液器吸取元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，使用0.5% 硝酸水配制成下列標(biāo)準(zhǔn)系列： ①A 系列，元素 、Mg，Na，Mn，F(xiàn)e，Al 標(biāo)準(zhǔn)液梯度濃度均為 0.500，1000，2000， 5000.8000.10000ng/mL ②B 系列，元素 Ba標(biāo)準(zhǔn)液梯度濃度均為 0.1，5，10，50，80，100ng/mL； ③C 系列，元素 Cr，Co，Ni，Tl，Pb，V 標(biāo)準(zhǔn)液梯度濃度均為0、1、2、5、10.20.50 ④④ 系列，元素 As、Cd、Mo，Sb、Hg、Se標(biāo)準(zhǔn)液梯度濃度均為 0，0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0ng/mL ⑤F 系列，內(nèi)標(biāo)元素 濃度均為 50ng/mL 。

1.2.3儀器準(zhǔn)備與樣品測(cè)定。ICP-MS真空系統(tǒng)壓力lt; ，配制高純液氬（純度 ？99.999% ），氬氣分壓設(shè)定為 0.60～0.70MPa 。點(diǎn)燃等離子體后預(yù)熱儀器約 30min 使用 1ng/mL 調(diào)諧液將儀器條件進(jìn)行優(yōu)化并保存方法，等離子氣流速為 14.0～15.0L/min ，霧化器壓力為 150～250kPa 調(diào)頻發(fā)射功率為 ，霧化器流速為0.8＼～1.2L/min 。檢測(cè)方法為普通反應(yīng)池分析模式，分析模式為全定量分析，重復(fù)掃描次數(shù)100次，重復(fù)測(cè)定3次。

1.2.4標(biāo)準(zhǔn)曲線和方法檢出限。依次吸取各標(biāo)準(zhǔn)系列的標(biāo)準(zhǔn)溶液在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定，以各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)（X） 、各元素測(cè)得的響應(yīng)值為縱坐標(biāo)（Y）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到各個(gè)元素的線性回歸方程和決定系數(shù) 。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，連續(xù)測(cè)定空白樣品11次，以測(cè)得值的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為各元素的方法檢出限。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析利用WPSOffice辦公軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，使用IBMSPSSStatistics22軟件對(duì)茶樹樣品中元素進(jìn)行主成分分析，利用Origin 軟件進(jìn)行各元素間相關(guān)性分析和不同茶樹樣品的聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1線性方程與檢出限在儀器狀態(tài)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的條件下，該研究建立了超級(jí)微波消解-IPC-MS測(cè)定茶樹樣品中26種元素的方法，首先對(duì)26種元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性方程和方法檢出限進(jìn)行擬合和計(jì)算，各元素的線性范圍、線性方程、決定系數(shù)和方法檢出限見表2。從表2可以看出，26種元素的線性關(guān)系良好，決定系數(shù) 為0.9975～0.9999 ，方法檢出限為

2.2茶樹樣品元素含量分析準(zhǔn)確稱取42個(gè)茶樹品種樣品，按照試驗(yàn)方法進(jìn)行制備并對(duì)樣品溶液進(jìn)行測(cè)定，將茶樹樣品所含各個(gè)元素的最小值、最大值、平均值、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）進(jìn)行匯總，見表3。從表3可以看出，所有茶樹樣品的RSD均小于 10.0% ，表明測(cè)定值穩(wěn)定可靠。在大量元素中，茶樹樣品中K元素含量最高，平均值高達(dá) 23943.511mg/kg Ca元素含量次之，平均值為 4931.673mg/kg；Mg 元素含量在不同樣品中較為平均；但不同茶樹品種中的 元素含量差異較為明顯，最小值僅有947～846mg/kg，最大值為3223.676mg/kg ，最大值是最小值的3.4倍。

在必需微量元素中，樣品中 Mn 元素含量最高，平均值為 1632.786mg/kg，F(xiàn)e 元素含量次之，不同品種之間差異較大，最大值是最小值的4.5倍。 元素平均值在11.595～42.751mg/kg ，其中Cu元素最大值 15.947mg/kg 低于NY/T288—2018《綠色食品茶葉》中Cu限量值（ Cu？ 30mg/kg） 。 元素平均值在 0.182～1.702mg/kg 部分樣品中Mo元素未檢出，平均值為 0.045mg/kg ；茶樹樣品中Se元素最大值為 ，未達(dá)到NY/T600—2002《富硒茶》的標(biāo)準(zhǔn)，均不屬于富硒茶；所有茶樹樣品中的V元素均未檢出。

在非必需微量元素中，樣品中Al元素含量最高，平均值為 732.754mg/kg；B 元素在不同樣品中差異較大，最大值約為最小值的26.9倍；Ti元素在不同樣品中較為平均；Ba元素在部分樣品中未檢出，平均值為 5.730mg/kg ；樣品中TI元素含量最低，平均值為 0.917mg/kg 。

在有害元素中，茶樹樣品中 Pb 元素含量最高，最大值為1.032mg/kg ，所有樣品均符合GB2762—2022中 Pb 限量值（ Pb？5mg/kg， ）的要求。樣品中Cd元素含量在 0.005～ 0.095mg/kg ，所有樣品均符合NY659—2003中Cd限量值（ Cd？1mg/kg， 的要求。樣品中As元素含量最大值為0.020mg/kg ，遠(yuǎn)低于NY659—2003中規(guī)定的As在茶葉中殘留量（ As？2mg/kg ）。Sb元素部分樣品中未檢出，平均值0.017mg/kg ，含量均較低。 Hg 元素在所有茶樹樣品中均未檢出。綜上可得，該試驗(yàn)所有茶樹樣品均符合國家標(biāo)準(zhǔn)中的限量值要求，僅部分樣品Cd元素含量接近限量值。

2.3不同品種茶樹的元素間相關(guān)性分析為了探索茶樹中不同元素含量之間的關(guān)系，在剔除該試驗(yàn)中茶樹樣品中均未檢出的V元素和 Hg 元素后，對(duì)42個(gè)茶樹品種的24種元素之間進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖1。由圖1可知， 等33對(duì)元素之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（ Plt;0.01 ）， 等12對(duì)元素之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（ Plt;0.05 ），說明茶樹中這些元素之間可能存在相互促進(jìn)、協(xié)同吸收現(xiàn)象。 等4對(duì)元素之間呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)， Mg-Sn 等5對(duì)元素之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說明茶樹中這些元素之間可能存在相互抑制、拮抗吸收的現(xiàn)象。此外，F(xiàn)e元素與其他元素之間相關(guān)性均不顯著。

2.4不同品種茶樹聚類分析為了探索不同品種茶樹中元素含量與原產(chǎn)地、品種特性之間是否具有相關(guān)性，將42個(gè)茶樹中24種元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以樣品編號(hào)為個(gè)案、元素含量為變量進(jìn)行聚類分析，聚類結(jié)果見圖2。結(jié)果顯示，42份樣品主要被聚類為3類，第1類中21個(gè)樣本，主要包含6個(gè)省茶樹品種（T1、T4、T5、T7、T9、T11）、5個(gè)浙江省茶樹品種（T19、T22、T23、T24、T25）、2個(gè)四川省茶樹品種（T35、T37）等，絕大部分均為中葉灌木型茶樹；第2類中16個(gè)樣本，主要包含5個(gè)省茶樹品種（T2、T3、T6、T8、T10）、2個(gè)浙江省茶樹品種（T20、T21）2個(gè)云南省茶樹品種（T38、T40）等，大部分大葉類茶樹品種均聚類在一起，如T8、T12、T29、T31、T40，這表明大葉種茶樹品種中的某些元素含量可能具有一定的規(guī)律性；第3類中5個(gè)樣本，有4個(gè)均為福建省茶樹品種（T15、T16、T17、T18），這表明同一育種地區(qū)的茶樹品種對(duì)于元素的吸收與富集可能具有一定的相似性。

2.5不同品種茶樹中元素的主成分分析及綜合評(píng)價(jià)為了探索42個(gè)品種茶樹中元素含量的分布規(guī)律，對(duì)24種元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，首先進(jìn)行KMO適合度檢驗(yàn)和巴特利特球形度檢驗(yàn)，結(jié)果顯示KM0值為0.555，巴特利特球形度檢驗(yàn)結(jié)果 P 值為0，說明數(shù)據(jù)可以提取公共因子，可以進(jìn)行主成分分析。從主成分特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率（表4）可以看出，根據(jù)特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)，共提取了8個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá) 79.721% ，能夠客觀地反映出42個(gè)品種茶樹元素含量的大部分信息。

采用最大化方差法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，獲得主成分因子的載荷矩陣，具體結(jié)果見表5。由表5可知，第1主成分因子F1中B、 元素的載荷值較大，可作為第1主成分的特征元素，以此類推，F(xiàn)2特征元素為Cd、Pb和Se，F(xiàn)3特征元素為Sr和 Ba ，F(xiàn)4特征元素為Mo和 Cr ，F(xiàn)5特征元素為As，F(xiàn)6特征元素為 和Ti，F(xiàn)7特征元素為Ni，F(xiàn)8特征元素為Fe。因此，B，Na，Sn，Al，Cd，Pb，Se，Sr，Ba，Mo，Cr，As，Zn，Ti，Ni和Fe是42個(gè)品種茶樹中具有代表性的特征元素。

選擇這8個(gè)主成分因子對(duì)42個(gè)品種茶樹樣品進(jìn)行評(píng)分，以主成分因子得分與方差貢獻(xiàn)率乘積之和計(jì)算各樣品的綜合得分，對(duì)綜合得分前10名的樣品進(jìn)行排序，具體得分和綜合排序結(jié)果見表6。由表6可知，綜合排名前10的樣品中有4份為福建省茶樹品種（T15、T16、T17、T18）3份為浙江省茶樹品種（T23、T25、T26）、1份臺(tái)灣省茶樹品種（T41）、1份省茶樹品種（T8）、1份湖北省茶樹品種（T27），總體來說，這些品種的綜合得分較高，從元素含量指標(biāo)來評(píng)價(jià)，這些品種的整體品質(zhì)較好。

3討論與結(jié)論

植物中元素的含量不僅受到土壤、氣候、水源以及農(nóng)戶的施肥等方面因素的影響，而且不同品種、不同發(fā)育階段、不同器官等也會(huì)在元素的吸收上產(chǎn)生差異性[7-8]。該研究中，茶樹樣本測(cè)定的26種元素中有20種元素全部檢出，4種元素部分檢出（ （Mo，Ba，Sb，As），2 種元素均未檢出（V，Hg），其中茶葉中大量元素含量由高到低排序?yàn)?Kgt;Cagt;Mggt;Na K，Mg，Na 元素相比于遵義地區(qū)偏高， Ca 元素偏低，但總體高低排序一致[1]。必需微量元素含量由高到低排序?yàn)? Fegt;Zngt;Nigt;Srgt;Gugt;Cogt;Crgt;Sngt;Segt;Mogt;V ，非必需微量元素含量由高到低排序?yàn)?Algt;Bgt;Tigt;Bagt;Tl ，其中Fe、Cu元素與張紀(jì)偉等1的研究結(jié)果一致， Mn，Ti 元素相對(duì)稍低。茶樹屬于聚 Mn 植物， Mn 元素對(duì)生物體的抗氧化能力至關(guān)重要。該研究中 Mn 含量為 769.667～2362.001mg/kg 這與劉元林等的研究結(jié)果一致。該研究中的有害元素含量由高到低排序?yàn)?Pbgt;Cdgt;Sbgt;Asgt;Hg ，均未超過國家標(biāo)準(zhǔn)的限量值，這表明該茶園中的有害金屬控制良好，適宜茶樹栽培。

元素之間的相關(guān)性是表明生物體中元素之間保持平衡 關(guān)系的重要手段[10]。該研究中K與 呈現(xiàn)極顯著 相關(guān)性、 與 呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性等結(jié)果，這與董喆等的研究結(jié)果一致。而茶葉樣品有害元素中Pb與Cd元素存在極顯著相關(guān)，這與張亞莉等[12]的研究結(jié)果一致。此外， Pb 與Sb元素、 .cd 與Sb元素也存在極顯著相關(guān)性，其中的原因值得進(jìn)一步探究。聚類分析結(jié)果顯示，大葉種茶樹品種聚類在一起，表明這些品種對(duì)某些元素的富集能力具有一定的規(guī)律。主成分分析結(jié)果可知，"B，Na，Sn，Al，Cd，Pb，Se，Sr，Ba，Mo，Cr，As，Zn，Ti，Ni 和Fe可以作為這批茶葉樣品的特征元素，并且篩選了10份綜合得分靠前的茶樹品種的樣品，為今后的研究工作中選擇品種方面提供一定的依據(jù)。

該研究建立了超級(jí)微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定茶葉樣品中26種元素的方法，結(jié)果表明，42個(gè)茶葉樣品之間的元素含量各異，有害元素均未超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量值，部分元素之間可能存在相互促進(jìn)、協(xié)同吸收的現(xiàn)象，通過主成分分析法初步確定了這批茶葉樣品中的特征元素，并篩選出了元素含量排名靠前的10種茶葉品種。該研究在不同茶樹品種中元素的檢測(cè)分析對(duì)茶葉中有益和有害元素含量的探索和成品茶品質(zhì)的監(jiān)測(cè)和提升具有很重要的作用。

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