基于能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)對茶葉檢測條件的優(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，很長時間以來，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]。當前重金屬超標問題是繼農(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)展起來的檢測技術(shù)。但是這些檢測方法維修費用高，操作復(fù)雜，檢測時間長，不能滿足現(xiàn)場快速檢測的要求，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，可以很好地克服上訴缺點[17]，而且檢測的精密度和穩(wěn)定性還比較好，可滿足食品快速檢測要求。本文建立了茶葉中重金屬元素的EDXRF檢測方法，實驗過程涉及到若干技術(shù)環(huán)節(jié)，比如前處理過程[18]、檢測過程中常用技術(shù)[19]等，這些環(huán)節(jié)都會影響最后的測量精度，而本文重點針對儀器檢測條件的優(yōu)化進行深入研究，為茶葉中重金屬元素的檢測提供新的方法依據(jù)，同時也拓寬EDXRF檢測技術(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；標準篩，紹興市上虞區(qū)道墟五四儀器廠；粉末壓片機(PC-12)，天津精拓儀器公司；100 g手提式粉碎機(HK-02A)，廣州旭朗機械設(shè)備有限公司；EDXRF熒光光譜儀(EDX8300H)，北京賽必達科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品預(yù)處理

主要選用茉莉花茶作為實驗樣品，將茉莉花茶樣品用粉碎機粉碎，過不同目數(shù)標準篩，置于干燥環(huán)境，儲存?zhèn)溆谩２⒎鬯楹玫能岳蚧ú璺勰悠吩趬浩瑱C不同壓力作用下壓制成緊實的片狀樣品，便可直接上機進行檢測，以儀器顯示的計數(shù)率為檢測指標，其中計數(shù)率是指在X射線熒光光譜分析中，X射線強度是以單位時間通過探測器窗口的入射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；測量時間90 s，放置Ag片上機初始化。

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

1.2.3 檢測條件優(yōu)化

1.2.3.1 儀器檢測時間優(yōu)化

控制儀器檢測時間為唯一變量，其他條件均一致。對選定的茉莉花茶粉末樣品，過120目標準篩，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，初步設(shè)置儀器檢測時間分別為5、30、60、90、120、150 s，對制備好的樣品進行上機檢測，記錄不同儀器檢測時間下的計數(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，初步過140、100、80、40目標準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，在儀器檢測時間為90 s條件下進行檢測，記錄不同樣品顆粒粒徑大小下的計數(shù)率，確定最優(yōu)條件。

1.2.3.3 樣品顆粒緊實度優(yōu)化

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

1.2.3.4 樣品厚度優(yōu)化

控制待測樣品質(zhì)量為唯一變量，其他檢測條件均一致。對選定的茉莉花茶樣品，過140目標準篩，通過查閱相關(guān)文獻，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，在儀器檢測時間為90 s條件下進行檢測，記錄不同樣品厚度下的計數(shù)率，確定最優(yōu)條件。

1.2.4 EDXRF技術(shù)對不同種類茶葉的檢測

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)，對其重金屬按上訴實驗過程和優(yōu)化結(jié)果進行檢測，記錄計數(shù)率。

1.2.5 方法學(xué)評價

對EDXRF技術(shù)檢測茶葉中的重金屬方法的精密度和穩(wěn)定性進行測定。取1份待測樣品，按上訴優(yōu)化結(jié)果操作，連續(xù)檢測5次，評價方法的精密度。精密度常用相對標準偏差來表示。取1份待測樣品，按上訴優(yōu)化結(jié)果操作，每隔30 min檢測1次，連續(xù)測定5組，評價方法的穩(wěn)定性,通常用相對標準偏差來衡量如公式(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。每組實驗平行重復(fù)3次，取平均值作為最終的測量值。

2 結(jié)果與分析

2.1 儀器檢測時間優(yōu)化

由圖1可以看出，當儀器檢測時間達到30 s時，計數(shù)率明顯提高，隨著檢測時間繼續(xù)延長，計數(shù)率將不再有明顯變化。由圖2可以看出，當檢測時間為5、30 s時，RSD之間的差異較大；當檢測時間延長至60 s以上時，RSD之間的差異顯著縮小，且檢測結(jié)果之間的RSD均不超過0.20%。原因可能是剛開始時，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器完全吸收，因此檢測到的計數(shù)率較小。當檢測時間延長，檢測精密度越高，為了提高儀器檢測的準確度，可以適當延長檢測時間或者增加檢測次數(shù)，從而降低相對標準偏差，但并非檢測時間越長越好，因為當達到一定檢測時間后，儀器的精確度與檢測時間會有平衡點[20]。綜合考慮儀器的檢測精度以及檢測效率、儀器的使用壽命等因素，因此選擇檢測時間為90 s。

圖1 檢測時間對檢測計數(shù)率的影響Fig.1 Effect of detection time on detection counting rate

圖2 檢測時間對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，隨著標準篩目數(shù)的增加，茶葉粉末樣品顆粒粒徑的減小，檢測到的計數(shù)率不斷增加。其原因可能是粉狀待測樣品顆粒粒徑大小及其分布狀態(tài)會對樣品的均一度產(chǎn)生影響，進而影響待測樣品所測得的X射線熒光強度[21]。因為不同的顆粒粒徑對初級X射線會產(chǎn)生不同的激發(fā)效果，對激發(fā)產(chǎn)生的熒光也會有不同的影響，進而干擾所測得的熒光強度。結(jié)合實際操作情況，選擇的茶葉粉末樣品為過140目標準篩的粉末樣品比較合適。

圖3 茶葉顆粒粒徑對計數(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 樣品顆粒緊實度優(yōu)化

由圖4可以看出，隨著壓力的逐漸增大，計數(shù)率也逐漸增大，當壓力達到25 MPa時，計數(shù)率基本保持穩(wěn)定，不再有明顯變化。因為本實驗采用的粉末壓片法是對固體粉末進行制樣，相對于液體樣品，其中會含有更多的空氣，而縫隙中的空氣不僅能夠吸收X射線，而且還會發(fā)生一定程度的散射[22-23]，進而影響檢測效果。故本實驗選擇25 MPa，壓片30 s制樣。

圖4 壓片壓力對計數(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)量對計數(shù)率會產(chǎn)生顯著影響，且隨著樣品質(zhì)量的增加，計數(shù)率顯著增大，當樣品質(zhì)量達到4 g以上時，計數(shù)率的變化在不斷縮小。因為在EDXRF檢測時，X射線熒光本身具有一定的能量，同時樣品對X射線也會發(fā)生一定程度的吸收和散射作用。當樣品質(zhì)量過大時，X射線熒光不能完全穿透樣品而發(fā)射出去；當樣品質(zhì)量過少時，達不到所需要的厚度，X射線熒光會直接穿透樣品而不能夠被探測器檢測到[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精度，又不需要過多樣品等因素，選擇樣品檢測質(zhì)量為4 g比較合適。

圖5 樣品質(zhì)量對計數(shù)率的影響Fig.5 Effect of sample thickness on counting rate

2.5 EDXRF技術(shù)對不同種類茶葉的檢測

基于EDXRF技術(shù)對不同類型茶葉的檢測結(jié)果見圖6～圖9，通過對比可以知道，片狀樣品(優(yōu)化條件)與粉末狀樣品(未優(yōu)化條件)檢測結(jié)果差異較小，但片狀樣品(優(yōu)化條件)測得的計數(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)測得的結(jié)果。且基于該技術(shù)對不同類型茶葉的檢測精密度以及穩(wěn)定性均較好，滿足檢測要求。

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

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

圖8 基于EDXRF檢測技術(shù)對菊花茶的檢測結(jié)果Fig.8 Detection results of chrysanthemum tea based on EDXRF detection technology

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

2.6 方法學(xué)評價結(jié)果

EDXRF技術(shù)對茶葉片狀樣品連續(xù)測定5組，計數(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GB 5009.12-2017中規(guī)定的精密度要求[25]。EDXRF技術(shù)對茶葉片狀樣品，每隔30 min檢測1次，連續(xù)測定5組，計數(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)對不同種類的茶葉樣品中的重金屬檢測后，精密度和穩(wěn)定性的RSD均小于5%。

3 結(jié)論

通過對檢測條件的優(yōu)化，最終確定為過140目標準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，在檢測時間為90 s時，儀器所測得計數(shù)率最高，且此時檢測結(jié)果的精密度為0.03%，穩(wěn)定性為0.19%，在最優(yōu)條件下對其他種類的茶葉樣品進行相同方法的檢測，得出片狀樣品檢測結(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)可以實現(xiàn)對包括傳統(tǒng)茶以及代用茶在內(nèi)的所有茶葉的檢測。說明該方法精密度和穩(wěn)定性都比較高。

食品安全質(zhì)量檢測越來越向無損化、簡單化、智能化方向發(fā)展[26]。為了進一步提高儀器的檢測精度，可以從儀器構(gòu)造方面著手，優(yōu)化儀器結(jié)構(gòu)，進而提高檢測精度準確度。在后期的實驗中進一步建立相應(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射線熒光檢測技術(shù)實現(xiàn)茶葉樣品的快速檢測探索方法依據(jù)，為一線監(jiān)管人員提供便利。