ICP-MS法測定不同品種茶樹中26種元素及評價分析

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，還富含多種礦質元素，在全世界被公認為天然的綠色健康飲品[]。茶樹在生長過程中，葉片中的礦質元素無法通過自身合成，需要從土壤、水源和大氣中吸取，不同產區以及不同品種特性均可能對元素的吸取產生一定影響[2]。茶葉中富含人體所必需的大量元素和微量元素，其在人體中發揮著抗氧化、增強免疫力、預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戶使用的肥料和不合法的農藥噴施，長期飲用有害元素超標的茶葉會導致有害元素富集，從而對身體產生危害[4]。因此，需要對茶葉中的有益元素和有害元素進行測定分析，擴大和加強茶葉中有害元素的預警機制，以此來控制茶葉的品質。

在元素測定方法中，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射光譜法（ICP-AES）、電感耦合原子發射光譜法（ICP-OES）、電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）等均被廣泛使用[5]。ICP-MS在環境檢測、食品檢驗等領域應用較多，具有高靈敏度、低檢出限、線性范圍寬、干擾少以及可以同時測定多元素等優點，是目前用來測定元素最準確的方法之一[6]。

目前針對茶葉中的有機成分研究較多，無機元素方面的研究仍然較為缺乏。筆者采集了42個品種的茶樹樣品，利用超級微波消解法結合ICP-MS，對其26種元素進行測定，初步分析茶樹葉片中不同元素的含量特征，并通過相關性分析、聚類分析和主成分分析對不同品種茶樹中的特征元素進行探索，以期對這些茶葉進行質量和安全性評價，為不同茶樹多元素含量研究提供理論依據

1材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1試材。以市舒城縣九一六茶廠茶樹資源圃L 中42個茶樹品種為供試材料，其品種名稱、育種地區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、汞元素標準儲備液（ ，國家有色金屬及電子材料分析測試中心）；鍺內標元素儲備液（ ，壇墨質檢科技股份有限公司）；銦、鉍內標元素儲備液（ 1000mg/L ，壇墨質檢科技股份有限公司）；Multi-ElementTuneA調諧液（ 10mg/L ，賽默飛世爾科技有限公司）；優級純硝酸（西隴科學股份有限公司）。

1.1.3儀器。X-SeriesⅡ型電感耦合等離子體質譜儀（賽默飛世爾科技有限公司）；UItraWAVE20101370型超級微波消解儀（意大利Milestone公司）；趕酸電熱板（奧普樂科技集團有限公司）；Milli-QDirect8型超純水機（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（艾卡儀器設備有限公司）；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 試驗方法

1.2.1樣品前處理。現場采集茶樹資源圃中的不同品種茶樹的第二葉約 250g ，使用微波爐進行統一微波烘干，步驟如下： ① 高火 1min ，翻轉； ② 高火 1min ，翻轉； ③ 中高火 1min 翻轉； ④ 中火 2min ，翻轉； ⑤ 中低火 3min 。取適量烘干后的茶葉樣品，使用粉碎機進行粉碎，過60目網篩后裝入密封袋，于 冰柜備用。電子天平準確稱取約 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移至 50mL 容量瓶，超純水定容備用，同時做空白對照，每個樣品做3個生物學重復。

1.2.2標準溶液制備。移液器吸取元素標準儲備液，使用0.5% 硝酸水配制成下列標準系列： ①A 系列，元素 、Mg，Na，Mn，Fe，Al 標準液梯度濃度均為 0.500，1000，2000， 5000.8000.10000ng/mL ②B 系列，元素 Ba標準液梯度濃度均為 0.1，5，10，50，80，100ng/mL； ③C 系列，元素 Cr，Co，Ni，Tl，Pb，V 標準液梯度濃度均為0、1、2、5、10.20.50 ④④ 系列，元素 As、Cd、Mo，Sb、Hg、Se標準液梯度濃度均為 0，0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0ng/mL ⑤F 系列，內標元素 濃度均為 50ng/mL 。

1.2.3儀器準備與樣品測定。ICP-MS真空系統壓力lt; ，配制高純液氬（純度 ？99.999% ），氬氣分壓設定為 0.60～0.70MPa 。點燃等離子體后預熱儀器約 30min 使用 1ng/mL 調諧液將儀器條件進行優化并保存方法，等離子氣流速為 14.0～15.0L/min ，霧化器壓力為 150～250kPa 調頻發射功率為 ，霧化器流速為0.8＼～1.2L/min 。檢測方法為普通反應池分析模式，分析模式為全定量分析，重復掃描次數100次，重復測定3次。

1.2.4標準曲線和方法檢出限。依次吸取各標準系列的標準溶液在標準條件下測定，以各元素標準溶液濃度為橫坐標（X） 、各元素測得的響應值為縱坐標（Y）繪制標準曲線，得到各個元素的線性回歸方程和決定系數 。在標準條件下，連續測定空白樣品11次，以測得值的3倍標準偏差作為各元素的方法檢出限。

1.3數據處理與分析利用WPSOffice辦公軟件對試驗數據進行統計整理，使用IBMSPSSStatistics22軟件對茶樹樣品中元素進行主成分分析，利用Origin 軟件進行各元素間相關性分析和不同茶樹樣品的聚類分析。

2 結果與分析

2.1線性方程與檢出限在儀器狀態符合標準要求的條件下，該研究建立了超級微波消解-IPC-MS測定茶樹樣品中26種元素的方法，首先對26種元素的標準溶液進行測定，對標準曲線的線性方程和方法檢出限進行擬合和計算，各元素的線性范圍、線性方程、決定系數和方法檢出限見表2。從表2可以看出，26種元素的線性關系良好，決定系數 為0.9975～0.9999 ，方法檢出限為

2.2茶樹樣品元素含量分析準確稱取42個茶樹品種樣品，按照試驗方法進行制備并對樣品溶液進行測定，將茶樹樣品所含各個元素的最小值、最大值、平均值、相對標準偏差（RSD）進行匯總，見表3。從表3可以看出，所有茶樹樣品的RSD均小于 10.0% ，表明測定值穩定可靠。在大量元素中，茶樹樣品中K元素含量最高，平均值高達 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，Fe 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 ，未達到NY/T600—2002《富硒茶》的標準，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 ，遠低于NY659—2003中規定的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，該試驗所有茶樹樣品均符合國家標準中的限量值要求，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性分析為了探索茶樹中不同元素含量之間的關系，在剔除該試驗中茶樹樣品中均未檢出的V元素和 Hg 元素后，對42個茶樹品種的24種元素之間進行相關性分析，結果見圖1。由圖1可知， 等33對元素之間呈現極顯著正相關（ Plt;0.01 ）， 等12對元素之間呈現顯著正相關（ Plt;0.05 ），說明茶樹中這些元素之間可能存在相互促進、協同吸收現象。 等4對元素之間呈現極顯著負相關， Mg-Sn 等5對元素之間呈現顯著負相關，說明茶樹中這些元素之間可能存在相互抑制、拮抗吸收的現象。此外，Fe元素與其他元素之間相關性均不顯著。

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地、品種特性之間是否具有相關性，將42個茶樹中24種元素含量數據進行標準化，以樣品編號為個案、元素含量為變量進行聚類分析，聚類結果見圖2。結果顯示，42份樣品主要被聚類為3類，第1類中21個樣本，主要包含6個省茶樹品種（T1、T4、T5、T7、T9、T11）、5個浙江省茶樹品種（T19、T22、T23、T24、T25）、2個四川省茶樹品種（T35、T37）等，絕大部分均為中葉灌木型茶樹；第2類中16個樣本，主要包含5個省茶樹品種（T2、T3、T6、T8、T10）、2個浙江省茶樹品種（T20、T21）2個云南省茶樹品種（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律性；第3類中5個樣本，有4個均為福建省茶樹品種（T15、T16、T17、T18），這表明同一育種地區的茶樹品種對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價為了探索42個品種茶樹中元素含量的分布規律，對24種元素含量數據進行標準化處理，首先進行KMO適合度檢驗和巴特利特球形度檢驗，結果顯示KM0值為0.555，巴特利特球形度檢驗結果 P 值為0，說明數據可以提取公共因子，可以進行主成分分析。從主成分特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率（表4）可以看出，根據特征值大于1為標準，共提取了8個主成分，累計方差貢獻率達 79.721% ，能夠客觀地反映出42個品種茶樹元素含量的大部分信息。

采用最大化方差法進行旋轉，獲得主成分因子的載荷矩陣，具體結果見表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，F2特征元素為Cd、Pb和Se，F3特征元素為Sr和 Ba ，F4特征元素為Mo和 Cr ，F5特征元素為As，F6特征元素為 和Ti，F7特征元素為Ni，F8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個品種茶樹中具有代表性的特征元素。

選擇這8個主成分因子對42個品種茶樹樣品進行評分，以主成分因子得分與方差貢獻率乘積之和計算各樣品的綜合得分，對綜合得分前10名的樣品進行排序，具體得分和綜合排序結果見表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，從元素含量指標來評價，這些品種的整體品質較好。

3討論與結論

植物中元素的含量不僅受到土壤、氣候、水源以及農戶的施肥等方面因素的影響，而且不同品種、不同發育階段、不同器官等也會在元素的吸收上產生差異性[7-8]。該研究中，茶樹樣本測定的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為 Kgt;Cagt;Mggt;Na K，Mg，Na 元素相比于遵義地區偏高， 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為 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為 Algt;Bgt;Tigt;Bagt;Tl ，其中Fe、Cu元素與張紀偉等1的研究結果一致， Mn，Ti 元素相對稍低。茶樹屬于聚 Mn 植物， Mn 元素對生物體的抗氧化能力至關重要。該研究中 Mn 含量為 769.667～2362.001mg/kg 這與劉元林等的研究結果一致。該研究中的有害元素含量由高到低排序為 Pbgt;Cdgt;Sbgt;Asgt;Hg ，均未超過國家標準的限量值，這表明該茶園中的有害金屬控制良好，適宜茶樹栽培。

元素之間的相關性是表明生物體中元素之間保持平衡 關系的重要手段[10]。該研究中K與 呈現極顯著 相關性、 與 呈現極顯著相關性等結果，這與董喆等的研究結果一致。而茶葉樣品有害元素中Pb與Cd元素存在極顯著相關，這與張亞莉等[12]的研究結果一致。此外， Pb 與Sb元素、 .cd 與Sb元素也存在極顯著相關性，其中的原因值得進一步探究。聚類分析結果顯示，大葉種茶樹品種聚類在一起，表明這些品種對某些元素的富集能力具有一定的規律。主成分分析結果可知，"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。

該研究建立了超級微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定茶葉樣品中26種元素的方法，結果表明，42個茶葉樣品之間的元素含量各異，有害元素均未超過國家標準規定的限量值，部分元素之間可能存在相互促進、協同吸收的現象，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分析對茶葉中有益和有害元素含量的探索和成品茶品質的監測和提升具有很重要的作用。

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