ICP-MS和ICP-AES在茶叶矿质元素分析及产地溯源中的应用

王洁，伊晓云，马立锋，景进，石元值*（.中国农业科学院茶叶研究所/农业部茶树生物学与资源利用重点实验室，浙江 杭州 30008；2.中国农业科学院研究生院，北京 0008）

ICP-MS和ICP-AES在茶叶矿质元素分析及产地溯源中的应用

王洁1，2，伊晓云1，2，马立锋1，景进1，2，石元值1*
（1.中国农业科学院茶叶研究所/农业部茶树生物学与资源利用重点实验室，浙江 杭州 310008；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081）

茶叶矿质元素作为茶叶品质指标关系着茶叶的品质与质量安全，同时由于茶叶矿质元素携带着地域特征指纹信息，因此已被人们作为重要的标志性物质用在茶叶产地溯源中。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）由于其高通量性及低检出限等特性在茶叶矿质元素分析和产地溯源中应用较为广泛。本文重点介绍了ICP-MS、ICP-AES的工作原理，以及在茶叶矿质元素分析和产地溯源中的应用现状。促进高通量技术手段在茶叶安全领域的应用，以完善茶叶安全体系。

茶；高通量技术；元素分析；产地溯源

茶叶地域特色和品质特征明显，是典型的地理标志保护产品［3］，近年来茶叶仿冒现象渐多，扰乱了正常的市场经济秩序，被仿冒品牌的名誉遭到损害，且严重侵害消费者的合法权益，使企业和消费者蒙受了巨大损失。茶叶品质与其产地的气候条件及加工方法有密切关系，不同产地茶叶中矿质元素含量存在着一定的差异性［4］。目前较多研究通过矿质元素差异对茶叶产地进行溯源，一定程度上压制了茶叶仿冒现象。

1 矿质元素研究方法

1.1 比色法与分光光度法

早期的矿质元素含量测定均采用比色法和分光光度法，两种方法都是以朗伯-比尔定律为基础。在20世纪30～60年代，比色分析广泛用于冶金、地质、金属材料中微量的金属和部分非金属元素的测定。随后紫外—可见分光光度计应用日益普及，分光光度法逐渐代替了比色法。由于各种各样的无机物和有机物在紫外可见区都有吸收，因此均可借此法加以测定。但这些方法的检出限较高且干扰较为严重，在测定微量元素及痕量元素方面受到了很多的限制，目前在实验室中的应用已越来越少。

1.2 原子吸收光谱

原子吸收光谱法是一种根据特定物质基态原子蒸气吸收特征辐射来对元素进行定量分析的方法［5］，理论上可直接测定70多种元素，但该方法由于每次只能测一种元素，且检出限较高，虽然后续又出了石墨炉原子吸收光谱法解决了检出限的问题，但应用效率仍相对较低。与后续出现的ICP-AES相比，可同时测定的元素数量仍相对较少，效率偏低。

1.3 ICP-AES

等离子体（Plasma）是一种在一定程度上被电离的气体（电离度大于 0.1%），其中电子和阳离子的浓度处于平衡状态，呈电中性。电感耦合等离子体（Inductive Coupled Plasma）是高频电流经感应线圈产生高频电磁场，经过其中的工作气体形成等离子体［6］。电感耦合等离子体原子发射光谱法（ Inductive Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry，ICP-AES）是上世纪 60年代提出的以电感耦合等离子炬为激发光源的一类光谱分析方法，是一种由原子发射光谱法衍生出来的分析技术，20世纪70年代进入实质应用阶段［7］，其灵敏度高、检测限低（10-9）、样品消耗少（毫克级）并且动态线性范围较宽，有些元素具有相似的化学性质（如稀土元素），难以分别分析，但其光谱性质差异较大，可以采用ICP-AES方法进行分析。

图 1 ICP-AES原理图Fig.1 Principle of ICP-AES

1.4 ICP-MS

除了林下作物，麻类产品还被应用到主粮的生产之中。据中国农业科学院麻类研究所副所长王朝云介绍，目前，全国水稻产区的水稻种植普遍采用机插秧，而机插水稻要成功，育秧是关键。在传统育秧中，由于育秧盘运输不便、散秧多，机插秧过后，需要人工补插秧，十分影响劳动效率。

电感耦合等离子体质谱（Inductive Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）是上世纪 80年代初出现的将电感耦合等离子体和质谱技术联合起来的一种分析技术，ICP-MS的等离子体与ICP-AES是相同的，二者的不同之处在于 ICP-MS检测样品当样品通过等离子体后被电离，产生的离子被抽取到高真空的质谱仪部分，各种离子按照质荷比进行分离，最后采用电子倍增器测量离子，有一个计数器收集每个质量的计数。每个元素同位素会出现在不同质量处，其峰强度与该元素在溶液中同位素的初始浓度成正比，由此即可测得各元素同位素含量。ICP-MS具有ICP-AES的优点，其灵敏度比ICP-AES更高，并且具有同位素和形态分析等能力［6］。但ICP-MS在检测N、P、K等大量元素时其准确度不如ICP-AES，除C、H、O外的地球上几乎所有元素都可以用ICP-AES和ICP-MS相互结合进行分析。二者在离子组学的研究中获得了非常成功的应用。目前已经通过ICP-AES法对约10000份酵母样品中的元素进行了分析，从中获得大量酵母离子组图谱信息［8］。ICP-MS在拟南芥离子组谱分析与建立过程中发挥了重要作用［9］。

表 1 ICP-MS与ICP-AES性能对比［10-12］Table 1 Analytical performancesof ICP-MS and ICP-AES

2 ICP-MS、ICP-AES存在的干扰及克服方法

ICP-MS与ICP-AES均受到不同程度的质谱或非质谱因素的干扰，其中质谱干扰包括同量异位素重叠干扰、多原子离子复合干扰、难熔氧化物干扰、双电荷离子干扰；非质谱干扰包括物理效应、抑制或增强效应、ICP功率。这其中由多原子离子引起的复合干扰最为严重。不同干扰有不同的克服方法。多原子离子复合干扰可通过同位素稀释法克服，同量异位素重叠干扰和物理效应可通过内标法予以客服，而难熔氧化物和ICP功率引起的干扰则可通过选线克服［11］。近期发展的各种联用技术如与液相（LC-ICP-MS）、毛细管电泳（CE-ICP-MS）、多接收技术（MC-ICP-MS）、激光烧蚀技术（LA-ICP-MS）、八极杆碰撞池（ORS-ICP-MS）等联用提高了离子物质分离率，均可一定程度上缓解干扰，使测定结果更准确［13］。

3 ICP-MS、ICP-AES应用领域

ICP-AES与ICP-MS所测样品要求为液体，固体样品需要经过消化处理。不同的消解方法会对测定结果产生不同程度影响，微波消解法处理样品操作简单、试剂用量少、易挥发组分可更好的保存于溶液中，目前广为利用［14］。二者应用范围涵盖了天文学、地球科学［15］、数理科学和化学［16］、医学卫生［17］、环境科学［18］、安全科学、工业技术、农业科学［19］、生物科学、历史、地理［20］等诸多领域。在农业领域不管是植物源性还是动物源性产品应用都很多，在植物源性产品中葡萄和茶叶两者应用相对较为普遍。

4 ICP-MS、ICP-AES在茶叶矿质元素分析中的应用

近年来茶叶矿质元素品质受到越来越多关注，矿质元素与人体健康息息相关，同时也影响茶叶品质与口感从而影响价格，关系到茶农、茶企以及消费者利益。研究表明，我国若干原产地名特优农产品与其特殊的地质地理和气候背景环境均有紧密联系［21］。不同地区气候条件与环境不同必然影响到茶叶中各种矿质元素水平，造成不同产区矿质元素水平差异。同时，日益严重的环境污染使茶叶中多种重金属含量严重超标，其含量水平直接影响到饮茶人群的健康安全［22］。

4.1 在茶叶中常量养分元素含量分析方面的应用

常量元素包括碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁、钠等，其中磷、硫、钾、钙、镁、钠的含量多通过 ICP-AES测得。谭和平［23-24］等通过ICP-AES先后测定了茶叶中磷、硫，钾、钙、钠、镁的含量，结果表明各元素相对标准偏差低，回收率高，ICP-AES测定茶叶中常量元素方法准确可靠，能够满足茶叶中常量元素的分析要求。魏新军［25］等，采用ICP-AES测定了普洱茶中包括钾、钙、钠、镁在内的17种元素，其结果也令人满意。通过ICP-AES对茶叶中的常量元素进行测定，比传统方法（比色法、原子吸收光谱法、离子色谱法）更为简单精确，为茶叶中常量矿质元素测定提供了简单、精确、有效的方法。对于ICP-MS，由于其检出限更低，灵敏度更高，且易受到干扰，测大量矿物元素时需要更大的稀释倍数及预处理去除干扰，其测定的准确性反而不如ICP-AES。

4.2 在茶叶中微量元素含量分析方面的应用

一般认为，茶树体内的微量元素可分为茶树生长所必需的微量营养元素及非必需的重金属元素，微量营养元素包括铁、锰、铜、锌、钼、硼、铝等，非必需重金属包括铅、镉、汞等。与分光光度法、原子吸收法相比，ICP-AES、ICP-MS由于具有全谱直读、检出限低等特点，在微量元素的含量分析方面表现出了明显的优势，而ICP-MS还可用于检测痕量金属元素。重金属超标将对人体产生潜移默化的伤害，鲁照玲等［26］通过ICP-MS测定茶叶标准样GBW10016以及多个茶叶样品（包括乌龙茶、绿茶）中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb 6种重金属含量，对市场上几种绿茶、花茶、乌龙茶重金属污染状况进行了评估，为健康饮茶提供了参考。谭惠仁［19］采用微波消解-ICP-MS测定了茶叶中As、Cd、Pb 3种微量重金属元素含量，其中As含量大多没有超出食品安全国家标准《GB2762-2005食品中污染物的限量》所规定的0.5 mg·kg-1的标准；Cd大多超出了上述标准所规定的0.05 mg·kg-1的要求；Pb含量相对较高，大多超过1 mg·kg-1但并未超过上述规定中茶叶铅最高含量5 mg·kg-1的标准要求。王小平等［27］采用密闭消解ICP-AES和ICP-MS测定中日两国茶叶中23种矿质元素，中国茶叶中 Cd、Co、Cr、Fe、Pb、Rb、Sb、Th、U、Zn等元素含量显著高于日本茶叶，由此得出中国大气与土壤重金属污染要比日本严重，因而改善生态环境是解决茶叶重金属超标的一个重要手段。

4.3 在茶叶中稀土元素含量分析方面的应用

稀土元素虽属重金属元素，但因其理化性质十分相似，故常单独作为研究对象。稀土在农业上可用作肥料，但是在植物体内积累会产生不良影响，许多学者对植物中稀土元素测定方法以及稀土元素含量进行了研究。林松［28］研究了电感耦合等离子体质谱 ICP-MS对茶叶样品中 16种稀土元素的测定方法，实验结果表明茶叶样品中16种稀土元素测定RSD均小于10%，加标回收率在85.7%～109.9%之间，由此可见采用 ICP-MS 对茶叶中稀土元素进行测定可取得令人满意的结果。梁旭霞等［29］认为稀土元素是一组用很多其他仪器分析方法都难以定量测定的元素，然而用ICP-MS可以定量测定这组元素，研究采用ICP-MS测定147份植物源性产品以及灌木枝叶标准物质（GBW 07603）、茶叶（GBW 07605）和小麦粉标准物质（GBW 08503A）中的稀土元素，研究表明ICP-MS适用于植物性食品中稀土元素的测定。石元值等［30］通过ICP-AES测定茶叶以及茶汤中稀土氧化物总量（∑REOs），结果表明我国的茶叶中∑REOs值约为2 mg·kg-1，当茶叶磨碎后其稀土浸出率均显著高于原样，乌龙茶粉干物质中的∑REOs达到6 mg·kg-1，但其茶汤中的∑REOs仍低于饮用水的限量指标。

ICP-MS、ICP-AES作为高通量检测技术而被广泛应用，在茶叶的矿质元素分析方面已经建立了较为成熟的方法，各项研究表明 ICP-MS、ICP-AES可以同时快速准确地检测茶叶中的多种矿质元素。

5 ICP-MS、ICP-AES在茶叶产地溯源中的应用

目前农产品产地溯源主要应用的技术有同位素比值分析［33］、元素含量分析［34］和化学成分分析［35］。产地溯源技术广泛应用于动/植物源性食品，如水果［36］、谷类［37］、肉类［34］等。我国新修订的《商标法》明确指出原产地证明商标受法律保护。食品的产地溯源有利于保护原产地，保护地区名牌，保护特色产品，确保公平竞争，增强消费者对食品安全的信心，并能有效防止食源性病源菌的扩散［38］。

一定程度上植物体元素组成反映了土壤中的生物可利用和可流动性营养物质组成。由于微量元素的可利用性取决于土壤pH、湿度、多孔性等土壤参数，从而使得动植物产品的元素组成可以作为特有的指标，该指标能表征其产地来源［39］。另一方面，植物所处的地理环境以及栽培措施都会影响植物体内元素组成和化学成分组成。因此植物元素含量可以反应不同地区产品差异。

近年来利用矿质元素分析技术对茶叶进行产地溯源的研究也越来越多。Marcos等［40］通过ICP-MS、ICP-AES测定来自非洲亚洲10个国家的15只茶样中的微量元素，运用主成份分析（principal component analysis，PCA）成功区别了亚洲与非洲茶叶样品，同时将中国茶叶与其他亚洲国家茶叶区别开来。Fernández-Cáceres等［41］通过ICP-AES测定了来自中国、日本、印度、肯尼亚、斯里兰卡46个茶叶样品中的Al，Ba，Ca，Cu，Fe，K，Mg，Mn，Na，Sr，Ti，Zn含量，运用LDA（linear discriminant analysis）和ANN（artificial neural networks）较好的将亚非茶叶以及亚洲各国茶叶区分开。但两项研究所用到的茶叶样本量非常小，并不能以这样的小样本来确定判别方法以及结果的正确性。Moreda-Piñeiro等［42］测定了来自亚洲和非洲85只样品中17中元素，ICP-MS 测定了48Ti、51V、52Cr、60Ni、65Cu、85Rb、133Cs、206Pb、207Pb、208Pb，ICP-AES测定了Al、Ba、Ca、Fe、Mg、Mn、Sr、Zn含量。通过PCA和CA将样品进行分类后，LDA结果表明非洲茶叶的正确判别率为100%，亚洲茶叶正确判别率为94.4%，线性判别分析可以将亚非茶叶区别开，且利用线性判别分析还正确鉴别出了中国、印度、斯里兰卡3国茶叶，但SIMCA判别结果并不好，运用 SIMCA 分析结果只鉴别出了中国茶叶，印度和斯里兰卡茶叶不能有效鉴别。Pilgrim 等［43］运用ICP-MS测定来自中国大陆、印度、斯里兰卡以及中国台湾的103只茶样（包括红茶、绿茶、乌龙茶）中多种元素同位素含量，其线性判别分析结果对茶叶原产地判定正确率在 97.6%。近期我国茶叶产地溯源也做了较多研究，龚自明等［44］运用ICP-AES测定了湖北四大茶区35份茶样中的9种矿质元素，利用主成分分析可以将不同茶区的多数样品正确区分。通过逐步判别分析筛选出 K、Ca、Mg、Mn、Fe和Mo用于绿茶产地判别的矿物元素指标，所建立的判别模型对样品整体检验判别率为100%。刘宏程等［45］采用等离子发射光谱质谱法（ICP-MS）测定了西双版纳、普洱市、临沧市3大普洱茶主产区共85个普洱茶样本中16种稀土元素含量，进行主成份分析和逐步判别分析，3大茶区样本可以较好的区分。

6 展望

茶叶品质鉴定研究方法与技术已经比较成熟，但能与生产实际相结合的仍很少。已有一些研究运用了茶叶中的矿质元素含量差异来鉴别茶叶产地，但多数研究只能对地域跨度非常大的茶叶样品进行区分鉴别，对于较小地理范围内的茶叶样品产地鉴别仍然有难度。在当前的研究水平下，ICP-MS、ICP-AES作为离子组学探究的重要方法，随着对茶叶离子组学的深入研究，ICP-MS、ICP-AES将为茶叶养分吸收与累积机理探究提供更好的检测技术基础，推动了茶叶离子组学发展。随着仪器分析技术的不断发展，仪器间的联用为今后的成分鉴定、产地判别等提供了新的思路，如 HPLC-ICP-MS、IC-ICP- MS、GC-ICP-MS、ICP-TOF-MS联用，可分离出更多的特征成分用于茶叶品质鉴定及产地区分，可以为食品矿质元素品质鉴定和产地鉴别提供更大范围。

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ICP-MS and ICP-AES for Mineral Analysis and Origin-tracing on Tea Products

WANG Jie1，2，YI Xiao-yun1，2，MA Li-feng1，JING Jin1，2，SHI Yuan-zhi1
（1. Tea Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences / the Key Laboratory for Plant Biology and Resource Application of Tea，the Ministry of Agriculture， Hangzhou 310008，China； 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

Mineral contents in tea can be used as an index for tea quality determination as well as for food safety purpose. Since the minerals in tea are regional specific， their contents could allow an accurate tracing for the origin of a product. The highly efficient and sensitive ICP-MS and ICP-AES for mineral analysis could be an effect analytical tool applied for the origin-tracing on tea products. This paper describes the operating principle and current applications of the instruments.

tea； high-throughput methodology； mineral analysis； origin-tracing

O6-33

A

2015-07-14 初稿；2015-08-24 修改稿

公益性行业（农业）科研专项（201203046）；中国农业科技创新工程项目（CAAS-ASTIP-2014-TRICAAS-0X）

王洁（1988-），女，硕士研究生，主要从事茶叶离子组学研究。

shiyz@tricaas.com