基于无标样定量分析的X射线荧光光谱法快速测定谷物中多种营养元素

陆金鑫 贾明哲 时 超 黄蔚霞

基于无标样定量分析的X射线荧光光谱法快速测定谷物中多种营养元素

陆金鑫 贾明哲 时 超 黄蔚霞

（中粮营养健康研究院食品质量与安全中心，北京 102209）

基于X射线荧光光谱法测试谷物中多种营养元素，分析谷物类型、粒径、测量时间、基体校正平衡项对检测结果的影响。在优化后的试验条件下，通过检测谷物类标准样品，验证了该方法检测小麦、大米中镁、磷、硫、钾等8种营养元素有较好准确度和精密度，适用于谷物中营养元素的快速测定。

X射线荧光光谱法 无标样定量 谷物 营养元素

营养元素是生物体内一系列酶、激素和维生素等活性物质的组成部分，与机体的新陈代谢密切相关［1］。谷物作为人们每天摄入的主要食物，测定与了解谷物中矿质元素的含量与分布，对于实现谷物的科学加工利用、品质育种及产地溯源都具有十分重要的意义［1，2－4］。

随着分析技术的不断更新，营养元素的检测方法从比较传统的化学方法，如比色法、滴定法，发展到了基于现代技术的光谱、质谱和色谱检测手段，如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP），电感耦合等离子体质谱法（ICP －MS）、离子色谱法（IC）等［5－9］，方法的灵敏度和精密度均有很大提升，并实现了多元素同时检测。然而，这些分析方法所依赖的前处理手段耗时且不环保，需要熟练的操作才能得到可靠的结果，从而限制了其在日常质控方面的应用。

X射线荧光光谱是利用X射线照射样品，样品中存在的各元素被激发后释放出具有特征能量的X射线荧光。通过测量这些X光的波长和强度，从而识别和定量分析所存在的元素。X射线荧光光谱法具有非破坏性，样品制备简单、快速，并实现了针对多元素的广泛的分析含量范围，数据精确且稳定。近年来，在农业、食品领域，X射线荧光光谱法得到了初步的推广应用［10－12］。

随着X射线荧光光谱无标样定量分析技术的日趋完善，用户无需收集标准样品、建立工作曲线即可对各种未知样品进行多元素检测，进一步拓展了X荧光光谱法的应用空间。但由于仪器性能和软件算法的局限性，无标样定量分析的应用报道较少，且检测对象多为奶粉、蔬菜等营养元素含量较高的样品［13－14］。本研究采用基于无标样定量分析的X射线荧光光谱法对小麦和大米标准物质中的多种营养元素进行测定，测得磷、硫、钾、钙、镁、锰、锌、铁8种元素含量准确，精密度较高，且与ICP检测结果吻合较好，说明该方法适于小麦、大米等谷物中营养元素的测定，且前处理方式简单，显著节省时间和成本费用，是通行标准检测方法的有益补充。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

Epsilon3 XL型能量色散X射线荧光光谱仪：荷兰帕纳科公司，配置铑靶X光管（最大电压50 kV，最大电流3 mA）、充氦系统（提高对轻元素的灵敏度）、半导体制冷硅漂移探测器（分辨率＜135 eV）和无标样定量分析软件Omnian；Optima 8300型电感耦合等离子体发射光谱仪：美国珀金埃尔默公司；BJ－15型粉末压片机：天津博君科技有限公司，最大压力15吨；A11型分析研磨机：德国艾卡仪器设备有限公司。

1.2 材料与试剂

生物成分分析标准物质小麦（GSB－2）、四川大米（GSB－22）和玉米（GSB－3）：廊坊中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所；麦拉膜，聚酯材料，直径63.5 mm，厚度3.6μm：美国Chemplex公司。

1.3 试验步骤

准确称取谷物的标准物质粉末4.00 g，转移至直径25 mm的模具中，15 t压力保持5 min，可制得厚度为6 mm的粉末压片，置于样品杯中重复测试2次，计算元素含量的平均值。

1.4 仪器参数

元素序数从小到大，从镁到锌被分为4种测量条件，仪器推荐参数见表1。

表1 营养元素的分组测量条件

2 结果与讨论

无标样定量分析的影响因素主要源于2个方面，即样品本身的物理状态（样品厚度、颗粒大小等）和仪器测量参数（测量时间、基体校正等）。有研究表明，粉末压片的厚度达到6 mm时，对于钙等较轻元素，特征X射线荧光强度即可达到最大值［4］，即样品厚度的影响可以忽略。因此选择4.00 g作为取样量，确保25 mm模具压片后样品厚度为6 mm。另一方面，谷物中99%以上是不产生荧光信号的碳、氢、氧、氮，属于轻基体样品，而铑靶的康普顿散射线强度对这些轻元素浓度有较为灵敏的响应，可成为校正依据。参考谷物中淀粉与蛋白质的分子式，综合得到（CH2O）19N这一平衡项参与浓度计算，从而对样品进行完整、准确的定量分析［13－14］。对于其他因素，将以谷物标准物质为试验材料详细考察对结果准确度和精密度的影响。

2.1 麦拉膜对测定结果的影响

麦拉膜为X射线分析专用薄膜，常用于样品杯底部的密封，确保装入的样品不外漏污染光管的铍窗。然而，膜中含有钙、磷、铁等杂质，可能造成测定结果的偏差。选择小麦标准物质（GSB－2）压片后分别放入覆膜和不覆膜的样品杯中进行测试，并与标称值进行比对（见表2）。结果表明，麦拉膜的存在使磷、硫、钙的测定含量明显偏高，推测是所含杂质的影响，而镁含量偏低则可能是膜对特征X射线吸收的干扰所致。因此，在后续试验中将样品压片直接置于样品杯中进行测定。

表2 使用麦拉膜对小麦中营养元素测定结果的影响

2.2 测量时间对测定结果准确度的影响

由表3和表4可知，在仪器推荐的测试条件A下所得小麦（GSB－2）、大米标准物质（GSB－22）中锰、锌的含量均偏低，其他的元素符合要求。对于玉米标准物质（GSB－3），因为磷、硫和钙的浓度水平更低，结果也有较大偏差。

表3 营养元素分组测量时间单位／s

表4 不同测量时间下谷物标准物质中营养元素测定结果

测量时间可在仪器推荐值的基础上适当延长，从而降低待测元素的测定低限［4］。由表4可得，对于小麦和大米样品，适当延长锰和锌所在条件组的测量时间，测得结果可满足标称值的要求。而对于玉米样品，可能因为磷和钙的含量已低于方法的测定低限，延长时间的效果不明显。综上所述，优化测量时间有助于提升测定的准确度，特别是小麦和大米样品8种元素所测得含量均符合标准物质标称值的要求。

2.3 样品粒径对测定结果精密度的影响

粉末样品的均匀性对于X射线荧光光谱仪的检测结果有着较大的影响［15］。通常而言，粒径越小的颗粒越容易混匀，也更容易在样品杯中均匀分布，有利于检测结果的重复性。谷物的标准物质在磨碎后过80目筛并混匀，现以小麦标准物质（GSB－2）为例，继续研磨并分别过100目和200目筛后，收集粉末各压片3个进行测定，元素含量的平均值和相对标准偏差计算结果见表5。数据表明，从80目到200目，各元素检测结果及相对标准偏差变化均不显著，80目可以满足X射线荧光光谱法测定精密度的要求。

表5 样品粒径对小麦标准物质中营养元素测定结果的影响

2.4 实际谷物样品中营养元素的测定

为了考察该方法的实用价值，选择4种不同的谷物样品（全麦粉、小麦粉、早籼米、籼糯米），研磨过80目筛，压片后进行测定。将测定结果与ICP法检测值比对，数据列于表6。通过配对t检验可知，除了大米样品中含量较低、接近测定低限的钙、铁元素外，这2种方法在95%置信水平上没有显著差别，从而进一步证实了该方法的可靠性。

表6 实际谷物样品中营养元素的测定结果比较

表6 （续）

3 结论

基于无标样定量分析的X射线荧光光谱法，通过改进试验方法，优化仪器参数，发展了一种同时快速测定谷物中多种营养元素的检测方法，无需标样建立工作曲线、无需复杂样品预处理，对于小麦和大米样品，结果的准确度和精密度均令人满意。

［1］刘波静.粮油食品中微量元素的分析及营养机制的研究［J］. 中国粮油学报，2001，16（3）：6 －9

Liu BJ.Investigation of trace elements in cereals and relative nutritional situation［J］.Journal of the Chinese Cereals and Oils Association，2001，16（3）：6 －9

［2］石荣丽，邹春琴，芮玉奎，等.ICP－AES测定中国小麦微核心种质库籽粒矿质养分含量［J］.光谱学与光谱分析，2009，29（4）：1104 －1107

Shi RL，Zou CQ，Rui YK，et al.Application of ICP－AES to detecting nutrients in grain of wheat core collection of China［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2009，29（4）：1104－1107

［3］Jiang SL，Wu J G，Feng Y，et al.Correlation analysis of mineral element contents and quality traits in milled rice（Oryzastavia L.）［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2007，55（23）：9608 －9613

［4］Otaka A，Hokura A，Nakai I.Determination of trace elements in soybean by X－ray fluorescence analysis and its application to identification of their production areas［J］.Food Chemistry，2014，147：318 －326

［5］周明慧，伍燕湘，王松雪.国内外粮谷中元素含量检测标准现状与进展［J］. 中国农业科技导报，2013，15（4）：25－30

Zhou M H，Wu Y X，Wang SX.Current status and progress of internal and externaltesting standards for cereals elements［J］.Journal of Agricultural Science and Technology，2013，15（4）：25 －30

［6］孙建民，崔萌，高峥.痕量磷测定方法的研究及新进展［J］. 微量元素与健康研究，2005，22（2）：55 －58 Sun JM，Cui M，Gao Z.Study and proceeding on the determination of trace phosphorus［J］.Studies of Trace Elements and Health，2005，22（2）：55 －58

［7］周大卫，杨彦丽，林立，等.小麦粉中硫含量的本底测定［J］. 中国粮油学报，2008，23（5）：175 －179

Zhou DW，Yang YL，Lin L，et al.Determination of sulfur background in flour［J］.Journal of the Chinese Cereals and Oils Association，2008，23（5）：175 －179

［8］陆美斌，周明慧，王松雪，等.微波消解－电感耦合等离子体发射光谱法测定谷物中15种矿质元素［J］.食品科技，2013，38（11）：268 －271

Lu MB，Zhou MH，Wang SX，et al.Determination of 15 mineral elements in cereals by ICP－AESwithmicrowave digestion［J］.Food Science and Technology，2013，38（11）：268－271

［9］Wei Y H，Zhang J Y，Zhang D W，et al.Simultaneous determination of Se，trace elements and major elements in Serich rice by dynamic reaction cell inductively coupled plasma mass spectrometry（DRC－ICP－MS）after microwave digestion［J］.Food Chemistry，2014，159：507 －511

［10］包生祥，王志红.X－射线荧光光谱测定甜瓜中矿质元素［J］. 分析化学，1999，27（5）：558 －561

Bao SX，Wang ZH.X－ray fluorescence spectrometric determination of mineral elements in muskmelon［J］.Chinese Journal of Analytical Chemistry，1999，27（5）：558 －561

［11］De La Calle I，Costas M，Cabaleiro N，et al.Fast method for multielemental analysis of plants and discrimination according to the anatomical part by total reflection X－ray fluorescence spectrometry［J］.Food Chemistry，2013，138：234－241

［12］Gunes A，Inal A，Kadioglu Y K.Determination of mineral element concentrations in wheat，sunflower，chickpea and lentil cultivars in response to P fertilization by polarized energy dispersive X －rayfluorescence［J］.X －Ray Spectrometry，2009，38：451 －462

［13］王志刚，李凤全，陈勇提.X射线荧光结合分子式模拟分析圆白菜主、次量元素［J］.光谱实验室，2006，23（3）：626－628

Wang ZG，Li FQ，Chen YT.Analysis major and minor elements for cabbage by X－ray fluorescence spectrometry and simulation of molecular formula［J］.Chinese Journal of Spectroscopy Laboratory，2006，23（3）：626 －628

［14］王志刚，李凤全.X射线荧光无标半定量分析奶粉微量元素［J］. 广东微量元素科学，2006，13（11）：64 －67

Wang ZG，Li FQ.Semi－quantitative analysis on microelements inmilk powder by XRF without standards［J］.Guangdong Trace Elements Science，2006，13（11）：64 －67

［15］陆安祥，王纪华，潘立刚，等.便携式X射线荧光光谱测定土壤中Cr，Cu，Zn，Pb和As的研究［J］.光谱学与光谱分析，2010，30（10）：2848 －2852

LU AX，Wang JH，Pan LG，et al.Determination of Cr，Cu，Zn，Pb and As in soil by field portable X － ray fluorescence spectrometry［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2010，30（10）：2848 －2852.

Rapid Determination of Multi－Nutrient Elements in Cereals by X－Ray Fluorescence Spectrometry Based on Quantitative Analysis Without Standards

Lu Jinxin Jia Mingzhe Shi Chao Huang Weixia
（Food Quality and Safety Centre，Nutrition and Health Research Institute，COFCO，Beijing 102209）

Multi－nutrient elements were determined in cereals，using X －ray fluorescence spectrometry.The influence of cereal type，particle size，measuring time and balance for matrix effect correction was studied.Under optimized experimental conditions，it has been verified that using this method to detect eight nutrient elements in wheat and rice such as magnesium，phosphorus，sulfur and potassium had better accuracy and precision by detection of cereal standard samples，which is applicable to rapid determination of nutrient elements in the cereal.

X － ray fluorescence spectrometry，without standards，quantitative analysis，cereals，nutrient elements

O657.62

A

1003－0174（2016）07－0138－04

中粮集团应用基础项目（2013－C2－F006）

2014－11－17

陆金鑫，男，1985年出生，博士，光谱分析

黄蔚霞，女，1973年出生，高级工程师，食品质量与安全