基于能量色散X射线荧光光谱分析技术对茶叶检测条件的优化

马江媛，桑晓霞，李叶丽，黄登宇*

1(山西大学 生命科学学院，山西 太原，030006)2(山西大学食品药品快速检测中心，山西 太原，030006)

中国是茶的发源地，有着悠久的历史，且茶叶品种繁多[1-2]，受到世界各国人民的大力追捧。茶叶中含有丰富的化合物, 包括茶多酚 (25%～35%)、茶多糖 (20%～25%)、蛋白质 (25%～30%) 以及26种氨基酸、50余种矿质元素和维生素等多种功能性成分[3]。因此，很长时间以来，茶叶一直被人们视为预防衰老、预防高血压、降低血脂的重要饮品。目前，我国将茶叶基本分为：红茶、绿茶、黄茶、白茶、黑茶、乌龙茶六大类[4]。但是，茶叶中也含有极少量的重金属元素[5]。当前重金属超标问题是继农药残留问题之后，在我国茶叶质量安全问题中日渐突出的又一重要问题[6]。

茶叶中重金属的检测方法有原子吸收光谱法[7-10]、电感耦合等离子体发射光谱法[11-14]、电感耦合等离子体质谱法、分光光度法[15-16]以及其他多种新兴发展起来的检测技术。但是这些检测方法维修费用高，操作复杂，检测时间长，不能满足现场快速检测的要求，而采用能量色散X射线荧光光谱分析技术(energy dispersive X-ray fluorescesce spectrometry，EDXRF)检测，可以很好地克服上诉缺点[17]，而且检测的精密度和稳定性还比较好，可满足食品快速检测要求。本文建立了茶叶中重金属元素的EDXRF检测方法，实验过程涉及到若干技术环节，比如前处理过程[18]、检测过程中常用技术[19]等，这些环节都会影响最后的测量精度，而本文重点针对仪器检测条件的优化进行深入研究，为茶叶中重金属元素的检测提供新的方法依据，同时也拓宽EDXRF检测技术的应用范围。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

茉莉花茶；玫瑰花茶；金银花茶；菊花茶；黄山绿茶；工夫红茶。

电子天平(BSA224S)，德国Sartorius公司；标准筛，绍兴市上虞区道墟五四仪器厂；粉末压片机(PC-12)，天津精拓仪器公司；100 g手提式粉碎机(HK-02A)，广州旭朗机械设备有限公司；EDXRF荧光光谱仪(EDX8300H)，北京赛必达科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品预处理

主要选用茉莉花茶作为实验样品，将茉莉花茶样品用粉碎机粉碎，过不同目数标准筛，置于干燥环境，储存备用。并将粉碎好的茉莉花茶粉末样品在压片机不同压力作用下压制成紧实的片状样品，便可直接上机进行检测，以仪器显示的计数率为检测指标，其中计数率是指在X射线荧光光谱分析中，X射线强度是以单位时间通过探测器窗口的入射X射线光子数。

1.2.2 EDXRF技术操作步骤

预热：开机预热30 min，使得仪器处于稳定状态。

初始化条件：初始化元素Ag；管压45 kV；管流300 mA；仪器温度16 ℃；真空度93.0 kPa；测量时间90 s，放置Ag片上机初始化。

样品测定条件：管压45 kV；管流300 mA；仪器温度16 ℃；真空度93.0 kPa。

1.2.3 检测条件优化

1.2.3.1 仪器检测时间优化

控制仪器检测时间为唯一变量，其他条件均一致。对选定的茉莉花茶粉末样品，过120目标准筛，在电子天平上精密称取4 g，经30 MPa压力压片30 s制成片状样品，通过查阅相关文献，初步设置仪器检测时间分别为5、30、60、90、120、150 s，对制备好的样品进行上机检测，记录不同仪器检测时间下的计数率，确定最优条件。

1.2.3.2 样品颗粒粒径优化

控制茉莉花茶粉末样品颗粒粒径大小为唯一变量，其他条件均一致，通过查阅相关文献，初步过140、100、80、40目标准筛和未过筛的茉莉花茶样品粉末，分别精密称取4 g，经25 MPa压力压片30 s制成片状样品，在仪器检测时间为90 s条件下进行检测，记录不同样品颗粒粒径大小下的计数率，确定最优条件。

1.2.3.3 样品颗粒紧实度优化

控制样品颗粒紧实度为唯一变量，其他条件均一致。对选定的茉莉花茶粉末样品，过140目标准筛，在电子天平上准确称取5份，每份4 g，通过查阅相关文献，初步在10、15、20、25、30 MPa五种压力下压片30 s制成片状样品，在仪器检测时间为90 s条件下进行检测，记录不同样品颗粒紧实度下的计数率，确定最优条件。

1.2.3.4 样品厚度优化

控制待测样品质量为唯一变量，其他检测条件均一致。对选定的茉莉花茶样品，过140目标准筛，通过查阅相关文献，在电子天平上分别初步精密称取2、3、4、5 g，经25 MPa压力压片30 s制成片状样品，在仪器检测时间为90 s条件下进行检测，记录不同样品厚度下的计数率，确定最优条件。

1.2.4 EDXRF技术对不同种类茶叶的检测

将不同种类的茶叶(玫瑰花茶、金银花茶、菊花茶、黄山绿茶、工夫红茶)，对其重金属按上诉实验过程和优化结果进行检测，记录计数率。

1.2.5 方法学评价

对EDXRF技术检测茶叶中的重金属方法的精密度和稳定性进行测定。取1份待测样品，按上诉优化结果操作，连续检测5次，评价方法的精密度。精密度常用相对标准偏差来表示。取1份待测样品，按上诉优化结果操作，每隔30 min检测1次，连续测定5组，评价方法的稳定性,通常用相对标准偏差来衡量如公式(1)：

(1)

1.2.6 数据分析

数据处理采用Microsoft Excel 2016软件，制图采用Oiginpro 7.5软件。每组实验平行重复3次，取平均值作为最终的测量值。

2 结果与分析

2.1 仪器检测时间优化

由图1可以看出，当仪器检测时间达到30 s时，计数率明显提高，随着检测时间继续延长，计数率将不再有明显变化。由图2可以看出，当检测时间为5、30 s时，RSD之间的差异较大；当检测时间延长至60 s以上时，RSD之间的差异显著缩小，且检测结果之间的RSD均不超过0.20%。原因可能是刚开始时，光源没有将样品完全激发，或者样品散射的X射线荧光没有被探测器完全吸收，因此检测到的计数率较小。当检测时间延长，检测精密度越高，为了提高仪器检测的准确度，可以适当延长检测时间或者增加检测次数，从而降低相对标准偏差，但并非检测时间越长越好，因为当达到一定检测时间后，仪器的精确度与检测时间会有平衡点[20]。综合考虑仪器的检测精度以及检测效率、仪器的使用寿命等因素，因此选择检测时间为90 s。

图1 检测时间对检测计数率的影响Fig.1 Effect of detection time on detection counting rate

图2 检测时间对RSD值的影响Fig.2 Effect of detection time on RSD values

2.2 样品颗粒粒径优化

由图3可以看出，随着标准筛目数的增加，茶叶粉末样品颗粒粒径的减小，检测到的计数率不断增加。其原因可能是粉状待测样品颗粒粒径大小及其分布状态会对样品的均一度产生影响，进而影响待测样品所测得的X射线荧光强度[21]。因为不同的颗粒粒径对初级X射线会产生不同的激发效果，对激发产生的荧光也会有不同的影响，进而干扰所测得的荧光强度。结合实际操作情况，选择的茶叶粉末样品为过140目标准筛的粉末样品比较合适。

图3 茶叶颗粒粒径对计数率的影响Fig.3 Effect of tea particle size on counting rate注：0表示未过筛的茶叶粉末样品

2.3 样品颗粒紧实度优化

由图4可以看出，随着压力的逐渐增大，计数率也逐渐增大，当压力达到25 MPa时，计数率基本保持稳定，不再有明显变化。因为本实验采用的粉末压片法是对固体粉末进行制样，相对于液体样品，其中会含有更多的空气，而缝隙中的空气不仅能够吸收X射线，而且还会发生一定程度的散射[22-23]，进而影响检测效果。故本实验选择25 MPa，压片30 s制样。

图4 压片压力对计数率的影响Fig.4 Effect of tableting pressure on counting rate注：0表示未经过压片作用的茶叶粉末样品

2.4 样品厚度优化

样品厚度通过样品质量来表示，由图5可以看出，样品不同质量对计数率会产生显著影响，且随着样品质量的增加，计数率显著增大，当样品质量达到4 g以上时，计数率的变化在不断缩小。因为在EDXRF检测时，X射线荧光本身具有一定的能量，同时样品对X射线也会发生一定程度的吸收和散射作用。当样品质量过大时，X射线荧光不能完全穿透样品而发射出去；当样品质量过少时，达不到所需要的厚度，X射线荧光会直接穿透样品而不能够被探测器检测到[24]。在量杯固定的条件下，样品的厚度与质量成正比线性相关，样品质量越大，则厚度越大。因此，综合考虑既能提高检测精度，又不需要过多样品等因素，选择样品检测质量为4 g比较合适。

图5 样品质量对计数率的影响Fig.5 Effect of sample thickness on counting rate

2.5 EDXRF技术对不同种类茶叶的检测

基于EDXRF技术对不同类型茶叶的检测结果见图6～图9，通过对比可以知道，片状样品(优化条件)与粉末状样品(未优化条件)检测结果差异较小，但片状样品(优化条件)测得的计数率明显高于未过筛、未压片的茶叶粉末样品(未优化条件)测得的结果。且基于该技术对不同类型茶叶的检测精密度以及稳定性均较好，满足检测要求。

图6 基于EDXRF技术对玫瑰花茶检测结果Fig.6 Detection results of rose tea based on EDXRF technology

图7 基于EDXRF技术对金银花茶检测结果Fig.7 Detection results of honeysuckle tea based on EDXRF technology

图8 基于EDXRF检测技术对菊花茶的检测结果Fig.8 Detection results of chrysanthemum tea based on EDXRF detection technology

图9 基于EDXRF技术对黄山绿茶检测结果Fig.9 Detection results of Huangshan green tea based on EDXRF technology

2.6 方法学评价结果

EDXRF技术对茶叶片状样品连续测定5组，计数率分别为16 406.0、16 399.5、16 405.7、16 411.0、16 408.2，RSD为0.03%，符合国标GB 5009.12-2017中规定的精密度要求[25]。EDXRF技术对茶叶片状样品，每隔30 min检测1次，连续测定5组，计数率分别是16 481.3、16 440.7、16 405.4、16 438.5、16 406.0，RSD为0.19%。采用EDXRF技术对不同种类的茶叶样品中的重金属检测后，精密度和稳定性的RSD均小于5%。

3 结论

通过对检测条件的优化，最终确定为过140目标准筛的茉莉花茶粉末样品，称取4 g，25 MPa压力压片30 s，制得片状样品，在检测时间为90 s时，仪器所测得计数率最高，且此时检测结果的精密度为0.03%，稳定性为0.19%，在最优条件下对其他种类的茶叶样品进行相同方法的检测，得出片状样品检测结果普遍优于粉末样品，精密度和稳定性均小于5%的结论。表明EDXRF技术可以实现对包括传统茶以及代用茶在内的所有茶叶的检测。说明该方法精密度和稳定性都比较高。

食品安全质量检测越来越向无损化、简单化、智能化方向发展[26]。为了进一步提高仪器的检测精度，可以从仪器构造方面着手，优化仪器结构，进而提高检测精度准确度。在后期的实验中进一步建立相应的数据库，为X射线荧光光谱仪拓展应用范围，并为X射线荧光检测技术实现茶叶样品的快速检测探索方法依据，为一线监管人员提供便利。