X射线荧光光谱法半定量和电感耦合等离子体质谱法全定量快速测定花草茶中多种元素

(华侨大学分析测试中心，厦门 361021)

花草茶由于其天然来源，且具有养生保健的功效而受到人们的青睐，如茉莉花茶和菊花茶有清热解毒之功效，玫瑰花茶能强肝养胃[1]，勿忘我可清心明目、滋阴补肾[2]。花草茶种类繁多，特性各异，其所含的元素种类及含量对其性能、功效乃至毒副作用起着重要的作用，元素的过量摄入、摄入不足或不平衡都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病[3]。因此，开展花草茶的元素含量测定工作对其研究、开发应用及质量控制具有重要意义。

目前，能够一次性同时测定多种元素的方法主要有X 射线荧光光谱法(XRFS)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)与电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等[4]。这些方法均具有分析速率快、线性范围宽等优点，因此被广泛应用。其中，ICP-MS检出限低、灵敏度高、准确度好[5]，但样品前处理繁琐耗时，如固体样品需要使用硝酸等消解再定容稀释，存在酸用量大、易污染环境等问题；XRFS可直接分析固态样品粉末，制样简单，是一种无损的快速分析方法[6]，其无标准样品分析可用于未知样品的快速筛查，但检出限较高，较适用于质量分数在1μg·g－1以上的元素，且由于缺乏XRFS标准品而较难建立标准曲线进行全定量。目前用XRFS[3]或ICP-MS[1]、ICP-AES[7]对花草茶中的元素进行全定量分析均已有报道，但把XRFS半定量和ICP-MS 全定量结合起来测定元素含量鲜见报道。

本工作将XRFS和ICP-MS结合，取长补短:先采用粉末压片、XRFS无标准样品分析快速筛查花草茶中质量分数在1μg·g－1以上的所有元素种类和含量；再用微波消解处理花草茶，根据XRFS 的结果稀释消解液，用ICP-MS全定量分析元素含量。采用柑橘叶国家标准物质对该方法进行验证，旨在寻找一种快速准确测定花草茶中多种元素的分析方法，为正确评价花草茶的食用价值提供参考，为花草茶的开发利用及相关产品的质量控制提供数据参考和技术支持。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

ARL PERFORM′X 4200 型X 射线荧光光谱仪；7800 型电感耦合等离子体质谱仪；Multiwave PRO 型微波消解仪；BHW-09A16型赶酸仪。

23种元素混合标准储备溶液:含1 000 mg·L－1的钠、镁、钾、钙，10.0 mg·L－1的铝、钛、锰、铁、镍、铜、锌、铷、锶、钡、铬、钒、钴、砷、硒、银、镉、铊、铅。

内标储备溶液:含10 mg·L－1的铋、锗、铟、锂、钪、钇。

内标溶液:0.5 mg·L－1，移取适量的内标储备溶液，用2%(体积分数，下同)硝酸溶液稀释而成，测定时经三通在线加入。

调谐液:含10μg·L－1的铈、钴、锂、镁、铊、钇。

硝酸为色谱纯；硼酸为分析纯；试验用水为超纯水(电阻率为18.2 MΩ·cm)。

1.2 仪器工作条件

1)微波消解条件 微波消解程序见表1。

表1 微波消解程序Tab.1 Program of microwave digestion

2)电感耦合等离子体质谱条件 射频功率1 550 W；等离子体气流量15.0 L·min－1，载气流量1.0 L·min－1，辅助气流量1.0 L·min－1，补充气流量1.0 L·min－1；采样深度8 mm；雾化室温度2 ℃；蠕动泵转速0.1 r·s－1；采样锥、截取锥均为镍锥。

1.3 试验方法

5种市售花草茶(勿忘我、野菊花、茉莉花、玫瑰花、玫瑰茄)均购自某超市，于60 ℃烘干粉碎并过200目(0.075 mm)筛，混匀后置于干燥器中备用。

先采用粉末压片、XRFS无标准样品半定量分析快速测定花草茶中的元素种类和含量，再根据XRFS的测定结果采用微波消解处理样品，用ICPMS进行全定量分析。

1.3.1 XRFS无标准样品半定量分析

样品制备方法参考文献[8]略加改进。取过200目筛的花草茶样品粉末，经烘干至恒重，称取2.000 0 g放入压片机模具中摊平，用硼酸镶边、垫底，在300 k N 下保压20 s，压制成直径为32 mm 和镶边外径为40 mm 的圆片。样品压片后贴签保存，同法制作3个样片，应用XRFS的无标准样品半定量分析，从氧到铀元素范围内进行元素谱扫描。每种样品取3个样片的测定平均值作为测定值。

1.3.2 ICP-MS全定量分析

ICP-MS的样品前处理技术中微波消解技术因具有快速、分解完全、能有效避免痕量元素损失和样品污染等优点[9]而受到青睐。参考国家标准GB 5009.268－2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》，取过200目筛的花草茶样品粉末，经烘干至恒重，称取0.500 0 g置于微波消解罐内，加6 mL硝酸。将微波消解罐置于赶酸仪上于130℃预消解30 min，加上内盖，旋紧外盖后置于微波消解仪中按表1设定好消解程序进行消解。消解结束后，冷却，取出微波消解罐置于赶酸仪上于130 ℃赶酸至1 mL左右，然后将消解液转移至50 mL容量瓶中，以少量水洗涤消解罐与盖子3～4次，合并洗涤液至容量瓶中，用水定容，摇匀，过0.22μm 滤膜后，按仪器工作条件以209Bi、72Ge、115In、6Li、45Sc、89Y 为内标进行测定。若测定值超出线性范围用2%硝酸溶液进行稀释。同法制备试验空白。

1.3.3 数据分析

参考文献[10]，将5种花草茶样品中6种元素(镁、钾、钙、锰、铁、锌)的XRFS 测定结果与ICPMS测定结果进行对比，以散点图添加趋势线的形式对这2种方法进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 XRFS的测定结果

采用粉末压片-XRFS 无标准样品半定量分析对5种花草茶样品进行快速初筛，通过角度扫描，排除可能干扰的元素，测定出花草茶中质量分数在1μg·g－1以上的所有金属元素和非金属元素，XRFS的测定结果见表2。

表2 XRFS的测定结果Tab.2 Determination results of XRFS μg·g－1

由表2可知:5种花草茶样品中均检出钾、磷、硫、镁、钙、氯、硅、铁、锌和锰等10种元素，个别花草茶样品中检出钠、铝、铜、钡、溴、锶、铷、钛、镍、铬等元素；5种花草茶样品中质量分数最高的元素均为钾，其中野菊花样品中钾的质量分数大于3%；5种花草茶样品中均含有铁、锰、锌等微量元素；只有玫瑰茄样品中检出铬；不同花草茶样品中各元素种类和质量分数存在差异。

为准确测定花草茶中各元素含量以评估花草茶健康价值和污染情况，通常采用标准曲线进行全定量分析。由于元素含量范围跨度大，对于含量不同的元素一般需配制不同含量范围的标准曲线或稀释不同倍数的样品进行分析。通过XRFS 初筛获得的花草茶中各元素及含量范围可为下一步的全定量分析提供良好的数据参考，还可根据元素组成及含量范围优化ICP-MS仪器工作条件及样品前处理方法。XRFS样品制备省时简单，但目前市场上尚未见可用于建立标准曲线的花草茶的XRFS标准品，且XRFS检出限较高，因此采用ICP-MS进行全定量分析。

2.2 ICP-MS的标准曲线和检出限

根据XRFS的初筛结果选择进行ICP-MS全定量分析的元素，并优化ICP-MS仪器工作条件，确定各元素的样品稀释倍数。

移取适量的23 种元素混合标准储备溶液，用2%硝酸溶液稀释成含1，10，50，100，500，1 000，2 000，5 000，10 000μg·L－1钠、镁、钾、钙和0.01，0.1，0.5，1，5，10，20，50，100μg·L－1铝、钛、锰、铁、镍、铜、锌、铷、锶、钡、铬、钒、钴、砷、硒、银、镉、铊、铅的23种元素混合标准溶液系列，以2%硝酸溶液作为空白对照。按仪器工作条件对23种元素混合标准溶液系列进行测定，以23种元素的质量浓度为横坐标，对应的信号强度(3次读数的平均值)为纵坐标，绘制标准曲线。23种元素的线性范围、线性回归方程和相关系数见表3。

移取空白样品溶液，连续进样11次，按仪器工作条件进行测定，根据3倍标准偏差计算方法的检出限(3s)，结果见表3。

表3 线性范围、线性回归方程、相关系数和检出限Tab.3 Linearity ranges，linear regression equations，correlation coefficients and detection limits

表3 (续)

2.3 ICP-MS的测定结果

根据花草茶中元素含量范围对消解处理后的样品溶液进行相应倍数的稀释，按仪器工作条件对5种花草茶样品中的23 种元素进行ICP-MS 全定量分析，每个样品重复测定3次，结果见表4。由于ICP-MS的检出限较低，所有选择的元素均可被检出。

表4 ICP-MS的测定结果Tab.4 Determination results of ICP-MS μg·g－1

表4 (续) μg·g－1

由表4可知:5种花草茶样品中含量最高的元素为钾，与2.1 节中XRFS 测定结果一致；砷、铅、镉、铬等4种重金属元素均可被检出。

2.4 准确度和精密度

按试验方法采用XRFS和ICP-MS对柑橘叶国家标准物质(GBW 10020)进行分析，平行测定6次，计算测定值的相对误差(RE)和测定值的相对标准偏差(RSD)，结果见表5。

由表5可知:XRFS和ICP-MS的测定值均在认定值范围内；XRFS测定值与认定值的RE均在±15%以内，测定值的RSD 均小于5.0%，满足半定量准确度(±30%)、精密度的要求；ICP-MS测定值的RE均在±10%以内，RSD 均小于3.0%。这说明方法准确度和精密度均较高。比较含量较高的镁、钾、钙、锰、铁、锌等元素，其XRFS和ICP-MS的测定值没有显著性差异，可以认为两者的测定值一致。

表5 准确度和精密度试验结果(n＝6)Tab.5 Results of tests for accuracy and precision(n＝6)

2.5 XRFS与ICP-MS测定结果比对

将XRFS与ICP-MS测得的5种花草茶样品中镁、钾、钙、锰、铁、锌等6种金属元素的结果进行相关性分析，结果见表6。

表6 XRFS和ICP-MS测定结果的相关性分析Tab.6 Correlation analysis of determination results by XRFS and ICP-MS

由表6可知:XRFS 与ICP-MS 测得的镁、钾、钙、锰、铁、锌结果的趋势线斜率为0.761 2～1.306，相关性系数为0.910 8～0.999 8，可比性较好。

XRFS无标准样品半定量分析制样简单、测定快速，可用于未知样品的快速筛查，但其检出限较高，只适合质量分数在1μg·g－1以上的元素；ICPMS的检出限低、灵敏度高，适合于低含量元素的测定。实际测定中可根据具体需求选择合适的分析方法。

随着XRFS 无标准样品定量分析技术的日趋完善，用户无需收集标准样品、建立标准曲线即可无损、快速地对各种未知样品中所有元素进行扫描筛查，进一步拓展了XRFS的应用空间。XRFS多用于土壤、矿石等无机材料的测定，近些年来在食品和茶叶中的应用也较多[11-12]。为了快速获得未知样品中各元素种类和含量范围可选用XRFS 无标准样品半定量分析进行筛查，但由于其检出限较高，只能检出质量分数在1μg·g－1以上的元素，而且受到样品本身的物理状态(样品厚度、颗粒大小等)和仪器工作参数(测定时间、基体校正等)的影响，其应用尚未得到广泛普及，应多尝试和开发，使其更好地发挥其功能。

常规的定量分析对于需进行测定的每一种元素都必须提供标准溶液，在完成标准曲线后才能进行测定，且样品含量需要在标准曲线的线性范围内才能准确定量。由于样品中所含元素往往未知且含量范围广，可能从ng·g－1级到mg·g－1级，这给测定工作带来一定困难。一是配制标准曲线的元素及其含量范围的选择；二是样品处理方法及稀释倍数的选择，通常需要消耗大量时间用于试验条件的摸索。常规做法是将样品消解定容后再进行测定。如微波消解通常称量不超过约0.5 g样品消解后定容至25.0 mL或50.0 mL，再稀释1 000倍按仪器工作条件进行测定。如果测得的含量超过标准曲线上限，则需增大稀释倍数，进一步稀释再测定直至调整到合适含量；如果按仪器工作条件进行测定显示未检出则需减少稀释倍数适当浓缩样品再测定。此过程耗时繁琐，需要用到大量的酸，且多次稀释易污染样品造成损失或引入误差导致结果异常，尤其当样品量大时，给工作造成很大的不便。本工作通过XRFS无标准样品半定量分析快速筛查花草茶中元素组成及含量范围，可为进一步全定量提供数据参考，有利于选择测定元素、确定标准曲线的含量范围、选择样品消解方法及稀释倍数以及仪器工作条件的优化等，大大节省了摸索条件的时间且减少了工作量。

对5种花草茶中均含有的镁、钾、钙、锰、铁、锌等6种金属元素的XRFS半定量和ICP-MS全定量测定结果进行对比和相关性分析，可比性较好。对于含量较高的元素，采用ICP-MS测定时需要稀释很多倍数，操作过程易引入误差，且标准曲线不易配制，其测定结果与XRFS 半定量测定结果相比，可比性较好，可根据实际测定需求选择适合的方法。

5种花草茶均检出钾、磷、硫、镁、钙、氯、硅、铁、锌和锰等10种元素，其中钾、磷、硫、镁、钙、氯为人体所需的常量元素[13]，文献[14]报道，钙、磷含量比为2∶1时适合于膳食钙的吸收。勿忘我、野菊花、茉莉花、玫瑰花、玫瑰茄等5种花草茶的钙、磷含量比分别为2.35，1.31，0.74，1.41，10.58，勿忘我、野菊花和玫瑰花较有利于钙的吸收；铁、锌和锰为人体必需的微量元素[15-16]，玫瑰茄中这3种元素的含量均高于其他4 种，玫瑰茄的锰、铁、锌、铜含量比文献[17]报道的高一倍，勿忘我的锰、铁、锌、铜含量与文献[17]报道的一致。玫瑰茄中的铝含量和锶含量是其他花草茶的几倍到几十倍。5种花草茶中的铅、砷、铬、镉等重金属元素的含量普遍较低，但玫瑰茄中的铬含量较高。可见，玫瑰茄中铝、铬等有害元素含量较高，存在一定毒性风险，食用需谨慎。综上可知:花草茶中元素组成丰富，不同种类的花草茶的元素组成和含量各不相同，同一花草茶对不同元素的富集不相同，不同花草茶对同一元素的吸收率也不相同。花草茶对金属元素的富集程度不仅与花草茶的种类、品种有关，还受到土壤和水源的影响。不同地区的土壤所含元素种类和含量均不同，因此花草茶中所含元素有一定的差异性[18]。5种花草茶样品中含有多种人体所需的元素，饮用花草茶对人体有营养价值[3]，但也不能过量，以免影响健康。

本工作建立了XRFS半定量联合ICP-MS全定量快速测定花草茶中多种元素的方法，方法快速、简便、省时、准确性好，适用于花草茶中多种元素含量的测定，可为花草茶的健康价值评价和质量控制提供数据参考。