微波消解-ICP-MS法测定六安市栽培种茶树的10种元素

郭锐 闫航滨 赵敬娟 文洋洋 胡玮炜

摘要 ［目的］利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对六安市当地茶树栽培种进行多元素测定，探究当地茶树中的元素含量及地区差异。［方法］采集茶树第二叶进行微波烘干，称量后微波消解并定容，利用ICP-MS法进行10种元素含量的测定。［结果］各元素线性关系良好（R2≥0.996 7），方法检出限为0.003～47.910 mg/kg。各元素含量相对标准偏差（RSD）为0.06% ～ 9.79%。总的来看，六安市茶叶中钾、钙、镁含量较高，锰、铝、钠、铁次之，锌、铜、硒含量较低。在不同地区的茶叶中，金安区毛坦厂镇的钾、镁、锌含量最高，霍山县诸佛庵镇的钙含量最高，金寨县麻埠镇的锰含量最高，金寨县油坊店乡的铝、铁含量最高，裕安区独山镇的钠含量最高，舒城县舒茶镇的铜、硒含量最高。［结论］六安市当地栽培种茶树的多元素含量具有地区差异性，该研究结果为六安市日后的茶树育种和产品质量控制提供了理论参考。

关键词 茶树；微波消解；ICP-MS；元素含量；六安地区

中图分类号 TS272.7  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）03-0190-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.046

Determination of 10 Elements in Lu’an Cultivated Tea Plants by Microwave Digestion-ICP-MS

Abstract ［Objective］Inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS） was used to determine the multi-elements of tea plants in Lu’an City， and to explore the element content and regional differences in local tea plants.［Method］The second leaf of tea tree was collected for microwave drying， weighed and digested by microwave， and the content of 10 elements was determined by ICP-MS.［Result］The linear relationship of each element was good （R2≥0.996 7）， and the detection limit of the method was 0.003-47.910 mg/kg.The relative standard deviation of each element content was 0.06%-9.79%.In general， the content of K， Ca and Mg in Lu’an tea plants was higher， followed by Mn， Al， Na and Fe， the content of Zn， Cu and Se was lower.Among the tea in different regions， the content of K， Mg and Zn in Maotanchang Town， Jin’an District was the highest， the Ca content in Zhufoan Town， Huoshan County was the highest， the Mn content in Mabu Town， Jinzhai County was the highest， the Al and Fe content in Youfangdian Township， Jinzhai County was the highest， the Na content in Dushan Town， Yu’an District was the highest， the Cu and Se content in Shucha Town， Shucheng County was the highest.［Conclusion］The multi-element content of tea plants in Lu’an City has regional differences.The research results provide a theoretical reference for future tea breeding and product quality control in Lu’an City.

Key words Tea plant;Microwave digestion;ICP-MS;Element content;Lu’an area

茶樹［Camellia sinensis（L.）O.Kuntze］因为其滋味鲜爽、富含有益于人体的茶多酚等内含物而受到世人的追捧，是全世界消费最流行的无酒精饮品原料作物之一，也是全球重要经济作物之一［1］。茶叶中的各种矿物元素均来自茶树生长位置的土壤中，其中许多元素都是人体所必需的，比如钾、钙、镁、钠等常量元素只有维持在一定比例时，人体才能进行正常的生理活动以及对外界环境表现出相应的感知性，锰、铝、铁、铜、锌、硒等微量元素一般通过参与人体的新陈代谢、生理生化反应等过程发挥着十分重要的作用［2-3］。六安市位于安徽省西部地区，地处大别山区，具有优良的生态环境和特殊的自然地理条件，孕育了许多优质的茶树栽培种，这些茶树栽培种具有许多独特性状和品质，也是品种选育的潜在种质资源库［4］。对六安市当地栽培种进行多元素测定分析不仅可以作为当地品种选育的一项指导标准，还对当地茶叶的质量控制具有指导意义。

目前测定多元素的方法较多，主要有紫外可见分光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等［5］。ICP-MS不仅具有高灵敏度、低检出限、干扰少、线性范围宽等特点，而且可以同时进行多元素测定，分析速度快，在食品安全、环境监测、生物医药等领域广泛应用［6-7］。齐红革等［8］建立ICP-MS法检测绿茶中矿物质和无机元素，发现茶叶中镁、钙和锰含量较高，镁和锰浸出率较高。刘一修等［9］使用ICP-MS同时测定黄山市绿茶中Cr、Cu、As、Ba、Hg、Pb 6种元素，结果表明，当地茶叶重金属含量均达标，不同产地重金属含量差异显著。该研究以六安市本地47份茶树栽培种为材料，使用微波消解和ICP-MS法对其10种无机元素（钾、钙、镁、钠、锰、铝、铁、锌、铜、硒）进行测定，初步分析六安市当地茶树的元素含量以及不同地区之间的元素含量差异，为日后六安市茶树品种的栽培选育和质量控制提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试材。

以六安市7个不同地区共47份栽培种茶树为供试材料，其采样地区和经纬度信息详见表1。

1.1.2 试剂。钾、钙、镁、锰、铝、钠、铁、锌、铜、硒元素标准溶液（1 000 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心）；锗内标溶液（100 mg/L，坛墨质检科技股份有限公司）；Multi-Element Tune A调谐液（10 mg/L，赛默飞世尔科技有限公司）；优级纯硝酸（西陇科学股份有限公司）。

1.1.3 仪器。电感耦合等离子体质谱仪（X-Series Ⅱ，赛默飞世尔科技有限公司）；电子天平（PWN224ZH/E，奥豪斯仪器常州有限公司）；超级微波消解仪（UltraWAVE20101370，意大利Milestone公司）；趕酸电热板（奥普乐科技集团有限公司）；超纯水机（明澈-D14UV，默克密理博）；微波炉（广东格兰仕集团有限公司）；粉碎机（TUBE-MILL 100，艾卡仪器设备有限公司）；5～50 μL移液枪和100～1 000 μL移液枪（艾本德eppendorf公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理。于2020年4月期间现场采集当地栽培种茶树第二叶，统一使用微波炉进行微波烘干（步骤：高火1 min翻转→高火1 min翻转→中高火1 min翻转→中火2 min翻转→中低火3 min），用粉碎机粉碎过60目筛后保存于-20 ℃冰箱备用。使用电子天平称取茶叶样品约0.500 0 g于石英消解管中，加入2.00 mL超纯水和3.00 mL硝酸，加盖于通风橱中自行消解12 h。在消解仪的外罐中加入150.00 mL水和5.00 mL硝酸并混匀，将自行消解后的样品放入微波消解仪并按照标准的操作指南进行微波消解，具体步骤详见表2。将消解完成后的消解管打开盖，置于赶酸电热板上于120 ℃赶酸2 h，最后用超纯水定容至50.00 mL待用。每个样品3个生物学重复，同时做空白对照。

1.2.2 标准溶液制备。使用移液枪吸取所需的标准品母液，并进行逐级稀释，利用0.5%硝酸水定容至50.00 mL，配制的标准曲线溶液如下：钾、钠、钙和镁分别为0、0.5、2.0、5.0、10.0、20.0 μg/mL；铁、铝分别为0、0.2、0.8、2.0、4.0、8.0 μg/mL；锰、锌、铜为0、10.0、50.0、100.0、200.0、500.0 ng/mL，硒为0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 ng/mL。利用0.5%硝酸水配制内标工作溶液锗50 ng/mL。标准曲线溶液和内标溶液均现配现用。

1.2.3 仪器准备与样品测定。先将ICP-MS的测定条件和稳定性进行设定与优化，真空系统压力<6.0×10-8 kPa，氩气压力0.60～0.70 MPa，开机点火后使用1 ng/mL调谐液进行调谐，雾化器压力150～250 kPa，ICP正向功率1 200～1 300 W，等离子体气体流速14.0～15.0 L/min，雾化器流速0.8～1.2 L/min，使得仪器达到稳定且准确的状态，之后使用1.0%硝酸水清洗管路20 min。检测方法选择普通反应池分析模式，采集模式为跳峰，扫描次数为100次，数据采集重复3次。

1.2.4 标准曲线的绘制。将配制好的多元素工作液按照仪器条件依次进样分析，以各元素进样浓度作为横坐标、仪器测得的元素计数响应值作为纵坐标绘制标准曲线，计算得到线性回归方程和决定系数（R2）。

1.2.5 方法检出限和定量限。对空白样品连续进样11次，以测得的空白值标准偏差的3倍值作为方法检出限，空白值标准偏差10倍值作为方法定量限。

1.3 数据处理与分析 利用WPS Office办公软件进行数据统计、标准曲线线性方程拟合和初步分析，使用DPS数据处理系统进行差异显著性分析，SigmaPlot 12.5 软件绘制图形，使用Adobe Illustrator CS6 软件对图形进行修饰整理。

2 结果与分析

2.1 仪器状态优化与工作曲线

使用ICP-MS时将仪器的测定条件进行了优化，结果显示真空系统压力为8.7×10-9kPa，氩气压力为0.65 MPa，雾化器工作状态200 kPa，ICP正向功率1 300 W，等离子体气体流速为15.0 L/min，雾化器流速0.87 L/min，各项指标均符合仪器使用标准且条件较佳。各个元素的标准曲线和决定系数如表3所示，从表3可以看出，拟合的标准曲线均呈现线性关系且决定系数均高于0.995 0，说明在该试验过程中，这10种元素的工作曲线线性关系均良好。此外，该方法的各元素的方法检出限均较低，说明检测方法具有良好的灵敏度，符合元素检测要求，检测结果准确可靠。

2.2 六安市茶叶无机元素的含量分析

该试验测定了六安市当地栽培种茶树叶片的10种无机元素含量，各元素含量相对标准偏差（RSD）为0.06% ～ 9.79%。统计这10种无机元素含量的最高、最低和平均值，见表4，结果显示茶叶中10种无机元素含量差异较大。常量元素中钾元素含量平均值最高，为23 527.07 mg/kg，其中样品T15含量最高，样品T3含量最低，总体差异不大。钙元素含量平均值为3 502.11 mg/kg，其中样品T17含量最高，样品T5含量最低，最高值是最低值的3.5倍，说明不同样品之间差异较大，可能与不同地区的土壤钙含量差异有关。镁元素含量平均值为1 835.34 mg/kg，其中样品T12含量最高，样品T5含量最低，最高值是最低值的2.5倍。钠元素含量平均值为244.59 mg/kg，其中样品T47含量最高，T33含量最低，最高值是最低值的2.9倍。

微量元素中锰元素含量最高，平均值为668.41 mg/kg，样品T41含量最高，T30含量最低，最高值是最低值的12.5倍，含量差异较大。铝元素含量为326.33 ～ 905.93 mg/kg，平均值为556.07 mg/kg，样品T35含量最高，T14等样品含量较低，可以作为后期选育的对象。铁元素含量平均值为105.43 mg/kg，样品T34含量最高，样品T11含量最低。锌元素含量平均值为31.93 mg/kg，样品T17含量最高，样品T35含量最低。铜元素含量平均值为9.04 mg/kg，样品T11含量最高，样品T2含量最低。硒元素含量平均值最低，为19.60 μg/kg，样品T24含量最高，样品T1、T2、T4、T6、T9、T11、T16、T17、T18、T20、T21、T23、T25、T26、T27、T29、T30、T31、T32、T33、T38、T39、T40、T41、T46、T47等26个样品中硒含量均未检出。

2.3 六安市不同地区茶叶无机元素的含量分析

将47个茶树栽培种按照六安市不同地区划分为7块，不同地区之间元素含量差异较为明顯，具体结果见图1。常量元素中，金安区毛坦厂镇的茶叶中钾含量（25 114.29 mg/kg）和镁含量（2 163.53 mg/kg）均最高，舒城县舒茶镇的茶叶中钾含量最低（20 271.51 mg/kg），与金安区毛坦厂镇呈现极显著差异，金寨县麻埠镇的茶叶中镁含量最低（1 707.02 mg/kg），与金安区毛坦厂镇也呈现极显著差异。霍山县诸佛庵镇的茶叶中钙含量最高（4 456.00 mg/kg），金寨县麻埠镇的茶叶中钙含量最低（2 908.74 mg/kg），两地区茶叶中钙含量差异极显著。裕安区独山镇的茶叶中钠含量最高（316.66 mg/kg），舒城县舒茶镇的钠含量最低（190.18 mg/kg），裕安区独山镇与金寨县青山镇、舒城县舒茶镇钠含量均呈现极显著差异。

微量元素中，金寨县麻埠镇的茶叶中锰含量最高（850.84 mg/kg），舒城县舒茶镇的茶叶中锰含量最低（517.41 mg/kg），金寨县麻埠镇与裕安区独山镇、舒城县舒茶镇锰含量呈现极显著差异。金寨县油坊店乡的茶叶中铝含量（644.90 mg/kg）和铁含量（118.17 mg/kg）最高，裕安区独山镇的茶叶中铝含量最低（399.22 mg/kg），金寨县油坊店乡与裕安区独山镇、金安区毛坦厂镇铝含量呈现极显著差异，这表明裕安区独山镇和金安区毛坦厂镇的茶叶种植土壤中铝含量较小，铝元素污染更小；金安区毛坦厂镇的茶叶中铁含量最低（80.91 mg/kg），与金寨县油坊店乡差异极显著。金安区毛坦厂镇的茶叶中锌含量最高（39.50 mg/kg），金寨县油坊店乡的茶叶中锌含量最低（28.86 mg/kg），金安区毛坦厂镇与金寨县麻埠镇、金寨县油坊店乡锌含量均呈现极显著差异。舒城县舒茶镇的茶叶中铜含量最高（10.15 mg/kg），金寨县麻埠镇的茶叶中铜含量最低（7.75 mg/kg），两者之间差异极显著。舒城县舒茶镇的茶叶中硒含量最高（40.75 μg/kg），霍山县诸佛庵镇的茶叶中硒含量最低（5.14 μg/kg），虽差异极显著，但由于较多样本中硒元素未检出，导致误差较大，且与富硒茶标准中硒元素含量仍有较大差距，说明六安市所有地区的茶叶中硒元素含量均较低。

3 讨论与结论

六安茶曾作为贡茶，具有悠久的历史，六安市也是我国著名茶区之一，所有茶区均位于峰峦叠翠的大别山腹地，富含多酚类物质、生物碱和多种无机元素［10］。茶叶中的钾含量为矿质元素之首，但钠含量相对较低，因此茶属于高钾低钠饮料，符合人体需求［11］。该研究茶叶中钾元素含量最高，钠元素较低，这与李红等［12］的测定结果一致。镁和锰常作为酶的激活剂参与细胞代谢过程，对人体健康也发挥重要的作用。茶叶作为集锰作物，相比水果蔬菜高50倍左右［13］。该研究发现，茶叶中镁、锰元素含量均较高，锰元素甚至高于常量元素钠的含量，这与齐红革等［8］的研究结果一致。钙作为人体必需的宏量元素，主要存在于骨骼和血浆中，在神经、肌肉的兴奋性以及凝血过程中具有一定的功能。铁作为血红蛋白的组成成分，在人体中担任着氧气运输功能，也是一些酶的组成部分，是人体中较为重要的必需微量元素［14］。但钙和铁在茶汤中浸出率极低，不能作为补充钙、铁的途径。铝是人体非必需微量元素，铝的过量摄入会导致阿尔兹海默症以及铝中毒的风险增加［15］。茶树适宜酸性环境生长，是天然植物中含铝量较高且典型的聚铝作物。该研究结果可见，六安市当地茶叶中铝含量在326.33～905.93 mg/kg，低于惠州市［16］、济南市［17］等地区的茶叶铝含量，说明本地铝含量污染较少，相应的成品茶铝元素的健康风险也较低。锌参与生长发育、蛋白质代谢、消化和呼吸等相关酶的合成，成人每日需要摄入锌含量为10～15 mg，茶叶中锌的茶汤浸出率也较高，可作为人体补锌的好途径。六安市茶叶锌含量在21.33～42.96 mg/kg，与马嫱等［18］的研究结果基本一致，且符合国家一级标准中茶叶锌元素的参考值。铜是人体必需的微量元素，有助于形成血红蛋白和黑色素，对保持身体和皮肤健康起到重要作用，但铜元素超标也会在一定程度上损害身体健康［19］。该研究中发现六安当地茶叶铜含量在6.00～12.70 mg/kg，所有样品均符合NY/T 288—2018《绿色食品 茶叶》的标准（Cu≤30 mg/kg）。硒作为人体必需的微量元素，能增强人体免疫力，在预防癌症、清除自由基、抗氧化等方面具有重要作用［20］。但该研究结果发现六安市当地茶叶的硒元素含量较低，均未达到NY/T 600—2002《富硒茶》的标准（0.25～4.00 mg/kg），不属于富硒茶。

该研究使用ICP-MS法测定了六安市当地47份当地栽培种茶叶的10种无机元素，仪器设备优化后测定结果显示，六安市当地茶叶中常量元素含量从高到低依次为钾>钙>镁>钠，微量元素含量从高到低依次为锰>铝>铁>锌>铜>硒。其中金安区毛坦厂镇茶叶中钾、镁、锌元素最高，霍山县诸佛庵镇茶叶中钙元素最高，金寨县麻埠镇茶叶中锰元素最高，金寨县油坊店乡茶叶中铝、铁元素最高，裕安区独山镇茶叶中钠元素最高，舒城县舒茶镇茶叶中铜、硒元素最高，不同地区之间元素含量具有明显差异。该研究解析了六安市当地茶树栽培种中不同元素的含量，为之后六安市茶树的种质创新和产品质量控制提供理论参考。

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