龚春慧 曾国强 葛良全 李 军 温自强

（成都理工大学核技术与自动化工程学院 成都 610059）

波长色散X射线荧光法测定茶叶中微量元素

龚春慧 曾国强 葛良全 李 军 温自强

（成都理工大学核技术与自动化工程学院 成都 610059）

主要研究了波长色散X射线荧光(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence, WDXRF)法在测定茶叶中的微量元素的应用。采用WDXRF方法可以对茶叶中微量元素的含量进行快速、无损和精确的分析，且一次可以分析20多种元素的含量。采用硼酸垫底压片制样，制成试样样片，用X射线荧光光谱仪测定试样样片中的元素含量。该方法简便、快捷且准确。实验统计结果显示，相对标准偏差最大Pb元素为0.43%，测量精密度非常好。采用WDXRF方法测定茶叶中微量元素含量，使用SPSS软件中的聚类分析，将茶叶进行分类，对于判断茶叶的归属地和种类提供了科学和客观的技术依据。

波长色散X射线荧光法，茶叶，微量元素含量，SPSS，茶叶产地，茶叶种类

茶是中华民族的传统饮品，茶叶中含有丰富的人体必需的微量元素，如Fe、Cu、Co、Cr、Zn、Mn等。测定茶叶中微量元素的含量，讨论其规律，可为人体健康及饮品营养提供依据。茶叶因种植地理环境、当年气候、种植方法以及后期的加工程序不同，其中所含的微量元素也有所不同。对茶叶中的微量元素进行测量，不仅可以确定其营养价值，辨别真伪及产地，而且可以检测到茶叶种植地的环境污染状况和因施用化肥、农药等残存在茶叶里的有毒、有害元素。

目前茶叶中微量元素的测定已有不少成果。但一般采用原子吸收光谱法[1]、ICP等离子发射谱[2]、中子活化分析、能量色散X荧光方法[3]等来测定茶叶中的微量元素。原子吸收光谱、ICP等离子发射谱及ICP质谱法测量精度较高，进行测量时，制样对样品的处理一般采用干法消解和湿法消解法[4]，其耗时长、费用高、工序复杂。而能量色散X荧光方法，仍采用湿法消解，制样不方便，且测量精度也不理想(最高只能测到几十个μg/g)[3]。同时，原子吸收光谱法及ICP等离子发射谱方法的样品前处理过程都是用化学试剂分解植物样品，均为有损检测，易受到污染。中子活化分析及能量色散X荧光方法均为无损分析。上述几种方法，在制样与测量方面耗时长，仪器维护费用高[5]。所以有必要寻找一种制样简单、测量快速、费用低廉、分析无损的测量方法。

本文采用波长色散X射线荧光(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence, WDXRF)方法来测定茶叶中的微量元素，同时对茶叶产地和茶叶类型进行区分。

1 基本原理

对生物样品进行制样，在X射线荧光光谱仪上进行测量，分光晶体将荧光光束色散后，选定的探测器于指定角度测定各种元素的含量。生物样品中的元素均可使用WDXRF光谱仪中的光管进行激发，其仪器结果原理图如图1所示。

2 实验过程

2.1仪器及测试条件

荷兰帕纳科公司Axios WDXRF光谱仪，拥有4.0 kW光管，最高电压60 kV，最高电流160 mA，SST超尖锐长寿命陶瓷端窗薄铍窗(75 μm)铑靶X光管，DELL optipex Gx279计算机，SuperQ软件，Axios光谱仪最多可一次同时放置64个样品。

2.2制样

2.2.1 样品制备

本文采用压样法制样，压样法比湿法消解及干法消解在制样速度、安全性以及工序的复杂程度上，都有明显优势。将茶叶进行清洗，清除茶叶上残留的灰尘后，置于50°C的烘箱内烘24 h，使用机械振动磨将样品粉碎至200目，放于干燥器内保存。磨样使用的磨盒为碳化钨材质，碳化钨摩氏硬度为8.5−9，可忽略其对样品的污染。称取(4.000±0.000 2) g样品放于模具内，用硼酸镶边垫底，在30 t的压力下，压制成试样直径为32 mm，镶边外径为40 mm的样片，标准样品和被测样品采用相同的方法制备，而且制备好的试样要马上进行分析，以防止由于放置试样表面突出变形。

图1 仪器结构原理图Fig.1 Schematic of instrument structure.

2.2.2 标准样品的选择

对于粉末样品压片制样，粒度、结构、矿物和基体效应是产生分析误差的主要来源。为了减小这些效应的影响，所选择的校准样品与待分析样品应具有相似的类型，即在粒度、结构和化学组成上要相似，而且标准样品中各元素应有足够宽的含量范围和适当的含量梯度[6]。本试验主要测量茶叶中微量元素含量，所以选取GSB-6(菠菜)、GSB-7(茶叶)、GSB-11(柑橘叶)、GSB-14(紫菜)、GSB-16(螺旋藻)作为标样建立曲线。各标准物质元素含量梯度如表1所示。

表1 标准物质元素含量梯度(μg/g)Table1 Content gradient of elements in reference materials (μg/g).

2.3曲线建立

2.3.1 汇编测量条件

在SuperQ软件建立工作曲线可以分为以下几步：

(1) 汇编测量条件，包括对工作曲线面对测量对象的简单描述和注意事项。

(2) 确立测量条件，如使用的探测器，准直器，光管电压电流，测量角度等。以上系数一般由系统给出，各元素的测量条件见表2。其中种类均为Gonio，谱线均为Kα。表2中，分光晶体、准直器以及使用的探测器均由系统指定；过滤器中滤光片，200 μm铝片用于4−12 keV的谱线测定，750 μm铝片用于12−16 keV的谱线测定。光管的额定功率为4 kW，光管满功率工作时光管易损坏。本文设定光管工作功率为3.6 kW，对于含量比较低、激发电压又不高的样品，将电压调低，电流调大，测量角度通过角度检查确定。背景对微量元素的检测限和准确度均有较大影响，背景的选择直接影响测量结果和检测限。

表2 元素测量条件Table2 Conditions of element measurement.

(3) 角度检查：确定峰和背景的2θ角；以及峰和背景的测量时间；搜索干扰谱线。

(4) 确定测量时间。

(5) 做PHD检查，确定LL和UL，要注意高次荧光、晶体荧光和逃逸峰的甄别。

(6) 添加标样含量和名称。

2.3.2 确定检出限和测量时间

检出限和样品的基体有关，不同的样品因其组分和含量不同，散射背景强度也不同，因而检出限也不同，故选用几个含量接近于检出限且基体组分适中标样(选用GSB-6菠菜、GSB-7茶叶、GSB-11柑橘叶、GSB-14紫菜、GSB-16螺旋藻)。根据测量时间可以按照式(1)算出检出限：

式中，m为单位含量计数率；Ib为背景计数率；tb为背景的计数时间[7]。

SuperQ在做角度检查时，通过锁定分析误差可以算出检出限，也可以锁定检出限来计算测量时间和分析误差。各元素检出限和测量时间见表3。

表3 各元素检出限Table3 Detection limits for each element.

2.3.3 测量标准样品计算工作曲线

(1) 打开测量界面，选择Standard测量类型，选择标样名称后开始测量。在测量过程中，仪器自动旋转样品进行旋转测量，使得样品每个地方都能被测到，如果几次测得结果相差在允许范围内就认为样品是均匀的。

(2) 选择曲线名称，打开计算回归曲线系数界面，选择所有元素后点击Calculate按钮进行计算。

(3) 计算完毕，点击观察元素回归曲线按钮观察各元素回归曲线。图2所示为Al的回归曲线及评判。

SuperQ有两个参数判断回归曲线的优劣，即RMS和K因子，其表达式如下：

式中，Cchem为标准含量；Ccalc曲线计算含量。RMS和K因子越小，则表示曲线越优。各元素回归曲线的RMS和K因子见表4。

图2 回归曲线及评判Fig.2 Regression curve and evaluation.

表4 各元素回归曲线的RMS和K因子Table4 RMS and K factor of regression curve for each element.

3 结果与讨论

3.1方法的准确度

为了评价方法的准确度，选择标样GSB-6用本曲线进行测量，将测量值与标准样品微量元素标准含量进行对比，标样含量与本方法测得含量对比见表5。

表5 方法的准确度Table5 Accuracy of the method.

从表5可以看出，对于微量元素的测量，相对误差会比较偏大，某些元素的相对误差还是比较大(＞20%)，这是以后的工作中可以改进的。

3.2方法的精密度

为了考察曲线的精密度，取任意样品，测量10次将所得结果进行统计，其平均值X与相对标准偏差RSD见表6。

RSD越小，则代表多次测量样品的含量变化越小，即精密度越好。表6中方法的相对标准偏差最大为Pb元素0.43%，精密度非常好。

表6 方法的精密度(n=10)Table6 Precision of the method (n=10).

3.3方法的应用

3.3.1 区分茶叶产地

传统的茶叶产地鉴定主要靠人的感官，看颜色，形状，气味来判断。人的判断不但有主观性，而且由于个人的经验所限，往往不同人得到的结果往往不一致。不同的产地茶叶中微量元素的含量是不一样的，根据这个差异，我们可以通过用X荧光测量茶叶中的微量元素含量来区分茶叶的产地。

取福建红茶和云南红茶各5种，用所建立工作曲线测量，每个样品3次测定的平均值列于表7，三次测量的RSD均小于1%。

表7 云南和福建红茶测量含量(μg/g)Table 7 Elemental contents of Yunnan and Fujian black tea (μg/g).

云南茶叶和福建的茶叶，虽然都是红茶，但是其中微量元素的含量还是有细微的区别。比如福建红茶中Al、Cr、Zn和Pb等元素含量比云南茶叶中的同种元素含量偏高；而云南茶叶中Rb、Mg等元素含量又比福建茶叶偏高。由此，我们通过聚类分析，可以将两种茶叶，根据其中微量元素的含量进行分类。

用SPSS程序软件对10种茶叶进行系统聚类分析，选择组间联结方法，Minkowski距离测量技术，得到10种茶叶的聚类树状图示于图3。

从图3可以看出，当取临界值λ=15时，茶叶样品分为两大类，Y1−Y5聚为一类，此类是云南的5个茶叶样品；F1−F4聚为一类，是福建的4个茶叶样品；F5为福建的一个样品，与F1−F4距离很近。聚类分析的结果表明，根据茶叶中矿质元素的含量对茶叶进行分类，可将云南、福建茶叶进行显著分类。其中F5样品出现的归类错误，有可能是样品本身来源的不确定性造成的。从而可以认为，本方法所测得的结果，可以区分茶叶产地。

图3 聚类分析树状图Fig.3 Tree diagram of cluster analysis.

3.3.2 区分茶叶类型

本次试验选取了任意3种绿茶茶叶，1种茉莉花茶茶叶与云南产的4种红茶(Y1、Y3、Y4、Y5)进行对比，通过聚类分析可以看出，本实验所取得的数据，每个样品3次测定的平均值，云南产的4种红茶含量选自表7，任意3种绿茶及1种茉莉花茶元素含量列于表8，其精确度完全可以区分开红茶和绿茶的种类。

利用SPSS软件对上述8种茶叶进行系统聚类分析，选择组间联结方法，Minkowski距离测量技术，得到8种茶叶的聚类树状图示于图4。

表8 任意3种绿茶及1种茉莉花茶元素含量(μg/g)Table 8 Elemental contents of three kinds of green tea and one kind of jasmine tea (μg/g).

图4 云南红茶与任意3种绿茶及1种茉莉花茶的聚类分析树状图Fig.4 Tree diagram of cluster analysis about Yunnan black tea and any three kinds of green tea and one kind of jasmine tea.

从图4可以看出，当取临界值λ=12时，茶叶Y1、Y3、Y4、Y5 聚为一类，这一类是云南的4个红茶样品；L3、M0、L1、L2距离很近。聚类分析的结果表明，根据茶叶中矿质元素的含量对茶叶进行分类，可将红茶、绿茶进行显著分类。其中M0样品出现的归类错误，有可能是样品本身来源的不确定性造成的。从而可以认为，本方法所测得的结果，可以区分茶叶种类。

4 结语

通过本次试验，找到了一种能用于X荧光测量生物样的制样方法——硼酸压片法。硼酸垫底压片制样，有制样简单、快速、安全、经济且无污染的优点。除去简单的烘干样品阶段，制作一个样品从磨样到压样，大概只需5 min。测量完毕的样品妥善保存可反复测量。这是消解制样所不能比的。

波长色散X荧光方法具有比原子吸收光谱法、ICP等离子发射谱有费用小，耗时短，工序简单的优点；比能量色散X荧光方法具有制样更简单，精度更高的优点。

由于茶叶中矿物质元素与其种植环境有密切联系，通过对植物中微量元素的分析可以对其产地和种类进行归属。本文采用波长色散X荧光方法对来自云南和福建的10种红茶中的22种矿质元素的定量测定，同时结合聚类分析，对这10种茶叶的产地进行了区分和判别；同时，对来自于云南的4种红茶与任意3种绿茶及1种茉莉花茶中的22种矿质元素的定量测定，同时结合聚类分析，对这8种茶叶的种类进行了区别和判别。聚类分析表明，不同地区的茶叶样品具有明显相似矿物质元素特征，利用Minkowski距离时能很快各自聚类。同一地区不同样品差异较大，可能与品种、采样海拔高度、土壤类型有关。采用本法可以准确区分出茶叶的产地和种类，其精度达到预期。

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CLCTL99

Determination of trace elements in tea by wavelength dispersive X-ray fluorescence spectroscopy

GONG Chunhui ZENG Guoqiang GE Liangquan LI Jun WEN Ziqiang
(College of Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Background:Measuring trace elements in tea can determine its nutritional value, verify the authenticity and place of origin, and detect the poisonous and harmful elements remaining in tea due to the application of chemical fertilizers and pesticides. Purpose: In order to reduce the time for sample preparation and the costs of equipment maintenance, wavelength dispersive X-ray fluorescence (WDXRF) spectroscopy was used to determine the trace elements in tea which is rapid, non-destructive and accurate. The contents of more than 20 elements can be measured simultaneously. Methods: Sample pieces were made by the sample preparation method of boric acid rebasing. To avoid the exogenous environmental pollution subjected in the growth of tea, we removed the residual dust of the tea by cleaning it. According to the principle that the standard samples should be similar types with the samples to be analyzed to select standard samples. The curves were built by SuperQ, which contained compiling the measurement conditions, establishing the measurement conditions, checking the angles, determining the measurement times, checking PHD and adding the contents and the names of sample pieces. The accuracy of the method can be obtained by comparing the measured values with the trace element contents of standard samples. The contents of trace elements in tea determined by WDXRF can be used to classify the tea attribution and the tea species through cluster analysis of SPSS software. Results: (1) The results show that the biggest relative standard deviation is 0.43% of Pb, and the precision is very good. (2) Five kinds of tea are taken separately in Fujian and Yunnan, measured three times with the established working curves. And tree diagram of cluster analysis can be obtained with SPSS software to analyze the measured average values with cluster analysis, coupling method between groups and Minkowski distance measurement techniques. It can be seen that in the tree diagram, when the critical value λ was 15, the tea samples were divided into two categories. Y1 to Y5 were Yunnan tea samples and F1 to F4 were Fujian tea samples. Four kinds of black tea, any three kinds of green tea and a kind of jasmine tea are taken in Yunnan, measured three times with the established working curves. And tree diagram of cluster analysis can also be obtained. Cluster analysis showed that, black tea and green tea can be classified significantly based on the contents of mineral elements in tea. Conclusions: Compared with AAS and ICP-OES, WDXRF is a small-costing, short-consuming and simple-process method.

Wavelength dispersive X-ray fluorescence spectroscopy (WDXRF), Tea, Content of trace elements, SPSS, Attributions of tea, Types of tea

TL99

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.090201

国家高技术发展计划(863)项目(2012AA061803)、成都理工大学金景福项目(J03201211H09)资助

龚春慧，女，1990年出生，成都理工大学在读硕士研究生，核能与核技术工程专业

曾国强，E-mail: zgq@cdut.edu.cn

2013-01-28，

2013-04-12