王謙許小麗房科騰

（1.寧波出入境檢驗(yàn)檢疫局 浙江寧波 315010；2.嵊泗出入境檢驗(yàn)檢疫局）

X射線熒光光譜法測(cè)定乳粉中的微量元素

王謙1許小麗2房科騰1

（1.寧波出入境檢驗(yàn)檢疫局 浙江寧波 315010；2.嵊泗出入境檢驗(yàn)檢疫局）

采用粉末壓片制樣波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法測(cè)定乳粉中的氮、鈉、鎂、磷、氯、鉀、鈣。從儀器的X射線光管鈹窗厚度、電流大小、測(cè)量時(shí)間和樣品制樣壓力等方面研究了氮元素的測(cè)定。選擇不同種類(lèi)的乳粉，由標(biāo)準(zhǔn)方法定值，然后與標(biāo)樣一起建立校準(zhǔn)曲線，校準(zhǔn)曲線采用理論α影響系數(shù)法校正基體效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)鈹窗厚度是制約氮元素測(cè)定的主要因素；樣品均質(zhì)處理必須用手工研磨的方法；X射線可以造成乳粉損傷，隨著時(shí)間增加，測(cè)量結(jié)果呈線性增加趨勢(shì)。結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法比對(duì)，兩者相符，氮元素的檢出限和精密度RSD（n=9）分別為0.09%和2.9%，其他元素的檢出限和精密度RSD（n=9）分別都小于0.001%和3%。

乳粉；氮；元素；X射線熒光光譜

1 前言

自2008年中國(guó)乳制品污染事件以來(lái)，國(guó)家加大了對(duì)乳制品的質(zhì)量監(jiān)管，其中元素檢測(cè)類(lèi)項(xiàng)目就有14項(xiàng)之多［1，2］，需要用到7個(gè)檢測(cè)方法。雖然Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn等金屬元素采用了ICPOES多元素分析方法［3］，但其他元素都需要獨(dú)立分析［4-6］，并且多采用濕法化學(xué)法，非常消耗實(shí)驗(yàn)室資源，因此急需簡(jiǎn)單、快速的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜（WDXRF）技術(shù)是一種多元素分析技術(shù)，相對(duì)于ICP-OES、ICP-MS，它的前處理更簡(jiǎn)單，分析范圍從0.0001%到100%，適合常量和微量分析，在國(guó)外已有人在奶制品方面做了大量研究。其中，文獻(xiàn)［7，8］介紹了奶制品中Na、Mg、P、S、Cl、K、Ca、Fe、Zn的測(cè)定；文獻(xiàn)［9］介紹了奶制品中Na、Mg、P、S、Cl、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Br的測(cè)定；文獻(xiàn)［10］介紹了奶制品中Al、Fe、Cu、Zn的測(cè)定，文獻(xiàn)［11］介紹了乳粉半定量篩選技術(shù)。從以上文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)問(wèn)題值得關(guān)注，一個(gè)是文獻(xiàn)沒(méi)有提出N元素的測(cè)定方法，另一個(gè)是測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度不夠，一部分比對(duì)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差超過(guò)10%。

N元素是一個(gè)熒光產(chǎn)額很低的元素，K殼層熒光產(chǎn)額不足Na元素的十三分之一，因此，很少有人用XRF方法去測(cè)定它，已找到的文獻(xiàn)只有土壤和生物標(biāo)樣中N元素的測(cè)定［12-15］。從原理看增加電流強(qiáng)度和采用帶超薄鈹窗的X射線管是有效的方法，隨著X射線管技術(shù)的進(jìn)步，75 μm鈹窗的X射線管已經(jīng)替代125 μm的成為主流，具有170 mA電流的高壓發(fā)生器也已經(jīng)開(kāi)始普及，因此本研究在相應(yīng)的儀器支持下，對(duì)N元素的測(cè)定進(jìn)行了研究，并達(dá)到了定量分析的要求。對(duì)于準(zhǔn)確性問(wèn)題，本研究認(rèn)為主要原因是文獻(xiàn)［8，9］對(duì)應(yīng)的樣品種類(lèi)過(guò)多，奶制品雖然都是以奶為原料，但生產(chǎn)工藝有差別，均勻性有差異，會(huì)出現(xiàn)較大的物理、化學(xué)效應(yīng)干擾。從本研究結(jié)果看，單以奶粉為檢測(cè)對(duì)象，準(zhǔn)確性有所提高，能夠滿足日常檢驗(yàn)的需要。

2 材料與方法

2.1材料

2.1.1儀器設(shè)備

S8 Tiger型X射線熒光光譜儀：X射線管功率4 kW，銠靶，75 μm鈹窗，最大電流150 mA，德國(guó)Bruker AXS公司；ZSX PrimusⅡ型X射線熒光光譜儀：X射線管功率4 kW，銠靶，30 μm鈹窗，最大電流150 mA，日本理學(xué)公司；HTP40粉末壓片機(jī)：德國(guó)HERZOG公司；ZM200超離心粉碎機(jī)：德國(guó)RETSCH公司，配1.1 mm篩網(wǎng)。

2.1.2試劑

乳粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW 08509a（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院），脫脂奶粉；GBW 10017（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理化學(xué)勘查研究所），配方奶粉；BCR 063R（歐盟聯(lián)合研究中心參考物和測(cè)量研究所），脫脂奶粉；810637（Pfizer公司研制），配方奶粉。使用前在60℃下干燥3 h。

2.2方法

2.2.1儀器工作條件

根據(jù)測(cè)試樣品、其含量范圍等因素設(shè)定測(cè)量條件，分析譜線和背景的位置根據(jù)實(shí)際掃描而定。其他條件見(jiàn)表1。

表1　分析元素的測(cè)量條件

2.2.2校準(zhǔn)樣品

WDXRF分析是一種通過(guò)與標(biāo)樣比較信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算含量的方法，其中壓片制樣法和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)校正法，需要用較多的標(biāo)樣建校準(zhǔn)曲線，而現(xiàn)有的乳粉標(biāo)樣數(shù)量不能滿足這個(gè)要求。本研究從脫脂奶粉、全脂奶粉、嬰幼兒奶粉和低脂奶粉中選出含量具有梯度的樣品，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法［3-6］測(cè)定元素的含量，然后作為校準(zhǔn)樣與標(biāo)樣一起建立校準(zhǔn)曲線。表3列出了校準(zhǔn)曲線的范圍和曲線標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中后者證明了樣品定值的準(zhǔn)確。

2.2.3制樣

采用壓片法制備分析樣［9］，樣品量約5g，壓力6t；如果樣品表面出油（如脂肪含量較高的全脂奶粉），則降低壓力，最低3 t。制好的片放入干燥器備用。

2.2.4儀器測(cè)量

按照表1所列條件測(cè)量N、Na、Mg、P、Cl、K、Ca的特征譜線強(qiáng)度，經(jīng)驗(yàn)影響系數(shù)、理論影響系數(shù)、校準(zhǔn)曲線的斜率和截距由式1回歸得到。

式中：Ci、Cj表示測(cè)量元素和影響元素的含量（%）；s、b表示校準(zhǔn)曲線的斜率和截距；Ii表示測(cè)量元素的X射線熒光強(qiáng)度（cps）；αij表示理論或經(jīng)驗(yàn)α影響系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1氮的測(cè)量條件

本次實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)X射線熒光光譜儀，鈹窗厚度為75 μm和30 μm，最大電流為170 mA和150 mA，它們分別代表了主流配置和高端配置，同時(shí)為獲得良好的分辨率使用了專(zhuān)用的分光晶體（XS-N和RX45，晶距相同）。測(cè)試對(duì)象根據(jù)奶粉中氮的含量范圍（1.6%-6.1%）選擇含量為1.7%的樣品。圖1給出了電流、電壓一致情況下（30 kV，130 mA）兩臺(tái)儀器的N-Kα1線的掃描圖。

圖1　N-Kα線的峰位掃描圖

圖1顯示，兩臺(tái)儀器都有明顯的峰出現(xiàn)，其中30 μm的特征峰超過(guò)400 cps，是75 μm的4倍，這說(shuō)明了鈹窗厚度會(huì)引起熒光強(qiáng)度的質(zhì)的提升。在比較鈹窗厚度的同時(shí)也觀察了電流對(duì)熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，實(shí)驗(yàn)在樣品不變的前提下，將S8 Tiger的電流從130mA提升到150mA（27 kV）和170 mA（23 kV），測(cè)試結(jié)果顯示熒光強(qiáng)度大約提升了15%和30%，這說(shuō)明電流對(duì)強(qiáng)度只能引起量的變化，測(cè)定更低的N元素只能采用更薄鈹窗儀器。

測(cè)量時(shí)間是另外一個(gè)重要條件，增加測(cè)量時(shí)間可以提高測(cè)量精密度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，含量1%-10%的元素，信號(hào)總計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度應(yīng)控制在1%以?xún)?nèi)，那么根據(jù)式（2）計(jì)算，75 μm的需要200 s（峰和一條背景各100 s），30 μm的僅需60 s（峰和兩條背景各20 s）。

式中：urel（N）表示總計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度（%），R表示計(jì)數(shù)率（cps），T表示測(cè)量時(shí)間（s）。

考慮到配置30 μm Be窗儀器的普及性不如75 μm，以下試驗(yàn)都在S8 Tiger設(shè)備上完成，測(cè)量條件見(jiàn)表1。

3.2樣品均勻性

樣品經(jīng)X射線照射表面呈焦黃色，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有個(gè)別樣品色澤不均勻，明暗差異明顯（類(lèi)似皮革的紋路），為此采用了兩種方法來(lái)均質(zhì)處理。首先采用超離心粉碎技術(shù)，樣品直接進(jìn)入離心機(jī)（由于要測(cè)氮所以沒(méi)有使用液氮冷凍），離心機(jī)瞬間完成粉碎，處理后的樣品手感細(xì)膩、潮濕。其次采用瑪瑙研缽手工研磨，研磨約15 min，處理后的樣品不如前者細(xì)膩，而且更潮濕，研缽表面發(fā)亮。潮濕樣品二次干燥后進(jìn)行測(cè)量，表2列出了相應(yīng)的N、P、Cl平行性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)說(shuō)明均質(zhì)處理后樣品變均勻了，但數(shù)據(jù)有差異，其中手工研磨的樣品結(jié)果變化不多，離心粉碎的樣品數(shù)據(jù)偏低很多，因此選擇手工研磨作為不均勻樣品的處理方法。

表2　乳粉均勻性測(cè)試數(shù)據(jù)（%）

3.3輻射損傷

在對(duì)樣品進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)樣品被X射線照射后會(huì)引起含量的變化，這種變化與水分無(wú)關(guān)，因?yàn)樵诤猸h(huán)境中測(cè)試也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。圖2顯示了輻射區(qū)域和非輻射區(qū)域的色彩差異（輻射區(qū)域?yàn)槌赛S色）；圖3顯示了測(cè)量時(shí)間與含量關(guān)系，其中P、Cl、K、Ca呈變大趨勢(shì)，N無(wú)明顯變化。鑒于以上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，方法要求每個(gè)試料片只能測(cè)一次，并且將N排在最后測(cè)量。

圖2　X射線照射后的乳粉試料片外貌

圖3　測(cè)量時(shí)間與含量關(guān)系圖

3.4校準(zhǔn)曲線

采用理論α影響系數(shù)法校正基體效應(yīng)，這種方法的計(jì)算需要結(jié)合樣品中的所有元素含量，所以比經(jīng)驗(yàn)法更可靠。但由于乳粉的主要元素C、H、O不能由WDXRF直接測(cè)定，所以需要設(shè)定一個(gè)以主要元素為基礎(chǔ)的分子式作為基體和消去項(xiàng)，協(xié)助完成計(jì)算。校準(zhǔn)曲線由不同種類(lèi)的乳粉建立，包括了全脂、脫脂、嬰幼兒等主要種類(lèi)，受基本營(yíng)養(yǎng)成分碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪配比影響，C、H、O含量有較大差異。根據(jù)文獻(xiàn)［11］給出的平均分子式，CH2O（分碳水化合物）、C64H123.9O33.4N14.9（蛋白質(zhì)）和C64H124.9O7.8（脂肪），以及C、H、O的范圍，本研究以脂肪含量15%，蛋白質(zhì)含量25%為基數(shù)，近似計(jì)算出了奶粉主元素的平均分子式，即C2H4O。表3列出了標(biāo)樣的含量范圍和校準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表3　校準(zhǔn)曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差比較（%）

經(jīng)過(guò)理論α影響系數(shù)法校正所有元素的準(zhǔn)確性都有所提高，偏差都低于10%，同時(shí)驗(yàn)證了設(shè)定C2H4O為基體的平均分子式是合理的。

3.5檢出限和精密度

各成分的檢出限按照公式（3）計(jì)算，精密度通過(guò)統(tǒng)計(jì)同一樣品不同時(shí)間壓制9個(gè)試料片的測(cè)量數(shù)據(jù)而得，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。兩者都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)方法的水平。

式中：m-測(cè)量靈敏度（cps·%-1），即含量每變化1%引起的X射線熒光強(qiáng)度的變化；Ib-背景的X射線熒光強(qiáng)度（cps）；Tb-背景的測(cè)量時(shí)間（s）。

表4　儀器檢出限和精密度

3.6結(jié)果比對(duì)

從實(shí)驗(yàn)室日常樣品中取5個(gè)N含量不同的樣本，分別采用標(biāo)準(zhǔn)方法（A）和本方法（B）進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表5。其中含量大于0.1%的N、Na、P、Cl、K、Ca相對(duì)偏差＜5%，含量小于0.1%的Mg相對(duì)偏差小于10%，兩種方法結(jié)果相符。

表5　標(biāo)準(zhǔn)方法和本方法結(jié)果比對(duì)（%）

4 結(jié)論

本研究建立了采用WDXRF技術(shù)測(cè)定乳粉中營(yíng)養(yǎng)元素N、Na、Mg、P、Cl、K、Ca的定量方法，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)間短，可以為實(shí)驗(yàn)室節(jié)省大量資源。X射線管Be窗厚對(duì)N元素測(cè)定至關(guān)重要，厚度小于等于75μm的X射線管才能測(cè)定乳粉中的N元素，而電流強(qiáng)度對(duì)N元素測(cè)定幫助有限。

［1］GB 10765-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嬰兒配方食品［S］.

［2］GB 10767-2010食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)較大嬰兒和幼兒配方食品［S］.

［3］GB 5413.21-2010嬰幼兒食品和乳品中鈣、鐵、鋅、鈉、鉀、鎂、銅和錳的測(cè)定［S］.

［4］GB 5413.22-2010嬰幼兒食品和乳品中磷的測(cè)定［S］.

［5］GB 5413.24-2010嬰幼兒食品和乳品中氯的測(cè)定［S］.

［6］GB 5009.5-2010食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定［S］.

［7］Perring L，Andrey D.Wavelength-dispersive x-ray fluorescence measurements on organic matrices application to milk-based products［J］.X-Ray Spectrom，2004，33（2）：128-135.

［8］Perring L，Blanc J.Faster Measurement of Minerals in Milk Powders：Comparison of a High Power Wavelength Dispersive XRFSystemwithICP-AESandPotentiometryReference Methods［J］.Food Analytical Methods，2008，1（3）：205-213.

［9］Galina V P.X-ray Fluorescence Determination of Element Contents in Milk and Dairy Products［J］.Food Analytical Methods，2009，2（4）：303-310.

［10］Fernandes T A P，Brito J A A，Gon?alves L M L.Analysis of Micronutrients and Heavy Metals in Portuguese Infant Milk Powders by Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometry（WDXRF）［J］.Food Analytical Methods，2015，8（1）：52-57.

［11］王志剛，李鳳權(quán).X射線熒光無(wú)標(biāo)半定量分析乳粉微量元素［J］.廣東微量元素科學(xué)，2006，13（11）：64-67.

［12］于波，嚴(yán)志遠(yuǎn)，楊樂(lè)山，等.X射線熒光光譜法測(cè)定土壤和水系沉積物中碳和氮等36個(gè)主次痕量元素［J］.巖礦測(cè)試，2006，25（1）：74-78.

［13］徐海，劉琦，王龍山.X射線熒光光譜法測(cè)定土壤樣品中碳氮硫氯等31種組分［J］.巖礦測(cè)試，2007，26（6）：490-492.

［14］張勤，李國(guó)會(huì)，樊守忠，等.X射線熒光光譜法測(cè)定土壤和水系沉積物等樣品中碳、氮、氟、氯、硫、溴等42種主次和痕量元素［J］.分析試驗(yàn)室，2008，27（11）：51-57.

［15］劉玉純，梁述廷，徐厚玲，等.X射線熒光光譜法測(cè)定生物樣品中氯硫氮磷鉀銅鋅溴［J］.巖礦測(cè)試，2008，27（1）：41-44.

Determination of Microelement in Milk Powder by X-Ray Fluorescence Spectrometry

Wang Qian1，Xu Xiaoli2，F(xiàn)ang Keteng1
（1.Ningbo Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Ningbo，Zhejiang，315010；2.Shengsi Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau）

A method has been developed for the determination of N，Na，Mg，P，Cl，K，Ca in milk powder by wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometry method with pressed powder pellets.From the X-ray tube Beryllium window thickness and the current intensity of instrument，measurement times，and sample preparation etc.research for the determination of nitrogen.Milk powder reference materials are scarce，so the different kinds of milk powder samples were chosen and determined firstly by classical methods，then calibration curves were drawn using both the milk powder samples with known contents and reference materials.To eliminate the effect，the variable theoretical α influence coefficient method was used to correct matrix effects.The study found homogenized sample must be hand-grinding method. Thickness of beryllium window is the main factor restricting the nitrogen determination.X-ray irradiation can cause the destruction of milk powder，its multiple interference can make the content of elements according to certain rule changes.The method has been applied to the determination of these elements in milk powder and the results are in agreement with standard methods.For nitrogen，limit of detection and precision（RSD n=9）were 0.09%，2.9%，respectively，and for other elements，limit of detection and precision（RSD n=9）were less than 0.001%，3%，respectively.

Milk Powder；Nitrogen；Element；X-Ray Fluorescence Spectrometry

O657.34

E-mail：693161902@qq.com

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究（分析測(cè)試）項(xiàng)目（2013C37092）

2015-05-07