孫 杰， 陳志海*，， 汪 倫， 朱耿正， 聶繼華， 唐金順， 張舒羽， 陳發(fā)榮

（1.江蘇力維檢測科技有限公司，江蘇 無錫 214000；2.蘇州大學 醫(yī)學部公共衛(wèi)生學院，江蘇 蘇州 215000；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

紅茶茶葉的加工工藝，屬于全發(fā)酵茶，發(fā)源于中國武夷山市桐木關，紅茶具有養(yǎng)胃護胃和解毒等作用[1]。許多學者從各自的專業(yè)出發(fā)，對紅茶中的氨基酸、茶多酚[2]和重金屬元素[3]等方面進行了大量研究，其中重金屬元素的污染[4]作為當今重要的環(huán)境問題之一，紅茶茶葉中微量元素的質量分數(shù)情況以及紅茶與綠茶中微量元素質量分數(shù)及其浸出率的對比等方面[5]的研究方式也備受關注，但紅茶茶葉中微量元素的研究方式一直局限于與綠茶茶葉的對比或者質量分數(shù)大小的報道，關于采用主成分分析法對紅茶茶葉中微量元素進行研究的報道較少。并且對茶葉前處理的酸均為濃硝酸和鹽酸等濃酸[6-8]，長期使用可能對人體傷害太大。本文結合國外方法EPA6020對ICP-MS的狀態(tài)及其測定過程進行校準，并且參考稀釋硝酸微波消解煤塊和食品類物質的報道[9-10]。采用微波消解-電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定了8種紅茶茶葉中16種微量元素的質量分數(shù)，建立了稀釋酸溶液微波消解紅茶茶葉樣品的新前處理方法，并利用SPSS20.0的主成分分析法和箱線圖對紅茶茶葉中16種微量元素進行研究，計算了8種紅茶茶葉的綜合得分，對紅茶茶葉的質量進行了綜合評價，為紅茶茶葉性質的進一步分析提供了理論基礎。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

主要使用美國安捷倫公司生產的7500a ICPMS，美國培安公司生產的MARS微波消解儀，美國LABCONCO公司生產的真空冷凍干燥機，美國默克默理博公司生產的Milli-Q超純水純化系統(tǒng)。

優(yōu)化ICP-MS條件具體如下：將分析模式設置為定量分析；設置射頻功率范圍為1 350～1 360 W；采樣錐為鉑錐；設置采樣深度變化范圍為6.6～7.0 mm；設置等離子體氣流速范圍為14.0～15.0 L/min；設置載氣流速變化范圍為1.10～1.14 L/min；設置輔助氣流速為1.0 L/min；設置霧化室溫度為2.0℃；積分時間為0.3 s；采集次數(shù)為3次；分析測試前用10 μg/L 的 7Li、89Y、205Tl、140Ce 的調諧液按照安捷倫公司提供的使用說明對ICP-MS靈敏度進行調諧，使儀器達到分析測定要求，同時用調諧溶液做P/A調諧，使質量數(shù)為7、89、205和140的元素檢測濃度達到分析要求。

使用的雙氧水和硝酸均為優(yōu)級純，Ar氣的純度為99.999%，考察準確度的國家茶葉標準物質為GBW07605，實驗所用紅茶茶葉樣品 （標記為S1-S8）均為從無錫某商場采購所得。

1.2 紅茶茶葉中微量元素總量的測定

為減少由于茶葉中水分和茶葉表面的雜質而引起的測定誤差，本次實驗所使用的茶葉樣品首先經(jīng)過二次蒸餾水清洗一次，然后在-80℃超低溫冰箱中冷凍30 min，再經(jīng)冷凍干燥機中凍干24 h，然后粉碎，過80目篩，保存在4℃冰箱中備用。同時本次所用器皿均按照標準方法要求進行清洗和保存。

（新方法N）：分別稱取0.3 g茶葉樣品放入消解罐中，加入6 mL濃度為2.1±0.2 mol/L的HNO3溶液之后，繼續(xù)加入2 mL 30%的H2O2溶液，放入微波消解儀中，設置溫度為100℃，功率為1 000 W，時間為1 h。然后放氣，冷卻至室溫，放氣，然后放入微波消解儀中按照以下4道程序進行微波消解；4道程序功率均為運行功率1 000 W，第一次升溫至90℃，升溫時間10 min，維持該溫度6 min，。然后設置第2道程序升溫至125℃，升溫時間14 min，維持該溫度7 min。第3道升溫程序設置為升溫至175℃，升溫時間15 min，維持該溫度8 min。第4道升溫程序設置為升溫至200℃，升溫時間16 min，維持該溫度9 min。

（現(xiàn)行方法X）：結合微波消解處理茶葉樣品的報道[11-13]，分別稱取0.3 g樣品放入微波消解灌中，然后添加6 mL濃硝酸和2 mL 30%的雙氧水溶液，放置一夜之后，放氣，按照以下3道程序進行自動消解：升溫至100℃，功率為800 W，升溫時間為10 min，保持5 min，然后升溫至140℃，升溫時間設為10 min，保持 5 min，最后升溫至180℃，升溫時間為10 min，保持5 min，冷卻至室溫。

同時在測定過程中每批測定樣品中均用二次蒸餾水定質量至30 g左右，過0.22 μm的膜，同時測定3份國家茶葉標準物質（GBW07605）平行樣品和空白樣品，并且在測定的過程中每測定20個樣品時，測定一次10 μg/kg的標準溶液作為質量控制標準，然后使用空白溶液清洗儀器進樣管道1～2 min。

2 結果與討論

2.1 新前處理方法分析

使用電感耦合等離子體質譜法測定復雜有機質中無機元素的質量分數(shù)時，最常用的酸是濃硝酸，但是最理想的狀況是使用最小量的酸使含有機質樣品消解完全[11]，原因是酸用量越少，酸殘留越少，測定準確度越高。同時微波消解升溫程序采用階段式升溫，實驗結果證明當微波只運行到前3步驟時，結果發(fā)現(xiàn)溶液偏黃，而且轉移到聚乙烯瓶中會發(fā)現(xiàn)可見異物，然而運行到第4步驟的時候，溶液透明、澄清而且無可見異物。所以以上均充分說明新方法設置的必要性。此外，采用逐級升溫方式的主要原因是在低溫時溶液中液液全部接觸充分反應，并且當高溫階段的時候NO+O2可以形成NO2，NO2進入水中可以形成硝酸繼續(xù)使用。

為了驗證2.1±0.2 mol/L的HNO3溶液適用性，在進行測定樣品之前，分別采用6 mL不同濃度的HNO3溶 液 （2.1±0.2 mol/L、4.2±0.2mol/L、7.3±0.2 mol/L、14.2±0.2 mol/L 和濃硝酸） 和 2 mL H2O2溶液，運用微波消解的方式處理國家茶葉標準物質（GBW07605），經(jīng)處理的標準偏差的絕對值情況（測定值與標準值之間差值），主要經(jīng)過通過V、Cr、Co、As的差值均擴大100倍，Mn、Fe的差值擴大為0.1倍，Ni、Sr和 Pb 的差值擴大為 10 倍，Cu、Zn 和 Ba的差值不變，Se、Cs 的差值擴增為 1 000 倍，Ag、Cd的差值擴增為10 000倍，結果如圖1所示，然后運用SPSS20.0顯著性差異分析方法分析2.1±0.2 mol/L和14.2±0.2 mol/L的硝酸溶液、2.1±0.2 mol/L和濃硝酸結果標準偏差均不存在顯著性差異 （P＞0.05），說明2.1±0.2 mol/L的硝酸溶液可以用來替代常用濃硝酸溶液。

圖1 不同硝酸濃度條件下測定值與標準值之間的偏差值比較圖Fig.1 Picture of comparison with standard deviation between determined values and standard values under different concentration conditions

2.2 新方法準確度和精確度的驗證

由于樣品基體的復雜性和多樣性，為確保本次方法的準確性和精確度，在選定的條件下分析了國家茶葉標準物質（GBW07605）中的微量元素質量分數(shù)，從表1可以看出元素的回收率的變化范圍為90%～116%，RSD＜5%，線性較好，并且與現(xiàn)行方法測定值進行比較，運用SPSS20.0單因素方差分析，得出P＞0.05，說明不存在顯著性差異，因此本實驗的數(shù)據(jù)準確可靠。

表 1 茶葉標準物質（GBW07605）的分析Table 1 Analytical results of trace elements in National Reference Standard Materials（GBW07605）

2.3 紅茶茶葉中微量元素分析

列舉了8種紅茶茶葉中16種微量元素的質量分數(shù)（見表2），其中Cs元素質量分數(shù)范圍為0.152～0.587 μg/g，V 元素質量分數(shù)范圍為 0.104～0.419 μg/g，Ba 元素質量分數(shù)范圍為 1.244～23.476 μg/g，Ba元素最高質量分數(shù)值為最低質量分數(shù)值的18.87倍。同時測定了大量人體必需微量元素如Sr、Fe、Zn、Mn 等，質量分數(shù)范圍分別為 Sr：1.14～11.548 μg/g，F(xiàn)e：579～1 456 μg/g，Zn：11.613～40.277 μg/g，Mn：1 620～4 670 μg/g。 也測定了 As、Cd、Cr、Pb 等有毒有害元素的質量分數(shù)，結合《中華人民共和國食品中污染物限量標準》（GB2762-2012）中相應元素的限量值，結果發(fā)現(xiàn)，本次測定的8種紅茶茶葉樣品中Pb、Cd元素的質量分數(shù)均低于國家標準限量值，有6種紅茶茶葉中的Cr元素質量分數(shù)低于限量值，說明紅茶茶葉有輕度的Cr污染，8種紅茶茶葉中的As元素質量分數(shù)均高于限量值，可見As元素污染問題嚴重。

表2 不同紅茶茶葉中微量元素質量分數(shù)Table 2 Contents of trace elements in different black tea lea leaves μg/g

續(xù)表2

運用SPSS20.0繪制出8種紅茶茶葉樣品中16種微量元素質量分數(shù)分布情況，經(jīng)過 V、Co、As、Se、Cs和Pb元素質量分數(shù)擴增10倍，F(xiàn)e和Mn質量分數(shù)擴增 0.01 倍，Cr、Ni、Sr、Ba 不變，Cu 和 Zn 質量分數(shù)擴展0.1倍，Ag和Cd分別擴展為100倍和1 000倍，結果如圖 2 所示。 V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb分布均與，而且較為集中；而Cs和As元素的最大值與其最小值、25%和中間值相差較大；Se、Sr、Ag、Ba元素質量分數(shù)分布出現(xiàn)異常。

根據(jù)表 3 可知，Zn、Se、Cu、Pb 和 Cd 元素質量分數(shù)的平均值均小于已報道值，其中已報道Cd元素的質量分數(shù)值是測定平均值的43.53倍，可見在紅茶茶葉的種植、采摘、加工和運輸過程中Cd元素的污染得到了很好的控制。 Cr、Fe、As、Ni、Mn 元素質量分數(shù)的平均值均大于相應已報道值，其中Fe、As和Mn元素質量分數(shù)平均值分別是已報道值的7.56、12.53和4.7倍，進一步說明在紅茶茶葉的生產過程中As元素污染嚴重。

圖2 茶葉中16種微量元素質量分數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of 16 kinds of elements in tea leaves

表3 測定平均值與已報道值的比較Table 3 Comparison of the mean determined values with the reported values μg/g

2.4 紅茶茶葉中微量元素的主成分分析

由表4分析各因子的特征值和方差貢獻率可知，紅茶茶葉中3個主成分的累計方差貢獻率達到85.381%，可以用于描述紅茶茶葉中微量元素的質量分數(shù)情況，通過表5載荷矩陣分析可知，第一主成分與 V、Sr、Cr、Ba、Fe 存在高度正相關關系，其中V元素具有促進人體內脂質代謝和抑制膽固醇合成的作用，Sr元素是骨骼和牙齒重要組成部分，可用含有Sr元素的藥物治療由于副甲狀腺功能不全而引起的抽搐癥狀，缺Sr會導致齲齒等癥狀，F(xiàn)e元素對人體中生理和代謝過程存在重要作用。第二主成分與As存在高度正相關關系，第三主成分與Zn存在高度負相關關系，Zn元素對人體生長發(fā)育、細胞功能和調節(jié)機體免疫有重要作用，通過以上分析表明V、Sr、Cr、Ba、Fe、As和 Zn 為紅茶茶葉的主成分元素。

表4 主成分特征值和方差貢獻率Table 4 Eigenvalues and variance of main factors in the contributuion rate

表5 載荷矩陣Table 5 Load matrix

根據(jù) F=0.422 17F1+0.201 66F2+0.179 99F3結合主成分載荷矩陣計算8種紅茶茶葉綜合得分，通過表6的分析可知8種紅茶茶葉的質量綜合排名為：S1＞S4＞S5＞S3＞S7＞S2＞S8＞S6，為紅茶茶葉的評價提供了理論基礎。

3 結 語

本文建立了稀釋硝酸溶液與雙氧水溶液微波消解前處理茶葉樣品的新方法，并結合國外方法EPA6020對儀器和測定過程進行校準，通過采用微波消解ICP-MS的方法給出了8種紅茶茶葉中16種微量元素的質量分數(shù)準確數(shù)據(jù)，得出了如下結論：

（1）確定硝酸溶液的濃度為 2.1±0.2 mol/L時可以替代濃硝酸溶液使用，結果準確度和重現(xiàn)性較好，并且節(jié)約、對身體無傷害。

（2）8種紅茶茶葉中Pb、Cd元素的質量分數(shù)均低于限量值，有6種紅茶茶葉中的Cr元素質量分數(shù)低于限量值，As元素質量分數(shù)均高于限量值，已報道Cd元素的質量分數(shù)值是測定平均值的43.53倍，As元素質量分數(shù)平均值是已報道值的12.53倍，結果說明在紅茶茶葉的生產過程中As元素污染嚴重，有輕度的Cr污染而Cd元素污染在紅茶茶葉的種植、采摘、加工和運輸過程中得到了很好的控制。

表6 8種紅茶茶葉的綜合排名Table 6 Comprehensive evaluation in 8 kinds of black tea leaves

（3）通過箱線圖分析16種微量元素的分布情況，結果發(fā)現(xiàn)除S1樣品中Ba元素以外，整體分布較為集中。

（4）通過主成分分析法對8種紅茶茶葉中16種微量元素分析，表明 V、Sr、Cr、Ba、Fe、As和 Zn 為紅茶茶葉的主成分元素，對8種紅茶茶葉的質量做出了評價，為紅茶茶葉性質的研究方式提供了理論基礎。