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(1. 江蘇大學(xué) 藥學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013；2. 上海昊海生物科技股份有限公司，上海 200052；3. 江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

自1948年由H.Friedmann和L.S.Birks研制出世界上首臺(tái)波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀[1]以來，由于譜線簡(jiǎn)單、干擾少且操作過程簡(jiǎn)便并可實(shí)現(xiàn)無損分析等特點(diǎn)備受矚目。隨著微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、核科學(xué)和材料學(xué)的飛速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用和計(jì)算機(jī)軟件的日新月異，X射線熒光光譜儀經(jīng)歷了重大改革創(chuàng)新，不僅擁有波長(zhǎng)色散、能量色散基本常見熒光光譜儀，全反射、便攜式、微束、電子探針等光譜儀也是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的常用儀器設(shè)備，目前X射線熒光光譜(X-ray fluorescence spectroscopy，XRF)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及地礦等各個(gè)領(lǐng)域[2]有著廣泛的應(yīng)用。

1 XRF的基本原理、特性及分類

1.1 基本原理

XRF的理論基礎(chǔ)是近代原子物理中的莫斯萊(Moseley)定律[3](見公式1)：

(1)

式中：λ為特征X射線的波長(zhǎng)；υ為頻率；Z為原子序數(shù)；K1、K2均為常數(shù)，其值依據(jù)不同的譜線而定。式(1)表明特征X射線頻率的平方根與元素的原子序數(shù)呈線性關(guān)系。當(dāng)試樣受到高能量子照射時(shí)，內(nèi)層電子受到驅(qū)逐，從而形成了空穴，此時(shí)整個(gè)原子體系的穩(wěn)定性很差，處于激發(fā)態(tài)，隨后在極短的時(shí)間內(nèi)，體系中處于較高能級(jí)的電子會(huì)自發(fā)的進(jìn)行躍遷，回到內(nèi)層填充空穴，從而使原子恢復(fù)到一個(gè)低能的狀態(tài)，并輻射出特定的X射線，即特征X射線。通過測(cè)定樣品中每種元素輻射出的特征X射線的波長(zhǎng)或強(qiáng)度，即能夠?qū)悠分械脑剡M(jìn)行定性分析。

XRF定量分析的原理：樣品中每種元素所輻射出的特征X射線的強(qiáng)度Ii與該元素在樣品中的質(zhì)量百分濃度Ci有如下關(guān)系(見公式2)：

(2)

式中：k為常數(shù)，與入射線強(qiáng)度和待測(cè)元素對(duì)入射線的質(zhì)量吸收系數(shù)有關(guān)；μm為試樣對(duì)X射線的總質(zhì)量吸收系數(shù)。式(2)表明在樣品組成均勻，元素之間無相互激發(fā)干擾的條件下時(shí)，Ii與Ci之間存在一定的線性關(guān)系，采取恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行校正后，根據(jù)譜線強(qiáng)度便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)元素的定量分析[4]。

1.2 主要特性

首先，由于是對(duì)原子的內(nèi)層激發(fā)，且化學(xué)鍵對(duì)特征X射線熒光光譜的影響甚微，所以相對(duì)于一般的原子發(fā)射光譜來說，譜線簡(jiǎn)單、干擾較少、易解析和進(jìn)行定性分析；其次，檢測(cè)時(shí)間短，一般情況下每種元素的檢測(cè)時(shí)間在10～100s；第三，由于分析儀器從光源到各個(gè)部件都具有極高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，該分析方法的精準(zhǔn)度顯著提高，且操作便捷，易于進(jìn)行自動(dòng)化及在線分析。

1.3 分類

X射線熒光光譜的類型有多種，按照獲得和分辨特征X射線熒光光譜的方式可以分為波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜(Wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometer，WDXRF)和能量色散X射線熒光光譜(Energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer，EDXRF)；按照激發(fā)條件的不同也可以分為全反射X射線熒光光譜(Total reflection X-ray fluorescence spectrometer，TXRF)、同步輻射X射線熒光光譜(Synchrotron radiation X-ray fluorescence spectrometer，SRXRF)、微束X射線熒光光譜(Microbeam X-ray fluorescence spectrometer，μ-XRF)等，其原理、特點(diǎn)以及最適用領(lǐng)域見表1。

表1 X射線熒光光譜儀的分類

2 XRF技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

食品質(zhì)量的優(yōu)劣與人類的生命健康息息相關(guān)，嚴(yán)格把控好食品生產(chǎn)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)是至關(guān)重要的，比如食品中重金屬含量超標(biāo)、亂用增白劑以及微量元素的缺乏或超標(biāo)等均會(huì)影響人類的身心健康，XRF技術(shù)可用于元素含量的測(cè)定、產(chǎn)品真?zhèn)舞b別等。

2.1.1 在植物類產(chǎn)品中元素含量測(cè)定的應(yīng)用

植物類產(chǎn)品是環(huán)境中(土壤、水源、空氣)元素的主要接受體，這些元素會(huì)通過植物的根或者葉轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)。當(dāng)一些重金屬元素含量過高的食物被人體食用后，其長(zhǎng)時(shí)間在體內(nèi)的蓄積會(huì)對(duì)人體的部分器官或神經(jīng)系統(tǒng)等造成不可逆的損害，因此測(cè)定此類產(chǎn)品中的元素含量是十分重要的。如駱倩[5]等人選用3種不同型號(hào)的X射線熒光光譜儀對(duì)稻谷樣品中的鎘、鉛和總砷含量進(jìn)行檢測(cè)，并分別與GB/T 5009.15—2003鎘、GB/T 5009.12—2003鉛和GB/T 5009.11—2003無機(jī)砷標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較，由稻谷樣品鎘元素檢測(cè)結(jié)果得出，兩種檢測(cè)方法的R2分別為0.9711、0.8509和0.9729，均呈極顯著相關(guān)；檢測(cè)結(jié)果在<0.16 mg/kg或>0.24 mg/kg范圍，定性判定正確率達(dá)到78.3%～91.0%。Sacristan[6]等人使用便攜式X射線熒光光譜儀(Portable X-ray fluorescence spectrometer，p-XRF)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定農(nóng)業(yè)土壤和萵苣中的Cu濃度，結(jié)果顯示半峰的全寬度和能量譜中的Cu峰的最大高度與使用常規(guī)分析方法確定的Cu濃度是具有相關(guān)性的；雖然從土壤獲得樣品的結(jié)果正確度最高，但由于其快速的分析能力及對(duì)樣品量的需求很少使得這種技術(shù)仍很有可能被用作評(píng)估植物中Cu濃度的首選方法。Trebolazabala[7]等人使用μ-XRF技術(shù)對(duì)沿海環(huán)境中的茄屬植物中的金屬分布的總體趨勢(shì)進(jìn)行了研究。結(jié)果分析表明，在茄屬植物的所有區(qū)段中發(fā)現(xiàn)了CI和Br，除了番茄果實(shí)，對(duì)于這些元素的分布，它們同樣分布在植物的所有映射區(qū)域中，對(duì)于所有在茄屬植物中發(fā)現(xiàn)的其他元素，K的分布模式與Cl和Br是相同的，Ca、Cu和Mn也遵循相同的分布模式。

2.1.2 在產(chǎn)品真?zhèn)舞b別中的應(yīng)用

在食品行業(yè)中亂用增白劑、假冒偽劣等案例經(jīng)常發(fā)生，原因大多都是一些不法商人為了謀求暴利，往食品中加入一些不符合法規(guī)的化學(xué)物質(zhì)，所以快速地測(cè)定此類產(chǎn)品中非法物質(zhì)含量，可有效地防治摻假、造假現(xiàn)象。如許志彬[8]等人采用ZSX Primus型XRF測(cè)定12例市售小麥粉中TiO2的含量，檢測(cè)結(jié)果與電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，ICP-AES)所測(cè)結(jié)果基本一致，且在保證測(cè)量結(jié)果正確度、精蜜度的情況下，XRF法避免了ICP-AES法測(cè)試過程中消解或灰化等復(fù)雜的前處理過程，直接實(shí)現(xiàn)了無前處理(或者只需簡(jiǎn)壓片)的快速測(cè)定，在小麥粉中TiO2的快速檢測(cè)方面具有實(shí)用價(jià)值。饒秀勤[9]等人選用XRF技術(shù)與模式識(shí)別技術(shù)對(duì)4個(gè)不同地區(qū)的茶葉進(jìn)行鑒別，結(jié)果表明，不同產(chǎn)地的茶葉其重金屬含量有所差異；發(fā)現(xiàn)3～13 keV波段是XRF進(jìn)行茶葉產(chǎn)地鑒別的有效波段，實(shí)驗(yàn)誤差較低，說明此方法可用于假冒產(chǎn)地茶葉的鑒別。Shand[10]等人采用TXRF對(duì)蘇格蘭不同地區(qū)生產(chǎn)的25種威士忌進(jìn)行檢測(cè)，5種假冒威士忌，1種未成熟威士忌和1種成熟威士忌，測(cè)量了其中11種痕量元素(P，S，Cl，K，Ca，Mn，F(xiàn)e，Cu ，Zn，Br和Rb)的含量。將通過TXRF得到的威士忌的元素濃度數(shù)據(jù)與ICP得到的值進(jìn)行比較，結(jié)果表明，K、Mn和Cu的相關(guān)值(R2)≥0.942，Ca、Fe和Rb≥0.800，P、S和Zn≥0.535，單個(gè)元素的濃度值范圍是可變的，元素濃度的主成分分析雖只能將威士忌按區(qū)域或類型部分區(qū)分開來，但可以將假冒樣品與其他樣品明顯的區(qū)分開來。

2.1.3 在食品中微量元素含量測(cè)定上的應(yīng)用

微量元素是維持人類生命健康的重要營(yíng)養(yǎng)成分之一，對(duì)人體內(nèi)的許多生物活性成分有著關(guān)鍵的調(diào)控作用，其在人體內(nèi)無法自行合成，而且在人體內(nèi)的含量極少，一般需要通過攝取食物、營(yíng)養(yǎng)品或者藥物來增加體內(nèi)含量。如陸金鑫[11]等人采用XRF法對(duì)4種不同谷物樣品中P、S、K、Ca等多種元素含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，P、S、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe 8種元素含量準(zhǔn)確，其結(jié)果與ICP所測(cè)值相一致，說明此方法可以用于谷物產(chǎn)品中元素含量的檢測(cè)。李衛(wèi)東[12]等人采用TXRF法對(duì)10份歐李果肉中Ca、P、Fe、K等多種元素含量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明，歐李果肉中Ca元素含量較高(可高達(dá)441.1 mg/kg)；不同產(chǎn)地的歐李果肉中元素含量有明顯的差異。Sosa[13]等人評(píng)估了應(yīng)用XRF法測(cè)定冷凍干燥和研磨粉碎的馬鈴薯塊莖樣品中Fe和Zn的可行性，校準(zhǔn)以及外部和獨(dú)立的驗(yàn)證顯示出高的測(cè)定系數(shù)，其中Fe為0.93～0.96，Zn為0.92～0.97，較低的標(biāo)準(zhǔn)誤差，其中Fe為1.10～1.44 mg / kg DW(Dry Weight)，Zn為0.91～1.06 mg / kg DW，表明可以通過XRF對(duì)Fe和Zn元素含量進(jìn)行高精度地估算。與ICP-AES法相比，XRF法為馬鈴薯育種者提供了一種快速、低成本和適用的工具，特別是當(dāng)需要在短時(shí)間內(nèi)評(píng)估大量土豆克隆體時(shí)。

2.2 在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

藥品安全是國(guó)民一直在密切關(guān)注的話題，XRF技術(shù)在藥品的質(zhì)量控制方面發(fā)揮著重要的作用，其不僅可用于藥品中元素含量的檢測(cè)，還可對(duì)藥品的種類進(jìn)行篩選。隨著計(jì)算機(jī)、材料等科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，XRF還可與SRXRF技術(shù)聯(lián)用在醫(yī)療診斷方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

2.2.1 在傳統(tǒng)中藥元素分析及鑒別中的應(yīng)用

無機(jī)成分是傳統(tǒng)中藥物質(zhì)基礎(chǔ)的重要組成部分，XRF法具有樣品制備簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，常用于中藥中元素含量的測(cè)定。如方萍[14]等人采用XRF法測(cè)定防風(fēng)樣品中 Mg、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Ba、Pb 和Bi 等金屬元素含量，實(shí)現(xiàn)大量中藥材中多元素同時(shí)快速測(cè)定。結(jié)果顯示XRF法的檢出限在0.17～243μg/g之間；對(duì)同一批次防風(fēng)樣品，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)測(cè)定7次，所有元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD%)均小于4.0%；其檢測(cè)結(jié)果與ICP-AES測(cè)定值無明顯差異。肖燕燕[15]等人選用XRF法對(duì)市場(chǎng)上3個(gè)不同品種的三七花中元素含量進(jìn)行測(cè)定，包括常量元素(K、Na、Ca、Mg、Al、Cl、P、S)和微量元素(Fe、Zn、Cu、Si、Mn、Ni)的測(cè)定。方法檢出限在1.1～23.7μg/g之間，測(cè)量精蜜度為1.04%～8.98%。結(jié)果表明，不同產(chǎn)地的三七花中元素含量有明顯差異，其中多種元素含量相對(duì)高的是云南文山三七花，說明XRF法適用于傳統(tǒng)中藥材的篩選。方萍[16]等人采用XRF法對(duì)14種金銀花中S、Co、Al、Pb、Cr、Fe 6種元素含量進(jìn)行測(cè)定，以此推斷樣品是否進(jìn)行過硫磺熏蒸。結(jié)果表明，沒有經(jīng)過硫磺熏蒸的樣品，S<4 000μg/g，經(jīng)過硫磺熏蒸的樣品，S>5 000μg/g；選擇Co、Al、Pb、Cr、Fe進(jìn)行主成分分析，由圖得出硫磺熏蒸和非硫磺熏蒸金銀花分布于不同的區(qū)域，可以進(jìn)行定性區(qū)分。耿志旺[17]等人將干燥后新鮮八角含硫量作為參照值，采用p-XRF法對(duì)8批市售干八角硫熏情況進(jìn)行測(cè)定。由檢測(cè)結(jié)果得出，8批干八角中只有1批含硫量合格，視為沒有進(jìn)行硫熏的八角，另外7批試樣的含硫量均不合格，鑒定為硫熏八角。

2.2.2 在醫(yī)療健康中的應(yīng)用

元素在人體的許多生命活動(dòng)中起到至關(guān)重要的作用，缺乏或過量的元素可能會(huì)破壞人體的正常功能，并可能導(dǎo)致多種疾病。在不同的生物體液和組織中，測(cè)定其濃度(不僅僅是Na、K、Ca和Fe，尤其是微量元素，如Cr、Cu、Zn、Se、Rb和Pb)，應(yīng)該成為醫(yī)學(xué)治療的常規(guī)做法。如Cleto[18]等人利用TXRF技術(shù)分析了腮腺導(dǎo)管內(nèi)采集的唾液樣本，以及第一個(gè)(牙齒46)和第二(牙齒47)磨牙牙齒間的齒齦裂縫并對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在本研究的7個(gè)樣本中所發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素是P、S、Cl、K、Ca、Ti、Mn、Fe、Cu、Zn、Br、Rb和Pb；在齒齦的唾液樣本中，相比腮腺的唾液樣本中，發(fā)現(xiàn)了Ti、Mn、Cu、Fe和Pb的成分；所有被檢測(cè)到的元素在齒齦的唾液樣本中比腮腺的唾液樣本都要高。Abraham[19]等人采用TXRF技術(shù)對(duì)牙科植入物患者口腔內(nèi)金屬元素濃度的變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在口腔液中，鈦離子呈現(xiàn)出一種不同的行為，在齒齦液中的濃度高于唾液；另一方面，V和Al并沒有表現(xiàn)出與口腔正常水平的顯著差異，所以即使是用鈦合金或2級(jí)商用純鈦制成的牙體，這種材料也會(huì)受到某種腐蝕或降解，從而將鈦離子輸送到溝口。Israelsson[20]等人采用同步輻射微能量X射線熒光光譜技術(shù)對(duì)核燃料制造工廠的工人頭發(fā)中鈾元素濃度的分布進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，可以在fg級(jí)檢測(cè)到鈾元素，而且?guī)缀跛械拟櫾囟即嬖谟陬^發(fā)外層；在對(duì)工人頭發(fā)的未經(jīng)清洗的掃描中，發(fā)現(xiàn)了μm級(jí)大小的鈾顆粒，這些發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)一步增進(jìn)對(duì)頭發(fā)中鈾排泄的了解以及它作為生物監(jiān)控者的潛在用途。

2.3 在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用

化妝品已逐漸成為人類日常生活中的必需品，其安全問題也受到人們的廣泛關(guān)注，有關(guān)化妝品的成分、毒性的研究，已成為社會(huì)上的炙熱話題。尤其值得注意的是，化妝品中的重金屬可以透過皮膚而滲入人體中，若長(zhǎng)期使用重金屬超標(biāo)的化妝品勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致重金屬在人體內(nèi)的蓄積，對(duì)人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。李俊卿[21]等人選用XRF技術(shù)對(duì)化妝品中的Pb、As元素含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示Pb元素濃度在9.93 ～100.10 mg/kg之間，As元素濃度在4. 98～100.10 mg/kg，Pb加樣回收率為94.3%，As加樣回收率為97.6%。此法簡(jiǎn)單易操作，能夠?qū)瘖y品中的Pb、As元素含量進(jìn)行快速檢測(cè)。王謙[22]等人建立懸浮液進(jìn)樣-TXRF法對(duì)膏霜類化妝品中Pb、As、Hg元素含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，Pb、As、Hg在 0.01～1.60 μg/mL濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好(R2≥0.998)，檢出限分別為0.005、0.004 和 0.006 μg/mL，測(cè)量精蜜度分別為7.8% ～14.9%、6.6%～13.3%和 7.6%～14.6%，可以為膏霜類化妝品中其他元素含量的TXRF測(cè)定方法提供有效信息。Bairi[23]等人采用p-XRF建立了一種快速簡(jiǎn)單的篩查方法用于商業(yè)防曬霜中的鈦和鋅的定量測(cè)定，并將測(cè)得的結(jié)果與ICP-AES所得結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)所得結(jié)果之間具有良好的相關(guān)性(R2>0.995)。該方法用于分析0.4～14.23 wt%(weight percentage)范圍內(nèi)的鈦和1.0～23.90wt%范圍內(nèi)的鋅具有良好的線性(r2>0.995)，然而，大多數(shù)商業(yè)防曬霜含有有機(jī)成分，并且已知這些成分會(huì)引起基質(zhì)效應(yīng)。在這項(xiàng)研究中，通過使用無金屬商業(yè)防曬劑作為分散介質(zhì)來制備標(biāo)準(zhǔn)液，以此來克服基質(zhì)效應(yīng)。Silva[24]等人基于TXRF建立了一種快速分析口紅樣品中鉛的方法，通過將口紅試樣與非離子表面活性劑以及釔內(nèi)標(biāo)物一起融化、均化來制備樣品，然后將制備好的固體樣品快速平穩(wěn)地移到石英反射器上，并采用TXRF進(jìn)行900s的實(shí)時(shí)測(cè)量。由結(jié)果得出，鉛的檢出限為0.04μg/g，RSD為11-38%，表觀回收率在92%和106%之間(n = 8)。此研究證明了TXRF作為口紅中鉛的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法的潛力，且不需要苛刻的消化程序。

3 展望

XRF技術(shù)在食品、生物醫(yī)藥、化妝品領(lǐng)域大多數(shù)用于元素含量測(cè)定、產(chǎn)品真?zhèn)舞b別，在作為醫(yī)學(xué)診斷輔助工具的應(yīng)用相對(duì)較少，隨著XRF與其他技術(shù)(比如同步輻射、X射線衍射等)聯(lián)用的增多，在醫(yī)療方面的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究，以便能夠更好地提高醫(yī)學(xué)診斷方面的工作效率，為人類的生命健康帶來更多的福音。近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)、材料等科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一方面XRF技術(shù)在場(chǎng)外進(jìn)行快速檢測(cè)的應(yīng)用值得更多的關(guān)注，比如p-XRF由于體積小、易于攜帶，將其更多地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)及野外的測(cè)定有待進(jìn)一步研究，以便提高科研工作者的工作效率，為社會(huì)做出更大的貢獻(xiàn)；另一方面XRF儀器的正確度有待進(jìn)一步提高，在食品中重金屬的快速檢驗(yàn)、化學(xué)原料藥的金屬催化劑殘留以及藥品生產(chǎn)的過程控制等方面需要進(jìn)行更加深入的研究，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。