石洪瑋 劉曉靜 劉貴巧 徐東輝 毛雪飛

(1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗測試中心，北京 100081；3.北京安科慧生科技有限公司，北京 101102；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜質(zhì)量安全控制重點實驗室，北京 100081)

蔬菜是世界各地人民日常飲食的重要部分，是人體通過飲食攝取營養(yǎng)的來源之一[1]。蔬菜中含有豐富人體必需的微量礦物質(zhì)[2]，例如鋅在人體中有催化、結(jié)構(gòu)構(gòu)成、參與調(diào)節(jié)的功能[3]，且對于核酸和蛋白質(zhì)的合成有極為重要的作用[4]，還有銅和錳等微量必需元素，它們對人體中多種酶的合成有重要的輔助作用[5]。但是蔬菜中除了含有銅、鋅、錳這類微量必需元素外，還有砷、鉛、鎘等有害重金屬元素[6]。例如，砷中毒可能造成的疾病有糖尿病、高血壓、神經(jīng)退行性疾病等[7]；鎘中毒會導(dǎo)致人體骨質(zhì)缺乏，造成骨質(zhì)軟化和骨質(zhì)疏松癥，如19世紀在日本發(fā)生的痛痛病事件[8]。目前實驗室常用的食品中元素檢測的方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[9-10]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)[11-12]、石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)[13]、火焰原子吸收光譜法(FAAS)[14]、原子熒光光譜法(AFS)[15]等。上述方法都是準確有效的元素分析方法，也有對應(yīng)的相關(guān)國家標準支持，不過這些方法都需要進行消解才能進行上機測試，消解處理耗時長，且需要強酸、強堿等危險試劑，因此無法實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。此外，ICP-MS和ICP-OES價格昂貴、運維復(fù)雜，而普通AFS、AAS無法多元素同測等問題也限制著上述方法的應(yīng)用。

X射線熒光光譜法是一種無需消解的、無損的元素檢測方法，特別是能量色散X射線熒光光譜儀(ED-XRF)可以實現(xiàn)小型化和便攜化，常用于材料、礦物、土壤等樣品中高原子序數(shù)、mg/kg以上含量水平的元素檢測[16]。由于食品中重金屬元素含量水平較低，常規(guī)的ED-XRF較難檢出痕量元素或獲得較好的分析精密度[17]。本研究使用配備曲面彎晶單色化器的ED-XRF，其中全聚焦雙曲面彎晶(DCC)是X射線高分辨率聚焦的關(guān)鍵部件，通過對X射線管產(chǎn)生的初級X射線單色化，可以顯著降低X射線譜圖的背景、提高信噪比，進而降低XRF的檢出限[18]。因此，本研究基于單波長激發(fā)-能量色散X射線熒光光譜儀(Monochromatic Wavelength Excitation-Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometry，MW-EDXRF)，建立蔬菜中As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Rb、Mn等元素的快速檢測方法。

1 材料與方法

1.1 儀器

MW-EDXRF重金屬分析儀(PHECDA- PRO，北京安科慧生科技有限公司)配備微焦斑X射線管(鎢靶)：滿功率12 W，電壓10～70 kV，電流0～400 μA，高通量硅漂移探測器(SDD)，F(xiàn)ast FP軟件，全聚焦雙曲面彎晶(DCC)。全聚焦型雙曲面彎晶(Johansson-type DCC)能夠?qū)ξ⒔拱遆射線管出射的高強特征X射線進行Bragg衍射單色化，并聚焦到直徑數(shù)十到數(shù)百微米的聚焦面，對樣品中的元素進行單波長激發(fā)。

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(7900型，安捷倫科技有限公司)，微波消解儀(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)，純水機(Milli-Q Acadeemic，美國)，破壁機(935A，中山市惠人電器有限公司)，研磨儀(RM200，德國Retsch公司)，冷凍干燥機(GOLO-SIM，SIM公司)，壓片機。

1.2 材料與試劑

硼酸(99.5%，上海吉至生化科技有限公司)，硝酸(69.0%±0.9%，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)，砷、鉛、鎘、鉻、鎳、銅、鋅、銣、錳元素標準儲備液(1 000 mg/kg，國家有色金屬及電子材料分析中心)；圓白菜GBW10014(GBS-5)、柑橘葉GBW10020(GBS-11)、蒜粉GBW10022(GBS-13)、紫菜GBW10023(GBS-14)、胡蘿卜GBW10047(GBS-25)等生物成分分析標準物質(zhì)(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所)。

1.3 樣品

本實驗使用的蔬菜樣品包括菠菜、蔥、胡蘿卜、豆角、番茄、姜、空心菜、蓮藕、芹菜、蒜、香菇等均在北京采購。經(jīng)微波消解ICP-MS法測定，上述蔬菜中As、Pb、Cd、Ni元素含量較低，XRF法無法檢出或穩(wěn)定檢測，因此本研究根據(jù)蔬菜中污染物限量標準GB 2762—2017，采用加標、干燥、均質(zhì)方法[19]制備了加標樣品，具體方法為：購買來的蔬菜洗凈后，使用無塵布將蔬菜表面水分擦拭干，使用破壁機將蔬菜打漿備用，稱取蔬菜漿200 g加入元素混合標準溶液后攪拌均勻，在-40 ℃冷凍到完全結(jié)冰后使用冷凍干燥機在-70 ℃負壓冷凍干燥24 h，冷凍干燥后使用研磨儀研磨、均質(zhì)，過0.30 mm篩(60目)后置于棕色玻璃瓶備用。

1.4 實驗方法

1.4.1 XRF儀器條件

經(jīng)優(yōu)化后，MW-EDXRF重金屬分析儀的條件詳見表1，其中管電壓和管電流的條件由廠家設(shè)置。

表1 MW-EDXRF重金屬分析儀條件Table 1 Instrumental conditions of MW-EDXRF

1.4.2 電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)檢測條件

本部分實驗以GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》為依據(jù)，按照樣品實際情況略作調(diào)整。

1.4.2.1 樣品前處理

準備3個微波消解管，分別稱取(0.2±0.000 1) g樣品放置到消解管底部，向消解管中加入3 mL硝酸、2 mL過氧化氫加蓋浸泡過夜預(yù)消解，使用微波消解儀進行消解(微波消解升溫程序見表2)。消解完成并冷卻后在加熱板上120 ℃趕酸到消解液剩余1 mL左右，使用容量瓶定容到25 mL。

表2 微波消解升溫程序Table 2 Microwave digestion heating program

1.4.2.2 儀器條件

安捷倫7900型ICP-MS采用常規(guī)碰撞模式進行檢測，具體條件如表3所示。

表3 ICP-MS儀器條件與參數(shù)設(shè)置Table 3 ICP-MS instrumental conditions and parameters

1.4.3 數(shù)據(jù)分析

本研究中的方差分析部分是使用IBM SPSS Statististics 20進行的單因素方差分析，其中多重比較方法采用最小顯著性差異法(Least Significant Difference)和鄧肯氏新復(fù)極差法(Duncan′s New Multiple Range Test)，在95%置信區(qū)間下，P值<0.05則認為存在顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 X射線掃描及熒光信號采集時間

本研究采用基本參數(shù)法對MW-EDXRF重金屬分析儀進行定量校準。此時，可以優(yōu)化的是X射線照射樣品的時間，檢測時間會影響檢測器對X射線激發(fā)熒光信號的采集時間、熒光譜圖的擬合時間與基本參數(shù)法的迭代次數(shù)，因此會影響檢測的精密度和準確度。本實驗利用GBW10022蔬菜基體標準物質(zhì)，在其他儀器條件確定的情況下進行20～300 s不同照射時間的信號檢測(n=3)。圖1(a)顯示的是XRF輻射時間對檢測結(jié)果的相對標準偏差(RSD)的影響，其中Cd、As、Pb、Cr、Ni、Cu元素的RSD在20～200 s隨檢測時間的延長呈顯著的下降趨勢，當超過200 s時RSD均小于15%，基本可以滿足XRF快速篩查的精密度要求；而Rb、Zn、Mn的RSD變化趨勢較為平緩，均在10%以下。圖1(b)顯示的是XRF輻射時間對檢測結(jié)果回收率的影響，Cd、Cr在20～300 s范圍內(nèi)的回收率隨著檢測時間增加逐漸降低，當超過200 s時趨近于100%；As、Pb、Ni、Cu等元素的回收率在檢測時間大于100 s后趨近于100%；Rb、Zn、Mn等元素的回收率隨時間變化不明顯。綜上可知，XRF輻照時間越長，檢測結(jié)果精密度(RSD)和準確度(回收率)結(jié)果越好。統(tǒng)籌考慮XRF方法精準度和檢測效率，最后將檢測時間定為200 s，9種元素檢測的累積激發(fā)時間是600 s。

圖1 檢測時間對XRF檢測結(jié)果相對標準偏差(RSD)和回收率的影響(n=3)Figure 1 Effect of XRF radiation time on multi-elemental RSD and recovery in vegetable samples(n=3).

2.2 樣品制備條件

本研究采用硼酸包被固體粉末壓片的制樣方式，需要對壓片時固體樣品粉末的使用量、壓力和壓力保持時間進行優(yōu)化。粉末樣品壓片后的厚度和密度會影響X射線的輻射效率和熒光密度。當使用XRF進行元素分析時，通常有一個樣品臨界厚度的概念，可能是初級X射線的穿透深度，也可能是特征X射線的穿透深度。如果達不到臨界厚度進行定量分析，會造成儀器分析的精密度下降。在制備粉末壓片樣品時，壓片壓力與壓力保持時間直接影響壓片成品的密度。

2.2.1 壓片樣品量

分別使用0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g蒜粉末樣品，采用硼酸包被制樣法，在壓力15 MPa、壓力保持時間60 s的條件下進行3次重復(fù)檢測。圖2顯示是樣品量(樣品厚度)對XRF檢測結(jié)果的影響。根據(jù)方差分析結(jié)果，As、Pb、Cd、Cu、Rb、Fe等元素檢測值在稱樣量0.5～2 g范圍內(nèi)呈逐漸升高趨勢，超過2 g后對檢測值無顯著影響(P>0.05)；Cr、Ni等元素檢測值在0.5～1.5 g范圍內(nèi)顯著升高，超過1.5 g后對檢測值無顯著影響(P>0.05)；而Mn元素在超過1 g后對檢測值無顯著影響(P>0.05)。綜合上述結(jié)果，最后選擇壓片樣品量為2 g。

圖2 壓片樣品量與檢測結(jié)果關(guān)系圖(n=3)Figure 2 The relationship between sample size and test results(n=3).

2.2.2 壓片壓力

采用硼酸包被的方法，在2 g樣品量，60 s壓力保持時間的條件下分別用10、15、20、25、30、35 MPa的壓力下制備蒜粉樣品壓片，并對檢測結(jié)果進行單因素方差分析(圖3)。結(jié)果顯示，壓片10～35 MPa對各元素測定值均無顯著性影響(P>0.05)。但是，10 MPa壓片后的樣品易松散，不利于保存，因此最后選擇壓片壓力15 MPa。

圖3 壓片壓力與XRF檢測結(jié)果(n=3)Figure 3 Tablet pressure and XRF detection results(n=3).

2.2.3 壓力保持時間

采用硼酸包被方法，在2 g樣品量，15 MPa的條件下分別用30、60、120、150、180 s的壓力保持時間制備蒜粉壓片樣品，并對檢測結(jié)果進行單因素方差分析(圖4)。結(jié)果顯示，壓片30～180 s對各元素測定值均無顯著性影響(P>0.05)。但是，30 s壓片后的樣品易松散，不利于保存，因此最后選擇2 g樣品量在15 MPa條件下壓片60 s處理。

圖4 壓力保持時間與檢測結(jié)果關(guān)系圖(n=3)Figure 4 Relationship between tablet pressing time and test results(n=3).

2.3 方法驗證

2.3.1 方法檢出限與定量限

為確定本實驗的方法檢出限與定量限，使用空白纖維素粉末樣品進行11次重復(fù)檢測，取測試結(jié)果3倍的標準偏差(SD)作為方法檢出限，10倍作為定量限[21]。從表4可以看出，As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Rb、Mn等元素的檢出限(LOD)為0.07～0.32 mg/kg，其中重點關(guān)注的有害重金屬As、Pb、Cd的LOD為0.07 mg/kg，能夠滿足食品安全國家標準的污染物限量要求。

表4 MW-EDXRF檢出限與定量限Table 4 Limits of detection and quantification of MW-EDXRF(n=11) /(mg·kg-1)

2.3.2 精密度評價

使用2 g蒜粉在壓片壓力15 MPa，壓力保持時間60 s的條件下制備樣品壓片，進行11次重復(fù)檢測，結(jié)果見表5。各元素的RSD值在1.0%～10.0%，表明MW-EDXRF測定蔬菜中9種元素的方法有良好的檢測精密度。

表5 MW-EDXRF的檢測精密度Table 5 Precision of MW-EDXRF detection(n=11)

2.3.3 準確度評價

為驗證本實驗檢測方法的準確度，使用MW-EDXRF對5種蔬菜基質(zhì)的有證標準物質(zhì)(Certified Reference Materials，CRMs，包括GBW10014、GBW10020、GBW10022、GBW10023、GBW10047)樣品進行測定，并根據(jù)CRMs的標定值計算回收率，結(jié)果見表6?？梢钥闯?，除有個別檢測結(jié)果在MW-EDXRF的檢出限附近，顯示未檢出，其他測定值的回收率均在80.0%～119%，并且也都在標準物質(zhì)的不確定度范圍內(nèi)。

表6 基體標準物質(zhì)的MW-EDXRF測定結(jié)果Table 6 Elemental presence in vegetable CRM samples by the MW-EDXRF method(n=3)

此外利用本方法測定了11種蔬菜樣品(菠菜、蔥、胡蘿卜、豆角、番茄、姜、空心菜、蓮藕、芹菜、蒜、香菇等)中As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Rb、Mn等元素的含量，與標準方法ICP-MS檢測的結(jié)果進行對比，通過線性回歸系數(shù)(R2)來分析兩種方法測定結(jié)果的符合程度，結(jié)果見圖5?？梢钥闯觯鼵u的R2為0.983 8，其余8種元素的R2均大于0.99，XRF與ICP-MS標準方法的檢測結(jié)果具有較好的一致性，表明新建立的蔬菜中多元素MW-EDXRF法具有良好的檢測準確度。

圖5 XRF與ICP-MS檢測結(jié)果回歸曲線Figure 5 Regression curves of XRF and ICP-MS detection results.

3 結(jié)論

本研究使用單波長激發(fā)能量色散X射線熒光光譜儀建立了蔬菜樣品固體直接分析的重金屬As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Rb、Mn檢測方法。當儀器進樣量為2 g，樣品在15 MPa壓片60 s后，菠菜、蔥、胡蘿卜、豆角、番茄、姜、空心菜、蓮藕、芹菜、蒜、香菇等蔬菜樣品中多元素的LOD為0.07 ～0.32 mg/kg，其中重點關(guān)注的有害重金屬As、Pb、Cd的LOD為0.07 mg/kg，能夠滿足食品安全國家標準的污染物限量要求。該方法對蔬菜樣品多次測定的RSD在3.0%～10.0%，回收率在80.0%～119%，具有良好的檢測精密度和準確性。同時，該儀器僅有不到10 kg，不需要樣品消解處理，檢測時間在10 min左右，非常適合蔬菜多種重金屬的現(xiàn)場快速篩查。