郭小華，趙 鵬，吳雅清，唐雪平，耿 頔，翁連進

1.華僑大學(xué)分析測試中心，福建 廈門 361021 2.華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361021 3.廈門市環(huán)境科學(xué)研究院，福建 廈門 361021

引 言

鐵觀音茶是最受歡迎的健康飲品之一，其含有豐富的維生素、礦物質(zhì)、茶多酚、營養(yǎng)元素(如鈣、鐵、鋅、錳等元素)，有防患疾病等功效[1]。安溪是鐵觀音的源產(chǎn)地，茶葉年產(chǎn)量高，茶葉總產(chǎn)值數(shù)億元，市場需求量大，但不同品質(zhì)的鐵觀音價格參差不齊，市場上存在以次充好的現(xiàn)象。福建省鐵觀音主要的茶產(chǎn)地有安溪縣和華安縣等，兩縣市的茶葉產(chǎn)量市場占有率較高，在地理位置上毗鄰，但茶葉品質(zhì)和風(fēng)味各有不同，造成茶葉市場和客戶的困擾。檢測鐵觀音中微量元素的種類和含量，對產(chǎn)地的溯源具有現(xiàn)實經(jīng)濟上的意義。目前茶葉產(chǎn)地鑒別的檢測方法主要有高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[2]、近紅外光譜法[3]、多元素穩(wěn)定同位素法[4]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[5]、X射線熒光光譜法[6]。選擇合適的分析手段，有助于縮短分析時間，提高檢測效率。電感耦合等離子體質(zhì)譜法采用微波消解法前處理樣品，步驟繁瑣，但對元素含量的測定具有較低的檢出限、良好的準(zhǔn)確度和精確度，用于檢測各類樣品中的痕量和超痕量元素[7]；X射線熒光光譜法采用壓片法制樣，具有無損、快速檢測的特點，在元素含量檢測的應(yīng)用越來越廣泛[8]。判別分析是多變量統(tǒng)計學(xué)分析方法之一，該分析方法根據(jù)Wilk’s λ最小值原則對變量進行降維篩選，通過選擇有顯著影響的變量，以提高判別函數(shù)的準(zhǔn)確率。有報道采用ICP-MS法結(jié)合逐步判別分析對湖南安化黑茶開展原產(chǎn)地判別研究，進行了有效判別[9]。

從福建省安溪縣和華安縣采集鐵觀音茶樣，先采用XRF半定量法對其元素種類和含量進行快速分析，再根據(jù)其分析結(jié)果對元素含量較高的試樣進行高效稀釋，使樣品中待測元素的含量范圍快速滿足ICP-MS定量法的測試要求，通過對不同產(chǎn)地茶樣的金屬元素進行測定，對實驗結(jié)果采用Fisher逐步判別法進行評價，為鐵觀音茶樣中金屬元素分析手段的選擇、產(chǎn)地判斷提供數(shù)據(jù)支持。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(7800型，Agilent)；微波消解儀(Multiwave PRO型，Anton Paar)，X射線熒光光譜儀(ARL PERFORM’X 4200型，Thermo Scientific)。

標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為1 000 μg·mL-1Ca，F(xiàn)e，K，Mg，Na；100 μg·mL-1Sr；10 μg·mL-1Al，Mn，Zn的混標(biāo)和10 μg·mL-1Rb(Agilent Technologies公司)。

取1 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液用2%的稀硝酸溶液進行逐級稀釋，最終配置成濃度分別為100，50，25，12.5，5，2.5和1 μg·mL-1的Ca，F(xiàn)e，K，Mg，Na，Sr，Al，Mn，Zn，Rb溶液，以繪制校準(zhǔn)曲線，校準(zhǔn)曲線回歸方程及相關(guān)性等見表1。

表1 ICP-MS測定各元素校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)曲線及相關(guān)性

安溪縣(感德A、西坪B、祥華村C)和華安縣(良村D、華豐鎮(zhèn)E、仙都F)為福建主要鐵觀音茶產(chǎn)區(qū)，地理位置相近，選取上述產(chǎn)地2018年秋茶正味，各5個茶樣(圖1)。

圖1 安溪縣和華安縣鐵觀音樣品采樣分布

1.2 方法

1.2.1 XRF法

將茶樣研磨成粉末，過200目篩，干燥至恒重，準(zhǔn)確稱取2.000 0 g茶樣，置于壓片機的加樣杯中，用硼酸墊底和鑲邊，壓制成待測圓片，用于XRF配置無標(biāo)樣半定量分析，元素測定范圍為F—U。

1.2.2 ICP-MS法

準(zhǔn)確稱取0.200 0 g茶樣置于聚四氟乙烯消解罐，分兩次共加入6 mL硝酸溶液，待反應(yīng)5分鐘后，消解罐轉(zhuǎn)移到130 ℃加熱器進一步加熱30 min，隨后，將消解罐轉(zhuǎn)移至微波消解儀(表2為工作參數(shù))進行消解。樣品完成消解后趕酸2 h，觀察到溶液體積只有黃豆粒大小時，用超純水定容至50 mL。以2%的稀硝酸溶液作為測試中的空白對照。

表2 微波消解工作參數(shù)

ICP-MS的試驗條件：射頻功率為1 550 W，等離子流氣體量15.0 L·min-1，載氣氣流、輔助氣流和補充氣流皆為1.0 L·min-1；霧化室的溫度為2 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRF法對茶樣中元素含量的測定

用1.2.1方法分析研究2個產(chǎn)地的30個茶樣，XRF法檢測出茶樣中含量在10 μg·g-1以上共同含有的12個元素分別是K，Ca，S，P，Mg，Al，Si，Cl，F(xiàn)e，Mn，Rb和Zn，各元素含量見圖2(a—h)，部分茶樣檢出Na和Sr。其中：安溪縣鐵觀音茶樣P，F(xiàn)e和Mn元素平均含量高于華安縣鐵觀音茶樣，K，Ca，S，Mg，Al，Si，Cl，Rb和Zn元素平均含量低于華安縣鐵觀音茶樣，兩個產(chǎn)地的鐵觀音在元素含量上存在顯著差異，對元素含量進行ICP-MS全定量分析，根據(jù)鐵觀音茶樣的元素含量建立判別模型，對鐵觀音茶樣進行產(chǎn)地判別。

圖2 XRF和ICP-MS測量結(jié)果的相關(guān)性分析

2.2 ICP-MS法對茶樣中元素含量的測定

ICP-MS定量法檢測元素含量需提供相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，且樣品元素含量需在線性范圍內(nèi)方可準(zhǔn)確定量，大部分樣品的元素含量范圍無法在測試前確定，造成標(biāo)準(zhǔn)曲線的重復(fù)配制或試樣濃度的多次稀釋，耗費大量的測試時間、影響測試準(zhǔn)確度、減少ICP-MS的使用壽命。結(jié)合XRF半定量法快速檢測出的元素種類和含量，針對性的進行高效稀釋以滿足ICP-MS測試要求，優(yōu)化樣品前處理方法。本試驗采用ICP-MS法分析由XRF所檢測出的10個金屬元素，在30個茶樣中皆檢測出了Na和Sr，這兩種元素的含量較低，而ICP-MS的檢出限較低，因此能夠檢測出XRF沒有檢測出的元素。

以散點圖添加趨勢線的形式與XRF法進行對比，結(jié)果如圖2。趨勢線的斜率和相關(guān)性系數(shù)r趨近1.000 0，說明2種方法檢測的數(shù)據(jù)匹配度高，具有一定可比性[10]。

結(jié)果表明，采用XRF法和ICP-MS法檢測Ca，Mg，Al，F(xiàn)e，Mn和Zn元素時，相關(guān)性系數(shù)r在0.824 8～0.892 8，趨勢線斜率在0.806 0～0.944 9，說明ICP-MS和XRF法具有可比性，檢測這六種元素采用這兩種方法皆適宜；采用這兩種方法進行測定K元素的相關(guān)性系數(shù)r為0.449 3，趨勢線斜率為0.658 5，測定Rb元素的相關(guān)性系數(shù)r為0.630 5，趨勢線斜率為1.206 4，相關(guān)性都比較差，說明K和Rb用ICP-MS法和XRF法測定時結(jié)果差異較大，K含量較高更適合用XRF的常量檢測，而Rb含量較低，響應(yīng)度低更適合用ICP的痕量檢測。

2.3 精密度

按照XRF法和ICP-MS法分別對同1份安溪鐵觀音茶樣進行平行測定6次，由表3可知，其測定值的平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。XRF無標(biāo)樣半定量法得到的結(jié)果RSD皆<6.00%，ICP-MS全定量法得到的結(jié)果RSD皆<3.0%，說明兩種方法的精密度均較高，符合分析化學(xué)精密度要求。

2.4 逐步判別-Fisher判別

通過對不同產(chǎn)地鐵觀音茶樣的多元素含量進行t檢驗結(jié)果表明：K，Ca，Al，F(xiàn)e，Rb和Zn等元素含量在安溪和華安兩個產(chǎn)地之間都存在顯著性差異(p<0.05)；Sr元素含量在兩個產(chǎn)地之間存在極顯著差異(p<0.01)。

對安溪和華安茶樣中的金屬元素采用t檢驗結(jié)果表明，利用ICP-MS法所檢測出的金屬元素對兩個不同產(chǎn)地茶樣建立Fisher逐步判別模型是可行的。Fisher逐步判別法是將高緯度空間的樣品通過投影到低緯度空間的方式，投影得到的新樣品數(shù)據(jù)在新的子空間上呈現(xiàn)最小的類內(nèi)距離及最大的類間距離，剔除無關(guān)變量，保留特異性指標(biāo)，使得在該子空間上有最佳的可分離性[11]。采用K，Ca，Mg，Al，F(xiàn)e，Mn，Rb，Zn，Na和Sr共10個元素建立判別模型，根據(jù)Wilk’s λ最小值原則篩選得到五個有效判別指標(biāo)分別是K，Ca，F(xiàn)e，Rb和Na，建立安溪縣和華安縣的判別函數(shù)為

Y(安溪)=112.214K+141.700Ca+1 595.447Fe+7 956.902Rb-53.749Na-143.390

Y(華安)=129.562K+177.493Ca+518.137Fe+9530.027Rb-1 174.211Na-177.109

對得到的判別函數(shù)進行有效性檢測，其中Wilk’s λ的數(shù)值越小，說明兩個判別函數(shù)組間差與組內(nèi)差之比越大，檢驗結(jié)果為Wilk’s Lambda=0.225，p<0.000 1，結(jié)果表明兩組判別函數(shù)效果均具有極顯著意義。

30份已分組鐵觀音茶樣相關(guān)數(shù)據(jù)代入建立的判別函數(shù)進行產(chǎn)地判別，有15份安溪縣鐵觀音茶樣能夠被正確分類，安溪縣的茶樣判別成功率達到100%，有1份華安縣的茶樣被錯誤的預(yù)測為安溪縣茶樣，對華安縣茶樣判別成功率只有93.3%。采用交叉驗證法(留一法)用于茶樣回代判斷，通過內(nèi)部交叉驗證，得到所建立的函數(shù)的準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)。建立的判別函數(shù)的產(chǎn)地檢驗判別率為96.7%，交叉檢驗判別率為96.7%(表4)。說明采用K，Ca，F(xiàn)e，Rb和Na元素建立的模型能有效的對安溪縣和華安縣茶樣進行判別。為了檢驗所建立的模型對未包含茶樣的判別正確率，分析了預(yù)留的10個測試茶樣，模型對測試茶樣的識別正確率高達100%，說明此判別模型可以對安溪縣和華安縣鐵觀音茶樣進行很好地識別。

表4 鐵觀音茶樣逐步判別分析結(jié)果

3 結(jié) 論

XRF無標(biāo)樣半定量法測試結(jié)果表明，安溪縣和華安縣鐵觀音30個茶樣的元素種類基本一致，檢出含量在10 μg·g-1以上的微量元素有K，Ca，S，P，Mg，Al，Si，Cl，F(xiàn)e，Mn，Rb和Zn，部分檢出Na和Sr元素。根據(jù)XRF法檢測出的元素含量快速、準(zhǔn)確的稀釋以滿足ICP-MS的痕量檢測要求，優(yōu)化樣品前處理方法。ICP-MS全定量法對比檢測金屬元素，結(jié)果表明Ca，Mg，Al，F(xiàn)e，Mn和Zn這六種元素采用這兩種方法具有可比性；XRF法對樣品具有無損檢測的優(yōu)點，采用壓片的前處理方式，大大減少了前處理的耗時，因此需低成本、快速、簡便檢測茶樣中的這六種元素含量時，可選擇XRF檢測法。對兩種檢測方法進行精密度測試，結(jié)果表明XRF法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差皆<6.0%，ICP-MS法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差皆<3.0%，符合分析化學(xué)精密度要求。利用ICP-MS全定量法測定2個產(chǎn)地的30個茶樣的金屬元素含量用于建模，10個茶樣作為測試樣品，采用逐步判別-Fisher判別分析，獲得K，Ca，F(xiàn)e，Rb和Na作為有效判別指標(biāo)，從而建立區(qū)分安溪縣和華安縣鐵觀音茶樣的有效判別模型，得到的兩個判別模型對產(chǎn)地檢驗的判別率達到96.7%，交叉檢驗判別率同樣高達為96.7%，對預(yù)測樣品的識別正確率達到100%。當(dāng)建模的樣品數(shù)量和產(chǎn)地數(shù)量達到一定數(shù)量級之后，所建立的判別模型對鐵觀音茶樣的產(chǎn)地鑒別將具有更強的適用性和準(zhǔn)確性。