X射线荧光光谱法测定乳粉中的微量元素

王谦许小丽房科腾

（1.宁波出入境检验检疫局 浙江宁波 315010；2.嵊泗出入境检验检疫局）

X射线荧光光谱法测定乳粉中的微量元素

王谦1许小丽2房科腾1

（1.宁波出入境检验检疫局 浙江宁波 315010；2.嵊泗出入境检验检疫局）

采用粉末压片制样波长色散X射线荧光光谱法测定乳粉中的氮、钠、镁、磷、氯、钾、钙。从仪器的X射线光管铍窗厚度、电流大小、测量时间和样品制样压力等方面研究了氮元素的测定。选择不同种类的乳粉，由标准方法定值，然后与标样一起建立校准曲线，校准曲线采用理论α影响系数法校正基体效应。研究发现铍窗厚度是制约氮元素测定的主要因素；样品均质处理必须用手工研磨的方法；X射线可以造成乳粉损伤，随着时间增加，测量结果呈线性增加趋势。结果与标准方法比对，两者相符，氮元素的检出限和精密度RSD（n=9）分别为0.09%和2.9%，其他元素的检出限和精密度RSD（n=9）分别都小于0.001%和3%。

乳粉；氮；元素；X射线荧光光谱

1 前言

自2008年中国乳制品污染事件以来，国家加大了对乳制品的质量监管，其中元素检测类项目就有14项之多［1，2］，需要用到7个检测方法。虽然Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn等金属元素采用了ICPOES多元素分析方法［3］，但其他元素都需要独立分析［4-6］，并且多采用湿法化学法，非常消耗实验室资源，因此急需简单、快速的方法来解决这个问题。

波长色散X射线荧光光谱（WDXRF）技术是一种多元素分析技术，相对于ICP-OES、ICP-MS，它的前处理更简单，分析范围从0.0001%到100%，适合常量和微量分析，在国外已有人在奶制品方面做了大量研究。其中，文献［7，8］介绍了奶制品中Na、Mg、P、S、Cl、K、Ca、Fe、Zn的测定；文献［9］介绍了奶制品中Na、Mg、P、S、Cl、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Br的测定；文献［10］介绍了奶制品中Al、Fe、Cu、Zn的测定，文献［11］介绍了乳粉半定量筛选技术。从以上文献发现有两个问题值得关注，一个是文献没有提出N元素的测定方法，另一个是测定结果的准确度不够，一部分比对数据的相对偏差超过10%。

N元素是一个荧光产额很低的元素，K壳层荧光产额不足Na元素的十三分之一，因此，很少有人用XRF方法去测定它，已找到的文献只有土壤和生物标样中N元素的测定［12-15］。从原理看增加电流强度和采用带超薄铍窗的X射线管是有效的方法，随着X射线管技术的进步，75 μm铍窗的X射线管已经替代125 μm的成为主流，具有170 mA电流的高压发生器也已经开始普及，因此本研究在相应的仪器支持下，对N元素的测定进行了研究，并达到了定量分析的要求。对于准确性问题，本研究认为主要原因是文献［8，9］对应的样品种类过多，奶制品虽然都是以奶为原料，但生产工艺有差别，均匀性有差异，会出现较大的物理、化学效应干扰。从本研究结果看，单以奶粉为检测对象，准确性有所提高，能够满足日常检验的需要。

2 材料与方法

2.1材料

2.1.1仪器设备

S8 Tiger型X射线荧光光谱仪：X射线管功率4 kW，铑靶，75 μm铍窗，最大电流150 mA，德国Bruker AXS公司；ZSX PrimusⅡ型X射线荧光光谱仪：X射线管功率4 kW，铑靶，30 μm铍窗，最大电流150 mA，日本理学公司；HTP40粉末压片机：德国HERZOG公司；ZM200超离心粉碎机：德国RETSCH公司，配1.1 mm筛网。

2.1.2试剂

乳粉标准物质：GBW 08509a（中国计量科学研究院），脱脂奶粉；GBW 10017（中国地质科学院地球物理化学勘查研究所），配方奶粉；BCR 063R（欧盟联合研究中心参考物和测量研究所），脱脂奶粉；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仪器工作条件

根据测试样品、其含量范围等因素设定测量条件，分析谱线和背景的位置根据实际扫描而定。其他条件见表1。

表1　分析元素的测量条件

2.2.2校准样品

WDXRF分析是一种通过与标样比较信号强度，计算含量的方法，其中压片制样法和经验系数校正法，需要用较多的标样建校准曲线，而现有的乳粉标样数量不能满足这个要求。本研究从脱脂奶粉、全脂奶粉、婴幼儿奶粉和低脂奶粉中选出含量具有梯度的样品，通过标准方法［3-6］测定元素的含量，然后作为校准样与标样一起建立校准曲线。表3列出了校准曲线的范围和曲线标准偏差，其中后者证明了样品定值的准确。

2.2.3制样

采用压片法制备分析样［9］，样品量约5g，压力6t；如果样品表面出油（如脂肪含量较高的全脂奶粉），则降低压力，最低3 t。制好的片放入干燥器备用。

2.2.4仪器测量

按照表1所列条件测量N、Na、Mg、P、Cl、K、Ca的特征谱线强度，经验影响系数、理论影响系数、校准曲线的斜率和截距由式1回归得到。

式中：Ci、Cj表示测量元素和影响元素的含量（%）；s、b表示校准曲线的斜率和截距；Ii表示测量元素的X射线荧光强度（cps）；αij表示理论或经验α影响系数。

3 结果与讨论

3.1氮的测量条件

本次实验采用两台X射线荧光光谱仪，铍窗厚度为75 μm和30 μm，最大电流为170 mA和150 mA，它们分别代表了主流配置和高端配置，同时为获得良好的分辨率使用了专用的分光晶体（XS-N和RX45，晶距相同）。测试对象根据奶粉中氮的含量范围（1.6%-6.1%）选择含量为1.7%的样品。图1给出了电流、电压一致情况下（30 kV，130 mA）两台仪器的N-Kα1线的扫描图。

图1　N-Kα线的峰位扫描图

图1显示，两台仪器都有明显的峰出现，其中30 μm的特征峰超过400 cps，是75 μm的4倍，这说明了铍窗厚度会引起荧光强度的质的提升。在比较铍窗厚度的同时也观察了电流对荧光强度的增强作用，实验在样品不变的前提下，将S8 Tiger的电流从130mA提升到150mA（27 kV）和170 mA（23 kV），测试结果显示荧光强度大约提升了15%和30%，这说明电流对强度只能引起量的变化，测定更低的N元素只能采用更薄铍窗仪器。

测量时间是另外一个重要条件，增加测量时间可以提高测量精密度。根据经验，含量1%-10%的元素，信号总计数的相对标准不确定度应控制在1%以内，那么根据式（2）计算，75 μm的需要200 s（峰和一条背景各100 s），30 μm的仅需60 s（峰和两条背景各20 s）。

式中：urel（N）表示总计数的相对标准不确定度（%），R表示计数率（cps），T表示测量时间（s）。

考虑到配置30 μm Be窗仪器的普及性不如75 μm，以下试验都在S8 Tiger设备上完成，测量条件见表1。

3.2样品均匀性

样品经X射线照射表面呈焦黄色，实验发现有个别样品色泽不均匀，明暗差异明显（类似皮革的纹路），为此采用了两种方法来均质处理。首先采用超离心粉碎技术，样品直接进入离心机（由于要测氮所以没有使用液氮冷冻），离心机瞬间完成粉碎，处理后的样品手感细腻、潮湿。其次采用玛瑙研钵手工研磨，研磨约15 min，处理后的样品不如前者细腻，而且更潮湿，研钵表面发亮。潮湿样品二次干燥后进行测量，表2列出了相应的N、P、Cl平行性数据，数据说明均质处理后样品变均匀了，但数据有差异，其中手工研磨的样品结果变化不多，离心粉碎的样品数据偏低很多，因此选择手工研磨作为不均匀样品的处理方法。

表2　乳粉均匀性测试数据（%）

3.3辐射损伤

在对样品进行重复性试验时发现样品被X射线照射后会引起含量的变化，这种变化与水分无关，因为在氦气环境中测试也会出现这种现象。图2显示了辐射区域和非辐射区域的色彩差异（辐射区域为橙黄色）；图3显示了测量时间与含量关系，其中P、Cl、K、Ca呈变大趋势，N无明显变化。鉴于以上实验的结果，方法要求每个试料片只能测一次，并且将N排在最后测量。

图2　X射线照射后的乳粉试料片外貌

图3　测量时间与含量关系图

3.4校准曲线

采用理论α影响系数法校正基体效应，这种方法的计算需要结合样品中的所有元素含量，所以比经验法更可靠。但由于乳粉的主要元素C、H、O不能由WDXRF直接测定，所以需要设定一个以主要元素为基础的分子式作为基体和消去项，协助完成计算。校准曲线由不同种类的乳粉建立，包括了全脂、脱脂、婴幼儿等主要种类，受基本营养成分碳水化合物、蛋白质和脂肪配比影响，C、H、O含量有较大差异。根据文献［11］给出的平均分子式，CH2O（分碳水化合物）、C64H123.9O33.4N14.9（蛋白质）和C64H124.9O7.8（脂肪），以及C、H、O的范围，本研究以脂肪含量15%，蛋白质含量25%为基数，近似计算出了奶粉主元素的平均分子式，即C2H4O。表3列出了标样的含量范围和校准曲线标准偏差。

表3　校准曲线的标准偏差比较（%）

经过理论α影响系数法校正所有元素的准确性都有所提高，偏差都低于10%，同时验证了设定C2H4O为基体的平均分子式是合理的。

3.5检出限和精密度

各成分的检出限按照公式（3）计算，精密度通过统计同一样品不同时间压制9个试料片的测量数据而得，数据见表4。两者都达到标准方法的水平。

式中：m-测量灵敏度（cps·%-1），即含量每变化1%引起的X射线荧光强度的变化；Ib-背景的X射线荧光强度（cps）；Tb-背景的测量时间（s）。

表4　仪器检出限和精密度

3.6结果比对

从实验室日常样品中取5个N含量不同的样本，分别采用标准方法（A）和本方法（B）进行比对试验，比对结果见表5。其中含量大于0.1%的N、Na、P、Cl、K、Ca相对偏差＜5%，含量小于0.1%的Mg相对偏差小于10%，两种方法结果相符。

表5　标准方法和本方法结果比对（%）

4 结论

本研究建立了采用WDXRF技术测定乳粉中营养元素N、Na、Mg、P、Cl、K、Ca的定量方法，操作简单，测量时间短，可以为实验室节省大量资源。X射线管Be窗厚对N元素测定至关重要，厚度小于等于75μm的X射线管才能测定乳粉中的N元素，而电流强度对N元素测定帮助有限。

［1］GB 10765-2010食品安全国家标准婴儿配方食品［S］.

［2］GB 10767-2010食品安全国家标准较大婴儿和幼儿配方食品［S］.

［3］GB 5413.21-2010婴幼儿食品和乳品中钙、铁、锌、钠、钾、镁、铜和锰的测定［S］.

［4］GB 5413.22-2010婴幼儿食品和乳品中磷的测定［S］.

［5］GB 5413.24-2010婴幼儿食品和乳品中氯的测定［S］.

［6］GB 5009.5-2010食品中蛋白质的测定［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，Gonçalves 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］王志刚，李凤权.X射线荧光无标半定量分析乳粉微量元素［J］.广东微量元素科学，2006，13（11）：64-67.

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［15］刘玉纯，梁述廷，徐厚玲，等.X射线荧光光谱法测定生物样品中氯硫氮磷钾铜锌溴［J］.岩矿测试，2008，27（1）：41-44.

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

Wang Qian1，Xu Xiaoli2，Fang 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

浙江省公益性技术应用研究（分析测试）项目（2013C37092）

2015-05-07