电感耦合等离子体质谱法测定茶园土壤与茶叶中9种元素及其相关性分析

蒙华毅 吴祖军 陈广林 雷宁生 梁书怀

摘要 ［目的］研究茶园土壤与茶叶中9种元素的相关性，为茶叶规范化种植选地提供科学依据。［方法］采用密闭高压消解茶叶样品（土壤样品用盐酸+硝酸+高氯酸+氢氟酸消解），利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定绿茶及其生长土壤中9种元素（Pb、Cd、As、Cr、V、Zn、Cu、Se和Tl）的含量，并对其中9種元素含量进行比较分析。［结果］采用标准物质绿茶（GBW10052）和土壤（GBW07407）考察方法的准确性，测定值均在标示值范围内。9种元素线性关系良好（r≥0.999 5），检出限在0.002～0.23 mg/kg。茶叶中各重金属元素含量均未超标；土壤中除Zn和Cd元素超标外，其他元素均未超标。［结论］该方法操作简单、快速，灵敏度高，污染风险小，适用于茶叶和土壤中痕量元素的快速分析。

关键词 密闭高压消解；绿茶；土壤；重金属；电感耦合等离子体质谱法

中图分类号 O657.63 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）09-0193-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.046

Abstract ［Objective］To study the correlation between tea garden soil and 9 kinds of elements in tea， and provide scientific basis for the standardized planting and site selection of tea.［Method］Tea samples were digested under sealed high pressure （soil was digested with HClHNO3HClO4HF）， and the contents of 9 elements （Pb，Cd，As，Cr，V，Zn， Cu，Se and Tl） in green tea and soil were determined by inductively coupled plasma mass spectrometry （ICPMS）， and the determination results were compared and analyzed.［Result］The accuracy of the method was verified by green tea （GBW10052） and soil （GBW07407）， the values of each element were consistent with the labeled values.The linear relationship between the nine elements was good （r≥0.999 5）， and the detection limit was 0.002-0.23 mg/kg.The content of heavy metal elements in tea did not exceed the standard;Except for Zn and Cd， other elements in the soil did not exceed the standard.［Conclusion］This method is easy to operate， and have high sensitivity and less interference， which is suitable for rapid analysis of trace elements in tea and soil.

Key words Sealed high pressure digestion;Green tea;Soil;Heavy metal;Inductively coupled plasma mass spectrometry （ICPMS）

基金项目 广西壮族自治区疾病预防控制中心青年基金项目（202002）。

作者简介 蒙华毅（1986—），男，广西贵港人，副主任技师/工程师，硕士，从事原子光谱、质谱研究。

茶是我国的传统饮料，具有醒脑提神、利尿解乏、缓解疲劳和抗衰老的作用。现代科学研究表明，绿茶富含茶多酚、叶绿素、儿茶素、氨基酸和维生素等对人体有益的营养成分，常饮能防癌、降脂及抵御尼苦丁伤害等功效［1-4］。绿茶在我国种植广泛，在广西、福建、河南、贵州、浙江、江苏及四川等省份均有种植。土壤是植物汲取养分的载体，土壤质量的高低直接或者间接左右着茶叶的品质［5］。近年来，随着我国工农业的快速发展，污水、废气未经处理直接被排放到大自然中的事件时有发生，除此之外，栽培管理中农药和肥料使用的不当等因素，都会导致绿茶的品质参差不齐，部分茶叶出现残留的农药及有害元素超标。相关文献研究表明，绿茶中有害金属元素超标主要是铅、镉［6-7］。铅进入人体后会不断蓄积，达到一定峰值后会引发神经系统及心血管系统等疾病［8］。镉在人体内排泄缓慢，对人体许多脏器和系统都具有不同程度的毒性，已被国际社会公认为致癌物［9］。因此，世界各国都对茶叶中重金属含量进行了严格的限量，茶叶中重金属、农药残留等有毒物质含量超标问题已经成为制约茶叶出口的瓶颈。

目前，对茶叶的研究主要集中在化学、药理、临床等方面，元素检测也有涉及［10-13］，柯法钧等［14］利用石墨炉原子吸收法对江西名茶中铬、镍和钴元素含量进行测定；张亚莉等［15］利用电感耦合等离子体质谱法和原子荧光法测定市售茶叶中的铅、镉、汞和砷；但是将茶叶和种植土壤一起对比分析的研究却很少［16］。因此，对土壤和绿茶中元素含量进行测定对于评价绿茶的质量具有重要的意义。

电感耦合等离子体质谱法是目前微痕量元素分析的主要方法之一，具有灵敏度高、选择性高、检出限低、分析速度快和线性范围宽等优点，因此，被称为最强的痕量和超痕量无机元素分析技术，使用范围涉及多领域［17-23］。该试验采集广西某茶园茶叶样品15份，对应种植基地土壤样品15份，利用ICP-MS法测定样品中铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、铬（Cr）、钒（V）、锌（Zn）、硒（Se）、铜（Cu）、铊（Tl）9种元素的含量，并对结果进行相关分析，同时对茶叶的使用安全风险进行评估，为茶叶规范化种植基地选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪，Nexion300D（PerkinElmer公司，美国）；岛津电子天平（万分之一天平）；恒温干燥箱；密闭高压消解罐；Millipore超纯水机；硝酸（GR级）；HCl（GR级）；HClO4（GR级）；HF（GR级）；水为超纯水。铅、镉、砷、铬、钒、锌、硒、铜、铊等多元素标准溶液（GSB04-1747）和锗、铟、铋、钪等元素混合内标溶液（GSB04-1747）均购自国家有色金属及电子材料分析测试中心；国家有证标准物质绿茶（GBW10052，中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所）。

1.2 试验材料

绿茶样品和土壤均采自广西贵港市覃塘区花山茶海景区。

1.3 试验方法

1.3.1 标准溶液及内标溶液的配制。准确移取适量的多元素标准溶液，用体积分数为5%的硝酸溶液制成浓度为0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、50.0、100.0 μg/L混合标准系列；同法移取适量的锗、铟、铋、钪等元素混合内标溶液另行配制成1.0 mg/L的混合内标使用液。

1.3.2 样品前处理。

1.3.2.1 样品前处理器皿的选择。样品前处理是元素分析至关重要的一环，样品前处理的好坏直接决定结果的对错，而试验器皿又是样品前处理的重要组成部分，本底的洁净度直接关系到前处理的成败。为了确保测定结果的准确性，聚四氟乙烯内罐先在体积分数为20%的硝酸溶液中浸泡24 h以上，捞出后再往里加入4 mL左右的硝酸加盖蒸煮4 h以上（110 ℃左右），趁热用超纯水洗净备用；标准溶液和待测样品所用器皿均为塑料制品。

1.3.2.2 茶叶样品前处理。新鲜采摘的茶叶用超纯水洗净后，放入烘箱中105 ℃烘干，用破壁机研细（聚四氟乙烯罐体）。用电子天平（万分之一）准确称取一定量的样品（约0.4 g左右）到100 mL聚四氟乙烯内罐中，依次加入10.0 mL HNO3和2.0 mL H2O2，盖上内盖，拧好不锈钢罐放入恒温干燥箱中加热消解，消解程序参考表1。

消解结束待其自然放冷后，取出内罐放在电热板上140 ℃左右赶酸，赶至溶液剩下约1.0 mL时，将溶液全量转移至50 mL塑料容量瓶中，并用去离子水清洗内罐3～4次，定容摇匀上机测定，同法制备质控样及空白对照溶液。

1.3.2.3 土壤样品前处理。土壤经自然风干、磨碎、过筛后，用电子天平准确称取适量的样品，每份0.30 g左右，放入已做标号的聚四氟乙烯内罐中，往消解罐中加入5.0 mL HCl，盖上上盖在电热板上蒸煮2 h，继续往里加入9.0 mL HNO3和0.5 mL HClO4蒸煮5 h左右，最后加入3.0 mL HF蒸煮2 h，开盖赶酸至黏稠状，超纯水定容。

1.3.3 土壤pH的测定。参考《土壤pH的测定》（NY/T 1377—2007），称取（10.0±0.1）g试样，置于50 mL塑料离心管中，加入25 mL水，密封离心管后，用振荡器剧烈振荡5 min，然后静置1～3 h后，用pH计测定溶液pH。

1.3.4 干扰的消除。ICP-MS用于元素分析常遇到的干扰可分为非质谱干扰和质谱干扰。非质谱干扰是由样品本身的基体效应引起的，消除此类干扰最有效的方法是稀释样品和内标校正。试验通过内标法定量克服了仪器的漂移（在线加入74Ge、115In、209Bi和45Sc内标溶液），保证了測量的准确性。质谱干扰通常指同量异位素、多原子、双电荷离子等对测定结果的影响。ICP-MS测定Pb、Cd、As、Cr、V、Zn、Cu、Se 和 Tl时，易受到ClO、ArN、MoO、Sm++、Eu++等的干扰，部分多原子分子的结合非常牢固，很难清除。为得到准确的数据，试验以国家有证标准物质为标准，优化仪器的各项指标，最终确定可通过仪器条件最优化和质量甄别技术得到准确的结果。

1.3.5 分析方法。仪器工作参数：射频功率1200 W；等离子体气流量15.0 L/min；雾化器流量0.74 L/min；雾化室温度-2 ℃；采样深度2.5 mm；氧化物产率<2.0%，双电荷比<0.2%。将铅、镉、砷、铬、钒、锌、硒、铜、铊等多元素标准溶液分别稀释为一系列浓度梯度的标准溶液，为各元素选择合适的同位素质量数，根据质量数相近原则和标准物质测定结果，合理选择 Ge、In、Bi 作为内标元素（在线加入），由低到高依次测定各个浓度的标准溶液，以每个浓度测得值的3次读数与内标读数比值的平均值为纵坐标、相应浓度为横坐标，仪器自动绘制标准曲线。由标准曲线计算得到的样品浓度扣除相应的样品空白，即各元素的含量。

2 结果与分析

2.1 线性关系考察及检出限测定

按“1.3.5”项下方法测定铅、镉、砷、铬、钒、锌、硒、铜、铊9种元素的回归方程和相关系数；取“1.3.2.2”项下的空白对照溶液，按照“1.3.5”项下的方法，连续测定11次，记录测定值，按IUPAC规定的方法计算各元素的检出限。由表2可知，各元素均呈现良好的线性关系（r≥0.999 5），检出限在0.002～0.23 mg/kg，说明试验具有可行性。

2.2 方法验证

参照“1.3.2.2”和“1.3.2.3”描述的茶叶和土壤样品消解方法对标准物质绿茶（GBW10052）和土壤（GBW07407）进行消解，重复测定3次取其均值考察方法的准确度，结果如表3和表4所示。由表3和表4可知，标准物质绿茶（GBW10052）和土壤（GBW07407）的测得值均与证书上的标示值相吻合，绿茶标准物质（GBW10052）的成分与待测绿茶基本一致，试验结果表明方法准确、可靠，适用于绿茶和土壤样品中痕量元素的检测。表3和表4中，各元素平行测定3次的RSD均小于6%，说明该方法具有较高的精密度。

2.3 样品测定

按“1.3.2.2”和“1.3.2.3”的方法对茶园15份绿茶样品和15份土壤样品进行前处理，每个样品平行测定3次，结果如表5～6所示。由表5～6可知，15份绿茶样品的各元素含量均未超标，15份土壤中除Cd外，其他元素均未超标。按照“1.3.3”的方法测定茶园土壤的pH，土壤的pH在4.10～4.87，均值为4.43。

2.3.1 茶叶中各元素含量的分析。食品安全国家标准GB 2762—2017《食品中污染物限量》［24］中规定Pb不高于5.0 mg/kg；农业部强制性标准NY 659—2003《茶叶中铬、镉、汞、砷及氟化物限量》［25］规定：茶叶中Cr≤5 mg/kg，Cd≤1 mg/kg，As≤2 mg/kg；由表5可知，该茶园的绿茶中富含对人体有益的Zn和Se，对人体危害较大的元素Pb、Cd、As和Tl的含量很低，分别不高于1.94、0.088、0.201和0.039 mg/kg，绿茶中Pb、Cd和As的含量均低于国家标准。绿茶中Cu的最大含量为7.86 mg/kg，同样也没有超过国家农业农村部标准NY/T 288—2018《绿色食品茶叶》［26］中Cu的限量标准（≤30 mg/kg），现行有关茶叶的国家标准中未对其他元素作出限量规定，表明绿茶处于质量安全水平。

2.3.2 土壤中各元素含量的分析。《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）［27］二级标准规定：Pb≤70 mg/kg，Cd≤0.3 mg/kg，As≤40 mg/kg，Cr≤150 mg/kg，Cu≤50 mg/kg，Zn≤200 mg/kg。土壤样品中重金属含量检测结果显示（表6），15批土壤样品中Cu、As、Pb均未超标，但是Cd元素超标率达100%，Zn元素超标率达93.3%，表明该种植基地土壤已经存在重金属污染。《富硒土壤硒含量要求》（DB41/T 1871—2019）中规定：当土壤pH＜6.5时，土壤中Se≥0.35 mg/kg即属于富硒土壤，由表6可知，该地区确属于富硒地区。

2.3.3 茶叶中与土壤中各元素含量的对比分析。茶叶中Pb、Cd、As、Cr、V、Zn、Cu、Se和Tl的含量与相应茶园里采取的土壤中Pb、Cd、As、Cr、V、Zn、Cu、Se和Tl的含量的Person相关分析［28］结果见表7。由表7可知，茶叶中Pb含量与相应茶园土壤中Cd含量呈显著正相关（P＜0.05）；茶叶中Zn含量与相应茶园土壤中的Pb和Cd含量均呈显著正相关（P＜0.05）；茶叶中Se含量与相应茶园土壤中Cd含量呈显著正相关（P＜0.05）。综上所述，土壤中的 Pb和Cd含量对茶叶中的Pb、Zn和Se的累积具有重要影响；土壤中的Cd和Zn已超出国家土壤环境质量标准（GB 15618—2018）［27］二级标准规定（Cd≤0.3 mg/kg，Zn≤200 mg/kg），属于污染土壤；但是茶叶中的Pb、Cd、As、Cr、V、Zn、Cu、Se和Tl的含量并未超出国家有关标准的限量值，因此，从食品安全角度出发，这片土地可以选择种植茶树。

2.3.4 对Cd含量超标土壤的初步风险评估。由表6可知，土壤中Cd含量远超于国家土壤环境质量标准（GB 15618—2018）［27］二级标准规定的限值（≤0.3 mg/kg），因此有必要对土壤的使用安全进行风险评估。对比表5和表6发现，土壤中Cd含量虽然很高，但是茶叶中Cd含量却很低，土壤中Cd含量的高低对茶叶Cd的影响并不显著，对饮用者产生的安全風险还是比较低，这可能是由茶树本身的生长特性决定，需要进行进一步的研究，并摸清Cd超标的源头。

3 结论

该试验利用电感耦合等离子体质谱法分析了茶叶和土壤中9种元素（Pb、Cd、As、Cr、V、Zn、Cu、Se和Tl）的含量，并进行了相关性分析，方法准确、快速、易于操作，为该茶园的选择种植、科学饮用及深度研究提供了重要的试验依据。试验结果表明，该茶园的绿茶中富含参与人体代谢的有益元素Zn和Se，其他有害元素（Pb、As、Cr、V、Cd和Tl）的含量很低，均低于国家限量标准，土壤中的Cd和Zn含量已超相关限量要求，应引起足够的重视，查清污染源头。

参考文献

［1］ 申雯，黄建安，李勤，等.茶叶主要活性成分的保健功能与作用机制研究进展［J］.茶叶通讯，2016，43（1）：8-13，65.

［2］ 石玉涛，郑淑琳，吴伟伟，等.武夷名丛茶树种质资源茶多糖抗氧化活性分析［J］.福建农业学报，2020，35（７）：801-810.

［3］ 刘丹奇，任发政，侯彩云.几种茶多糖对糖尿病模型小鼠血糖的影响［J］.中国食物与营养，2020，26（1）：59-64.

［4］ 彭毅，张静，王祯，等.绿茶茶多糖的抗氧化活性及对人肺癌细胞的抑制作用［J］.解剖科学进展，2019，25（6）：651-654.

［5］ 邵学新，吴明，蒋科毅.土壤重金属污染来源及其解析研究进展［J］.广东微量元素科学，2007，14（4）：1-6.

［6］ 周晶，侯言东，聂融.陇南铅锌矿周边地区所产茶叶的金属元素分布调查［J］.环境与健康杂志，2011，28（5）：440-441.

［7］ 崔世展，沈宝华，杨婉秋.云南凤庆茶园不同季节茶叶中重金属元素的含量分布特征［J］.昆明学院学报，2021，43（3）：38-40.

［8］ 姚智卿.铅对人体健康的危害［J］.微量元素与健康研究，2011，28（5）：67-68.

［9］ 赵中振，梁之桃，郭平.海外植物药的质量标准：对中药标准化的一些启示［J］.中国中药杂志，2009，34（16）：2119-2125.

［10］ 包香春，张秀艳，李建亭，等.高压密闭消解-电感耦合等离子体质谱法测定茶叶中9种元素［J］.理化检验-化学分册，2019，55（2）：223-226.

［11］ 沈明丽，许丽梅，字肖萌，等.电感耦合等离子体发射光谱法测定茶叶中的微量元素［J］.中国农学通报，2018，34（31）：72-75.

［12］ MILANI R F，SILVESTRE L K，MORGANO M A，et al.Investigation of twelve trace elements in herbal tea commercialized in Brazil［J］.Journal of trace elements in medicine and biology，2019，52：111-117.

［13］ ZHANG J J，WEI X H，DAI W D，et al.Study of enrichment difference of 64 elements among white tea subtypes and tea leaves of different maturity using inductively coupled plas mamass spectrometry［J/OL］.Food research international，2019，126［2022-03-16］.https：//doi.org/10.1016/j.foodres.2019.108655.

［14］ 柯法钧，王丹，洪艳平，等.江西名茶中Cr、Ni和Co 3种重金属元素含量的比较分析［J］.江西农业大学学报，2020，42（4）：674-683.

［15］ 张亚莉，耿丽平，张春楠，等.市售茶叶中重金属含量特征及其分析［J］.中国农学通报，2017，33（28）：151-157.

［16］ 刘海燕，黄彩梅，周盛勇，等.茶园土壤及与茶叶中微量元素锌硒含量相关性的研究［J］.广西植物，2015，35（6）：868-874，941.

［17］ 杨红霞，李冰，马新荣.电感耦合等离子体质谱法测定血液和精液中的硼［J］.分析试验室，2005，24（10）：80-83.

［18］ 白金峰，张勤，孙晓玲，等.高分辨电感耦合等离子体质谱法测定地球化学样品中钪钇和稀土元素［J］.岩矿测试，2011，30（1）：17-22.

［19］ 蒙华毅，凌悦菲，王启淳，等.食品包装材料中重金属的质谱测定及来源分析［J］.食品工业，2019，40（6）：279-282.

［20］ 蒙华毅，吴祖军，梁书怀，等.动态反应池-电感耦合等离子体质谱法同时测定动物肝脏中16种稀土元素［J］.分析试验室，2015，34（1）：91-94.

［21］ 王倩.微波消解-电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法同时测定畜禽粪便中7种重金属元素［J］.中国无机分析化学，2022，12（1）：46-52.

［22］ 沈健，赵雨薇，王兵，等.微波消解－高分辨电感耦合等离子体质谱（HR-ICP-MS）法测定煤炭中35种痕量金属元素［J］.中国无机分析化学，2022，12（2）：26-34.

［23］ 董丹丹，周谦，张宜明，等.基于电感耦合等离子体质谱检测市售大米中22种元素［J］.安徽农业科学，2020，48（5）：201-205.

［24］ 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会，国家食品药品监督管理总局.食品中污染物限量：GB 2762—2017［S］.北京：中国标准出版社，2017.

［25］ 中华人民共和国农业部.茶叶中鉻、镉、汞、砷及氟化物限量：NY 659—2003［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［26］ 中华人民共和国农业农村部.绿色食品茶叶：NY/T 288—2018［S］.北京：中国标准出版社，2018.

［27］ 生态环境部，国家市场监督管理总局.土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）：GB 15618—2018［S］.北京：中国标准出版社，2018.

［28］ 李宏彬，赫光中，果秋婷.基于皮尔逊相关系数的有机质谱相似性检索方法［J］.化学分析计量，2015，24（3）：33-37.