单色X射线荧光光谱法作为可可系统中镉定量分析技术的可靠性评估

《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》：Assessment of monochromatic X-ray fluorescence spectrometry as a reliable analytical technique for cadmium quantification in cacao systems

本研究验证便携式单色能散X射线荧光光谱（MXRF）在检测哥伦比亚可可系统及液体培养基中镉（Cd）的有效性。通过实验室前处理（干燥、研磨、筛分）优化，MXRF在土壤、根茎叶、豆壳及微生物培养基中均表现出高相关性（Pearson 0.96-0.99），限定量0.124-0.148 mg/kg，回收率74.8-129.9%，且无需酸消解，成本仅为ICP-MS的1/10。验证数据表明MXRF可替代传统方法满足欧盟0.1-0.8 mg/kg出口标准。

　　镉在可可中的存在是哥伦比亚出口面临的关键障碍。因此，迫切需要采用新兴技术来提高可可中镉的检测能力。单色X射线荧光（MXRF）作为一种成本效益较高的替代方法，相较于传统的电感耦合等离子体（ICP-OES/MS）技术，在镉定量分析方面展现出优势。MXRF可以应用于可可种植系统中的固态或液态样本，例如土壤、土壤残渣、根部、茎、叶、果荚、可可豆、壳以及用于培养镉耐受细菌的液体培养基。尽管这种新技术已显示出较高的准确性，但至今尚未在主要的分析参数上进行全面验证。因此，本研究的目的是证明MXRF在可可种植系统和液体培养基中用于镉检测的适用性。

本研究对镉的检测方法进行了验证，包括土壤、土壤残渣、根部、茎、叶、果荚、可可豆、壳以及Luria-Bertani（LB）微生物培养基等样本。评估了镉检测方法的稳健性、检测限（LOQ）、准确度、重复性、中间精密度和再现性等参数。通过363个田间样本的镉相关性分析，MXRF与ICP之间的统计分析结果显示，皮尔逊相关系数在0.96至0.99之间，MXRF与ICP之间的回收率百分比在74.8至129.9%之间。稳健性参数识别了合适的实验室和田间预处理方法。同时，测量时间的选择，如60秒和200秒，也被证明是关键因素。检测限范围在0.124至0.148毫克/千克之间。对于准确度参数，% R的范围在90.7%至109.0%之间。再现性的Z'-分数范围在-0.50至0.62之间。验证结果表明，MXRF在可可种植系统和液体培养基中的镉检测是适用的。同时，还讨论了这项新技术对可可和食品安全的影响。

镉是一种对所有生物系统高度有毒的元素，除了某些具有耐受性的细菌。镉的存在与物种密切相关，可可（*Theobroma cacao* L.）显示出对镉生物富集的高度倾向。国际法规设定了可可产品及其衍生物中镉的最大允许浓度，范围在0.10至0.80毫克/千克之间。然而，哥伦比亚农业土壤中镉的最大含量尚无明确的法规，这可能与其自然存在有关。不过，在哥伦比亚不同部门的土壤研究中，平均镉含量在0.40至2.83毫克/千克之间。因此，需要实施敏感的替代技术来检测可可种植系统中固态和液态样本中的镉。这些样本包括可可种植土壤、土壤残渣、根、茎、叶、果荚、壳以及可可豆，或者用于培养镉耐受细菌的液体培养基。使用电感耦合等离子体（ICP）技术需要对液态样本进行复杂的消化过程。对于固态样本和复杂的选择性培养基，如Schlegel和Mergaey培养基，也需进行类似处理。这些培养基常用于分离草酸营养型细菌和镉耐受细菌。尽管这些培养基中微量元素与镉的结合能力尚未被深入研究，但使用ICP技术对镉进行定量分析仍面临挑战。

因此，需要新的技术来与传统技术，如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）的灵敏度相媲美。然而，用于ICP分析的主要试剂是超纯气体，如氩气。这种气体用于生成ICP分析中的等离子体，是一种不可再生的资源。有趣的是，一家进行镉分析的实验室可能每月消耗约164升液态氩气，这表明使用MXRF进行定量分析时，可以显著减少不可再生资源的使用。因此，氩气的消耗被多次报告为ICP技术面临的问题，同时也是ICP技术相较于其他分析技术，如MXRF的一个重要缺点。

MXRF是一种比ICP更便宜的分析技术，其成本涵盖仪器、试剂和消耗品。MXRF在土壤和可可豆的镉定量分析中已显示出良好的性能，包括精度、检测限和与ICP-MS的相关性。然而，为了证明其结果的可靠性，仍需对分析方法进行验证。X射线荧光（XRF）的物理特性使其在传统镉分析技术中具有显著优势，如其便携性和非破坏性。目前，基于MXRF的技术正因其实用性和在速度、成本、用户友好性和便携性方面的优势而逐渐受到欢迎。此外，MXRF技术相较于传统技术的另一个优势是提高了环境可持续性，这体现在定量分析过程中消除了酸消化步骤。光学和X射线技术的进步显著提高了荧光光谱中的信噪比，从而增强了检测的灵敏度和降低了检测限。

便携式X射线荧光仪器的使用使得测量过程所需的样品预处理大大减少，只需简单的研磨即可完成，从而实现实时数据获取，这与涉及ICP定量分析的酸消化过程形成对比。然而，在使用便携式技术进行可可系统测量时，即在田间进行测量，必须确保结果的质量。为此，需要确保所应用的预处理方法能够产生具有足够均匀性的样品，并且所采用的方法是稳健且适用于所有涉及的样本类型的。

Emax设备采用单色X射线荧光（XRF）技术，能够提供其他重金属，如砷（As）、铅（Pb）、铜（Cu）和镍（Ni）的认证同时测量。然而，对于过渡金属如铁（Fe）、锌（Zn）和锰（Mn）的定量，可能需要调整设备的原始校准。此外，供应商对每种目标分析物的检测限应仔细审查，并与主要的计量参数进行验证。有趣的是，最近的一项研究已经证明了使用能量色散X射线荧光（ED-XRF）单设备对食品样本中的铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、锰（Mn）、镍（Ni）和铜（Cu）进行多元素定量的可行性。定量结果与认证参考材料的报告值高度一致。

到目前为止，已有部分文献探讨了在土壤和可可中使用MXRF进行镉定量分析的方法开发和验证。然而，尚未有文献对镉进行MXRF定量分析进行深入研究，考虑到土壤、可可系统的各个部分（土壤残渣、根、茎、叶、果荚、壳和可可豆）以及用于培养镉耐受细菌的液体培养基。因此，本研究旨在通过分析验证评估MXRF在可可种植系统和液体培养基中用于镉检测的性能。这项工作有助于在可可系统中实施低成本技术，为可可产业提供决策工具，以减少其产品中镉的含量。

在本研究中，所有用于分析的土壤样本和可可植物组织样本均来自哥伦比亚，并且除了用于稳健性研究的样本外，其余样本均从2022年至2024年间由AGROSAVIA分析化学实验室保管的样本库中提取。选择了335个来自阿拉乌卡省的样本，包括阿拉乌卡、阿拉乌基塔、福图尔、萨拉维纳和塔梅等市镇。样本的选择基于可可种植系统中的不同区域，以确保分析的广泛适用性。

分析方法的验证结果显示，镉的检测限（LOQ）低于之前在哥伦比亚土壤中报告的镉浓度值，平均值在0.40至2.83毫克/千克之间。评估每个验证参数的性能如下。首先，稳健性测试显示，对于土壤和可可豆样本，完整的实验室预处理（干燥、研磨和过筛）表现出更高的均匀性（平均变异系数为5.3%），而其他预处理方法的平均变异系数为7.6%。这表明，在可可种植系统中，采用完整的实验室预处理方法有助于提高分析的稳定性。此外，测量时间的选择，如60秒和200秒，也被证明是关键因素。通过调整测量时间，可以进一步优化MXRF的检测性能，提高数据的可靠性。

准确度测试显示，MXRF与ICP之间的回收率百分比在90.7%至109.0%之间，表明MXRF在镉定量分析方面具有较高的准确性。重复性测试表明，MXRF在不同样本间的重复测量结果具有良好的一致性，而中间精密度测试则进一步验证了MXRF在不同实验室条件下的可靠性。再现性测试通过Z'-分数评估，结果显示在-0.50至0.62之间，表明MXRF在不同实验室间的检测结果具有可比性。这些测试结果表明，MXRF在可可种植系统和液体培养基中的镉检测是适用的，并且能够提供可靠的数据。

此外，MXRF在镉检测方面的检测限（LOQ）为0.148毫克/千克，这一数值远低于国际法规设定的0.1至0.8毫克/千克的范围，表明MXRF在镉检测方面具有更高的灵敏度。这一灵敏度的提升得益于光学和X射线技术的进步，使得荧光光谱中的信噪比显著提高，从而提高了检测的准确性和可靠性。同时，MXRF的便携性使其能够在田间进行实时测量，减少了对复杂实验室设备的依赖，提高了检测的效率。这一特点对于可可种植系统中的镉监测尤为重要，因为可可种植环境往往分散，难以集中进行高成本的实验室分析。

MXRF的非破坏性特点也使其在可可种植系统中具有显著优势。传统的镉检测方法通常需要对样本进行破坏性处理，例如酸消化，这不仅增加了检测成本，还可能对环境造成污染。而MXRF能够在不破坏样本的情况下进行检测，为可可种植系统中的镉监测提供了更环保的解决方案。此外，MXRF的快速检测能力使其能够在短时间内获取大量数据，这对于需要频繁监测镉含量的可可种植系统来说，具有重要的实际意义。

在本研究中，MXRF的检测方法被应用于土壤、土壤残渣、根、茎、叶、果荚、壳以及可可豆等样本，同时还包括用于培养镉耐受细菌的LB液体培养基。这些样本涵盖了可可种植系统中的各个部分，确保了分析的全面性。此外，MXRF在检测镉的同时，还可以检测其他重金属，如砷、铅、铜和镍，这使得MXRF成为一种多功能的分析工具。这一特点对于需要同时监测多种重金属的可可种植系统来说，具有重要的应用价值。

通过本研究的分析验证，MXRF在镉检测方面的性能得到了充分证明。其检测限、准确度、重复性、中间精密度和再现性等参数均满足国际法规的要求。同时，MXRF的便携性和非破坏性特点使其在田间应用中具有显著优势。这一技术的推广将有助于提高可可种植系统中镉检测的效率和可靠性，为可可产业提供更实用的决策工具，以减少其产品中镉的含量，提高食品安全水平。

此外，MXRF技术的使用还具有重要的环境意义。传统的镉检测方法通常需要使用酸性试剂进行消化，这不仅增加了试剂的消耗，还可能对环境造成污染。而MXRF能够在不使用酸性试剂的情况下进行检测，减少了对环境的负担，提高了分析的可持续性。这一特点使得MXRF成为一种更环保的检测方法，符合当前全球对环境友好型技术的需求。

本研究的成果表明，MXRF在可可种植系统和液体培养基中的镉检测是适用的，并且能够提供可靠的数据。这些数据可以用于评估可可种植系统中的镉污染情况，为可可产业提供科学依据，以采取相应的措施减少镉的含量。同时，MXRF的检测方法也可以用于其他重金属的检测，为食品安全监测提供了更全面的解决方案。这一技术的推广将有助于提高可可产业的竞争力，确保其产品符合国际法规的要求，从而顺利进入国际市场。

总之，MXRF作为一种新兴的镉检测技术，相较于传统的ICP方法，在成本、效率、便携性和环境可持续性方面具有显著优势。通过本研究的分析验证，MXRF在可可种植系统和液体培养基中的镉检测得到了充分证明，为可可产业提供了一种实用的决策工具，以减少其产品中镉的含量，提高食品安全水平。同时，MXRF的多功能性和高效性使其在其他重金属检测方面也具有应用潜力，为食品安全监测提供了更全面的解决方案。这一技术的推广将有助于提高可可产业的可持续发展，确保其产品符合国际标准，从而提升其在全球市场中的竞争力。