《Environmental Technology & Innovation》：Validation of portable monochromatic X-ray fluorescence for plant elemental analysis using standard reference materials and field samples
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对植物组织中元素浓度的准确定量对于环境、生态和农业研究至关重要。便携式X射线荧光光谱法（pXRF）已成为一种快速、多元素分析的有力工具，而单色X射线荧光光谱法（MXRF）作为一项新技术，可简化强度-浓度关系并降低检测限。然而，手持式MXRF在植物基质中的定量性
对植物组织中元素浓度的准确定量对于环境、生态和农业研究至关重要。便携式X射线荧光光谱法（pXRF）已成为一种快速、多元素分析的有力工具，而单色X射线荧光光谱法（MXRF）作为一项新技术，可简化强度-浓度关系并降低检测限。然而，手持式MXRF在植物基质中的定量性能尚未得到充分验证。本研究首次系统评估了第一代手持式MXRF仪器在植物元素定量中的表现。研究人员利用六种植物基标准参考物质（SRMs）和来自美国亚利桑那州一处受采矿影响的尾矿场的75份野外采集植物样品，建立了两阶段验证框架。结果表明，MXRF对Cu、Mn和Fe表现出稳健的定量性能；对Zn、K、Ca、Se和Re具有可接受的性能；而对P、S和Ti的定量可靠性较差。样品质量、均质性、元素浓度范围、测量精度和土壤污染是影响MXRF准确性的主要因素。通过偏最小二乘回归（PLS-R）识别可控基质效应并进行数据分层后，MXRF与电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）之间的一致性显著提高（例如，Cu的R2从0.64提升至0.92，Mn的R2从0.64提升至0.97）。该研究建立了包括≥1 g粉末样品、细磨至<0.5 mm粒径、≥90 s测量时间和三重复质量控制在内的实用指南。尽管本研究的性能指标特定于所测试的系统和分析条件，但该验证框架为未来手持式MXRF系统的评估提供了可转移的模板。
论文解读文章
研究背景与问题
准确测定植物组织中的元素浓度是环境监测、生态研究和农业管理的基础。传统的实验室方法如电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）虽然精确，但成本高、耗时长且具有破坏性。便携式X射线荧光光谱法（pXRF）作为一种快速、无损的多元素分析技术，已在土壤、沉积物等环境介质中得到广泛应用。近年来，单色X射线荧光光谱法（MXRF）技术的出现进一步提升了信噪比并降低了检测限。然而，手持式MXRF在植物基质中的定量性能尚未得到系统验证。植物材料主要由轻元素（C、N、H、O约占98%）构成，其对X射线的吸收特性不同于土壤等致密基质，使得定量分析极易受到样品物理特性（如颗粒大小、密度、厚度）和测量条件的影响。此外，现有标准参考物质（SRMs）的元素浓度范围有限，难以覆盖实际环境样品中的宽浓度区间。因此，亟需建立一个结合标准参考物质与实际野外样品的综合验证框架，以评估手持式MXRF在植物元素分析中的可靠性和适用性。
研究内容与结论
为填补上述空白，研究人员首次系统评估了第一代手持式MXRF仪器在植物元素定量中的表现。研究采用两阶段验证框架：第一阶段利用六种植物基标准参考物质（NIST 1573a番茄叶、1570菠菜叶、1515苹果叶、1575a松针、1547桃叶和1568b米粉），在受控条件下评估MXRF的准确性、精密度以及样品质量和测量时间等因素的影响；第二阶段收集了来自美国亚利桑那州一座历史铜钼硫化物尾矿场的75份野外植物样品（涵盖23个物种），通过MXRF与ICP-MS的对比分析，评估在实际环境基质中的性能。研究表明，MXRF对Cu、Mn和Fe表现出稳健的定量性能；对Zn、K、Ca、Se和Re具有可接受的性能；而对P、S和Ti的定量可靠性较差。样品质量、均质性、元素浓度范围和测量精度是影响MXRF准确性的主要因素。通过偏最小二乘回归（PLS-R）识别可控基质效应并进行数据分层后，MXRF与ICP-MS之间的一致性显著提高。研究最终提出了包括≥1 g粉末样品、细磨至<0.5 mm粒径、≥90 s测量时间和三重复质量控制在内的实用指南。该研究的重要意义在于为手持式MXRF在植物元素分析中的应用提供了首个系统性验证框架，并为未来同类仪器的评估建立了可转移的方法学模板。
关键技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法：（1）便携式MXRF分析仪（Rocksand；XOS公司，美国），配备钼X射线管（25–50 kV，200 μA）和25 mm硅漂移探测器，双曲面晶体光学器件产生三个单色激发能量（6.4、17.4和34 keV）；（2）两种测量配置：旋转样品杯（直径2.5 cm）和直接点测量；（3）两种分析模式：实时筛选模式和定量模式（包含T1.5：总采集时间90 s，每能量级30 s；T6：总采集时间360 s，每能量级120 s）；（4）标准参考物质（SRMs）验证：使用六种植物基NIST标准参考物质，评估13个质量梯度（0.05–2.00 g）下的准确度（回收率）和精密度（变异系数CV）；（5）野外样品采集：来自美国亚利桑那州中部一处历史铜钼硫化物尾矿场，共75份样品涵盖23个物种，经清洗、烘干、研磨后分为叶或叶-茎混合组织；（6）ICP-MS分析：使用Agilent 7850 ICP-MS（安捷伦科技，美国）对同批样品进行消解和定量分析，作为MXRF的参比方法；（7）偏最小二乘回归（PLS-R）：用于识别影响MXRF与ICP-MS一致性的关键基质因素，并指导数据分层优化。
研究结果
3.1 测量特征与检测/定量限
MXRF的辐照足迹在点测量和旋转杯设置间存在显著差异。旋转杯的高强度辐照面积约为点测量的7倍（点测量最大强度足迹约3 mm2，对应约2 mm光斑直径；旋转杯内部高强度区域扩展至约5 mm直径）。利用低浓度SRMs计算得到的检测限（LOD）和定量限（LOQ）表明，对于Cu、Zn和Mn等元素，LOD低于或处于生理相关浓度范围内，表明这些元素在相关浓度下可被检测。
3.2 不同样品质量下基于SRMs的分析性能
偏最小二乘回归（PLS-R）模型显示，样品质量和MXRF重复变异性（CV）是影响百分比误差的主要预测因子。极低样品质量（0.05 g）和高CV值对大多数元素的百分比误差贡献显著为正。对于五种叶基SRMs，在样品质量≥0.3 g时，Cu、Zn、Mn、Fe的回收率为94–105%，K和Ca为112–116%。回收率在0.3 g以上保持稳定，随质量下降逐渐降低，在0.05 g时出现显著下降。MXRF精密度随质量降低而下降，在≤0.2 g时出现明显负面变化。在0.05 g时，点测量相比杯测量提高了准确性，但精密度仍然较差。将测量时间从90秒延长至360秒未显著改善任何元素的准确性或精密度。信号强度（归一化计数率cps）在2 g时最高，在1–2 g之间保持较高水平，随后随质量逐渐下降，在0.4 g以下明显降低，在0.1–0.05 g时急剧损失。
3.3 野外样品基质效应的识别与原因
PLS-R建模识别出多个显著影响MXRF与ICP-MS一致性的基质效应。样品质量是最强的预测因子之一：最低质量分位数（0.08–0.35 g）与百分比误差正相关，而最高分位数（1.0–1.5 g）负相关。MXRF的CV仍是影响大多数元素方法间一致性的关键预测因子，最佳精密度通常出现在CV≤6.7%时。元素浓度强烈影响一致性：高于LOQ的较高浓度持续改善一致性，而最低浓度范围与较差一致性相关。物种身份主要通过元素浓度、基质异质性和污染的交互作用影响一致性。土壤污染的Allionia incarnata物种是大多数元素不一致的重要来源，对Fe的影响最为强烈。植物生长型（灌木和乔木优于草本）和组织类型（纯叶优于叶-茎混合）也调节着方法间的一致性。
3.4 基质效应分层后的方法间一致性改善
PLS-R引导的分层将数据分为最优和非最优子集，显著改善了大多数元素的MXRF-ICP-MS一致性。最优子集中，Cu的R2从0.64提升至0.92，Mn从0.64提升至0.97，Fe从0.60提升至0.94，K从0.79提升至0.98。归一化均方根误差（NRMSE）显示，Cu、Mn、Fe和K的最优子集达到良好至优秀的拟合度。剩余预测偏差（RPD）和组内相关系数（ICC）也证实了最优子集的显著改善。Se和Re未经分层即显示出与ICP-MS的良好一致性。
讨论与结论
本研究证明，在所评估的手持式MXRF系统中，其在植物基质中的性能高度依赖于元素种类和基质特性。在优化的样品制备和测量条件下，该系统对Cu、Mn和Fe提供稳健的定量性能；对Zn、K、Ca、Se和Re提供可接受的性能；而对P、S和Ti的定量可靠性较差。对于Ca，尽管绝对浓度存在局限性，相对比较仍具参考价值。Se和Re与ICP-MS的一致性可接受，但仍需通过内部加标标准进行进一步验证。Zn的性能因植物物种而异，强调了物种特异性解读的必要性。在绝对准确性受限的情况下，MXRF最适合在本研究确定的操作约束条件下进行相对比较和趋势分析。
基于本研究的实验条件，研究人员提出以下针对手持式MXRF系统的植物元素分析质量控制和测量实践建议：（1）将植物材料细磨至<0.5 mm粒径；（2）避免混合组织基质（如叶与茎混合）；（3）在10 mL样品杯中使用≥1 g粉末（约0.9 cm厚度），或对≤0.3 g样品采用点测量；（4）≥90 s测量时间（每能量级30 s）；（5）排除土壤污染样品；（6）采用三重复质量控制，确保浓度≥LOQ且CV≤10%；若CV超过阈值，应在改进均质化和增加测量时间后重新测量。
未来的工作应评估手持式MXRF在更广泛的植物基质和环境条件下的适用性，特别是整合可变密度组织的相对厚度校正，系统评估新鲜植物材料中可变水分含量的影响，并评估针对轻元素（K、P、S、Ca）优化的MXRF采集模式。开发高浓度植物标准物质，特别是针对现有SRMs中代表性不足的元素（如S、Ti、Se、Re），将进一步强化验证框架并更好地反映野外条件下遇到的浓度范围。最后，与ICP-MS的比较应考虑两种分析方法的不确定性，这对于解释方法间差异以及建立手持式MXRF测量的校准关系或校正因子至关重要。
