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摘要：目的 应用正交实验法探索微波消解法-原子吸收光谱法测定茶叶中铜含量的最佳样本前处理条件。方法 本实验根据正交实验设计表组合条件将样本进行微波处理，测定茶叶中铜元素含量，探究出硝酸含量、温度、压力、保持时间这四种因素对茶叶中有机质微波消解的影响。以加标回收率作为评价指标，并对该方法的精密度和检出限进行测定验证，根据实验结果判断茶叶中铜含量测定的最佳前处理条件。结果 影响茶叶中铜元素微波消解效果的因素顺序是温度、保持时间、硝酸含量以及压力。本次实验找到的最佳样本前处理条件组合是硝酸含量为8mL，温度为170℃，压力为60bar，保持时间为15min。火焰原子吸收光谱法测定茶叶中铜含量的加标回收率为98.67%～110.50%，相对标准偏差为0.2%，检出限为0.00302mg/L。结论 该方法微波消解茶叶用时较短，有机质消解彻底，消解试剂用量少，元素含量测定准确，适用于快速测定数量较多的茶叶样本，并且能够有效提高该方法的可靠性。
关键词：正交实验;微波消解;原子吸收光谱法;茶;铜含量;优化
Abstract： Objective To explore the best sample pretreatment conditions for the determination of copper in tea by Orthogonal test， Microwave digestion and Atomic absorption spectroscopy. Methods Orthogonal test method was used to determine the copper content in tea and the effects of HNO3 consume， temperature， pressure， and holding time of pressure on microwave digestion of organic matter in tea were explored. HNO3 and hydrogen peroxide was added to the sample based on the orthogonal test design. The content of copper in the sample solution was determined by Flame atomic absorption spectrometry and the recovery rate was used as an evaluation index. The precision and detection limit of the method were tested and verified. Based on the test results， the optimal sample pretreatment conditions for the determination of copper in tea were judged. Results The order of factors affecting the microwave digestion effect of copper in tea was temperature， holding time of pressure， HNO3 consume， and pressure. The best combination of sample pretreatment conditions found in this experiment was a HNO3 consume of 8 mL， a temperature of 170°C， a pressure of 60 bar， and a holding time of pressure of 15 minutes. The recovery rates of copper content in tea by flame atomic absorption spectrometry were 98.67%-110.50%， the relative standard deviation was 0.2%， and the detection limit was 0.00302 mg/L. Conclusion This method can shorten the time for microwave digestion of tea， completely digest organic matter， reduce the amount of digestion reagents， and determine the content of elements accurately. It’s suitable for rapid determination of a large number of tea samples， and can effectively improve the reliability.
Key words： Orthogonal test; Microwave digestion; Atomic absorption spectroscopy; Tea; Copper content; Optimization
茶文化發源于中国，是现代生活中人们不可或缺的重要部分。研究发现茶叶中含有很多人体所必需的维生素、矿物质、氨基酸、茶多酚等物质，在预防心血管疾病、抗癌等方面具有重要意义[1]。在种植生产过程中，环境中的重金属污染、农药残留等或多或少都会影响茶叶的品质和价值，严重者更有可能引起中毒，从而危害人体健康[2-3]。所以，茶叶的卫生问题已成为目前老百姓关注的一个热点[4]。其中铜是人体必需的微量元素，适量摄入铜对人体有着积极作用，铜参与多种酶在机体新陈代谢时的生物转化，是一种特殊的催化剂[5]。而摄入过多会引起恶心、呕吐、腹痛等症状，长时间的积累，可能会增加肝脏负担，导致肝硬化，更严重的情况下可危害到中枢神经系统。 茶叶中微量元素的分析方法有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子质谱法等，其中原子吸收光谱法具有抗干扰能力强、操作快速简便、灵敏度高、重现性好等优点[6-8]。而对茶叶中微量元素的提取方法主要有湿法消解法和微波消解法[5]。消解的效率直接影响检测结果。本次研究拟采用微波消解法对茶叶样本进行前处理，使用火焰原子吸收光谱法分析其中铜元素的含量。影响微波消解的因素主要有硝酸含量、温度、压力、保持时间等。为使茶叶中微量元素检测结果可靠，可利用正交实验的均衡分散性、整齐可比性[14]来设计出正交实验设计表L9（3）作为微波消解程序组合，从而探索操作简便、损失元素少、快速、经济、环保的的茶叶样本中铜元素测定的前处理条件。为能够更好地测定茶叶中微量元素的含量提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 主要仪器与试剂
微波消解仪（型号，Titan MPS，珀金埃尔默仪器有限公司）、原子吸收光谱仪（型号，PinAAcle 900T，珀金埃尔默仪器有限公司）、酸蒸清洗仪（德国安东帕）、石墨电热平板、1000?g/mLCu标准溶液（国家有色金属及电子材料分析测试中心）、过氧化氢、硝酸（UPS级，苏州晶瑞化学股份有限公司）、纯净水。
1.2 方法
1.2.1 样本处理
在某超市购买某品牌茶叶，干燥并粉碎，在干燥器中保存，备用。
1.2.2 标准溶液配制
取1000?g/mLCu标准溶液（购自国家有色金属及电子材料分析测试中心）2.5mL，用纯净水定容至100mL容量瓶中，配制成浓度为25mg/L的标准应用液，再取标准应用液配制标准系列溶液，浓度分别为0.2mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L。
1.2.3 微波消解条件的设计
本实验以硝酸含量（A）、温度（B）、压力（C）和保持时间（D）为研究因素，分别选取3个水平，利用正交实验法系统生成正交实验设计表L9（3）来设定微波消解程序组合，优化测定茶叶中铜含量的前处理条件。共进行9次实验，每次实验做3个平行样本，3个加标样本， 1个空白对照，最后得到63个待测溶液。
1.2.4 样品前处理
取6个干净的消解罐分别编号A/A’、B/B’、C/C’，准确称量茶叶样本0.3g左右于6个消解罐内，取1个干净消解罐作空白对照[15]，在通风处加入硝酸于7个消解罐内，加入铜标准溶液于A’、B’、C’中，静置5-10分钟，使样本与硝酸先反应1min，再加入过氧化氢，静置5-10分钟，加盖后放入微波消解仪中，按预定的微波消解程序进行消解（表1），本实验微波消解程序分为3个步骤，固定步骤1和步骤3，将步骤2中的温度、压力、保持时间和硝酸含量作为正交实验的4个因素，每个因素分为三个水平（表2）。表1中待定参数按照表2中数据来设定。微波消解程序结束后，打开微波消解仪，取出消解罐经赶酸处理，转移至50mL容量瓶中，最后定容、摇匀，备用。
1.2.5 测定方法
火焰原子吸收光谱法测定铜含量的条件：波长为324.75nm，所需电流为7mA，狭缝为0.7nm，乙炔流量为2.5 L/min，空气流量为10 L/min。在此条件下对待测样液进行检测。将铜标准系列溶液中中间浓度的标液作精密度检测。
2 结果
2.1 铜标准曲线绘制
由铜标准曲线可知回归方程：y = 0.1985x + 0.0011，R2 = 0.9998，相关性较好，可用于测定茶叶样液中铜含量的计算。
2.2 微波消解条件优化的结果
按正交实验设计表L9（3）来进行实验，以加标回收率作为评价指标，最后的实验结果如表3。
表3中的K1、K2、K3分别表示在每个研究因素下的各个水平的加标回收率均数的总和，K1、K2、K3分别表示每个研究因素下各个水平的平均加标回收率，R表示加标回收率均数总和之间的极差。
表3结果显示：根据极差（R）分析可得出影响微波消解效果的因素顺序是温度、保持时间、硝酸含量以及压力。微波消解优化组合是A3B2C3D1，即：硝酸含量8mL，温度170℃，压力60bar，和保持时间15min。
2.3 精密度和检出限实验
为了验证该方法的可靠性，需要进行精密度实验。取0.8mg/L的铜标准溶液，测定7次，得出茶叶中铜的相对标准偏差（RSD）值为0.2%。对空白试剂进行测定11次，得出标准偏差（S）为0.0002，根据公式DL cheek =3S/b（b为铜标准曲线方程的斜率），计算出检出限为0.00302mg/L。证明该方法的精密度高，符合测定分析铜元素的要求。
3 结论与讨论
本实验采用正交实验法、微波消解法、原子吸收光谱法来对茶叶样本进行消解处理并测定铜元素含量，从而得到最佳的样本前处理实验条件。主要是利用了正交实验法的整齐可比性、均衡分散性，以最少的实验次数来得到一个最佳结果即最佳的样本前处理实验条件[9]。以硝酸含量、温度、压力和保持时间作为研究因素，得到影响茶叶微波消解效果的顺序是温度、保持时间、硝酸含量和压力。最佳的样本前处理实验条件组合是硝酸含量8mL，溫度170℃，压力60bar，和保持时间15min。加标回收率为98.67%～110.50%，相对标准偏差为0.2%，检出限为0.00307mg/L。该方法快速、操作简便、消解彻底、回收率高、精密度高、可靠性强。可以为建立简便、准确的测定茶叶中微量元素方法提供科学依据。
王敏[10]等研究表明微波消解比湿法消解所测定的样本结果的相对标准偏差更小，精密度更高，结果更稳定、准确，而且湿法消解污染大，微波消解更环保、先进，环境对微波消解的影响更小。在本实验中，进行微波消解的过程中存在一些问题。确定前期各因素水平的时候，先加硝酸，再加了2mL过氧化氢之后，样本反应太迅速，产生的气体带着样本液体直接溢出消解罐。故选取过氧化氢1mL，且待硝酸加入后5分钟再加入双氧水，使反应不会太剧烈，样液不会溢出。 本实验是选择一个最佳的样本前处理条件，就需要通过多次实验来取一个最佳条件。如果用以前的老办法全面考虑，四个研究因素、三个水平组合起来一共需要做81次实验，虽然能找出最佳方案，但是工作量就会很大，所用时间会很长，带来的干扰误差也会很多。但是在选择正交实验法的情况下，就只需要做9次实验，也能代表所有条件对实验的影响。简而言之，以部分实验来代表全面实验[11]。
【参考文献】
[1] 陈永明， 田媛. 绿茶茶叶及其浸出液中重金属含量研究 [J]. 北京轻工业学院学报， 2012， 30（02）： 43-47.
[2] Chong Wei Jin， Shao Ting Du， Kai Zhang， et al. Factors determining copper concentration in tea leaves produced at Yuyao County，China [J]. Food and Chemical Toxicology， 2008， 46（06）： 2054-2061.
[3] Fontcuberta M， Calderon J， Villalbi J R， et al. Total and inorganic arsenic in marketed food and associated-health risks for the Catalan （Spain） population [J]. Joumal of Agricultual and Food Chemistry， 2011， 59（18）： 10013-10022.
[4] 张洋婷， 马洪波， 郗艳丽， 等. 茶叶中重金属含量测定及其浸出规律的研究 [J]. 食品研究与开发， 2015， 36（22）： 11-13.
[5]党娅， 刘水英. 汉中绿茶中6种矿质元素含量及其溶出特性 [J]. 食品科学， 2014， 35（16）： 170-174.
[6] 于佳绮， 许良， 姜海霞， 等. 空气-乙炔火焰原子吸收光谱法测定抗风湿类蒙药中8种微量元素 [J]. 药物分析杂志， 2016， 36（06）： 1006-1010.
[7] 庞海霞. 火焰原子吸收法测定苦荞中微量元素 [J]. 食品研究与开发， 2014， 35（12）： 60-62.
[8] 史娟， 李江. 微波辅助消解火焰原子吸收光谱法测定茶叶中的微量元素 [J]. 江苏农业科学， 2015， 43（11）： 380-382.
[9] 叶耀东， 杨素林. 正交试验设计优化顶空气相色谱法分离卤代烃操作条件 [J]. 中国卫生检验杂志， 2008， 18（12）： 2579-2581.
[10] 王敏， 朱妙琴. 不同消解方式对火焰原子吸收光谱法测定婴幼儿配方奶粉中Fe含量的影响 [J]. 浙江外国语学院学报， 2014， 09（05）： 56-59.
[11] 劉瑞江， 张业旺， 闻崇炜， 等. 正交试验设计和分析方法研究 [J]. 实验技术与管理， 2010， 27（09）： 52-55.
作者简介：饶安举，男（1977.10），四川南充，实验师，从事预防医学实验教学工作
川北医学院预防医学系 四川南充 637000
德阳市罗江区疾病预防控制中心 四川德阳 618500
关键词：正交实验;微波消解;原子吸收光谱法;茶;铜含量;优化
Abstract： Objective To explore the best sample pretreatment conditions for the determination of copper in tea by Orthogonal test， Microwave digestion and Atomic absorption spectroscopy. Methods Orthogonal test method was used to determine the copper content in tea and the effects of HNO3 consume， temperature， pressure， and holding time of pressure on microwave digestion of organic matter in tea were explored. HNO3 and hydrogen peroxide was added to the sample based on the orthogonal test design. The content of copper in the sample solution was determined by Flame atomic absorption spectrometry and the recovery rate was used as an evaluation index. The precision and detection limit of the method were tested and verified. Based on the test results， the optimal sample pretreatment conditions for the determination of copper in tea were judged. Results The order of factors affecting the microwave digestion effect of copper in tea was temperature， holding time of pressure， HNO3 consume， and pressure. The best combination of sample pretreatment conditions found in this experiment was a HNO3 consume of 8 mL， a temperature of 170°C， a pressure of 60 bar， and a holding time of pressure of 15 minutes. The recovery rates of copper content in tea by flame atomic absorption spectrometry were 98.67%-110.50%， the relative standard deviation was 0.2%， and the detection limit was 0.00302 mg/L. Conclusion This method can shorten the time for microwave digestion of tea， completely digest organic matter， reduce the amount of digestion reagents， and determine the content of elements accurately. It’s suitable for rapid determination of a large number of tea samples， and can effectively improve the reliability.
Key words： Orthogonal test; Microwave digestion; Atomic absorption spectroscopy; Tea; Copper content; Optimization
茶文化發源于中国，是现代生活中人们不可或缺的重要部分。研究发现茶叶中含有很多人体所必需的维生素、矿物质、氨基酸、茶多酚等物质，在预防心血管疾病、抗癌等方面具有重要意义[1]。在种植生产过程中，环境中的重金属污染、农药残留等或多或少都会影响茶叶的品质和价值，严重者更有可能引起中毒，从而危害人体健康[2-3]。所以，茶叶的卫生问题已成为目前老百姓关注的一个热点[4]。其中铜是人体必需的微量元素，适量摄入铜对人体有着积极作用，铜参与多种酶在机体新陈代谢时的生物转化，是一种特殊的催化剂[5]。而摄入过多会引起恶心、呕吐、腹痛等症状，长时间的积累，可能会增加肝脏负担，导致肝硬化，更严重的情况下可危害到中枢神经系统。 茶叶中微量元素的分析方法有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子质谱法等，其中原子吸收光谱法具有抗干扰能力强、操作快速简便、灵敏度高、重现性好等优点[6-8]。而对茶叶中微量元素的提取方法主要有湿法消解法和微波消解法[5]。消解的效率直接影响检测结果。本次研究拟采用微波消解法对茶叶样本进行前处理，使用火焰原子吸收光谱法分析其中铜元素的含量。影响微波消解的因素主要有硝酸含量、温度、压力、保持时间等。为使茶叶中微量元素检测结果可靠，可利用正交实验的均衡分散性、整齐可比性[14]来设计出正交实验设计表L9（3）作为微波消解程序组合，从而探索操作简便、损失元素少、快速、经济、环保的的茶叶样本中铜元素测定的前处理条件。为能够更好地测定茶叶中微量元素的含量提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 主要仪器与试剂
微波消解仪（型号，Titan MPS，珀金埃尔默仪器有限公司）、原子吸收光谱仪（型号，PinAAcle 900T，珀金埃尔默仪器有限公司）、酸蒸清洗仪（德国安东帕）、石墨电热平板、1000?g/mLCu标准溶液（国家有色金属及电子材料分析测试中心）、过氧化氢、硝酸（UPS级，苏州晶瑞化学股份有限公司）、纯净水。
1.2 方法
1.2.1 样本处理
在某超市购买某品牌茶叶，干燥并粉碎，在干燥器中保存，备用。
1.2.2 标准溶液配制
取1000?g/mLCu标准溶液（购自国家有色金属及电子材料分析测试中心）2.5mL，用纯净水定容至100mL容量瓶中，配制成浓度为25mg/L的标准应用液，再取标准应用液配制标准系列溶液，浓度分别为0.2mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L。
1.2.3 微波消解条件的设计
本实验以硝酸含量（A）、温度（B）、压力（C）和保持时间（D）为研究因素，分别选取3个水平，利用正交实验法系统生成正交实验设计表L9（3）来设定微波消解程序组合，优化测定茶叶中铜含量的前处理条件。共进行9次实验，每次实验做3个平行样本，3个加标样本， 1个空白对照，最后得到63个待测溶液。
1.2.4 样品前处理
取6个干净的消解罐分别编号A/A’、B/B’、C/C’，准确称量茶叶样本0.3g左右于6个消解罐内，取1个干净消解罐作空白对照[15]，在通风处加入硝酸于7个消解罐内，加入铜标准溶液于A’、B’、C’中，静置5-10分钟，使样本与硝酸先反应1min，再加入过氧化氢，静置5-10分钟，加盖后放入微波消解仪中，按预定的微波消解程序进行消解（表1），本实验微波消解程序分为3个步骤，固定步骤1和步骤3，将步骤2中的温度、压力、保持时间和硝酸含量作为正交实验的4个因素，每个因素分为三个水平（表2）。表1中待定参数按照表2中数据来设定。微波消解程序结束后，打开微波消解仪，取出消解罐经赶酸处理，转移至50mL容量瓶中，最后定容、摇匀，备用。
1.2.5 测定方法
火焰原子吸收光谱法测定铜含量的条件：波长为324.75nm，所需电流为7mA，狭缝为0.7nm，乙炔流量为2.5 L/min，空气流量为10 L/min。在此条件下对待测样液进行检测。将铜标准系列溶液中中间浓度的标液作精密度检测。
2 结果
2.1 铜标准曲线绘制
由铜标准曲线可知回归方程：y = 0.1985x + 0.0011，R2 = 0.9998，相关性较好，可用于测定茶叶样液中铜含量的计算。
2.2 微波消解条件优化的结果
按正交实验设计表L9（3）来进行实验，以加标回收率作为评价指标，最后的实验结果如表3。
表3中的K1、K2、K3分别表示在每个研究因素下的各个水平的加标回收率均数的总和，K1、K2、K3分别表示每个研究因素下各个水平的平均加标回收率，R表示加标回收率均数总和之间的极差。
表3结果显示：根据极差（R）分析可得出影响微波消解效果的因素顺序是温度、保持时间、硝酸含量以及压力。微波消解优化组合是A3B2C3D1，即：硝酸含量8mL，温度170℃，压力60bar，和保持时间15min。
2.3 精密度和检出限实验
为了验证该方法的可靠性，需要进行精密度实验。取0.8mg/L的铜标准溶液，测定7次，得出茶叶中铜的相对标准偏差（RSD）值为0.2%。对空白试剂进行测定11次，得出标准偏差（S）为0.0002，根据公式DL cheek =3S/b（b为铜标准曲线方程的斜率），计算出检出限为0.00302mg/L。证明该方法的精密度高，符合测定分析铜元素的要求。
3 结论与讨论
本实验采用正交实验法、微波消解法、原子吸收光谱法来对茶叶样本进行消解处理并测定铜元素含量，从而得到最佳的样本前处理实验条件。主要是利用了正交实验法的整齐可比性、均衡分散性，以最少的实验次数来得到一个最佳结果即最佳的样本前处理实验条件[9]。以硝酸含量、温度、压力和保持时间作为研究因素，得到影响茶叶微波消解效果的顺序是温度、保持时间、硝酸含量和压力。最佳的样本前处理实验条件组合是硝酸含量8mL，溫度170℃，压力60bar，和保持时间15min。加标回收率为98.67%～110.50%，相对标准偏差为0.2%，检出限为0.00307mg/L。该方法快速、操作简便、消解彻底、回收率高、精密度高、可靠性强。可以为建立简便、准确的测定茶叶中微量元素方法提供科学依据。
王敏[10]等研究表明微波消解比湿法消解所测定的样本结果的相对标准偏差更小，精密度更高，结果更稳定、准确，而且湿法消解污染大，微波消解更环保、先进，环境对微波消解的影响更小。在本实验中，进行微波消解的过程中存在一些问题。确定前期各因素水平的时候，先加硝酸，再加了2mL过氧化氢之后，样本反应太迅速，产生的气体带着样本液体直接溢出消解罐。故选取过氧化氢1mL，且待硝酸加入后5分钟再加入双氧水，使反应不会太剧烈，样液不会溢出。 本实验是选择一个最佳的样本前处理条件，就需要通过多次实验来取一个最佳条件。如果用以前的老办法全面考虑，四个研究因素、三个水平组合起来一共需要做81次实验，虽然能找出最佳方案，但是工作量就会很大，所用时间会很长，带来的干扰误差也会很多。但是在选择正交实验法的情况下，就只需要做9次实验，也能代表所有条件对实验的影响。简而言之，以部分实验来代表全面实验[11]。
【参考文献】
[1] 陈永明， 田媛. 绿茶茶叶及其浸出液中重金属含量研究 [J]. 北京轻工业学院学报， 2012， 30（02）： 43-47.
[2] Chong Wei Jin， Shao Ting Du， Kai Zhang， et al. Factors determining copper concentration in tea leaves produced at Yuyao County，China [J]. Food and Chemical Toxicology， 2008， 46（06）： 2054-2061.
[3] Fontcuberta M， Calderon J， Villalbi J R， et al. Total and inorganic arsenic in marketed food and associated-health risks for the Catalan （Spain） population [J]. Joumal of Agricultual and Food Chemistry， 2011， 59（18）： 10013-10022.
[4] 张洋婷， 马洪波， 郗艳丽， 等. 茶叶中重金属含量测定及其浸出规律的研究 [J]. 食品研究与开发， 2015， 36（22）： 11-13.
[5]党娅， 刘水英. 汉中绿茶中6种矿质元素含量及其溶出特性 [J]. 食品科学， 2014， 35（16）： 170-174.
[6] 于佳绮， 许良， 姜海霞， 等. 空气-乙炔火焰原子吸收光谱法测定抗风湿类蒙药中8种微量元素 [J]. 药物分析杂志， 2016， 36（06）： 1006-1010.
[7] 庞海霞. 火焰原子吸收法测定苦荞中微量元素 [J]. 食品研究与开发， 2014， 35（12）： 60-62.
[8] 史娟， 李江. 微波辅助消解火焰原子吸收光谱法测定茶叶中的微量元素 [J]. 江苏农业科学， 2015， 43（11）： 380-382.
[9] 叶耀东， 杨素林. 正交试验设计优化顶空气相色谱法分离卤代烃操作条件 [J]. 中国卫生检验杂志， 2008， 18（12）： 2579-2581.
[10] 王敏， 朱妙琴. 不同消解方式对火焰原子吸收光谱法测定婴幼儿配方奶粉中Fe含量的影响 [J]. 浙江外国语学院学报， 2014， 09（05）： 56-59.
[11] 劉瑞江， 张业旺， 闻崇炜， 等. 正交试验设计和分析方法研究 [J]. 实验技术与管理， 2010， 27（09）： 52-55.
作者简介：饶安举，男（1977.10），四川南充，实验师，从事预防医学实验教学工作
川北医学院预防医学系 四川南充 637000
德阳市罗江区疾病预防控制中心 四川德阳 618500