每年因食（shí）品中發現的潛在異（yì）物，全球範圍內都會發生大量（liàng）食品召回事件。如何快速、準確識別汙染物來源，並監控食品營養成（chéng）分？布（bù）魯克M4 TORNADO微束（shù）X射線熒光光譜（pǔ）儀（micro-XRF）給出了高效解決方案。

       食品中的異物汙染——如金屬屑、塑料、玻璃（lí）或昆蟲等——可能源於生產加工環節的問題、倉儲（chǔ）蟲害或運（yùn）輸（shū）過程中的汙染。這類汙（wū）染不僅可能對消費者健康造成威脅，還會給企業帶（dài）來經濟（jì）損失和品牌信（xìn）譽風險。

       我國《食品安全法》及相關標準對食品汙染物有嚴格限定。現有的篩查手段往往難以同（tóng）時實現材料定（dìng）性與尺寸（cùn）測量，而微束XRF技（jì）術正好填補了這一技術空白。

M4 TORNADO

       布魯克M4 TORNADO是一（yī）款微束大麵（miàn）積元素成像光譜儀，具備以下（xià）特點：

       采用多導毛細管聚焦鏡將激發光聚（jù）焦到非常小的區（qū）域(<20um)，以獲得良好的空間分辨率，進行元素成像分析。不同類型的（de）樣品都可以（yǐ）通過簡單的樣（yàng）品製備甚至不製備直（zhí）接進行分析（xī）。

           微束大（dà）麵積元素成像光譜（pǔ）儀(Micro-XRF)提供一種大麵（miàn）積材料成份分布無損高通量定量表征（zhēng）方案，從（cóng）單點（diǎn）/多（duō）點（diǎn）/線掃描（miáo）/麵掃描（miáo）多角度分析（xī）樣品（pǐn）。

應用（yòng）案（àn）例詳解

       分析對象包括：用於檢（jiǎn）測汙染物的生土豆、用於研究營養成分分布的幾個土豆（dòu）品種的冷凍幹燥切片（piàn），以及用於了解調味料和鹽（yán）含量分布的薯片。所有測量均（jun1）采用麵掃描模式進行，具體測量條件見表1。

表1 樣品與測量條件

汙染生土豆的分析

圖1 生土豆表麵汙（wū）染分析

       對含有金屬汙染（rǎn）物的生土豆使用M4 TORNADO進行分析。測量完成後，使用多種軟件工具進行分析。在土豆表（biǎo）麵的金屬汙染物周圍繪製對象區域（圖1a），以獲取代表特定區域（yù）的光譜。通過光譜（pǔ）匹配工具，從已（yǐ）知標準庫中查（chá）找與汙染物光譜（pǔ）相似的（de）光譜。該（gāi）庫由在相同（tóng）測量條件下以點模式測量的（de）合金標準編製而成。如（rú）圖1b所示，不鏽（xiù）鋼合金SS 408與對象1表麵汙染物（wù）的光譜匹配度更高（gāo）。

圖1a 含有不同（tóng）金屬汙染物的（de）土豆元素分布圖

圖1b 對象1的光譜（pǔ）與可能合金數據（jù）庫（kù）匹配的疊加對比

土豆切片營養成（chéng）分分（fèn）析

       為了進（jìn）行更深（shēn）入（rù）的研究（如研發領域），適當的樣品前處理可以顯著增強對產品及其特性（xìng）的（de）了解。因此，我們對薄土豆切片進行了分析，這些切片從土豆中切出後進行（háng）了冷凍幹燥（zào）。薄切片方法的（de）好處在於可以利（lì）用高空（kōng）間分辨率，而在體積較大的樣品中，入（rù）射的匯聚（jù）光束在通過焦（jiāo）平麵後（hòu）會開（kāi）始發（fā）散（圖（tú）2）。根據顆粒與焦平（píng）麵（miàn）之間的距離，物體會變得越來越模糊。如果顆粒位於聚焦表麵下方，光束會再次變寬，實際上（shàng）增大了物體（tǐ）的尺寸。

圖2 探測體（tǐ）積和所得顆粒尺寸示意圖

綠色矩形表示薄切片，顯示顆粒的（de）分辨（biàn）率；粉色矩形表示體積樣品，顯示顆粒的散焦尺寸

      對於（yú）製備好（hǎo）的薄切片，源體積自然減小到光束與樣品的橫截麵（miàn）。這（zhè）樣（yàng）可以實現更（gèng）高的空間分辨率，從而可以分辨小至20 μm的小（xiǎo）型不（bú）均（jun1）勻性。由於係統創建了一個包含所有可見元素（sù）信號的高光譜數據立方體（tǐ），可以（yǐ）提（tí）取每個元（yuán）素（sù）的分布圖。

       圖3a展示了新鮮土豆冷凍（dòng）幹燥（zào）薄切片的多（duō）元素分布圖。可以輕鬆提取單個元素（sù）的分（fèn）布。疊加這些元素（sù）分布圖可以理解樣（yàng）品中元（yuán）素之（zhī）間的相關性，並對樣品的化學性質得出（chū）結論，即使用了哪種類型的（de）鹽。為了可視化圖中Cl的微小濃度變化，使用假彩色（sè）顯示（圖3b）來展（zhǎn）示氯信號強度的（de）完整動態範圍。很明顯，Cl集中在土（tǔ）豆切片的中心。

 圖3a 新鮮（xiān）土豆冷凍幹燥切（qiē）片的多元素分（fèn）布圖

圖3b 土豆切片樣品中歸一化Cl強度的熱（rè）圖（任（rèn）意單位），可視化Cl分布

       如果樣品前處理一致且采用相似的測量條件，可以對（duì）成分進行半定量比較。因（yīn）此，選（xuǎn）擇相似尺寸對象的積分光譜，並比較每個（gè）元素的計數率（表2）。計數率反映了不同品種之間成分的變化。這可以（yǐ）推斷不（bú）同品種的營養價值。Rh是激發產生的偽影（背散射），它反映（yìng）了探（tàn）測體積的密度。

表2 不同土豆品種整個切片的元素計數率（cps）

       根據分（fèn）析的元素不同，檢測限可低至幾個ppm（對於原子序數22 < Z < 42的元素）。通過XMethod附（fù）加軟件包和使用適當的標準品，可以輕鬆建（jiàn）立基於經（jīng）驗（yàn）的定量分析。

工業製造薯片的分析

       如汙染土豆樣品所示（shì）（圖1），M4 TORNADO是評（píng）估產品（pǐn）質量控製的寶貴工具。其優點包括小光斑（bān）尺寸，可檢查低至μm級的不（bú）均勻性，並獲取詳細的元素分布圖。

       對工業製造的薯片（圖4a）進行分析以（yǐ）顯示其元素分布。無（wú）需樣品前處理（lǐ）。薯片具有明顯的曲率。將樣品的高點（邊緣）調焦進行測（cè）量。雖然樣品的（de）部分區（qū）域不在焦點上，但它（tā）們仍然能夠提供元素分布圖。高度變（biàn）化也為樣品創造了看似三維的效果，距離焦平麵較遠的部（bù）分提供的信號較（jiào）少（shǎo）（激（jī）發、樣品和探（tàn）測器之間距離的平方反比定律）。

圖4 薯片分析

a) 帶有（yǒu）測量區域的薯片拚接圖像

b) Na和Cl元（yuán）素分布（bù）圖

c) 帶有定（dìng）義（yì）對（duì）象的（de）Na元素分布圖

d) 對應於c中對象的（de）光（guāng）譜

       M4 TORNADO為食品行業內的（de）分析提供了多種機會。這些（xiē）包括元素分布以及小型包裹體的識別和定（dìng）量。微束XRF技術是（shì）非破壞性的，需要更（gèng）少甚至無需樣品前處（chù）理。

       分析汙染物（如生（shēng）土豆中（zhōng）的金屬包裹（guǒ）體）可以積極識別合金。可以可視化幾個土豆品種之間營養成分（fèn）分（fèn）布的差異，並比較（jiào）它們的絕對含（hán）量。薯（shǔ）片元素組成的變化可以輕鬆檢測，顯示調味料應用的（de）不均勻性。

作者

Rebecca Novetsky, 微束XRF應用專家, Bruker AXS Inc., Madison, USA

Max Bigler博士, 微束XRF應用專（zhuān）家, Bruker Nano GmbH, Berlin, Germany