正文
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微束X射线荧光光谱在食品和农产品中的应用
近年来，X射线光学和探测器技术的进步使得光斑尺寸约为3至30 μm的实验室μXRF光谱仪实现商业化，适用于元素定位的常规成像，而此前这仅在扫描电子显微镜（SEM-EDS）下才能实现。这项新技术为食品和农业科学开辟了多种新的μXRF应用，有望为研究人员提供宝贵的数据，从而提升食品安全、改善产品一致性，并深化我们对农作物中元素吸收和稳态机制的理解。本月的专栏将更详细地探讨其中一些应用领域。
食品和农产品是人类健康的重要贡献者，这些产品的元素组成是决定植物产量、产品质量、适销性和营养价值的关键因素。准确分析这些产品的元素组成对于优化农业实践和确保食品的安全与质量至关重要。X射线荧光（XRF）光谱因其易用性以及能够提供固体材料的定量或半定量分析的能力，成为农业和植物科学中元素分析的强大工具。XRF分析的无损特性允许在保持样品完整性的同时测定元素组成，包括对活体植物的分析（1）。
X射线荧光光谱基于入射X射线击出内层轨道电子，产生电子空穴，随后由较高能级轨道的电子填充。这导致发射出元素特有的特征X射线荧光，可通过能量色散或波长色散光谱仪检测，从而提供样品的元素组成信息。X射线光学和探测器的重大进展促进了实验室微束X射线荧光（µXRF）光谱仪的商业化（2）。这些仪器提供约3至30 µm范围内的光斑尺寸，能够对样品内元素定位进行常规成像。这种无损的高分辨率元素映射此前只能使用配备能量色散光谱的扫描电子显微镜（SEM-EDS）在相对较小的区域实现，或者在同步辐射设施上使用µXRF光束线实现。实验室级µXRF光谱仪的开发使其能够应用于各种研究和工业环境。从完整植物等大型含水样品中收集元素分布数据的能力，其性能接近同步辐射光束线，为食品和农业科学开辟了多种新的µXRF应用（3）。这些进步为提升农业生产力、食品安全和营养质量提供了新工具。
微束X射线光谱可用于检测和定量必需元素及微量元素，从而确保食品质量。虽然电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和常规XRF分析等整体分析技术已非常成熟，但这些技术无法提供局部的空间信息。这种能力对于验证营养分布和确保符合监管标准至关重要。准确测量食品中的铁、钙和锌等元素可以帮助制造商确保产品符合营养指南。该技术在识别食品中特定掺假来源方面也具有潜在用途，这对于维护食品供应链的完整性和保护消费者健康至关重要（4）。掺假可能是故意的（例如添加更便宜的成分以降低成本，或添加无机颜料以改善颜色），也可能是无意的（通过生产或储存过程中的污染）。对可能渗入食品的铅或镉等有毒元素进行食品包装材料筛查，可以确保包装材料的安全性。
µXRF的成像能力允许对元素浓度进行定量或半定量分析，但更重要的是空间定位，这对作物诊断非常有用（5）。对活体植物组织内元素分布进行成像的能力，为元素吸收和稳态机制提供了新的见解（6）。这些知识对于制定提高营养效率策略和减轻作物中有毒元素积累至关重要。微束XRF可以揭示有益元素（如钙，对预防脐腐病等疾病很重要）的定位，或检测蔬菜中潜在的有毒元素（如镉）（7）。这项工作的目的是评估µXRF在真实样品中进行元素成像的功效，并展示其在与食品和农产品相关应用中的性能。
实验
样品与样品制备
食品和植物材料样品购自密歇根州北部的零售杂货店。除以下情况外，样品通常不需要额外的制备步骤即可进行分析：样品直接放置在带有防滑材料层（泡沫货架衬垫；玉米饼片、小麦饼干和苹果酱杯）的样品台上，或放置在支撑在3D打印框架上的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETE）薄膜（“醋酸纤维薄膜”）上，以减少样品台的X射线散射（黄瓜、食品包装和番茄叶）。黄瓜样品在分析前用低密度聚乙烯（LDPE“保鲜膜”）固定在醋酸纤维薄膜上，以防止干燥。番茄（Solanum lycopersicum）叶片从在苏必利尔湖州立大学（LSSU）温室中从种子培育的植物上收获，收获时约4周龄。通过在叶片上覆盖3 µm聚酯薄膜（Fisher Scientific）来减少成像过程中的蒸发，并在收获后约2小时内完成成像。其他样品在空气中成像，干燥（真空稳定）样品在真空下成像（压力 = 2 mbar）。用于肉桂掺假的铬酸铅（II）购自Fisher Scientific。
仪器配置
使用M4 Tornado Plus光谱仪（Bruker Nano GmbH）进行µXRF光谱元素成像。该光谱仪配备一个由多毛细管光学器件的铑阳极组成的初级光源，产生约20 µm的X射线光斑，以及一个由微焦点钨阳极和可变准直器光学器件（0.5–4.5 mm）组成的第二个X射线光源。使用配备轻元素窗口的双60 mm2硅漂移探测器检测荧光X射线，能够在真空或氦气气氛下成像时检测0.277 keV的碳Kα峰。样品台可容纳重达7.5 kg的样品，扫描面积为16 x 19 cm（可容纳更大的样品，只要它们在扫描过程中不与内部外壳碰撞）。使用仪器软件（M4 Esprit, Standard）进行峰识别、光谱解卷积和图像处理。
结果与讨论
食品质量控制及加工对营养素的影响
消费者对营养均匀的食品的偏好，促使食品制造商高度关注产品香气、风味、质地和外观的一致性。对于元素分布影响产品质量的产品，µXRF比传统的整体分析技术具有独特的优势，因为它能提供食品成分元素分布的见解。µXRF特别有用的一个例子是成像食品中盐的分布。图1通过映射Cl Kα（红色）显示了玉米饼片和小麦饼干中盐的分布。在小麦饼干中，盐颗粒相对较粗，分布密度相对较低。相比之下，玉米饼片含有明显更小的颗粒，空间分布密度更高。玉米饼片和小麦饼干都显示出明显的富铁区域，玉米饼片还显示出富钾/钙区域（颜色代码参见图1）。鉴于这些元素的营养重要性，了解这些元素的分布和均匀性可能会为食品加工对营养分布的影响提供额外的见解。
图2和图3展示了µXRF如何用于了解食品加工对营养分布影响的更多示例。图2说明了腌制过程导致的元素分布差异。在新鲜黄瓜切片（图2b）中，钙集中在外部表皮层、维管网络和胚珠中。另一方面，钾在果皮正下方的组织中含量丰富，并集中在包围胚珠的胎座组织中。在两种湿处理中，这种定位都消失了，然而腌制盐中发现的氯化钙显然已经渗透到腌制切片的组织中。氯化钙的影响在氯元素图（图2c）中更为明显，在前两种处理中该元素几乎不存在。图2d显示了硫的分布，图2e显示了锌的分布。这两种元素显示出与图2b所示的加工过程中发生的营养去定位相同的现象（颜色代码参见图2）。
在新鲜香蕉和商业香蕉片之间观察到明显的差异（图3a和3b），特别是在硅分布方面。在香蕉片中，硅分布集中在中心区域，而硅在新鲜香蕉切片中似乎分布得更均匀。可能的解释包括脱水过程中硅分布的改变，或者可能使用二氧化硅作为干燥剂或抗结块剂（标签成分中未标明添加二氧化硅）。此外，很明显，与果肉相比，香蕉皮中钙的含量更丰富，而在通常的做法中香蕉皮通常被丢弃。
食品掺假
食品中潜在有毒元素的存在是一个持续存在的问题，无论是通过自然过程引入还是故意添加。虽然一些食物早已被认为是足以导致公共卫生风险（如鱼类中的汞）的元素膳食来源，但近年来许多其他食物也引起了关注。例如，2016年，美国食品药品监督管理局发布了一项风险分析，表明婴儿食品中常见成分大米中的砷暴露会显著增加膀胱癌和肺癌的终生风险，并可能构成公共卫生问题（8）。除了食品中天然存在的元素杂质暴露外，由于故意对食品进行经济掺假，还可能发生额外的食品安全风险。最近的一个例子是在肉桂中发现铬酸铅，最初于2023年在肉桂苹果酱中发现（9）。随后的调查确定肉桂中铅浓度高达5100 µg/g，铬浓度高达1200 µg/g，并于2024年3月召回了众多肉桂苹果酱产品（10）。
为了演示µXRF如何用于检测食品中的掺假，商业肉桂被故意掺入铬酸铅（约5000 µg/g），并添加到商业原味苹果酱杯中进行元素成像（图4）。在掺假的苹果酱中轻松检测到铅（蓝色）和铬（红色），并且它们显然与肉桂有关。与苹果酱相比，钙（绿色）在肉桂中也高度富集，元素图像显示，尽管进行了剧烈的手动混合，铬酸铅在肉桂中并未完全均匀。随后使用多毛细管光学器件的Rh光源和4.5 mm准直器的钨光源（60 s活时间，图4c和4d）对肉桂进行点分析，两种光谱均显示出清晰的铅和铬峰，具有极佳的信噪比，证实了在两套分析条件下均具有足够的灵敏度。
虽然ICP-MS和ICP-OES等整体分析技术应具有足够的灵敏度来轻松识别本例中的铅和铬污染，但有关其空间分布的信息将在样品制备/消解过程中丢失，这可能会延迟将肉桂识别为掺假成分。此外，由于µXRF成像是无损的，在成像后可以使用其他技术对同一样品进行后续分析，而首先使用等离子体光谱技术将排除进一步的空间分辨分析。
食品包装中元素成分的识别
食品包装是许多商业食品的必要组成部分，在保持产品质量和提高消费者吸引力方面可以提供显著的好处。尽管如此，必须谨慎选择包装组件，因为它们有可能通过各种途径导致接触潜在有毒元素，包括在某些条件下迁移到食品中、手口转移，以及幼儿咀嚼包装材料的可能性（11）。一个特殊风险是在包装材料中使用无机颜料，特别是在可能被儿童食用的食品中。虽然ICP-MS和ICP-OES等等离子体光谱技术能够以高灵敏度检测颜料等无机成分，但某些包装材料的样品制备和消解有时具有挑战性，空间信息的丢失可能会混淆对污染来源的理解。对于这些应用，µXRF成像被证明具有优势。
通过µXRF分析了两种可能被儿童食用的食品（糖果）的包装材料（图5a-5d）。第一种是带蜡纸包装的硬糖棒棒糖，第二种是带箔纸包装的巧克力节日糖果。在这两种糖果中，基于金属分布与印刷图像之间的相关性，很容易识别出含金属颜料的使用。在这两种糖果中，鲜艳的蓝色与铜分布相关，表明使用了铜基颜料。同样，白色与钛分布相关，表明存在二氧化钛（IV）（钛白粉），这是一种普遍存在的白色颜料。在箔纸包装的情况下，铝均匀分布在整个包装中，这与预期的铝箔基底一致（颜色代码参见图5）。幸运的是，两个样品均未发现可能构成高度风险的颜料，如铬酸铅或镉黄（硫化镉[II]），但将元素与视觉颜料相对容易地对应起来，使得µXRF成像非常适合筛查食品包装中潜在的有毒元素成分，即使是对于蜡涂层纸，这对于其他元素成像技术（如配备能量色散X射线光谱的扫描电子显微镜（SEM-EDS））来说可能具有挑战性。
农业植物中的元素定位
在传统农业系统中，作物产量受到土壤营养元素（如大量营养素氮、钾、磷和各种微量营养素如钙、铁和锰）可用性的强烈影响。相反，过量微量营养素或危险元素（如砷、铅或镉）的存在可能会引起植物胁迫，降低产量，并可能导致农产品不适合消费（12）。因此，详细了解控制元素吸收和稳态的机制对于最大化作物产量和提高农业系统的可持续性至关重要。此外，一些植物对潜在有毒元素的升高浓度表现出耐受性，并具有积累升高浓度的能力，这引起了人们对其在污染土壤植物修复中应用的日益增长的兴趣。从经济角度来看，识别能够有效积累目标元素同时仍能产生可用生物质产品或可以从中回收元素（“植物采矿”）的合适物种，将显著减少修复污染场地所需的财务资源。在这些应用中，µXRF成像提供植物组织内元素定位信息的能力，可以为影响元素易位和植物胁迫反应的潜在机制提供重要见解。
为了研究幼番茄叶片中关键植物营养元素的分布，在大气条件下通过µXRF分析了新鲜收获的叶片（图6a和6b）。结果表明，钙（蓝色）分布在整个叶片组织中，而钾（红色）以较高浓度定位在叶脉中。相反，锰（绿色）集中在叶尖和边缘。所选叶片还包含一个病斑（橙色圆圈），钾集中在其边缘，这表明钾参与了植物对组织损伤的反应。此外，这些数据进一步证明，在使用便携式XRF仪器进行原位元素监测时必须谨慎，因为分析位置的选择可能会由于组织定位而显著影响结果。
结论
在实验室中进行高分辨率元素成像的能力提供了宝贵的数据，可以提升食品安全、改善产品一致性，并加深我们对作物中元素吸收和稳态的理解。通过提供有关食品和农产品元素组成的详细见解，µXRF支持提升营养价值、防止污染和提高作物产量的努力。随着这项新兴技术在农业科学领域变得越来越普及，将继续开发新的和创新用途。这些应用可能会开辟目前无法预见的研究和应用途径，从而提高农业系统的可持续性。
致谢
微束XRF分析在苏必利尔湖州立大学的微量分析与光谱表征（MASC）实验室进行。Bruker M4 Tornado Plus µXRF由美国国家科学基金会资助，NSF MRI Award #2320397。
参考文献
1. Feng, X.; Zhang, H.; Yu, P. X-Ray Fluorescence Application in Food, Feed, and Agricultural Science: A Critical Review. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2021, 61 (14), 2340–2350. DOI: 10.1080/10408398.2020.1776677 Tsuji, K.; Matsuno, T.; Takimoto, et al .New Developments of X-Ray Fluorescence Imaging Techniques in Laboratory. Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2015, 113, 43–53. DOI 10.1016/j.sab.2015.09.001 Mijovilovich, A.; Morina, F.; Bokhari, S. N.; Wolff, T.; Küpper, H. Analysis of Trace Metal Distribution in Plants with Lab-Based Microscopic X-Ray Fluorescence Imaging. Plant Methods 2020, 16, 1–21. DOI 10.1186/s13007-020-00621-5 St. Jeor, V. L; Muroski, A. R.; McGuire, C.; Lape, A. Micro-X-Ray Fluorescence in Food Forensics. In AIP Conference Proceedings 2011, 1365 (1), 411-414. American Institute of Physics. DOI 10.1063/1.3625390 Porfido, C.; Köpke, K.; Allegretta, I; et al. Combining Micro- and Portable-XRF as a Tool for Fast Identification of Virus Infections in Plants: The Case Study of ASa-Virus in Fraxinus ornus L. Talanta 2023, 262, 124680. DOI 10.1016/j.talanta.2023.124680 Ramos, I.; Pataco, I. M.; Mourinho, M. P.; et al. Elemental Mapping of Biofortified Wheat Grains Using Micro-X-Ray Fluorescence. Spectrochim. Acta B: At. Spectrosc. 2016, 120, 30–36. DOI 10.1016/j.sab.2016.03.014 Rizwan, M.; Ali, S.; Adrees, M., Ibrahim, M.; Tsang, D. C., Zia-ur-Rehman, M., ... & Ok, Y. S. A Critical Review on Effects, Tolerance Mechanisms and Management of Cadmium in Vegetables. Chemosphere 2017, 182, 90–105. DOI 10.1016/j.chemosphere.2017.05.013 U.S. Department of Health and Human Services, Food and Drug Administration, Center for Food Safety and Applied Nutrition. Arsenic in Rice and Rice Products Risk Assessment Report. May 13, 2014. revised March 2016. US FDA Investigation of Elevated Lead & Chromium Levels: Cinnamon Applesauce Pouches (November 2023) https://www.fda.gov/food/outbreaks-foodborne-illness/investigation-elevated-lead-chromium-levels-cinnamon-applesauce-pouches-november-2023 (accessed 2024-05-22) FDA Alert Concerning Certain Cinnamon Products Due to Presence of Elevated Levels of Lead. https://www.fda.gov/food/alerts-advisories-safety-information/fda-alert-concerning-certain-cinnamon-products-due-presence-elevated-levels-lead . (accessed 2024-05-22) Kim, K. C.; Park, Y. B.; Lee, M. J., Kim; J et al. Levels of Heavy Metals in Candy Packages and Candies Likely to be Consumed by Small Children. Food Res. Int. 2008, 41 (4), 411–418.DOI 10.1016/j.foodres.2008.01.004 Martínez-Ballesta, M. C.; Dominguez-Perles, R.; Moreno, D. A.; et al. Minerals in Plant Food: Effect of Agricultural Practices and Role in Human Health: A Review. Agron. Sustain. Dev. 2010, 30 (2), 295–309. DOI 10.1051/agro/2009022
资讯来源
- spectroscopyonline.com (2026-10-14) - 原文：微束X射线荧光光谱在食品和农产品中的应用 | Spectroscopy Online - https://spectroscopyonline.com/view/applications-of-micro-x-ray-fluorescence-spectroscopy-in-food-and-agricultural-products