每年因食品中發現的潛在異物，全球範圍內都會發生大量食品召回（huí）事（shì）件。如何快速（sù）、準確識（shí）別汙（wū）染物來源，並監控食（shí）品營養（yǎng）成分？布（bù）魯克（kè）M4 TORNADO微束X射線（xiàn）熒光光譜儀（micro-XRF）給（gěi）出了高效解決方案（àn）。
食品中的異物汙染——如金屬屑、塑料、玻（bō）璃或昆蟲等（děng）——可能源於生產加（jiā）工（gōng）環節的問題、倉儲蟲害或運輸過程中（zhōng）的汙（wū）染。這類（lèi）汙染不僅可（kě）能（néng）對消費者健康造（zào）成威脅，還會給企業帶來經濟損（sǔn）失和（hé）品牌信譽風險。
我國《食品安全法》及相關標準對食品汙染物有嚴格限定（dìng）。現有的篩查手段往往難以同時實現材料定性與尺（chǐ）寸測量，而微束XRF技術正好填補了這（zhè）一技術空白。
M4 TORNADO
布魯克M4 TORNADO是一款微束大麵積元素成像光譜儀，具備（bèi）以下特點：
采用多導毛細管聚焦鏡將激發光聚焦到非常（cháng）小的區域(<20um)，以（yǐ）獲得良好的空間分辨率，進行元素成像分析。不同類型的樣品都可以通過簡單（dān）的樣品製備（bèi）甚至不（bú）製備直接進行分析。
微束大（dà）麵積（jī）元素成像光譜儀（yí）(Micro-XRF)提供一種大麵積（jī）材料（liào）成份分（fèn）布無損高通量定量表（biǎo）征方案，從單點/多點/線（xiàn）掃（sǎo）描/麵掃描多角度分析樣品（pǐn）。
應用案例詳（xiáng）解
分析對象包括：用於檢測汙染物的生土豆（dòu）、用於研究營養成分分布的幾個土豆品種的（de）冷凍幹燥切片（piàn），以及用於了解（jiě）調味料和鹽含量分（fèn）布的（de）薯片。所有測量均采用麵（miàn）掃描模式進行，具體測量條件見表1。
表1 樣品與測（cè）量條件（jiàn）
汙染生土豆的分析
圖1 生（shēng）土豆表麵（miàn）汙染分析
對含有金屬汙染（rǎn）物的生（shēng）土豆使用M4 TORNADO進行分析。測量（liàng）完成後，使用多種軟件工具進行分析。在土豆表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的光譜。通過光（guāng）譜匹配工具，從已知標準庫中查找與汙染物光譜（pǔ）相（xiàng）似的光譜。該庫由在相同（tóng）測量條件（jiàn）下（xià）以點模式測量的合金標準編製而成。如圖1b所示，不鏽鋼合金SS 408與對象1表（biǎo）麵汙染物（wù）的（de）光譜匹配度更高。
圖1a 含有不同金屬汙（wū）染物的土豆元素分布圖
圖1b 對象1的光譜與可能合金數據庫匹配的疊加對比
土豆切片營養成分分析（xī）
為（wéi）了進行（háng）更深入的研究（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的了解。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了冷凍幹燥。薄切（qiē）片方法的好處（chù）在（zài）於可以利用高空間分辨率（lǜ），而在體積較大的樣品中，入射的匯聚光束在通過焦平麵後會開始發（fā）散（圖2）。根據顆（kē）粒與焦平麵之間的距離，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（kuān），實際上增大了物體的（de）尺寸。
圖2 探測（cè）體積和所得顆粒尺寸示意圖
綠色矩形（xíng）表示薄切片，顯示顆粒的分辨（biàn）率；粉色矩形表（biǎo）示體積樣品，顯示顆（kē）粒的散焦尺寸
對於製（zhì）備好的薄切片，源體積自然減小到光束與樣品（pǐn）的（de）橫截麵。這樣可以實現更（gèng）高的空間分辨率，從而（ér）可以分（fèn）辨小至20 μm的小型不均勻性。由於係統（tǒng）創建（jiàn）了一（yī）個包含所有可見元素信號的高光譜數據立方體，可以提取每（měi）個元（yuán）素的分布（bù）圖。
圖3a展（zhǎn）示了新鮮土豆冷凍幹燥薄切片的（de）多元素分布圖。可以輕鬆提取單個元素的分布。疊加這些元素分布圖可以理（lǐ）解樣品中元素之間的相關性，並對樣品的化學性質得（dé）出結論，即使用了哪種類型的鹽。為了可視化（huà）圖中Cl的微小濃度變化，使用假彩色顯示（圖3b）來展示氯信號強度的（de）完整動態範圍。很明顯，Cl集中在土豆切片的中心。
圖3a 新鮮土豆冷（lěng）凍（dòng）幹燥切片的多元素分布圖
圖3b 土豆切片樣品中（zhōng）歸一化Cl強度的熱（rè）圖（tú）（任意單位），可視化Cl分布
如果樣品前處理一致且采（cǎi）用相（xiàng）似的測（cè）量條件，可以對成分進行半定量比較。因此，選擇（zé）相（xiàng）似尺寸對象（xiàng）的積分（fèn）光譜，並比較每個元素的計數率（lǜ）（表2）。計數率反映了不同品種之間（jiān）成（chéng）分的變化。這可以推斷不同品種的（de）營養價值。Rh是激（jī）發產生的偽影（背散射），它（tā）反映了探測體積的密度。
表2 不同土豆品種整（zhěng）個切片的元素計（jì）數率（cps）
根據分析的元素不同，檢測限可低至幾個ppm（對於原子序數22 < Z < 42的元素）。通過XMethod附加軟件包和使用適當的（de）標準品，可以輕鬆建立基於經驗的定量分析。
工（gōng）業製造（zào）薯片的分析
如汙染土豆樣品所示（圖1），M4 TORNADO是評估產品質量控製的寶貴工具。其優點（diǎn）包括小光斑尺寸，可檢查低至μm級的不均勻性，並獲（huò）取詳細的元素分布圖（tú）。
對工業（yè）製（zhì）造的薯片（圖4a）進行分析以顯示其元素分布。無需樣品前處理。薯片具有明顯的曲（qǔ）率。將樣品的高點（邊緣）調（diào）焦進行（háng）測量。雖然樣品的（de）部分區域不在焦點上，但它（tā）們仍（réng）然能夠提供元素（sù）分布圖。高度變化（huà）也為樣（yàng）品創造（zào）了看似三維的效果，距離焦平麵較遠的部分提供（gòng）的信號較（jiào）少（激發、樣品和探測器之間距離的平方反比定律）。
圖4 薯片分析
a) 帶有測量區域的薯片拚接圖像
b) Na和Cl元素分布圖
c) 帶有定義對象的Na元素分布圖
d) 對應於c中對象的光譜
M4 TORNADO為食（shí）品行業內的分析提供了多種機會。這些包括元素分布（bù）以及小型包裹體（tǐ）的識別和定量。微束XRF技術是非破壞性的（de），需要更少（shǎo）甚至無需樣品前處理。
分析汙染物（如（rú）生土豆中的金屬包裹體）可以積極識別合金。可以可視（shì）化（huà）幾個土豆品種之間營養成分分布的差異（yì），並比較它們的絕對含量。薯片元素組成的變（biàn）化可以輕鬆檢測，顯示調味料應用的不均勻性。
作者
Rebecca Novetsky, 微束XRF應用專家, Bruker AXS Inc., Madison, USA
Max Bigler博士, 微束XRF應用專家, Bruker Nano GmbH, Berlin, Germany
