甘蔗糖业  2013 4: 53-58   PDF    
引用本文
周昊, 李凯, 陆海勤, 卢妹雪. X荧光光谱仪快速检测甘蔗糖汁中元素含量的研究[J]. 甘蔗糖业, 2013, 4: 53-58.  
ZHOU Hao, LI Kai, LU Hai-qin, LU Mei-xue. Rapid Detection of the Element Content in Sugarcane Juice by X-ray Fluorescence Spectrometer[J]. Sugarcane and Canesugar, 2013, 4: 53-58.  
X荧光光谱仪快速检测甘蔗糖汁中元素含量的研究
周昊1, 李凯1,2, 陆海勤1 , 卢妹雪1    
1. 广西大学轻工与食品工程学院, 广西南宁530004;
2. 广西大学糖业工程技术研究中心, 广西南宁530004
收稿日期：2013-06-27;修回日期：2013-07-25
基金项目：广西大学“大学生创新创业训练计划”项目（1201044）;广西科学研究与技术开发计划项目;广西甘蔗糖业创新平台建设（桂科能10100025）
作者简介：周昊(1988- )，男，硕士研究生，研究方向：清洁生产与糖业综合利用。
通讯作者：陆海勤，女，副教授，博士，硕士生导师，主要从事制糖过程强化理论与技术研究工作。E-mail: haiqinlu@gxu.edu.cn。
摘要：利用新型能量色散X荧光光谱仪，快速检测甘蔗糖汁以及白砂糖中P、Ca、Fe的含量，探讨利用仪器进行快速检测的可行性，通过仪器测定的元素含量与实验室方法进行对比分析。结果显示，在测定过程中，X 荧光光谱仪能准确制作出相应元素标准曲线，测定清汁中P 的含量为222.55mg/L，3种白砂糖样品中Ca和Fe的含量分别为70.47、104.28、197.18mg/L 和16.01、21.49、22.40mg/L，数据与原子吸收测定的结果相一致。X荧光光谱仪能快速准确检测相应元素含量，为解决化学方法检测用时多、操作繁琐、结果误差大的弊端提供了可行性。
关键词： X 荧光光谱仪     白砂糖     快速检测     蔗汁    
Rapid Detection of the Element Content in Sugarcane Juice by X-ray Fluorescence Spectrometer
ZHOU Hao1, LI Kai1,2, LU Hai-qin1 , LU Mei-xue1    
1. Light Industry and Food Engineering College of Guangxi University, Nanning 530004;
2. Engineering Center for Sugarcane and Canesugar, Guangxi University, Nanning 530004
Abstract: This study conducted a new energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer to detect the content of P, Ca, Fe in sugarcane juice and white sugar, investigated the feasibility of rapid detection by instrument. The element content measured by the instrument was compared with that by the laboratory methods. As a result, during the detection, X-ray fluorescence spectrometer can produce the standard curve of corresponding elements accurately, the content of P detected in sugarcane juice is 222.55 mg/L, the content of Ca and Fe in 3 different white sugar is 70.47 mg/L, 104.28 mg/L, 197.18 mg/L and 16.01 mg/L, 21.49 mg/L、22.40 mg/L, respectively. The result is in consistent with that by atomic absorption spectrometry. X-ray fluorescence spectrometer can quickly and accurately detect the content of corresponding element. It is a feasible solution to improve the drawbacks of chemical methods, such as time consuming, complicated operations as well as the inaccuracy of the result.
Key words: X-ray fluorescence spectrometer     White sugar     Rapid detection     Sugarcane juice    

能量色散X 荧光光谱仪是一台新型的元素分析 仪器，是专门针对原子吸收分光光度计与电感耦合 等离子体发射光谱仪用于元素分析时样品处理要求 高、检测时间长的缺陷，新近开发的一种适用于工 业生产日常分析的仪器，分析时间不到300 s，准确 度可以满足生产要求[1]。中国是世界第3 大产糖国， 80%以上的糖厂采用磷酸亚硫酸法澄清工艺生产白砂糖，在生产过程中，利用石灰乳与二氧化硫生成 的亚硫酸钙沉淀及石灰乳与磷酸生成的磷酸钙沉淀 吸附蔗汁中的非糖分，再经沉淀过滤除去。根据《甘 蔗制糖化学管理分析方法》，S、P、Ca 的检测以化 学分析方法为基础[2]，在测定过程中需加入化学试 剂进行反应，然后再进行滴定或比色，实验过程耗 时较长，结果误差较大，只能粗略地分析，对生产 工艺的控制非常不利。《甘蔗制糖化学管理分析方 法》中Fe 含量的测定是将蔗汁灰化后采用邻菲罗啉 分光光度法进行测定，蔗汁灰化操作容易造成飞溅 损失，且耗时长，目前糖厂不列入日常分析项目， 影响产品质量的控制。本研究根据X 射线荧光分析 方法，利用新型能量色散X 荧光光谱仪，对糖汁中 相关元素含量进行快速测定，探索新型方法检测糖 汁中元素含量的技术，实现快速准确测定的目的。

1 仪器原理与方法
1.1 仪器原理

能量色散法是直接利用探测器的能量分辨本领 和正比工作特性区分不同能量的X 射线。其仪器的 基本构成是：激发源、样品、探测器和多道谱及运 算处理器[3]，图1 为圆筒型密封式探测器结构图。

图1 圆筒型密封式探测器结构图

新型能量色散X 荧光光谱仪在探测器后面有多 道谱仪，能对探测器出来的脉冲信号进行线性放大， 对其峰值进行A/D 转换并计数，从而把一个个特征 X 光子携带的信息转换成了不同幅度的计数，再对 这个结果进行分析运算，最后得到分析结果[4]。

1.2 试验方法

在实验室分别配制不同浓度梯度的氯化钙溶 液、硫酸亚铁铵溶液、磷酸二氢钾溶液。利用能量 色散X 荧光光谱仪制作相对强度与元素含量关系的 标准曲线图。用钼酸铵比色法在实验室测定清汁中 的P 含量，用火焰原子吸收光谱法测定3 种白砂糖 样品中Ca 和Fe 元素含量，以此与仪器测定的数据 进行比较分析，得出结论。

1.3 测定项目及方法

（1）甘蔗清汁中P 含量：X 荧光光谱仪和钼酸 铵比色法，参见《甘蔗制糖化学管理分析方法》[2]。

（2）3 种不同白砂糖样品中的Ca、Fe 含量：X 荧光光谱仪和火焰原子吸收光谱法，参见《钼化学 分析方法》GB/T 4325。

2 结果与讨论
2.1 仪器测定中相关元素标准曲线
2.1.1 磷元素吸收强度与其含量的标准曲线

用能量色散X 荧光光谱仪测定磷酸二氢钾溶液 中的不同P 含量的标准溶液，得出相对应的强度， 本实验测定了不同P 含量对应的相对强度（表1）。

表1 P元素含量与相对强度对应表

X 荧光光谱仪根据测定的相对强度数据对应相 应的元素含量，得出相对强度与P 元素含量的标准 曲线图（图2）。

图2 P 吸收强度与含量的标准曲线
2.1.2 钙元素吸收强度与其含量的标准曲线

用能量色散X 荧光光谱仪测定氯化钙中的不同 Ca 含量的标准溶液，得出相对应的强度，本实验测定了不同Ca 含量对应的相对强度（表2）。

表2 Ca元素含量与相对强度对应表

X 荧光光谱仪根据测定的相对强度数据对应相 应的元素含量，得出相对强度与Ca 元素含量的标准 曲线图（图3）。

图3 Ca 吸收强度与含量的标准曲线
2.1.3 铁元素吸收强度与其含量的标准曲线

用能量色散X 荧光光谱仪测定硫酸亚铁铵中的 不同Fe 含量的标准溶液，得出相对应的强度，本实 验测定了不同的Fe 含量对应的相对强度（表3）。

表3 Fe元素含量与相对强度对应表

X 荧光光谱仪根据测定的相对强度数据对应相 应的元素含量，得出相对强度与Fe 元素含量的标准 曲线图（图4）。

图4 Fe 吸收强度与含量的标准曲线
2.2 待测定元素含量结果和分析

实验室用钼酸铵比色法测定清汁中P 的含量为 213.20 mg/L。利用X 荧光光谱仪3 次测定值为 221.69、215.37、217.90 mg/L（图5～图7）。

图5 测定P含量为221.69 mg/L 的光谱图

图6 测定P 含量为215.3747 mg/L 的光谱图

图7 测定P 含量为217.9008 mg/L 的光谱图

实验室利用火焰原子吸收光谱法测定3 种白砂 糖样品中Ca、Fe 元素含量。经检测Ca 元素的平均 含量分别为71.48、106.8、193.5 mg/L，测定Fe 元 素的平均含量分别为16.98、21.30、20.95 mg/L（表 4～表5）。

表4 原子吸收测定Ca含量

表5 原子吸收测定Fe含量

利用X 荧光光谱仪测定同一批次的3 种白砂糖 样品的Ca、Fe 元素含量，经检测Ca 元素的平均含 量分别为70.4773、101.2841、197.1811，测定Fe 元 素的平均含量分别为16.0067、21.491、22.4088 mg/L （图8）。

图8 X 荧光测定3 种白砂糖中Ca、Fe元素含量

经对比，X 荧光光谱仪与原子吸收测定的数值 一致，数据稳定。2 种方法检测3 批次的白砂糖样 品中Ca 平均含量分别相差1.40%、5.12%、1.86%， 3 批次的白砂糖样品中Fe 平均含量分别相差5.7%、 0.89%、2.04%.数值均达到仪器的误差范围之内。

3 结论

P、Ca、Fe 的含量是甘蔗糖汁中重要的检测指 标，其准确快速的测定对提高糖厂技术管理水平、 提升企业经济效益具有非常重要的意义。本次研究 利用新型能量色散X 荧光光谱仪经测定清汁和白砂 糖中P、Ca、Fe 的含量与原子吸收等方法测定结果 一致，达到高效准确的标准。仪器数据保持了一定 的准确性和稳定性，样品预处理操作简便，降低人 为误差因素，分析时不接触不破坏样品，具有连续 测定的能力，测定周期由传统方法几小时甚至1 天 降至300 s，准确度误差小于10%，使这些元素的测 定成为日常分析项目。今后还将对测定范围作进一 步的摸索，以求建立可能存在的关系模型，进一步 提高仪器的准确度。总体来看，该种测定方法具有 较高的可行性，将提高企业的经济效益，也为研究 新型方法检测相关元素含量做出了相关探索。

参考文献
[1]吴升海.科学仪器服务民生学术大会报告集[C]. 宁波:浙江科学技术出版社,2011:40-45. (1)
[2]广东省甘蔗糖业食品科学研究所.甘蔗制糖化学管理统一分析方法[M]. 北京:轻工业出版社,1976:130-132. (2)
[3]吉昂,陶光仪,卓尚君,等.X 射线荧光光谱分析[M]. 北京:科学出版社,2003:35-38. (1)
[4]朱腾高,肖赛金,陈焕文.X 荧光光谱法测定玩具饰品中重金属含量[J]. 分析仪器,2012(3):25-28. (1)
(本篇责任编校：朱涤荃)