ICP-MS法测定山药、山药皮和零余子中19种无机元素含量

马蕊，杨珂，杨惠辛，陈随清

（河南中医药大学药学院，河南郑州450046）

ICP-MS法测定山药、山药皮和零余子中19种无机元素含量

马蕊，杨珂，杨惠辛，陈随清*

（河南中医药大学药学院，河南郑州450046）

建立山药、山药皮和零余子中无机元素的电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）分析方法，并对其中无机元素进行分析比较。样品经微波消解后，采用ICP-MS法测定山药、山药皮和零余子中无机元素的含量，并用SPSS 20.0对数据进行方差分析。山药、山药皮和零余子中含量较高的无机元素为 K、P、Mg、Fe、Al、Zn；其中重金属元素 Pb、Cd、As、Hg、Cu 均符合限量标准；方差分析表明山药皮中大多数无机元素与山药和零余子具有极显著性差异，而山药与零余子之间是显著性差异。山药皮和零余子与山药一样具有很高的营养价值，在生产过程中具有很好的开发价值和应用前景。

山药；山药皮；零余子；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）；无机元素

山药为药食兼用的中药材，为薯蓣科植物薯蓣（Dioscorea opposita Thunb.）的根茎除去外皮的干燥品，加工山药时除去的外皮为“山药皮”，零余子是着生在地上茎蔓叶腋间的珠芽，俗称“山药豆”或“山药蛋”。山药具有补脾养胃，生津益肺，补肾涩精的功效。用于脾虚食少，久泻不止，肺虚喘咳，肾虚遗精，带下，尿频，虚热消渴[1]。山药是具有滋补作用的上等药材，同时又是具有很高营养价值的佳肴[2]，凭借着其药食同源，且平补三焦的特点已经成为人们餐桌上的必备美食。

现代药理研究表明，山药、山药皮和零余子具有降血糖、降血脂、抗氧化、延缓衰老、调节免疫、抗突变、改善血液循环、降低胆固醇等作用[3-6]，其药效成分除多糖类[7-8]、黄酮类[3]、蛋白质与氨基酸类[9-10]、甾体皂苷类[11-12]等有机物外，无机元素对药效发挥的协同作用也不容忽视，同时山药中含有的无机元素也是其重要营养元素。

无机元素的测定方法主要有紫外-可见分光光度法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、原子发射光谱法、分子荧光法和电感耦合等离子质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS），其中，ICP-MS具有灵敏度高、检出限低、扫描速度快，可同时测定多种元素等优点，现已广泛应用于食品和药品等领域的多元素同时分析测定[13-14]。目前对山药的研究多集中在山药多糖、淀粉等有机成分分析方面，对无机元素研究尚少。本试验采用ICP-MS法对山药、山药皮和零余子中19种无机元素含量进行测定，找到其药效与无机元素间的相关性，并为其中的矿物质营养元素提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器

iCAP Qc电感耦合等离子体质谱：赛默飞世尔科技有限公司；EHD-40赶酸仪、MARS 6微波消解仪：美国培安公司；BSA124S-CW万分之一天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；Milli-Q Academic A10超纯水机：美国Millipore公司。

1.2 试剂

硝酸（70%，BV-Ⅲ）：北京化学试剂研究所；过氧化氢（30%，优级纯）：天津市致远化学试剂有限公司；Al（GBS 04-1713-2004）、As（GBS 04-1714-2004）、Ba（GBS 04-1717-2004）、Ca （GBS 04-1720-2004）、Cd（GBS 04-1721-2004）、Co （GBS 04-1722-2004）、Cr（GBS 04-1723-2004）、Cu （GSB 04-1725-2004）、Fe（GBS 04-1726-2004）、Hg （GBS 04-1729-2004）、In（GBS 04-1731-2004）、K （GBS 04-1733-2004）、Au（GSB 04-1734-2004）、Mg （GBS 04-1735-2004）、Mn（GBS 04-1736-2004）、Ni（GBS 04-1740-2004）、P（GBS 04-1741-2004）、Pb（GBS 04-1742-2004）、Se（GBS 04-1751-2004）、Ti（GBS 04-1757-2004）、Sr（GBS 04-1754-2004）、Sc（GBS 04-1750-2004）、Ge（GBS 04-1728-2004）、Bi（GBS 04-1719-2004）单元素标准溶液（1 000 μg/mL）：国家有色金属及电子材料分析测试中心。

1.3 试验样品

本次试验样品均采自河南焦作，经河南中医药大学药学院陈随清教授鉴定为薯蓣科植物薯蓣（Dioscorea opposita Thunb.）。山药、零余子均平行采样3批，山药皮来自对应编号的新鲜山药的外皮，如样品P1是样品S1的外皮。样品信息见表1。

表1 山药样品采集信息Table 1 Yam sample collection information

1.4 方法

1.4.1 样品前处理

将采集到的新鲜山药切去根头，洗净，除去外皮和须根，趁鲜切片，放入烘箱中80℃烘10 h；外皮也放入烘箱80℃烘10 h；零余子干燥前先将其切碎，再放入烘箱80℃烘10 h。干燥后的样品粉碎，过三号筛，备用。

1.4.2 样品消解

供试品溶液的制备：精密称取样品粉末0.2 g，置聚四氟乙烯消解管中，加入硝酸6 mL和过氧化氢2 mL，盖好内盖，旋松外盖，放置过夜。

预消解：将旋松外盖的消解管放入赶酸仪中105℃预消解15 min，冷却至室温。

微波消解：旋紧外盖，将消解管放入电热套中，放置至微波消解仪内，按消解程序进行消解（样品消解程序见表2），消解完毕，将消解管从电热套中取出，将盖子打开，待黄色烟雾散尽后，将消解液全部转移至100 mL容量瓶中，用超纯水定容至刻度，摇匀，过0.22 μm微孔滤膜，即得（用作第一和第二组元素测定）。同时同法制备试剂空白溶液。

表2 微波消解仪工作条件Table 2 Working parameters of microwave digestion

由于一些常量元素在样品中含量较高，所以制备相应的稀释后的样品以更好的适用仪器条件。用移液枪另取5 mL上步溶液系列至100 mL容量瓶中，用超纯水定容至刻度。过0.22 μm微孔滤膜，即得（用作第三组元素测定）。同时同法稀释试剂空白溶液。

1.4.3 标准溶液配制

第一组标准溶液：Ni、Zn、As、Cd、Pb、Cr、Cu、Mn、Ba、Co、Sr、Se、Ti、Fe、Al混合标准溶液的配制（重量法）取各单元素标准溶液10 μL于100 mL塑料瓶中，用2%硝酸定容至100 g，混匀，即得浓度为100 μg/L混合标准溶液，然后用2%硝酸依次稀释为100、50、10、5、1 μg/L 的标准系列。

第二组标准溶液：Hg单元素标准溶液的配制（重量法）：取单元素标准溶液Au 1 mL和Hg 5 μL于50 mL容量瓶中，用2%硝酸定容至50 g，混匀，即得浓度为100 μg/L的Hg标准溶液，然后用2%硝酸依次稀释为2、1、0.5、0.1、0.05 μg/L 的标准系列。

第三组标准溶液：K、Mg、P混合标准溶液的配制（重量法）取各单元素标准溶液30 μL于100 mL塑料瓶中，用2%硝酸定容至100 g，混匀，即得浓度为300 μg/L的混合标准溶液，然后用2%硝酸依次稀释为 300、200、150、100、50、20 、10 μg/L 的标准系列。

内标溶液：Ge、Bi、In、Sc、Rh 混合内标溶液的配制（重量法），取各单元素标准溶液2 μL于100 mL塑料瓶中，用2%硝酸定容至100 g，混匀，即得浓度为20 μg/L的混合内标溶液，然后用2%硝酸稀释为10 μg/L。

1.4.4 ICP-MS仪器工作条件

使用调谐液调试仪器，工作参数由仪器自动调谐优化给出，仪器的灵敏度和分辨率均达到最佳状态，满足仪器的测定要求。具体仪器参数如下：等离子体RF功率1 550 W，载气流速0.8 L/min，雾化器流速1.122 9 L/min，雾化室温度2.7℃，分析时间：0.6 s，测量次数：3次，扫描方式：跳峰，测量模式：低浓度使用标准（Standard，STD）模式，高浓度使用动能歧视（Kinetic Energy Discrimination，KED）模式。

在上述ICP-MS工作参数条件下，依次对混合标准系列溶液、试剂空白和样品溶液分别进行测定，由ICP-MS工作站软件分析数据，仪器自动绘制出各个元素的标准曲线，并计算出样品中各对应元素的含量。

2 结果与分析

2.1 方法学考察

2.1.1 线性关系

取适量上述配制的梯度浓度的标准溶液，在1.4.4项下ICP-MS工作参数条件下进行测定，计算线性回归方程。待测元素回归方程及相关系数等见表3。

表3 分析方法相关参数测定结果Table 3 Results of parameters for performance of the proposed method

测定8份空白样品溶液，以其响应值的3倍所对应的元素浓度作为检测限。

2.1.2 重复性试验

选取同一供试品0.2 g，称取6份平行样，使用与供试品相同的处理方法处理样品，测得各元素含量结果，并计算RSD值，测得各元素RSD值均小于5%。

2.1.3 精密度试验

Ni、Zn、As、Cd、Pb、Cr、Cu、Mn、Ba、Co、Sr、Se、Ti、Fe、Al、K、Mg、P 标液选取 50 μg/L 浓度，Hg单标选取 2 μg/L浓度，标液进样6次，测得此混合标液中各元素的含量，并计算RSD值，RSD值均小于5%。

2.1.4 加样回收试验

根据已测得样品中各元素含量值，计算0.1 g样品中其含量多少，分别加入其相同含量的80%、100%、120%标准溶液，即分为高、中、低3组样品，每组样品做3组平行试验，使用与供试品相同的处理方法处理样品，计算得到各元素的平均回收率在80%～120%，RSD均小于10%。

2.2 测定结果

分别取9个样品粉末，按照1.4.2项下的试验方法进行消解制备供试品溶液，按照1.4.4项下仪器工作条件测定样品中元素含量，测量结果见表4。

表4 样品分析结果Table 4 Analytical results for samples mg/kg

分析测定结果发现，样品中浓度较高的是K、P、Mg、Fe、Al、Zn，其中 K 的含量最高，在山药皮中 K 含量高达31 889.89 mg/kg，在山药中高达22 188.44 mg/kg，在零余子中高达18 623.44 mg/kg，其次是P的含量较高，在山药皮、零余子和山药中的含量依次为100615.95、2 739.01、2 314.20 mg/kg，之后依次是 Mg、Fe、Al、Zn 的含量在样品中测得的含量较高；Sr、Cr、Ti、Mn、Ni、Ba、Co、Se的含量较低，虽然这些元素含量较低，但是在样品中的平均含量差别较大，例如Sr在山药、山药皮和零余子中的平均含量为20.64 mg/kg，在Se中的平均含量为0.13 mg/kg，或许这些元素间的差异性是山药与其他补益类食材的差别所在[15]；其中对重金属元素Pb、Cd、As、Hg、Cu 等进行分析显示，山药、山药皮和零余子中的这5种元素均符合2004年颁布的《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》（WM/T2-2004），Pb≤5.0 mg/kg，Cd≤0.3 mg/kg，As≤2.0 mg/kg，Hg≤0.2 mg/kg，Cu≤20 mg/kg。

测定的19个元素中，除了Cr、Hg、Pb这3个元素在山药、山药皮和零余子中含量差别不大，其他元素都是在山药皮中含量最高，说明山药皮中无机元素的含量整体较山药和零余子中的高，也初步判断Cr、Hg、Pb这3个元素不是造成样品间差异的特征性元素；山药、山药皮和零余子中均是K含量最高，其次是P和Mg，表明山药的功效与这些元素有着密不可分的联系。

2.3 样品无机元素间方差分析

应用SPSS 20.0统计软件对样品中19种无机元素的数据进行单因素方差分析，并运用字母标记法进行标记，具体结果见表5。

表5 方差分析结果Table 5 Analysis of variance results mg/kg

从表5中可以看出，含量较高的Mg和K均是山药皮与山药及零余子之间有极显著性差异，山药与零余子之间是显著性差异，推测是山药皮中Mg和K的含量比山药和零余子中含量高的较多，导致极显著性差异，而山药比零余子含量高的不是很多，所以是显著性差异，其次还有Ti和Se也是山药皮与山药及零余子之间有极显著性差异，山药与零余子之间是显著性差异；其中 Al、Fe、Co、Sr、Ba 这些元素均是山药皮与山药及零余子之间有极显著性差异，但是山药与零余子之间没有显著性差异，可以作为区分山药皮和其他两个样品间的特征元素；Mn元素在山药与山药皮之间是显著性差异，与零余子没有差异，山药皮与零余子是极显著性差异，可以作为区分3种不同样品的特征性元素；山药、山药皮和零余子中在19种元素中有7 种元素不具有显著性差异，分别是 P、Zn、Cu、Cr、Ni、Pb、Hg，其中P含量较高，但是样品之间没有显著性差异，说明P可能是其样品的原植物薯蓣的特征性元素。

3 结论与讨论

本试验采用ICP-MS法分析山药、山药皮和零余子中19种无机元素的含量。分析结果显示，样品中常量元素以 K、P、Mg、Fe、Al等较为丰富，微量元素以Zn、Cr、Mn、Sr、Ni、Co、Se 量较为丰富。其中 K 能加强肌肉的韧性和心脏的运动力，促进蛋白质、碳水化合物和热能代谢，是机体中重要的电解质[13]；Fe最重要的生理学作用是参与氧的运输和造血过程，是血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素以及部分呼吸酶的必备组成部分[14]；Zn参与人体代谢，影响大脑发育，对维持人体生长发育及免疫健康起着重要作用[13]；Cr是葡萄糖耐受量因子的主要活性成分，协助或增强胰岛素在体内的作用，是某些酶的活化剂[16]；Mn在一定剂量下可刺激免疫细胞增殖，从而增强细胞免疫功能；Sr维护骨骼健康，预防高血压及心血管疾病，刺激神经肌肉的兴奋，为人体骨骼及牙齿的正常组成部分，在人体内可以维护骨骼牙齿健康，强壮骨骼[17]；Se可延缓人体衰老，防治癌症、心血管病、肝坏死、溶血性贫血、克山病及大骨节病等，还可提高人的视力[18]。同时罗炳锵等[19]对中药微量元素的作用进行分析，发现肾精以Mn、Zn为物质基础，具有补肾益精、滋阴潜阳的功效，这与山药的功效也相一致；邓家刚等[20]对20种活血化瘀药中14种无机元素进行测定，发现K和Mg对平性药和非平性药的影响最大，而山药属于平性药的范围，其中K和Mg的含量都是最高的；吴茂江[21]发现 Co、Cu、Mn、Zn 有协同作用，可促进生长发育。

综合上述元素所表现出的生理功能与相关文献报道的不同无机元素之间协同作用表现出的功效，这与山药、山药皮和零余子具有降血糖、降血脂、抗氧化、延缓衰老、调节免疫、抗突变、改善血液循环、降低胆固醇作用相一致，因此可认为样品中所含有的这些无机元素为其功效物质基础之一，且这些元素在山药、山药皮和零余子中起着协同作用。

本试验建立了ICP-MS法同时分析山药、山药皮和零余子中19种无机元素含量的方法，对这3种不同部位进行比较分析，表明山药、山药皮和零余子中均含有丰富的无机元素，具有丰富的营养价值，并对测定结果进行方差分析，表明山药皮中无机元素较山药和零余子含量丰富，且大多数元素与山药和山药豆具有显著性差异，山药与山药豆也具有显著性差异，但是与山药皮相比无机元素含量较接近。综合分析对比，可以得出结论，山药皮和零余子是与山药具有一样营养价值的部分，在生产过程中具有很好的开发价值和应用前景。

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Determination of 19 Inorganic Elements in Yam，Yam Peel and Yam Bulbils by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

MA Rui，YANG Ke，YANG Hui-xin，CHEN Sui-qing*
（School of Pharmacy，Henan University of Chinese Medicine，Zhengzhou 450046，Henan，China）

To establish a method for simultaneous analysis on the inorganic elements in yam，yam peel，and yam bulbils by ICP-MS（inductively coupled plasma mass spectrometry）and compare the inorganic elements in yam，yam peel，and yam bulbils.The sample solutions were analyzed by ICP-MS after microwave digestion.The datas of variance analysis were analyzed with the SPSS 20.0 software.The inorganic elements with high content of yam，yam peel，and yam bulbils were K，P，Mg，Fe，Al，Zn；the heavy metal elements Pb，Cd，As，Hg，Cu meet the limit standard.The variance analysis showed that most of the inorganic elements in the yam peel were very significantly different from those of yam and yam bulbils，and there was a significant difference between yam and yam bulbils.The yam peel and the yam bulbils have the same high nutritional value as the yam，and have good development value and application prospect in the production process.

yam；yam peel；yam bulbils；ICP-MS（inductively coupled plasma massspectrometry）；inorganic elements

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.028

河南省基础与前沿技术研究（162300410089）

马蕊（1992—），女（汉），硕士研究生，研究方向：中药材规范化种植及质量评价研究。

*通信作者：陈随清（1965—），男（汉），教授，博士，研究方向：中药材规范化种植及质量评价研究。

2017-08-21