不同产地浮萍中元素含量测定及化学计量学分析

2020-10-30周文梅陈洪岩吴啟南陈梦张小龙

生物化工 2020年5期

周文梅，陈洪岩，吴啟南，陈梦，张小龙,*

（1.连云港市食品药品检验检测中心，江苏连云港 222006；2.南京中医药大学，江苏南京 210023）

浮萍是生长在水中的漂浮植物，生长周期短，营养价值高，在饲用、能源开发、药用等方面均有巨大的应用潜力[1]；在药用上具有发汗祛风、行水消肿、清热解毒以及抗感染等诸多功效，素有“发汗尤胜麻黄，下水捷于通草”的说法[2]。浮萍含有的各种成分与其所生存的水环境中各种营养元素及其他物质的含量存在密切关系，尤其是各种无机元素的含量。且越来越多的研究表明，中药所含有的无机元素对其药理药效发挥的协同作用有着重要意义[3-5]。无机元素的种类及含量不仅是植物遗传特征的体现，也与不同栽培地区的环境因素和种植条件等有很大联系[6]。浮萍中含有多种无机元素，包括各种常量元素、人体必需的微量元素以及对人体有害的重金属元素等[7]。有研究表明，在一定的条件下，浮萍可用作铜污染的修复植物[3]，在治理铅污染水体时是较好的备选植物[8]，其对Hg和Cd污染敏感，可为及时查明水体污染提供简便的判断依据[9]。因此，对浮萍中无机元素的检测监控，也能够及时筛选出被重金属污染的药用浮萍，防止重金属对人体产生危害。目前，对于无机元素的测定常见的方法有原子吸收分光光度法（AAS）、原子荧光光度法（AFS）、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等，其中ICP-MS法具有操作简便，精密度、稳定性、重复性好[10]，检出限低等特点，适用于多种痕量及微量元素的快速同时测定。本实验采用ICP-MS法测定不同浮萍中25种无机元素的含量，并对数据进行多变量统计分析，从无机元素含量分布的角度出发，研究紫萍和青萍之间的差异。

1 材料与方法

1.1 仪器

NexION 350X电感耦合等离子体质谱仪，美国PerkinElmer公司；EH45B微控数显电热板，北京莱伯泰科仪器股份有限公司；AG135十万分之一电子天平，Mettler Toledo公司；Milli-Q纯水机，美国Millipore公司；561B消解罐，美国SAP Molding plastic LLC公司。

1.2 药品与试剂

来源于不同产地的总计52批浮萍样品由实验室自行采收，其中31批为紫萍样品、21批为青萍样品，经南京中医药大学吴啟南教授鉴定分别为浮萍科紫萍属植物紫萍[Spirodela polyrrhiza（L.） Schleid.]和浮萍科浮萍属植物青萍（Lemna minorL.）。将采集后的样品用清水洗净并挑去杂质后晒干，密封于自封袋中置阴凉干燥处保存，备用。

25种无机元素混和标准溶液，美国Inorganic Ventures公司（批号M2-MEB658480），含钼（Mo）、锡（Sn）、锑（Sb）浓度为0.5 μg/mL，砷（As）、镉（Cd）、钴（Co）、镍（Ni）、铬（Cr）、铅（Pb）、硒（Se）、铊（Tl）、钒（V）浓度为5 μg/mL，硼（B）、钡（Ba）、铜（Cu）、锰（Mn）、钛（Ti）、锌（Zn）浓度为 50 μg/mL，锶（Sr）浓度为 100 μg/mL，铝（Al）、铁（Fe）浓度为 500 μg/mL，钙（Ca）、钠（Na）、镁（Mg）、钾（K）浓度为2 000 μg/mL；内标溶液锗（72Ge）（批号K2-GE01122AA）、内标溶液铑（103Rh）（批号K2-RH651766）、内标溶液铋（209Bi）（批号K2-BI02014），浓度均为1 000 μg/mL；硝酸，电子级，Aladdin公司；氢氟酸，CMOS级，国药集团化学试剂有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 测定条件

射频功率为1 100.00 W，载气（高纯氩气）流速为1.20 L/min，等离子气体流速为15.00 L/min，雾化器流量为0.91 L/min，KED碰撞反应气（高纯氩气）流速为3.0 mL/min，检测电压为-12.25 V，模拟电压为-1 600.00 V，脉冲电压为800.00 V。数据采样模式：跳峰采集模式；重复次数为3次，扫描次数为1 000次。选取同位素72Ge、103Rh、209Bi为本实验内标元素，元素以分组形式检测，其中B、Ca为普通模式检测，以72Ge为内标；Sr、Mo、Cd、Sn、Sb、Ba为普通反应模式，以103Rh为内标；Tl、Pb为普通反应模式，以209Bi为内标；Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Si、Na、Mg、K、Al、Fe 为碰撞反应模式，以72Ge为内标；仪器以1 ng/mL的Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U调谐后进行检测。

1.3.2 对照品及内标溶液的制备

对照品溶液的制备：取25种无机元素混和标准溶液，用2% HNO3溶液将混合标准溶液先稀释50倍为标准储备液，再稀释储备液配制成系列标准溶液。本实验的标准曲线以5 μg/mL组元素（即As、Cd、Co、Ni、Cr、Pb、Se、Tl、V）来计算时，标准点分别为 1 ng/mL、5 ng/mL、10 ng/mL、30 ng/mL、50 ng/mL，其他组元素的浓度以此稀释倍数来计算。

内标溶液的制备：分别用2% HNO3配制72Ge、103Rh、209Bi三种单元素标准储备液，浓度为1 000 ng/mL；各取1.5 mL加入同一50 mL容量瓶中，用2% HNO3溶液定容至刻度，配制成30 ng/mL的内标混合液，以三通在线加入内标溶液及空白溶液、标准溶液、样品溶液进行测定。

1.3.3 供试品溶液的制备

称取浮萍样品0.1 g（精确至0.000 1 g）于PFA消解罐（60 mL，耐压等级为517.11 kPa）内，加入5 mL硝酸、1 mL氢氟酸，旋紧盖子后放置1 h，120 ℃消解1 h，160 ℃消解2 h，冷却后，缓慢打开盖子，在电热板上于100 ℃加热至消解罐内剩余约1 mL左右后用超纯水定容至50 mL，混匀备用，同时做空白试验。测定时根据样品溶液中元素的含量不同使用2% HNO3溶液进行稀释后进样。

1.3.4 方法学验证

取上述系列标准溶液分别进样，以各对照品浓度为横坐标，对照品扣除空白后与内标溶液的响应比值为纵坐标，绘制标准曲线，得到线性回归方程，计算检出限（LOD）；分别取各组元素的同一对照品溶液，按上述条件连续进样6次记录结果，计算精密度RSD，考察精密度；取“1.3.3”项下的同一批供试品溶液，分别在室温下放置0 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h，按上述条件进样，计算稳定性RSD进行稳定性考察；精密称取同一样品6份，按“1.3.3”项下方法制备供试品溶液，再按上述条件进样测定，计算各元素含量和重复性RSD进行方法重复性考察；取同一样品6份，每份约0.05 g，精密称定，分别精密加入对照品适量，按“1.3.3”项下方法制备供试品溶液，再按上述条件进样，进行加样回收率试验考察。

1.4 数据分析

利用SIMCA 14.1（瑞典Umetrics公司）对52批浮萍样品中25种矿物元素的含量进行多维变量及相关性等分析。

2 结果与分析

2.1 方法学验证

实验表明，各元素在各自的线性浓度范围内均具有良好的线性关系（r均大于0.995 0），LOD的范围在0.000 1～0.360 8 ng/mL。25种无机元素的精密度、稳定性、重复性和回收率结果见表1。如表1所示，精密度试验RSD在0.82%～3.39%，方法重复性试验RSD范围为0.83%～4.41%，稳定性试验RSD＜5.91%，说明仪器精密度和方法重复性均较好，且样品在24小时内稳定；25种无机元素的加样回收率在82.27%～105.79%，RSD范围为0.91%～6.61%，表明本方法的回收率良好，准确度高，能满足测定要求。

表1 25种无机元素的精密度、稳定性、重复性和回收率（n=6）

2.2 样品含量测定

按上述方法和条件，采用标准曲线法测定了样品中各无机元素的含量。测定结果表明，浮萍中Na、Mg、Al、K、Ca、Mn、Fe 7种元素的含量很高，尤其是K元素的含量最高，在紫萍中的平均含量为42 756.91 μg/g，在青萍中的平均含量为 42 942.55 μg/g，与现有的文献报道相一致[5,7]，很可能与浮萍的利尿作用相关；B、Ti、Zn、Sr、Ba的含量也较高，V、Cr、Co、Ni、Cu的含量较低，As、Se、Mo、Cd、Sn、Sb、Tl、Pb含量最低。其中，B、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo为人体必需的微量元素，Na、Mg、K、Ca为人体必需的常量元素。不同的样品中元素的含量差异较大，而紫萍和青萍之间含有的无机元素总量无明显差异，紫萍样品中25种元素总量最低为43.85 mg/g，最高为128.81 mg/g；青萍样品中最低为37.82 mg/g，最高为125.98 mg/g。

2.3 统计分析

主成分分析是一种重要的多元统计分析方法，采用主成分分析能够用少量的因子描述多指标变量之间的关系，在中药质量评价中的应用日益广泛[11-12]。数据经Par尺度化（Pareto Scaling）进行归一之后建立主成分分析（PCA）及偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）的三维模型，拟合的PCA模型有3个主成分，所有样品均无明显异常点，R2X（cum）=0.897，能够较好地反映原始无机元素含量的信息，第一主成分贡献率为53.9%，得分图见图1；经交叉验证后拟合的OPLS-DA模型中有1个预测主成分和3个正交主成分，R2X（cum）为0.931，得分图见图2，经200次排列实验（Permutation test）后的R2Y与Q2Y的截距分别为0.113和-0.276，说明该模型稳定，不存在过拟合现象。

可见，在所建立的PCA及OPLS-DA模型中，青萍和紫萍均相互聚在一起，无明显区分，表明两种浮萍中无机元素的含量无明显差异；对OPLS-DA模型的相关系数分析表明，仅Mg元素的回归系数有显著性差异（P＜0.05），结合S-Plot及Loading图可知，Mg元素对于模型的建立具有重要作用，且其含量在紫萍和青萍整体间存有一定区别，但并不能反应两种浮萍之间存在显著差异。

3 结论

采用ICP-MS法测定了浮萍中25种无机元素的含量，并对各元素含量的测定结果进行了多变量分析。结果表明，两种浮萍中含量最高的元素均为K，可能与其利尿功效相关，人体必需的微量元素Mn、Fe在浮萍中含量很高，B、Zn的含量也较高；浮萍药理药效作用的发挥可能与其体内的矿物元素有着密切的关系，另一方面也说明浮萍存在较高的营养价值。浮萍样品中元素的含量差异较大，虽然Mg元素的含量在紫萍和青萍整体间存有一定差异，但紫萍和青萍之间含有的无机元素总量无明显区别，PCA及OPLSDA两种模式识别方法也均表明紫萍和青萍中的矿物元素含量无显著性差异。