电感耦合等离子体质谱结合红外光谱与X射线光谱的蒙药磁石质量控制方法研究

甄晓宇，郑 重，皮子凤，刘 舒，刘志强，闫 静*

(1.黑龙江中医药大学 药学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.中国科学院长春应用化学研究所，吉林 长春 130022)

蒙药是蒙古人民长期同疾病作斗争的经验总结，并在吸收中医、藏医经验的基础上逐渐形成。蒙药种类繁多，资源丰富，相关资料显示蒙药材有2 230多种[1]，其中在《中国人民共和国药典》2015版(一部)收载的专用蒙药药材有4种[2]。蒙药与中药相似，分为植物药、动物药和矿物药。矿物药主要是天然形成的无机物或矿石的加工品，产出时间相对较久，但功能确切，疗效显著，逐渐成为重点研究的对象。

磁石为中药矿物药，起始于《神农本草经》，为氧化物类矿物尖晶石族磁铁矿，历代药典均有记载。其主要成分为四氧化三铁(Fe3O4)，临床应用广泛，功效为纳气平喘、镇静安神、平肝潜阳、聪耳明目，常制成丸剂，如耳聋左慈丸、磁朱丸等，用于治疗头晕目眩、耳聋耳鸣、视物昏花、惊悸失眠等证[3]。蒙药经典名方扎冲十三丸用于治疗“赫依病”，磁石是其中的重要组分，有安神镇惊作用[4]。

目前蒙药的质量控制、安全性评价研究日益受到关注，蒙药磁石由于受地域、文化、市场等方面的影响，使其在质量标准、规范化等方面存在诸多问题[5-6]。随着现代仪器分析技术的迅猛发展，对蒙药磁石的研究及其质量标准制订也提出更高的要求，为了充分发挥蒙药磁石的药效及民族特色，应加强对蒙药磁石的质量研究[7]。傅里叶变换红外光谱法(FTIR)、X射线衍射技术(XRD)是成分分析较常用的方法[8-14]，电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)在元素含量测定方面承担着重要的角色[15-16]。本文采用FTIR、XRD以及ICP-MS等研究手段对10个批次的磁石进行成分分析，实验结果可为磁石的鉴定和质量评价提供科学依据。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与样品

VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪(德国布鲁克公司)，OPUS红外采集系统；MS105DU型电子天平(瑞士梅特勒公司)；D8 Advance 型X射线衍射仪(美国布鲁克公司)。QTEGRA电感耦合等离子体质谱仪(美国赛默飞)；ASX-560 ICP-MS自动进样器(美国Teledyne CETAC公司)；Milli-Q超纯水系统(美国Siemens公司)；微波消解仪、聚四氟乙烯消解罐(安东帕公司)；台式粉末压片机(天津市思创精实科技发展有限公司)。

表1 磁石样品的产地及批号Table 1 Origin and batch number of magnetite sample

溴化钾(光谱纯，国药集团化学试剂有限公司，20180622)；浓硝酸(ppb级，上海安谱实验科技股份有限公司)；浓盐酸(20160718)、氢氟酸(20171106)购自北京化工厂；GBW10028标准物质：地球物理地球化学勘察研究所(GSB-19)；去离子水为经Milli-Q超纯水系统处理后的超纯水；元素标准液(Fe、Si、Mg、Ca、Al、K、Sn、Zn、Co、Ni、Ba、Mn、V、Be、Ti、Zr、Sr、Cu、As、Cd、Cr、Pb、Hg、P)均购自国家有色金属及电子材料分析测试中心标准样品部。

所有磁石样品为吉林省内各药店购买或相关单位提供，经内蒙古民族大学包桂花教授鉴定为氧化物类矿物尖晶石族磁铁矿。磁石样品的来源信息见表1。

1.2 标准溶液的制备

分别精密称取Co、Ni、Ba、V、Be、As、Cr、Sr、Sn、Cu、Cd、Zn、Zr、Mn、K、Ti、Pb、Hg、P的标准溶液(1 000 μg/mL)0.1 mL置于100 mL容量瓶中，加水稀释至刻度，质量浓度为1.0 μg/mL，作为母液(1)；分别称取Fe、Si、Mg、Ca、Al的标准溶液(1 000 μg/mL)0.1 mL置于100 mL容量瓶中，加水稀释至刻度，质量浓度为1.0 μg/mL，作为母液(2)；精密移取母液(1)0.05、0.25、0.5、1、1.5 mL，分别加至50 mL容量瓶中，定容至刻度，得到含Co、Ni、Ba、V、Be、As、Cr、Sr、Sn、Cu、Cd、Zn、Zr、Mn、K、Ti、Pb、Hg、P元素的1.0、5.0、10.0、20.0、30.0 ng/mL的混合标准工作溶液；精密移取母液(2)0.05、0.5、1.5、2.5、5、10 mL，分别加至50 mL容量瓶中，定容至刻度，得到含Fe、Si、Mg、Ca、Al元素的1.0、10.0、30.0、50.0、100.0、200.0 ng/mL的混合标准工作溶液。

1.3 检测条件

FTIR条件：将磁石与溴化钾以质量比1∶100混合均匀后，置于压片机中压制成透明薄片，红外分光光度计上于4 000～400 cm-1扫描测定。每个样品累计扫描16次。

XRD条件：Cu kα1辐射，石墨单色器，管压为40 kV，管流为40 mA。2θ扫描范围为5°～60°，扫描速度0.5°/min，狭缝宽度:DS=SS=1°，RS=0.2 mm，步长为0.02°。

ICP-MS条件：工作参数：功率为1.3 kW，冷却气流速为1.5 L·min-1，载气流速为0.8 L·min-1，辅助气流速为0.2 L·min-1，样品提升量为1.5 mL·min-1。测量条件：积分时间：10 s；延迟时间：1 s；重复次数：1；测量方式：标准曲线法；读数方式：峰强。

1.4 供试品的准备

取干燥的磁石样品，粉碎，过200目筛备用。取磁石粉末0.1 g，精密称定，放入100 mL聚四氟乙烯消解罐中，精确加入6 mL浓硝酸、2 mL浓盐酸和1 mL HF，置于通风橱中静置15 min，待反应不剧烈后加盖密封，装入微波消解仪中。按设定的程序消解：先经10 min由室温升至185 ℃，在220 ℃维持20 min消解，消解完毕后，冷却至室温，取出消解罐，在通风橱中将酸挥尽，转移至50 mL容量瓶中，用水定容至刻度，即为供试品溶液1；供试品溶液1稀释20倍后作为供试品溶液2，用于Co、Ni、Ba、V、Be、As、Cr、Sr、Sn、Cu、Cd、Zn、Zr、Pb、Hg、P含量的测定；供试品溶液2稀释10 倍后作为供试品3，用于Mn、K、Ti含量的测定；供试品3稀释10倍后作为供试品4，用于Fe、Si、Mg、Ca、Al 含量的测定。

2 结果与讨论

2.1 消解液的优化

磁石为矿物药，较难消解，需要对消解液进行优化。根据消解液有无残渣以及消解液的澄清程度判定最终的消解液组成，根据优化结果，最终选择加入6 mL浓硝酸、2 mL浓盐酸和1 mL HF作为消解液。

图1 磁石样品的红外光谱分析指纹图谱Fig.1 Fingerprint of FTIR analysis for magnetite sample

2.2 FTIR的测定与分析

按照“1.3”FTIR条件测定样品，OPUS采集系统采集图像，用Origin 2017软件分析，获得各样品的红外光谱分析指纹图谱(图1)。

经过对所有供试品的红外光谱图进行分析、比较，标定7 个共有峰作为磁石指纹图谱的特征峰。如图1所示，1～7号峰的波数依次为468、526、801、1 011、1 429、2 920、3 424 cm-1。

经查阅文献可知氧化物矿物的红外光谱在1 000 cm-1以上无吸收[17]。在各样品的指纹图谱中，468 cm-1为石英的特征吸收峰；526 cm-1为磁石主要成分四氧化三铁的特征吸收峰；1 011 cm-1为磷酸盐的特征峰；1 429 cm-1为碳酸盐的特征吸收峰；3 424 cm-1为羟基的特征吸收峰。不同产地、不同批次磁石的红外光谱指纹图见图2。

借助软件，以所有磁石样品的红外光谱中共有峰吸光度的均值为参照，分别计算各批次磁石样品的相关系数和相似度(夹角余弦值)，结果见表2。

表2 磁石FTIR指纹图谱的相似性分析Table 2 Analysis of similarities of FTIR fingerprint from magnetite samples

(续表2)

图2 不同批次磁石的红外光谱指纹图Fig.2 Infrared fingerprint of different batches of magnetite samples

图3 磁石的XRD指纹图谱Fig.3 XRD patterns of magnetite samples

由表2可知，除了样品1和样品7，其他磁石样品的夹角余弦值均大于0.9，说明磁石的组成相似，只有少数样品有差异，可能与磁石的产地及其伴生物有关。

指纹图谱分析结果表明，不同产地、不同批次的磁石样品之间既相关，又存在差异。相应的共有特征峰均在光谱图上体现，相似度较好；但在取样量和压片厚度尽量一致时，各峰的透光率仍存在差异，说明不同产地、不同批次磁石样品的成分含量有一定差异。在磁石红外光谱中，磁石主要成分Fe3O4的峰较弱，只以肩峰或弱吸收峰呈现。石英在每个谱图中均有呈现，说明磁铁矿在形成过程中常有石英与其伴生。其他共有吸收峰的出现说明磁铁矿中还有磷酸盐、碳酸盐等其他矿物与其伴生。

2.3 XRD的测定与分析

取供试品适量，将10个批次的磁石按“1.3”实验条件进行XRD分析。应用Origin 2017数据分析和绘图软件处理得XRD图，将10批磁石样品的XRD图进行叠加，建立磁石的 XRD指纹图谱(见图3)。

找寻峰的条件为Search Rectangle:Width 1.00,Height:2.0,Minimum Height:1.5。由布拉格公式2dsinθ=λ可求得晶格间距，其中n=1,λ=1.542 8×10-10。实验数据以d/(I/I0)表示其衍射峰值，d为晶格间距，(I/I0)为衍射相对强度。在磁石谱图分析过程中，经寻峰处理，比较后选定共有率≥90%的9个峰作为磁石的指纹峰(见表3)。对磁石的XRD图谱特征峰数据进行分析，通过与粉末衍射标准卡片进行匹配，认定磁石指纹谱中5、7、8、9号共有峰数据与Fe3O4相符，3、4号共有峰数据与SiO2相符。说明磁石药材中主要物相为Fe3O4和 SiO2，与红外谱图等相关数据吻合。可以看出，不同产地、不同批次的磁石样品既有一定的相关性，也有区别。其XRD谱图的轮廓基本一致，指纹特征峰在谱图上的相似度很高，但各谱图的特征峰强度以及峰位有所不同，说明不同产地、不同批次磁石的组成以及含量不同，可为磁石药材品质鉴别提供依据。

表3 磁石常见特征峰的2θ值和相对强度(I/I0)Table 3 2θ value and relative intensity(I/I0) of common characteristic peaks of magnetite samples

2.4 ICP-MS的测定与分析

2.4.1 方法学考察精密度：取S1样品作为供试品，按“1.3”FTIR条件连续测定5次，所得红外谱线基本重合，样品中共有峰波数的相对标准偏差(RSD)均小于0.10%。吸光度的RSD均小于1.0%。取上述供试品溶液按照“1.4”进行样品处理，“1.3”ICP-MS条件连续测定5次，所得元素含量的RSD小于0.10%。表明该方法的精密度良好，符合定量要求。

稳定性：取S1样品作为供试品，保存于干燥器中，按“1.3”FTIR条件每隔1 h测定1次，共测定6次，所得红外光谱图基本一致，样品中共有峰波数的RSD均小于0.10%，吸光度的RSD均小于5.0%。偏差可能是磁石在取出过程中吸水所致。取上述供试品溶液于冰箱4 ℃左右保存，按照“1.3”ICP-MS条件每隔1 h测定1次，共测定6次，所得元素含量基本一致，RSD小于0.10%。表明样品在6 h内稳定性良好。

重复性：平行制备6份供试品(S1样品)，按“1.3”FTIR条件分别进行测定，所得红外光谱图基本一致，样品中共有峰波数的RSD均小于0.10%，吸光度的RSD均小于4.0%。平行制备6份上述供试品，按照“1.3”ICP-MS条件分别测定，所得元素含量基本一致，RSD小于0.10%。表明该方法的重复性良好，符合定量要求。

表4 标准物质对比(n=3)Table 4 Comparison of reference materials(n=3)

采用ICP-MS法测定了标准物质GBW10028(GSB-19)中药黄芪中Pb、Cu、Mn、Sn元素的含量(n=3)，由表4可知，与标准值对比结果一致。

取“1.2”系列混合标准溶液，按“1.3”ICP-MS条件测定，以内标元素校正的各元素响应值为纵坐标(y)，以相应的质量浓度为横坐标(x)，绘制标准曲线，得到每种元素的r2均大于0.993(见表5)，说明方法的线性关系良好。

取已知含量的S1样品0.1 g(6份)，精密称定，分别加入一定量的各元素标准溶液，按照“1.4”条件制备样品溶液，“1.3”ICP-MS条件连续进样测定，得到各元素的回收率为77.7%～116%(见表5)，RSD(n=6)为0.40%～2.5%，符合分析要求。

表5 24种无机元素的标准曲线及其在磁石中的加标回收率Table 5 Standard curves of 24 kinds of inorganic elements and their recoveries in magnetite sample

(续表5)

2.4.2 样品测定按“1.3”ICP-MS条件依次测定10批次磁石样品中24种元素的含量。结果表明，除Sn、Zr、Cu、Cd外，其他元素在10批样品中均有检出，其中Fe、Ca、Al、Mg、K、Zn、Mn、Ti、P元素的含量较高，分别为174.8～443.2 mg/g、10.42～57.47 mg/g、2.877～44.21 mg/g、4.158～27.01 mg/g、5.127～48.21 mg/g、0.757 0～9.926 mg/g、2.805～3.712 mg/g、0.977 6～2.193 mg/g、0.674 0～14.73 mg/g，为磁石的主要元素。Co、Ni、Ba、V、Be、Zr、Sr、As、Cr元素的含量较少，分别为37.29～64.39 μg/g、19.74～57.81 μg/g、260.4～979.1 μg/g、178.4～296.5 μg/g、3.89～48.00 μg/g、40.32～83.25 μg/g、100.5～153.5 μg/g、23.71～100.2 μg/g、152.8～763.1 μg/g。

重金属Cr、Pb、Hg、Cu元素均有检出，Cd元素在S1、S2、S4、S8未检出，在其他批次中均有检出，含量为7.34～73.4 μg/g，Cr元素的含量为152.8～763.1 μg/g，Pb元素的含量为4.980～175.4 μg/g，Hg元素含量除厂家提供的磁石样品外均在500.0～720.0 μg/g范围内，Cu元素的含量为5.88～34.76 μg/g，Sn元素在多数产地的药材中均未检出。

2.5 讨 论

本实验通过ICP-MS对磁石进行测定，结果显示磁石中含有24种元素，其中Fe为主要元素，含量最高，是重要的检测指标，其均值在345.0 mg/g，含铁量为34.5%。根据中国药典中药质量标准研究制定技术要求，按其平均值的±20%作为限定的制定幅度，建议限量标准，全铁量不低于27.6%。2015版《中国药典》中采用滴定法测定的含铁量限定标准为不得少于50.0%，与本实验方法不同，含量也存在一定差异。

重金属及有害元素对神经系统、骨骼造血系统、消化系统等极具危害，还有致畸、致癌、致突变作用，直接影响药性及用药安全，所以重金属及有害元素的检查是保证中药应用安全性的重要方面，尤其在矿物药的安全性评价中更显重要。其限量使用成为重中之重，而重金属及有害元素的含量也成为筛选优质药材的重要参数。

本实验测定重金属Pb、As、Hg、Cu、Cd的含量均值分别为51.44、49.16、539.7、18.06、30.27 μg/g。根据中国药典中药质量标准研究制定技术要求，建议磁石中Pb、As、Hg、Cu和Cd元素分别不得超过61.73、58.99、647.6、33.11、50.45 μg/g。Al元素可对身体造成伤害，其含量不可忽视，本实验测定Al元素含量的均值为23.72 mg/g，建议限量标准Al元素不得超过28.46 mg/g。

蒙药方剂中磁石通常需炮制后入药。炮制的过程能够使矿物药中重金属与有害元素的含量及价态发生变化，从而起到减毒增效的作用。本研究建立的多种元素定量分析方法为蒙药磁石的质量控制提供了重要的技术支持，并为后续蒙药磁石炮制规范化研究提供了指导方案。

3 结 论

本研究应用FTIR、XRD及ICP-MS法测定磁石样品的物质组成、结构及所含元素含量，FTIR、XRD的结果显示，磁石的主要成分为Fe3O4以及石英，并有其他多种矿物伴生，不同产地、不同批次磁石样品中各元素的含量有一定差异；ICP-MS结果显示，磁石中含有多种元素，形成复杂的元素体系，不同产地、不同批次磁石样品中各元素的含量存在差异。某些元素和化合物可能成为磁石功效的质量标志物，用于品鉴磁石药材的质量；部分重金属及有害元素有检出，一定程度上影响用药安全性，而重金属及有害元素的含量也成为筛选优质药材的重要参数。本研究结果不仅可为蒙药磁石的质量控制和安全性评价提供科学方法，而且可为磁石炮制规范化研究和临床用药安全提供重要依据。