X射线荧光光谱法快速比较黄精根茎及须根有害元素含量

唐敏，韩伟丹，王丽君，赵丹，徐芳辉*（.益阳医学高等专科学校，湖南 益阳 43000；.北京安科慧生科技有限公司，北京 065500）

黄精的药用部位是滇黄精Polygonatum kingianumColl.et Hemsl、黄精Polygonatum sibiricumRed（又名鸡头黄精）和多花黄精Polygonatum.Cyrtonema.Hua 的根茎[1]，其须根一般都舍弃而未被利用，有研究表明多花黄精的须根有类似于其根茎的药效学作用[2]，所以黄精须根有望被作为新资源进行开发利用。近年来，黄精药用价值和营养保健等价值不断被挖掘，其市场需求逐年增加[3]，这也就导致了黄精资源的供需矛盾。随着3 种黄精基原植物蕴藏量的急剧下降[4]，须根的开发利用受到了广泛关注。但也存在一定的问题，例如多花黄精须根的灰分含量不符合药典标准[5]，推测可能是由于须根与土壤接触面积大，矿物质沉积更多所致[6]。此外，2020年版《中国药典》实施以来，有害元素的检测成为食品和药品质量安全保障的主要控制方面之一，比较黄精须根和根茎之间有害元素含量差异的研究尤为必要，同时还可为黄精须根各元素富集作用以及元素转移能力的研究提供科学依据。

目前，有害元素定量分析常用原子荧光光度法、原子吸收光谱和电感耦合等离子体质谱进行检测[7]，其灵敏度高、精密度好，但对前处理要求高，周期较长，分析费用高，获得的元素信息有限[8-10]。X 射线荧光（X-ray fluorescence，XRF）光谱技术是一种利用样品对X 射线的吸收来测定样品中元素的方法[11]，其原理是随样品中元素及其含量的变化来进行定性或定量。目前，XRF 光谱技术因测定快速、测量范围广、操作简单、检测效率高、样品预处理简单、非破坏性以及谱线简单等优点，广泛应用于土壤、茶叶、材料等方面[12]，同时也可用于中药的检测[13]。XRF 可同时定性和定量测定检测样本内的多种元素，而且简单快捷，特别适合于复杂样品，因此越来越被重视，应用也越来越广泛[14]。本研究采用高灵敏度X 射线荧光光谱仪（PHECDA-PRO）分析黄精根系附着的背景土壤、药用部位根茎以及须根中有害元素及其他元素的含量，研究黄精须根作为新资源利用是否存在有害元素含量超标的安全风险。

1 材料与方法

1.1 仪器及试药

高灵敏度X 射线荧光光谱仪（PHECDA-PRO，北京安科慧生公司）；769YP-15A 粉末压片机（天津市科器高新技术公司）；101-0 电热鼓风干燥箱（北京科伟永兴仪器有限公司）；A11 basic 破碎机（德国IKA 公司）；AM420 行星式球磨仪（北京蚂蚁源科学仪器有限公司）。NCS141993 多元素标准溶液（100 μg·mL－1，钢研纳克检测技术股份有限公司）；硼酸（纯度≥99.5%，北京现代东方科技发展有限公司）。

1.2 样品制备

6 批新鲜黄精样品，采自湖南益阳，采样时连同黄精植株地下部分的背景土壤一并采集，经益阳医学高等专科学校中药教研室徐芳辉老师鉴定为鸡头黄精Polygonatum sibiricumRed（编号1、2、3、4、5、6），留样保存在益阳医学高等专科学校中药教研室。将鸡头黄精根茎与须根分离，清洗干净，根茎切片后与须根置于烘箱中，65℃条件下烘干，烘干后用破碎机破碎成粉末，进一步用球磨机磨成细粉，过80 目筛，取样3 g 在压力20吨保压1 min 条件下进行压片，完成制样（过程见图1）。土壤样品取200 g 放入破碎机中进行破碎，过筛（50 目），去除非代表性样品（如石子、其他植物须根等），继续均匀破碎，过80 目筛得到土壤供试样品，混匀装入密封袋中，保存备用。分别取土壤样品5 g 左右放入样品杯中，手动压实，完成制样，编号后置干燥器内保存，待测。

图1 鸡头黄精样品制备过程Fig 1 Sample preparation process of Polygonatum sibiricum Red

土壤质控样品（治金部天津地质研究院）；黄芪质控样品（地球物理地球化学勘察研究所）。

1.3 样品检测

选取土壤质控样品（GSS-24）和黄芪质控样品（GBW10028）进行质控测定，测试时间8 min/个，采用Fast FP 算法作为分析方法。土壤和药材的仪器条件分别见表1及表2。

表1 土壤元素检测条件Tab 1 Instrument operating conditions for the elements of soil

表2 鸡头黄精根茎、须根元素检测条件Tab 2 Instrument operating conditions for the elements in rhizome and fibrous root of Polygonatum sibiricum Red

1.4 统计分析

实验数据以平均值表示，数据处理软件为Graphpad prism 软件，采用t检验进行分析，P＜0.05 为差异具有统计学意义。层次聚类分析加主成分分析采用Simca-P 软件。

2 结果与分析

2.1 准确度试验

选取土壤质控样品（GSS-24）和黄芪药材质控样品（GBW10028）进行测定（暂无鸡头黄精药材质控样品），土壤和药材质控样品平行检测3 次，检测结果见表3。质控土壤样本的测定值与标准值之间的相差相对较小，质控药材样品的测定值与标准值之间的相差较大，可能是质控药材样本中组织之间元素含量差异大而造成的元素分布均匀性不高造成的。

表3 土壤和药材质控样品部分元素含量检测结果(mg·kg－1，n ＝3)Tab 3 Determination of some elements in soil and medicinal materials quality control samples (mg·kg－1，n ＝3)

2.2 重复性试验

取1 号鸡头黄精根茎部位作为样品压片6 份，Cu、As、Pb、Cd 元素含量的RSD分别是8.1%、14.3%、11.9%、6.6%，结果显示方法重复性较好（＜15%）。

2.3 精密度试验

取1 号鸡头黄精根茎压片，平行检测6 次，Cu、As、Pb、Cd 元素含量的RSD分别为4.8%、11.3%、9.5%、6.6%，结果显示仪器精密度较好（＜15%）。

2.4 校准曲线的测定

选取5 个土壤质控样品GBW（E）07004、GBW（E）07003、GBW07409、GSS-13、GSS-16，依次完成测试，用于土壤样品检测校准曲线的制订；取适量100 μg·mL－1NCS141993 多元素标准溶液稀释制成质量浓度梯度为0、0.2、0.5、1.0、2.0、5 μg·mL－1的溶液，依次完成测试，用于药材样品检测校准曲线的制订，其中Cu、As、Pb、Cd 元素的校准曲线见表4。

表4 Cu、As、Pb、Cd 元素的校准曲线Tab 4 Calibration curve for the Cu，As，Pb and Cd

2.5 鸡头黄精样品检测

测试过程中鸡头黄精样品出峰情况及峰形拟合情况见图2，可见元素出峰明显，且峰形拟合较好，背景扣除合理。

图2 鸡头黄精样品谱图Fig 2 Spectrogram of elements in the samples

鸡头黄精样品及背景土壤中的Cu、As、Pb、Cd 4 种有害元素结果比较见图3。鸡头黄精非药用部位须根中4 种元素的含量均显著高于用药部位根茎。考虑到根茎和须根对土壤中有害元素的富集情况，列出了背景土壤中的4 种有害元素，结果显示鸡头黄精根茎的Cu、As、Pb、Cd 均显著低于背景土壤，但须根中的Cu 和Cd 的含量超出了背景土壤，说明须根对Cu 和Cd 元素的富集比较强。

图3 各供试品中Cu、As、Pb、Cd 的比较Fig 3 Cu，As，Pb，Cd in samples

对鸡头黄精根茎和须根32 种元素的XRF 检测数据进行聚类分析，层次聚类分析（见图4A）结果显示根茎组和须根组能明显区分开来，形成两簇，包括Cu、As、Pb、Cd 等多种元素在须根组中呈加强趋势。使用主成分分析（PCA）对根茎组和须根组进行降维分析发现（见图4B），两个不同部位组之间存在明显差异，其趋势结果与热图一致，说明鸡头黄精须根中多种元素含量高于根茎部位。

图4 鸡头黄精根茎和须根元素含量的层次聚类分析（A）及主成分分析（B）图Fig 4 Clustering（A）and PCA（B）analysis of element contents in rhizome and fibrous root of Polygonatum sibiricum Red

2020年版《中国药典》规定限值Cu 为20 mg·kg－1、As 为2 mg·kg－1、Pb 为5 mg·kg－1、Cd 为1 mg·kg－1。结合测试数据发现，6 批鸡头黄精根茎样品中As、Pb、Cu、Cd 均在限值以内，满足要求。但须根的Cu、Cd 均超过限值，1 号须根样品As 超标，4 号须根样品Pb 超标，表明鸡头黄精须根存在Cu 和Cd 含量明显超标情况，同时As 和Pb 存在超标的潜在风险。值得注意的是，被检测的样品土壤中Cd 含量虽没有超出风险管控限值，鸡头黄精根茎部位也未有超出药典检测限值，但鸡头黄精须根样品中表现出明显的Cd 含量超标。

3 讨论

随着黄精需求量的逐渐增大，黄精的价格逐年攀升，其药材资源量匮乏问题日益凸显。黄精的须根属于非药用部位，但其所含成分及药效与药用部位根茎极其相似，有可能被作为新资源加以开发利用。考虑到须根对重金属元素的富集可能高于其他器官，如胡萝卜须根Cd 含量明显高于其块根含量[15]，黄精须根的有害元素含量分析显得尤为必要。本研究结果显示鸡头黄精须根的有害元素含量明显高于根茎，其中全部须根样品Cu、Cd 均超过限值，部分须根样品As、Pb 超出限值，所以鸡头黄精须根存在潜在的安全风险，在作为新资源开发时须持谨慎态度。在本试验中，由于有害重金属元素Hg 在药材质控样品黄芪中没有检出，且XRF 对Hg 元素的检测稳定性不强，所以本研究中Hg 检测结果未被列出分析，但会在后续的研究中结合原子吸收光谱和电感耦合等离子体质谱对其进行检测分析。本研究结果还显示多种元素在土壤样本中的均一性大于药材样本，推测其原因与药材中不同组织对各元素富集的能力强弱有关。

在药材样品制备过程中，粉末颗粒粗细程度对实验结果影响较大，建议用球磨机处理药材粉末以达到较好的均匀性。为了防止其他外部金属元素干扰，本实验过程中采用了陶瓷刀作为破碎工具组件，虽然暂无相关报道，但在以后的研究中也会对该因素进行考察。XRF 光谱法检测过程中，样品处理阶段无需微波消解，直接粉末制样，可为中药材质量实时分析提供一种快速的检测手段[16]。