微波消解–电感耦合等离子体质谱法测定中药材天麻中37种元素

2022-02-01李俊婕刁飞燕胡文岳孙洪帅李启艳

化学分析计量 2022年12期

李俊婕，刁飞燕，胡文岳，孙洪帅，李启艳

（1. 山东省食品药品检验研究院，化妆品原料质量控制重点实验室，济南 250101；2. 潍坊海润华辰检测技术有限公司，山东潍坊 261031）

天麻为兰科植物天麻的干燥块茎，是一种药食同源的名贵中药材[1]。现在天麻主要为人工栽培，产区分布在我国云南、陕西、贵州、四川等地[2]。主要的天麻产区有四个：长江三峡神农架天麻原产地、云贵川天麻产区、大别山天麻产区、长白山天麻原产地[3-4]。天麻产地跨度区域较广，药材中的元素含量受气候条件、地理环境和土壤类型等因素影响。中药材中元素的种类及含量差异对其功效、性味以及毒副作用有着不同的影响[5-6]。近年来，有不少学者对天麻的化学成分进行研究报道[7-9]，亦有学者对天麻中几种元素或单一产地的元素含量进行了分析测试[10-12]。

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法是常用的元素分析方法[13-15]，笔者采用微波消解-ICP-MS法对不同产地的天麻中37 种元素进行测定[16]，利用SPSS 22.0对30批中药材天麻的元素测定结果进行聚类分析，为天麻的质量研究和控制工作提供技术支持，为中草药的健康发展提供保障。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪：NEXION 100型，美国铂金埃尔默公司。

电子天平：MS 型，感量为0.01 mg，瑞士梅特勒-托利多集团。

微波消解仪：MARS5型，美国CEM公司。

超纯水仪：Milli-QR型，美国密理博公司。

Cr、Hg、As、Pb、Zn、Fe、Cd、Na、Co、Cu、Mg、Ca、Ti、Sc、Mo 单元素标准溶液：标准物质编号分别为GBW 0614、GBW 0617、GBW 0611、GBW 0619、GBW 0620、GBW 0616、GBW 0612、GBW(E) 080127、GBW(E) 083781、GBW 0615、GBW(E) 080126、GBW(E) 080118、GBW(E) 080357、GBW 08684、GBW(E) 080218，质量浓度均为1 000 μg/mL，中国计量科学研究院。

Al、Mn、K、V、Ge、In、Bi 单元素标准溶液：标准物质编号分别为GSB 04-1713—2004、GSB 04-1736—2004、GSB 04-1733—2004、GSB 04-1759—2004、GSB 04-1728—2004、GSB 04-1731—2004、GSB 04-1719—2004，质量浓度均为1 000 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心。

La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 混合标准溶液：各组分质量浓度均为100 μg/mL，美国ACLASS公司。

Be、Se、Sr、Ni 单元素标准溶液；质量浓度均为1 000 μg/mL，美国Inorganic Ventures公司。

PE 调谐液：Be、Ce、Fe、In、Mg、Pb、U 的质量浓度均为1.0 μg/mL，美国铂金埃尔默公司。

硝酸：超纯电子试剂，苏州晶瑞化学股份有限公司。

硝酸溶液(1+19)：量取950 mL 的超纯水于2 000 mL三角瓶中，再加入50 mL硝酸，混匀。

天麻样品：购自全国主要的天麻产区，云南、贵州、四川、安徽、陕西等地，采购场所涉及药材市场、天麻生产基地、药店等，所采集样品均经山东中医药大学田景振教授鉴定为兰科植物天麻的干燥块茎。

1.2 溶液制备

36 种元素混合标准中间液：包含Cr、As、Pb、Zn、Fe、Cd、Na、Co、Cu、Mg、Ca、Ti、Mo、Al、Mn、K、V、Be、Se、Sr、Ni、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 元素，其中K、Na、Ca、Mg质量浓度均为10 μg/mL，其它元素质量浓度均为1.0 μg/mL。分别精密量取Cr、As、Pb、Zn、Fe、Cd、Co、Cu、Ti、Mo、Al、Mn、V、Be、Se、Sr、Ni单元素标准溶液各0.1 mL，K、Na、Ca、Mg、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 单元素标准溶液各1 mL，置于同一100 mL塑料容量瓶中，用硝酸溶液(1+19)定容至标线。

Hg 标准中间液：0.1 μg/mL，精密量取Hg 单元素标准溶液0.1 mL于1 000 mL容量瓶中，用硝酸溶液(1+19)定容至标线。

36种元素系列混合标准工作液：精密量取36种元素混合标准中间液0、0.1、0.5、1、5、10 mL 于6 只100 mL 塑料容量瓶中，用硝酸溶液(1+19)定容至标线，摇匀，制得Cr、As、Pb、Zn、Fe、Cd、Co、Cu、Ti、Mo、Al、Mn、V、Be、Se、Sr、Ni、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 质量浓度分别为0、1、5、10、50、100 μg/L，K、Na、Ca、Mg 质量浓度分别为0、10、50、100、500、1 000 μg/L的系列混合标准工作液。

Hg 系列标准工作液：精密量取Hg 标准中间液0、0.05、0.25、0.5、0.75、1.0 mL于50 mL容量瓶中，用硝酸溶液A(1+19)定容至标线，摇匀，制得质量浓度分别为0、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 μg/L 的Hg 系列标准工作液。

内标溶液：分别精密量取Ge、Bi、In、Sc 单元素标准溶液各0.1 mL，置于1 000 mL 塑料容量瓶中，用硝酸溶液A(1+19)定容至标线，摇匀。

天麻样品溶液：精密称取天麻样品0.5 g，置于微波消解仪配套的聚四氟乙烯消解管中，加入硝酸6.0 mL，静置浸泡12 h，加入过氧化氢2.0 mL，在温度可调的电加热器中于90 ℃加热预消解30 min，放冷，密封移至微波消解仪中，采用表1设定的微波消解程序进行消解。消解结束后冷却，用超纯水洗涤消解管，洗涤液转移至25 mL塑料容量瓶中，用超纯水稀释至标线，摇匀待测。对于含量较高的元素K、Na、Ca、Mg据样品含量情况适当稀释后测定。

表1 微波消解程序

1.3 仪器工作条件

功率：1 100 W；样品提升速率：0.6 mL/min；冷却气流量：15 L/min；辅助气流量：1.0 L/min；雾化气流量：0.855 L/min；采样锥孔径：1.0 mm；截取锥孔径：0.8 mm；扫描方式：跳峰；分析模式：He 碰撞模式；雾化器：十字交叉；进样冲洗时间：20 s；蠕动泵转速：30 r/min；扫描次数：3 次；驻留时间：50 ms；采集时间：3 600 ms。

按以上仪器工作条件，开机抽真空满足要求后，点炬稳定30 min以上，采用软件自动调谐方法吸取调谐液调谐。使9Be、115In、238U 的灵敏度计数分别大于4 500、80 000、60 000 c/s，CeO/Ce 氧化物产率比值小于等于0.025，双电核Ce2+/Ce 双电核产率比值小于等于0.03。

各元素的测定同位素分别为9Be、24Mg、23Na、27Al、39K、40Ca、48Ti、51Cr、52V、55Mn、56Fe、59Co、59Ni、64Cu、66Zn、88Sr、80Se、75As、114Cd、98Mo、200Hg、207Pb、139La、140Ce、141Pr、142Nd、141Pm、152Sm、153Eu、158Gd、159Tb、164Dy、165Ho、166Er、169Tm、174Yb、175Lu。

2 结果与讨论

2.1 样品消解方法的选择和优化

中药材属于植物性样品，消解相对容易，为了降低方法检出限，尽可能加大称样量。笔者考察了样品称取质量、硝酸浸泡时间及消解温度对测定结果的影响。分别取称样质量为0.25、0.5、1.0 g，浸泡时间为3、12、24 h，预消解温度为60、90、110 ℃，经过系列试验，最终选定称样质量为0.5 g、浸泡12 h、消解温度为90 ℃为最优条件，在此条件下样品能完全消解，溶液清亮，回收率满足测定要求，与药典传统方法称样质量为0.1、0.25 g 比较，降低了检出限，提高了检出率，更有利于药材质量的控制。

2.2 干扰的消除和优化

ICP-MS 分析法中存在的干扰主要有质谱干扰、基体干扰、物理效应干扰、记忆效应干扰等[17]。质谱干扰可通过选择合适的同位素离子及仪器校正消除。笔者在测定铬时选择51Cr、52Cr两个质量数同时进行测定，通过试验比较，最终确定以51Cr进行分析。另外采用仪器软件自带防干扰方程消除一些常见的干扰。物理干扰可通过多次清洗雾化室、进样锥及进样管路消除。在样品分析时基体效应比较明显，可采用加入内标元素校正和采用碰撞反应池技术消除。Ca、Cr 的测定多采用Ge 作内标[18]，经过条件优化选用Sc作内标，采用碰撞模式(KED)测定，可以更好地消除干扰。

2.3 线性方程与检出限

取上述配制的系列混合标准工作液，按设定的参数测定，以各元素的质量浓度为横坐标、各元素经内标校正的信号值为纵坐标绘制标准曲线，计算线性回归方程。

按天麻样品溶液制备方法制备空白试样溶液11 份，上机测定，计算测定值的标准偏差，以3 倍标准偏差对应浓度为检出浓度，按称样质量0.5 g定容至25 mL计算方法检出限。

37 种元素线性范围、线性方程、相关系数及检出限见表2。

表2 37种元素线性范围、线性方程、相关系数及检出限

测定结果表明，37种元素的标准溶液在测定范围内均具有良好的线性，相关系数均在0.998 以上，线性相关性良好。

2.4 方法精密度试验

准确称取天麻样品6份，按1.2方法制备样品溶液，测定并计算其中各元素的含量，测定结果列于表3。由表3 可知，测定值的相对标准偏差为0.57%～4.88%，表明该方法重复性良好，满足分析要求。

表3 方法精密度试验结果

2.5 加标回收试验

准确称取天麻样品9 份，每份约0.25 g，分成3组，分别精密加入36 种元素混合标准中间液和Hg标准中间液各0.05、0.25、0.50 mL；按天麻样品溶液制备方法制备待测溶液，测定后计算加标回收率，结果见表4。由表4 可知，37 种元素平均回收率为89.3%～108.8%，表明该方法准确性较高。

表4 37种元素加标回收率 %

2.6 方法应用

依据该方法，对30批天麻中的37种元素进行了测定，研究了不同产地天麻中元素含量的差异。天麻中4 种元素含量较高，分别是：K 16 696.80 mg/kg，Na 2 529.55 mg/kg，Mg 696.26 mg/kg，Ca 523.52 mg/kg。其它元素的含量相对较低。另外发现不同产地的天麻中元素含量不尽相同，相同产地元素含量较为接近。从所测结果来看，各产地中K、Ca、Mg 含量普遍偏高，尤其是K 元素，且个别批次中Na元素含量明显高于其它批次，这可能跟不同地区土壤中元素含量的不同有关。

采用SPSS 22.0 进行聚类分析，将收集的30 批天麻样品的无机元素含量结果数据导入软件，用ward联接法计算，采用平方欧式距离为测度进行系统聚类分析，根据聚类分析测试结果可知，当平方欧式距离为5时，30批样品可聚为4类，聚为同一类的天麻样品基本出自同一产区，表明天麻中元素含量可以为其产地归属提供依据。