ICP-MS测定不同产地藜麦中27种无机元素

张国香，胡秋霞*，李刚

山西省科技资源与大型仪器开放共享中心（太原 030000）

藜麦为一年生苋科藜亚科植物，原产于南美洲安第斯山脉高海拔山区，具有一定的耐寒、耐旱、耐盐性，与大多数谷类作物相比，藜麦更是杂粮中的珍品，有“谷物之母”的美誉，是联合国粮农组织推荐的唯一的全谷全营养完全蛋白碱性食物[1-4]。藜麦具有丰富的营养价值，特别是含有全面的蛋白质、氨基酸、矿物质、维生素及酚类化合物，除能满足人体所必需的营养物质外，还具有显著的抗氧化、抗癌、降血压等多种药理作用。近年来，藜麦成为食品和医药行业广泛关注的研究对象[5-7]。我国对藜麦的研究仍处在育种、栽培和初加工、生物活性等方面[8]，然而植物的生长环境不同所吸收的成分有所差异，导致其品质也有所差异，无机元素是植物生长发育、产量和品质构成的重要因素，如同中药无机元素的种类、含量影响中药品质和疗效[9-11]。所以不同产地的藜麦中无机元素种类和含量可能存在差异。因此，研究不同产地藜麦无机元素、揭示产地对藜麦品质的影响，为评价藜麦质量提供依据。指纹图谱技术是基于中药或农作物的固有品质特性，能够反映其内部特征的图谱，对中药材或粮食质量控制具有整体性、系统性、特征性和稳定性，成为中药（粮食）质量控制和评价的热点之一[12]。

关于藜麦无机元素指纹图谱方面的研究鲜见报道。研究采用ICP-MS法测定藜麦中27种无机元素，建立多产地共19批次藜麦样品的无机元素指纹图谱，并结合系统聚类分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）等方法对数据进行深入挖掘和分析，进行藜麦质量分析和评价，以期为全面控制藜麦质量提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

标准物质小麦GBW 10010a（GSB-2a，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究院）；藜麦样品来自山西、青海、甘肃等地（均为白藜麦），见表1。

表1 藜麦样品信息

多元素混合标准储备液（美国安捷伦公司）：含有K、Na、Ca、Mg、Fe（1 000 μg/mL），Sr（100 μg/mL），Ag、Mo、As、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Se、Th、Tl、U、V、Zn（10 μg/mL）。P单元素标准溶液和Hg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）；内标元素标准储备液Li、Sc、Ge、Y、Rh、In、Re、Bi（10 μg/mL，美国南卡罗来纳州o2si公司）；浓硝酸（优级纯，成都市科龙化工试剂厂）；实验室用水均为超纯水。

1.2 仪器与设备

Perkin Elmer NexTON 300X ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪（美国，PerkinElmer公司）；DigiBlock ED54电热消解仪（Lab Tech公司）。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

将干燥后的藜麦粉碎过0.25 mm（69目）筛，精密称取藜麦粉0.500 0 g，置于50 mL消解管中，加5 mL浓硝酸，摇匀浸泡过夜，置于电热消解仪上，升温至120 ℃保持1 h，打开盖子赶酸至近干，冷却至室温，用1%硝酸溶液定容到50 mL，摇匀，得到待测溶液。在相同条件下处理标准物质和样品空白，每个样品1式3份。

1.3.2 ICP-MS测定条件

电感耦合等离子体质谱仪工作条件设定：射频功率1 100 W，等离子体气流速度15.0 L/min，雾化气流速1.0 L/min，辅助气流速1.0 L/min，每个样品重复3次。

1.3.3 准确度和精密度

通过生物成分标准物质GBW 10010a（GSB-2a小麦）验证元素含量的准确性（表3）。结果显示，该生物成分标准物质中不含Be和U，Hg、Th和Tl的含量低，扣除空白后未检出，其他元素含量基本与参考值相符。对标准物质中不含或只给出参考值的元素进行加标回收试验，平均回收率为85%～110%，经用国家标准物质小麦对比分析证实该方法准确性良好，可满足藜麦样品中无机元素测定要求。

取混合标准溶液，在1.3.2的条件下连续测定6次，计算得到27种元素的SRSD为0.15%～0.98%，表明精密度良好。

表2 标准物质中27种元素质量分数

1.4 数据处理

采用Origin 8.0绘制无机元素指纹图谱，通过统计分析软件SPSS 22.0对19批藜麦样品进行聚类分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 藜麦样品无机元素含量

不同产地藜麦样品中的27种无机元素含量测定结果见表3。结果表明，藜麦中27种无机元素含量差别较大，不同产地藜麦样品中均含有大量人体必需元素K、P、Ca、Mg等，其中：K元素的含量最高（平均值为7 647 μg/g）；其次含量较高的元素依次为P、Mg、Ca；不同产地藜麦中还含有Fe、Mo、Co等微量元素。

表3 藜麦中无机元素含量

为了更直观表达不同地区藜麦中各无机元素的含量高低，绘制Heatmaps图（图1）。由于Be、Ag、Sb、Hg、TI、Th、U在多个产地藜麦中低于检出限，因此在绘制Heatmaps图时，将这些数据剔除。由表3及图1可见，同一元素在不同产地之间的含量差异较大，如K元素含量，玻利维亚-3含量最低，最低值为3 647 μg/g，青海海西含量最高，可达10 460 μg/g。有害元素含量均未超过其限量。

图1 藜麦样品中无机元素含量热图分析

2.2 无机元素指纹图谱的建立

ICP-MS测定的元素含量为一组独立的离散数据，建立无机元素指纹图谱需要将元素含量转化为图形。剔除未检出的元素，将其余元素种类为横坐标，其对应含量为纵坐标，绘制无机元素指纹图谱（图2）。由于藜麦中27种无机元素含量差别较大，为了便于绘制指纹图谱，参考文献[13]，将含量悬殊的元素同时扩大或缩小至统一数量级（K、P、Mg缩小1 000倍，Ca缩小100倍，V、Cr、Co、As、Se、Cd、Pd扩大100倍，Ni、Mo、Ba扩大10倍），采用Origin 8.0软绘制无机元素指纹图谱。由图2可见，藜麦元素指纹图谱的峰形与走势基本一致，但清楚可见部分样品的峰形存在特异性且相对含量差异明显，所建立的无机元素指纹图谱可直观显示出不同产地间的差异信息。

图2 藜麦的无机元素指纹图谱

2.3 聚类分析

聚类分析是根据样本的相似度进行归类的，在中药应用较多。试验数据导入SPSS 22.0软件，采用组间连接法，选用欧氏距离对19批样品进行系统聚类分析（见图3）。结果表明，聚类分析可将藜麦大致分成三类。第1类：S1、S2、S3、S6、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S19。第2类：S4、S5、S7、S18。第3类：S14、S15、S16、S17。结合表1藜麦样品产地信息可知：第1类样品来自我国山西、青海、云南和内蒙；第2类样品来自我国甘肃、宁夏和新疆；第3类样品分别来自于秘鲁和玻利维亚。由此说明，藜麦的产地对其质量影响较大，导致不同样品之间差异性的原因可能与其土壤、气候和水质等因素有关。因为种植气候、土壤、地理空间不同，作物的生长状况就会出现一定差异，土壤中微量元素与水分也有一定差异，导致植物吸收的营养成分也大不相同[14-15]，所以不同产地的藜麦质量也存在一定差异。

图3 藜麦无机元素的聚类分析

2.4 主成分分析

剔除未检出的元素，采用SPSS 22.0软件将20种元素含量进行主成分分析，得到各主成分特征值、贡献率和累计贡献率（表4）。前5个主成分初始特征值（分别为6.716，3.169，2.552，1.929和1.656）均大于1且累计贡献率大于80.106%，说明前5个主成分可以解释，对前5个主成分因子进行分析，第1主成分因子负荷量较大的是Mg、P、Fe，第2主成分因子负荷量较大的是Se、Cd，第3主成分因子负荷量较大的是V，第4主成分因子负荷量较大的是Mn、Ba，第5主成分因子负荷量较大的是Co。因此可初步认为Mg、P、Fe、Se、Cd、Mn、Ba、Co是影响藜麦无机元素组成的特征元素。

表4 主成分初始特征值和贡献率

3 结论

采用ICP-MS法测定多产地藜麦中27种无机元素的含量，建立各产地藜麦的无机元素指纹图谱，并通过聚类分析、主成分分析方法对其元素分布规律进行研究。

有机成分是藜麦质量控制和评价的重要指标，无机元素主要从常量元素进行分析，而对其他无机元素并未足够重视。使用PCA发现了藜麦的特征元素为Mg、P、Fe、Se、Cd、Mn、Ba、Co。此外，基于19批样品的20种元素建立的无机元素图谱显示无机元素含量差异明显，推测其原因可能与种植环境有关，为后续藜麦的质量评价提供参考依据。