红外光谱与X射线光谱结合电感耦合等离子体质谱对蒙药禹粮土质量控制方法的研究

朱禹奇,张 鑫,杜盼盼,刘 舒,张贵鑫,关松磊*,郑 重*

1. 中国科学院长春应用化学研究所化学生物学实验室,吉林 长春 130022 2. 吉林农业大学生命科学学院,吉林 长春 130118

引 言

禹粮土是一种常用的蒙药,蒙古名为申都拉,为含铁粘土。其外观呈红棕色或浅棕色,凹凸不平,块状集合体,不规则块状,气微,味淡,嚼之无沙粒感,口味绵软,摩擦有沙粒感或泥土感。禹粮土具有清热凉血、消肿止痛、祛瘀生新等功效。蒙药扎冲十三味丸可以治疗偏瘫,神经系统疾病、骨关节疾病、胶原系统疾病,禹粮土是扎冲十三味丸13味药中的一种。

质量标准基础研究相对薄弱一直是蒙药发展过程中一个严峻的问题,蒙药由于成分检测缺乏特征性,导致不同产地和批次的产品成分差异较大,严重影响了蒙药的推广应用。光谱-质谱联合应用可以对物质成分和含量进行分析与鉴定,是目前比较先进的检测手段,具有检测覆盖范围广、灵敏度高、定量时间快、所需样品量少等优点,目前已经有诸多研究报道显示出了光谱、质谱技术检测在元素分析和矿物成分鉴定方面的优势。Jin等[1]使用XRD和透射电子显微镜(TEM)研究粘土矿物类型,结果表明粘土矿物主要成分为石英、钾长石、高岭石和伊利石。Cammilleri[2]等采用ICP-MS测定了西西里岛沿海紫贻贝样品中V、Cr、Mn、Hg、As、Cd、Sn、Sb和Pb含量,发现所检查的贻贝样品中重金属元素的含量较低,此实验为西西里岛沿海紫贻贝的质量控制做出了贡献。Lesniewska等[3]采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱 (HPLC-ICP-MS) 联用技术测定土壤在碱性提取过程中释放的铬,首次证明了土壤提取物中存在中性和非极性铬组分。Li等[4]采用XRD、FTIR、粒径分布、透射电镜和ICP等手段研究了硬脂酸修饰前后的羟基磷灰石,得出硬脂酸的最佳添加量约为3%。Sasaki[5]等采用XRD和FTIR对结晶的镁-蒙脱石粉末的晶体和分子结构进行了表征,通过ICP-MS分析镁-蒙脱石粉末在生理盐水中释放的Mg2+和Si4+。本实验联合傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、X射线衍射光谱(X-ray diffraction spectroscopy,XRD)以及电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等方法探究蒙药禹粮土的质量控制方法,对生品禹粮土的物相和红外共有峰进行标定,对生品禹粮土的主要元素及其重金属元素进行限量,从而达到对生品禹粮土质量控制的目的,为后续禹粮土的质量控制研究奠定方法学基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

所有9批次(S1—S9)不同产地禹粮土药材生品为吉林省内各药店购买或由相关单位提供,经外观和铁盐鉴别实验均鉴定为合格禹粮土,实验所用仪器与材料见表1。禹粮土样品的来源信息见表2。

表1 仪器试剂与厂家Table 1 Instrument reagents and manufacturers

表2 禹粮土样品的产地及批号Table 2 Origin and batch number of sample Yu grain soil samples

1.2 仪器检测

处理后的禹粮土样品分别采用FTIR、XRD、ICP-MS测定与分析。

2 结果与讨论

2.1 FTIR的测定与分析

2.1.1 特征峰

图1 禹粮土样品的红外指纹图谱Fig.1 Infrared analysis fingerprint of Yu grain soil sample

表3 禹粮土样品红外共有峰(cm-1)Table 3 Common infrared peaks of Yu grain soil sample(cm-1)

2.1.2 不同产地和批次的红外光谱指纹图

以所有禹粮土样品红外光谱中共有峰吸光度均值为参照,计算相关系数和相似度(夹角余弦值)。见图2和表4。

图2 不同批次禹粮土样品红外指纹图Fig.2 Infrared fingerprints of different batches of Yu grain soil samples

图3 不同批次禹粮土样品XRD指纹图Fig.3 XRD fingerprints of different batches of Yu grain soil samples

表4 禹粮土样品红外光谱相似性分析Table 4 Similarity analysis of Yu grain soil samples infrared spectrum

由表4可知,各禹粮土样品红外光谱相似度均大于0.9,说明各禹粮土的组成相似,禹粮土的成分含量在不同产地和批次存在差异。指纹图谱分析结果表明禹粮土共有特征峰的相似度均较好;在禹粮土红外光谱中,其主要成分Fe—O—Fe与Si—O—Si在每个谱图中均有呈现,说明禹粮土在形成过程中有石英伴生,其他吸收峰的出现说明禹粮土中有碳酸盐、铝盐和钾盐等矿物与其伴生。

2.2 XRD测定与分析

9批禹粮土的特征峰的2θ值、晶格间距d值、峰面积比较见表5。通过与标准卡片对照,禹粮土的主要物相为Fe2O3和SiO2,此外还含有Al4(OH)8(Si4O10)和K(Al4Si2O9)(OH)3;还有少量禹粮土含有CaCO3以及一些磷酸盐,[Fe2O3标准卡片号为01-078-2110,SiO2标准卡片号为01-085-0457,Al4(OH)8(Si4O10)标准卡片号为01-078-2110,K(Al4Si2O9)(OH)3标准卡片号为01-070-3754],将禹粮土主要物相Fe2O3和SiO2的峰进行标定见图4,如图4所示,衍射角度2θ中24.870°、33.116°、38.436°为Fe2O3的X射线衍射峰,衍射角度2θ中20.837°、26.608°、36.512°、39.437°、40.235°、42.423°、45.759°、50.102°和54.827°为SiO2的X射线衍射峰。禹粮土的XRD谱图的轮廓基本一致,但峰强度有所不同,说明不同产地和批次禹粮土的组成相似但各化合物含量有所不同。

图4 禹粮土的XRD谱图Fig.4 XRD spectrum of Yu grain soil

表5 九批禹粮土样品的特征峰的2θ值、晶格间距d值与峰面积百分比Table 5 2θ value,lattice spacing d value and peak area percentage of characteristic peaks of nine batches of Yu grain soil samples

2.3 ICP-MS测定与分析

2.3.1 禹粮土中元素种类及含量

如表6所示,禹粮土中Fe、Al、Ga、Mg、Si、K、Mn的元素含量较高,约占禹粮土总元素含量的8%,为生品禹粮土的主要组成元素,其中Fe元素的含量最高,平均含量为56.9 mg·g-1,建议限量标准,全铁量不低于4.55%。Al平均含量为21.1 mg·g-1,Mg元素平均含量为3.1 mg·g-1,Si平均含量为258.3 μg·g-1,K平均含量为31.6 μg·g-1,Mn平均含量为10.3 μg·g-1。Zr在S1、S7、S9中未检出,Cd、Sn、Re、Hg等在所有禹粮土样品中均未检出。本实验测定重金属Hg、Cd未检出,Pb、As、Cu的含量均值分别为0.31、0.38和0.35 μg·g-1。以中国药典(通则9302)为参考,建议生品禹粮土中Pb、As、Hg、Cu和Cd元素限量不得超过50 μg·g-1。

表6 禹粮土样品元素测定结果(单位ng·g-1)Table 6 Determination results of Yu grain soil l samples elements (unit ng·g-1)

2.3.2 聚类分析

采用IBM SPSS Statistics 25按照元素溶出度对九批禹粮土进行聚类分析,如图5所示,依据元素溶出度,在欧式距离5—10之间,将禹粮土样品分为3类,将样品S3、S5、S6、S7分为一类,将S1、S2、S4、S8分为一类,S9分为一类。在欧式距离10—15将禹粮土样品分为二类,将样品S3、S5、S6、S7分为一类,将 S1、S2、S4、S8、S9分为一类。聚类分析结果表明,不同产地禹粮土元素组成和含量存在差异,可以将河南与内蒙古产地的禹粮土分为一类,山东和青海的禹粮土分为一类。

图5 使用平均联接的谱系图Fig.5 Genealogy diagram using average joins

2.3.3 主成分分析

由表7可知,当选择公因子数为4时,特征值为1.425,累计方差贡献率为90.462%,20种元素的基本信息包含在内,符合主成分选择原则。因此,试验提取4个主成分来判断9批禹粮土中元素的分布状况。禹粮土中元素的因子分析见表8。

表7 主成分分析特征值和总体方差描述Table 7 Principal component analysis eigenvalues and overall variance description

表8 成分得分系数Table 8 Ingredient score coefficient

从表7可得第一主成分F1、第二主成分F2、第三主成分F3、第四主成分F4因子得分模型,分别为

F1=0.307XK+0.306XSr+0.303XBe+0.293XAs+0.286XGa-0.285XV+0.284XMg+0.281XZn-0.237XNi-0.234XCr+0.228XAl-0.195XMn-0.114XCu+0.018XTi-0.177XCo+0.114XPb+0.039XSi-0.082XBa-0.203XFe-0.004XZr

F2=0.089XK+0.090XSr+0.138XBe+0.086XAs+0.134XGa+0.058XV+0.134XMg+0.179XZn+0.289XNi+0.299XCr+0.199XAl+0.224XMn+0.408XCu+0.375XTi+0.374XCo+0.325XPb+0.179XSi-0.098XBa-0.038XFe-0.161XZr

F3=0.013XK-0.007XSr-0.008XBe+0.125XAs+0.119XGa-0.019XV+0.127XMg-0.005XZn+0.082XNi+0.056XCr-0.202XAl+0.017XMn+0.117XCu+0.085XTi-0.078XCo-0.130XPb-0.547XSi+0.543XBa-0.410XFe+0.308XZr

F4=0.067XK+0.061XSr+0.058XBe+0.122XAs-0.101XGa-0.058XV+0.106XMg+0.010XZn-0.044XNi-0.055XCr-0.146XAl+0.288XMn-0.026XCu+0.002XTi-0.078XCo+0.250XPb+0.0323XSi-0.007XBa+0.163XFe+0.347XZr

运用主成分分析法降低原始数据中的20个变量,选取4个能够代表全部指标的主成分为新变量,用这4个新变量来衡量不同元素在禹粮土中的分布情况,从因子得分模型可以看出,F1在XK、XSr、XBe、XAs出现较大荷载值,与对应的K、Sr、Be、As存在高度的正相关性,由于F1对总方差的贡献达到了48.228%,因此相对应的K、Sr、Be、As可作为禹粮土样品的特征元素。

3 结 论

蒙药禹粮土虽然疗效显著,但是受地域、文化的影响,其质量标准控制、规范化方面存在诸多问题。蒙药的研究与中医药研究相比较,蒙药的质量标准基础研究相对薄弱,质量控制指标相对单一,成分检测缺乏特征性。现行蒙药标准中的蒙药覆盖范围小、标准低,难以满足制剂的需要。许多蒙药只有产地和批号的描述,缺乏可识别和判断的检测指标,因此蒙药的质量问题是重中之重。本研究采用“光谱-质谱-统计学”相结合的方法对禹粮土进行研究,可以为其定性鉴别和元素定量提供准确的数据,对于全面建立禹粮土的质量控制标准提供了良好的指标。应用FTIR、XRD及ICP-MS法测定9批生品禹粮土样品的物质组成、结构及其元素含量,并采用SPSS对禹粮土进行主成分分分析。9批生品在波数为3 696、3 620、1 621、1 164、913、797、778、695、537和469 cm-1存在共有峰,其中797 cm-1为Fe—O—Fe伸缩振动吸收峰,695 cm-1为Fe—O—Fe对称伸缩振动吸收峰,469 cm-1为Si—O—Si特征峰。禹粮土的主要物相为Fe2O3和SiO2,并伴有Al4(OH)8(Si4O10)、K(Al4Si2O9)(OH)3、CaCO3以及一些磷酸盐等其他矿物伴生。在衍射角度2θ中24.870、33.116、38.436为Fe2O3的X射线衍射峰,衍射角度2θ中20.837、26.608、36.512、39.437、40.235、42.423、45.759、50.102和54.827为SiO2的X射线衍射峰。禹粮土的元素组成十分丰富,且不同产地及批次禹粮土元素含量差异较大。禹粮土中Fe元素含量最高,是重要的检测指标,其均值为56.9 mg·g-1,建议限定生品禹粮土全铁量不低于4.55%,重金属元素对人体危害较大,建议生品禹粮土中Pb、As、Hg、Cu和Cd元素限量不得超过50 μg·g-1。元素聚类分析在欧式距离10—15将样品S3、S5、S6、S7分为一类,将S1、S2、S4、S8、S9分为一类。主成分分析中提取了4个主成分,累计贡献率为90.462%,筛选K、Sr、Be、As作为禹粮土样品的特征元素。本实验对禹粮土的质量控制和后续研究具有重要意义。