ICP-MS 法结合化学模式分析不同产地黄精中29 种无机元素

蒋亚奇，李启艳，胡文岳，李俊婕，郭 莹，高天阳，王小兵,2*

（1.山东省食品药品检验研究院，国家药品监督管理局化妆品原料质量控制重点实验室，山东 济南 250101；2.山东大学齐鲁医学院 药学院，山东 济南 250012）

黄精被收录于历版《中国药典》中，包含黄精Polygonatum sibiricumRed.、滇黄精Polygonatum kingianumColl.et Hemsl.和多花黄精Polygonatum cyrtonemaHua 三种基原[1]，在我国分布广泛，主产于浙江、安徽、山东、云南等地[2]。黄精为常用的补益类中药，具有补肾益精、养阴润肺之功效，主要用于治疗脾胃气虚、肺虚燥咳、精血不足等症[3-5]。研究表明，黄精的主要功效成分为多糖、生物碱、黄酮、甾体皂苷等[6-8]，具有降血糖、增强免疫力、抗氧化等多种药理活性[9-11]，因此被广泛应用于药品、食品和保健食品中。

研究发现，无机元素在植物中普遍存在，是参与和调节代谢必需的物质，无机元素的种类和含量也会影响中药药效的发挥和疗效[12-14]，因此，中药中无机元素的种类和含量成为中药质量控制中必不可少的一环。课题组前期研究发现，黄精中钾（K）、钠（Na）、钙（Ca）、镁（Mg）、铝（Al）、铁（Fe）等元素的含量很高，不适合与此29 种元素同时测定，更宜采用电感耦合等离子体发射质谱法（ICPOES）测定。鉴于此，本研究拟采用灵敏度高、适合多元素同时测定的ICP-MS 法分析黄精药材中29 种常见无机元素，结合化学模式识别中的聚类分析和主成分分析，研究不同产地黄精中元素种类和含量的相关性和差异性，以期为黄精药材的质量评价与控制提供参考。

1 材料

1.1 药物与试剂

硝酸（优级纯，晶瑞电子材料股份有限公司）；30%过氧化氢（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；水为经Milli-Q 超纯水仪制得的去离子水。

含有铍（Be）、钒（V）、铬（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、镓（Ga）、砷（As）、硒（Se）、镉（Cd）、铯（Cs）、铊（Tl）、铅（Pb）、镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、铀（U）、银（Ag）多元素标准液（批号：R2-MEB695280，浓度：10 μg/mL，Inorganic Ventures）；锗（Ge）单元素内标溶液（批号：P2-GE675320AA， 浓 度：1 000 μg/mL）、 铟（In）单元素内标溶液（批号：N2-IN664476，浓度：1 000 μg/mL）、铋（Bi）单元素内标溶液（批号：N2-BI666938，浓度：1 000 μg/mL）、钪（Sc）单元素内标溶液（批号：N2-SC671904AA，浓度：1 000 μg/mL）、铑（Rh）单元素内标溶液（批号：P2-RH684491，浓度：1 000 μg/mL），均购自Inorganic Ventures；汞（Hg）单元素标准液（批号：20022，浓度：1 000 μg/mL，中国计量科学研究院）。60 批黄精样品经山东省食品药品检验研究院李启艳主任中药师鉴定，均为2020 年版《中国药典》（一部）收录的黄精Polygonatum sibiricumRed.、滇黄精Polygonatum kingianumColl.et Hemsl.和多花黄精Polygonatum cyrtonemaHua 的干燥根茎。60 批黄精样品信息见表1。

1.2 主要仪器

NexION 2000 型电感耦合等离子体质谱仪（美国Perkin Elmer 公司）；CEM MARS 5 型微波消解仪（美国CEM 公司）；MS105DU 型电子天平（瑞士梅特勒-托利多公司）；Milli-Q 型超纯水仪（美国Millipore 公司）。

2 方法与结果

2.1 ICP-MS 测定条件

射频功率：1 600 W；等离子体气体流速：15 L/min；辅助气流速：1.2 L/min，雾化器气体流速：0.98 L/min，雾化室温度：2 ℃；扫描模式：跳峰；测定模式：碰撞模式；碰撞气：He；流速：3.5 L/min；重复次数：3 次。

2.2 标准品溶液的制备

分别取多元素标准液和汞单元素标准液适量，用3%的硝酸溶液稀释配制成标准系列溶液，其中，汞的系列浓度分别为0.1、0.5、1、2、3、4、5 ng/mL，铍等其他28 种元素的系列浓度分别为1、5、10、30、50、100、300 ng/mL。内标溶液：分别取锗、铟、铋、钪、铑单元素内标溶液适量，用3%硝酸溶液稀释配制成浓度为25 ng/mL 混合内标溶液。

2.3 供试品溶液的制备

取样品粉末（过50 目筛）0.5 g，精密称定，于聚四氟乙烯消解管中，置于通风橱，加硝酸7.0 mL，静置浸泡过夜，加双氧水2.0 mL，置电热板中于100 ℃加热预消解0.5 h，放冷，加盖密塞，移入微波消解仪中，按表2 设定的程序进行微波消解。消解完毕后取出，冷却，用去离子水将消解液转移至25 mL 塑料容量瓶中，定容后摇匀，作为供试品溶液。

表2 微波消解程序Tab.2 Working parameters for microwave digestion

2.4 方法学考察

2.4.1 标准曲线的绘制和检出限的测定 取标准系列溶液，同时吸入内标溶液，按“2.1 ”项下条件上机测定，以待测元素标准系列的质量浓度（X，ng/mL）为横坐标，以目标峰强度值与内标元素峰强度值的比值（Y）为纵坐标，绘制标准曲线。同时测定11 份样品空白，以3 倍浓度值的标准偏差计算检出限。测得的方程、相关系数、线性范围和检出限结果见表3，结果显示，各待测元素的相关系数在0.996 0 ～ 0.999 9 之间，表明各待测元素在其线性范围内线性关系良好。

表3 29 种元素的线性关系和检出限Tab.3 Linear relations and detection limits of 29 kinds of elements

2.4.2 精密度试验 取同一含29 种元素的混合标准溶液，按“2.1 ”项下条件连续进样测定6 次，计算29 种无机元素浓度值的RSD 值为1.0% ～ 4.9%，表明仪器具有良好的精密度。

2.4.3 稳定性试验 取同一含29 种元素的混合标准溶液，分别于室温下放置0、2、4、8、12、24 h，按“2.1”项下条件进样分析，计算29 种无机元素浓度值的RSD 值为0.8% ～ 5.4%，表明含目标元素的标准溶液在24 h 内具有良好的稳定性。

2.4.4 重复性试验 取样品编号为S41 的同一黄精供试品6 份，按“2.3”项下方法制备供试品溶液，按“2.1”项下条件测定，得到6 份黄精供试品溶液中29 种元素的浓度值，计算其RSD 值为0.7% ～7.3%，表明该方法重复性良好。

2.4.5 加样回收率试验 取已知含量的同一黄精样品（S42）的9 份，每份0.5 g，精密称定，分别按低、中、高浓度梯度精密加入一定量的各元素标准溶液，按“2.3”项下方法制备供试品溶液，按“2.1”项下条件测定，计算回收率和RSD，见表4。结果表明，各元素的平均回收率在88.8% ～ 116.3%之间，RSD值为1.4% ～ 8.9%，均符合《中国药典》中“分析方法验证指导原则”的要求，表明该方法的准确度能满足检测需要。

表4 加样回收率试验结果(n = 9)Tab.4 Test results of sample recovery (n = 9)

2.5 样品测定结果

分别称取60 批黄精样品，按“2.3”项下方法制备供试品溶液，按“2.1”项下工作条件测定，计算样品中29 种无机元素的含量，结果见表5 ～ 7。

表5 黄精样品中29 种无机元素测定结果（Ⅰ）（mg/kg， n = 3）Tab.5 Determination of 29 kinds of inorganic elements (Ⅰ) (mg/kg， n = 3)

表6 黄精样品中29 种无机元素测定结果（Ⅱ）（mg/kg， n = 3）Tab.6 Determination of 29 kinds of inorganic elements (Ⅱ) (mg/kg， n = 3)

表7 黄精样品中29 种无机元素测定结果（Ⅲ）（mg/kg， n = 3）Tab.7 Determination of 29 kinds of inorganic elements (Ⅲ)(mg/kg， n = 3)

2.6 化学模式识别分析

2.6.1 聚类分析 以60 批黄精样品的29 种元素含量为原始数据，导入SPSS 26.0 软件，以样品编号为个案、各元素含量为变量进行系统聚类分析，算法采用组间联接法，测度选择平方欧式距离，聚类结果见图1。结果显示，当平方欧式距离较小时，各产地样品表现的聚类趋势相对明显；当平方欧式距离为25时，所有样品可大致聚为2 类，来自安徽的样品聚为一类，其他产地的样品聚为一类；当平方欧式距离为5 时，来自安徽的样品呈现一定的聚类性，来自湖北的样品具有一定的聚类性，来自贵州、四川的样品具有一定的聚类性，其他产地的样品聚类不显著。

图1 60 批样品聚类分析树状图Fig.1 Dendrogram of cluster analysis of 60 batches of samples

2.6.2 主成分分析 通过上述测定，获得了60批黄精样品中29 种元素的含量信息，由于数据量大，不利于分析各元素含量与产地之间的关系，因此引入了降维的思想，对元素含量测定结果进行主成分分析。由于不同元素的含量差异太大，为降低数值差异大对PCA 结果的影响，先对原始数据进行标准化处理，再导入SPSS 26.0 软件进行PCA。首先，进行KMO 适合度检验和巴特利特球形检验，结果KMO 值为0.838，巴特利特球形检验结果P值为0，当0.8 ＜KMO ＜0.9、P ＜0.05 时，说明数据适合提取公共因子，可进行主成分分析[15]。经主成分分析，计算特征值和方差贡献率，以特征值＞1、累计方差贡献率＞80%为依据确定主成分因子，得到 主 成 分 因 子1（F1）、2（F2）、3（F3）、4（F4）的特征值分别为17.440、2.659、2,000、1.235，累计方差贡献率为80.461%（见表8）。同时结合主成分因子碎石图（见图2），可以更直观的看出在主成分因子2 处有明显拐点，主成分因子4 后曲线变得平缓，说明F1、F2、F3、F4 是影响黄精质量评价指标的主要因子。因此，选择前4 个主成分因子对60 批黄精样品进行评分，以各主成分因子得分与方差贡献率乘积之和计算各批样品的综合得分（S），计算公式为S= 0.601 37×F1+0.091 68×F2+0.068 97×F3+0.042 58×F4，并对综合得分进行排序（见表9）。由表9 可见，S1 ～S6（采自安徽九华山）综合得分较高，从无机元素指标评价，安徽的黄精整体质量较好。

表8 4 个主成分因子的特征值和方差贡献率Tab.8 Eigen values and variance contribution rates of 4 principal components

表9 60 批样品的综合得分及排序Tab.9 Comprehensive scores and sorting of principal components of 60 batches of samples

为探索黄精中无机元素与产地的关联性，选取影响较大的F1、F2 进行分析。分别以各样品的F1 值为X 轴、F2 值为Y 轴，将60 个样品点标入二维坐标系中，结合产地分析各样品点的离散程度，见图3。

图3 不同产地黄精的主成分得分散点图Fig.3 Scatter plot of Polygonati Rhizoma from different producing areas based on principal components scores

由图3 可见，当剔除个别偏离较大的样品点后，来自安徽的样品呈现一定的聚类性，来自湖南的样品呈现一定的聚类性，来自湖北、贵州、四川的样品具有一定的聚类性，其他产地的样品聚类不显著，主成分分析和聚类分析结果基本一致。因此，黄精样品中的无机元素含量差异可能与产地有一定的相关性。

3 讨论

综合考虑各元素的响应值、干扰及稳定性，对ICP-MS 工作条件进行优化，最终确定了“2.1”项的优选条件。ICP-MS 法测定时的主要干扰有质谱干扰和物理干扰，研究发现，当测定模式为标准模式时，会干扰As 的测定，而选择He 碰撞模式时，会减少质谱干扰，29 种元素均有较好的峰形和响应。为克服基体效应等物理干扰带来的影响，以内标法进行测定，采用质量数就近的原则选择内标，最终确定以25 ng/mL 的Ge、In、Bi、Sc、Rh 为内标元素进行测定。

60 批黄精中29 种无机元素的含量测定结果显示，不同产地的黄精中无机元素的组成基本一致，但含量差异较大。在测定的29 种元素中，Cr、Cu、Ni、Ga 含量整体相对较高，其他无机元素含量整体相对较低。2020 年版《中国药典》（一部）中规定了黄精中5 种重金属及有害元素的限量，Pb、As、Hg、Cu、Cd 分 别 不 得 过5、2、0.2、20、1 mg/kg，测定的60 批黄精中此5 种元素的含量均低于药典规定的限值，说明黄精在重金属及有害元素方面的安全性整体较好。

本研究采购的黄精来自9 个不同的产地，基本涵盖了黄精的主要产区。聚类分析和主成分分析结果表明，不同产地的黄精样品有一定的聚类性，由此推断，黄精中无机元素的含量差异与产地、生长环境等因素有一定的相关性；主成分综合得分的高低可间接反映药材的质量，可从无机元素的角度评价不同产地黄精的质量。

4 结论

本研究建立了ICP-MS 法同时测定黄精中29 种无机元素的方法，该方法准确度和精密度较好，灵敏度高，可用于黄精中29 种无机元素的质量控制。对9 个产区60 批黄精样品进行含量分析，可反映黄精中无机元素的整体情况，结合化学模式识别分析，发现黄精中无机元素的含量差异与产地具有一定的相关性，本研究可为黄精药材质量评价和质量控制提供参考。