馬蘭重金屬元素ICP-MS 及主成分聚類分析

王國凱，鄭 娟，郁 陽，劉勁松，王 諍，蔡百祥，王 剛

安徽中醫藥大學藥學院現代中藥安徽省重點實驗室，合肥 230012

馬蘭為菊科馬蘭屬植物馬蘭［Kalimeris indica(L.)Sch-Bip］的全草，全國分布廣泛［1］。具有清熱利濕，解毒消腫，涼血止血之功效。電感耦合等離子質譜法具有精密度好、靈敏度高、檢出限低、抗干擾能力強、線性范圍廣等優點，已廣泛應用于醫藥等多個分析領域［2］。本課題組前期對馬蘭進行了一系列相關研究［3-5］，本研究采用微波消解-ICP-MS 法測定不同產地馬蘭重金屬元素的含量，并運用主成分分析法［6］和聚類分析法［7］對含量進行分析和評價。結果說明ICP-MS 法快速、靈敏、準確，可作為馬蘭中重金屬元素含量分析方法，并為馬蘭的質量控制與安全評價提供參考依據。

1 材料與儀器

馬蘭具體產地見表1，經筆者鑒定為菊科植物馬蘭Kalimeris indica(L.)Sch-Bip 的干燥全草。憑證標本保存于安徽中醫藥大學天然藥化研究室。

iCAP-Q 電感耦合等離子體質譜儀(Thermo Fisher 公司);CP300 數控聚四氟乙烯電熱板(北京欣凱隆生物科技有限公司);MDS-8G 微波消解儀(上海新儀微波化學科技有限公司);CP225D 型十萬分之一電子天平(德國Sartorius 公司);Milli-Q gradient 超純水一體機(美國Millipore 公司)。

銅(Cu)、砷(As)、鉛(Pb)、鎘(Cd)單元素標準溶液(國家標準物質研究中心，質量濃度均為1000 μg/mL，50 mL);iCAP Q 調諧液(Thermo fisher 公司);優級純硝酸(上海國藥集團化學試劑有限公司，生產批號:20130713)、優級純過氧化氫(上海國藥集團化學試劑有限公司，生產批號:201301120);高純氬氣、氦氣(純度＞99.999%，);實驗用水均由超純水機制備(電阻率大于18.2MΩ)。

表1 馬蘭不同來源材料Table 1 Sample information of K.indica from different resources

2 實驗方法

2.1 樣品處理

取樣品適量于60 ℃下干燥12 h，按四分法取樣后，粉碎，過70 目篩，保存于干燥器內，備用。精密稱取樣品，置于聚四氟乙烯消化管中，加入10 mL 硝酸和2 mL 過氧化氫，通過優化最佳微波消解條件進行消解。消解完全后為澄清液體，消解液在電熱板上趕酸后冷卻至室溫，1%硝酸稀釋定容至50 mL 容量瓶，同時按上述方法做空白試劑。

2.2 ICP-MS 工作參數

ICP-MS 工作參數條件:射頻功率RF1550 W，等離子體氣流量14.0 L/min，輔助氬氣流量0.8 L/min，霧化器流量1.07 L/min，透鏡電壓16.8 V，掃描方式跳峰，分析模式全定量，重復采集數據次數3次，駐留時間20 ms，每個質量頻通道數3。

2.3 數據分析

［7］，采用SPSS19.0 軟件進行各重金屬元素間相關性分析，運用Spearman 等級相關系數法統計。

3 實驗結果

3.1 標準曲線

吸取適量Cu、As、Cd、Pb 混合標準儲備液，用1% HNO3溶液逐級稀釋為0、0.5、1、5、10、50 μg/L系列濃度，吸取適量Hg 標準溶液單獨配制，用1%HNO3溶液逐級稀釋為0、0.2、0.5、1、2、5 μg/L 系列濃度，配制成合適范圍的標準曲線。在優化的實驗條件下，采集空白和標準溶液系列，繪制各元素標準曲線。根據測定檢出限的方法，在優化的儀器條件下，空白溶液重復測定10 次，3 倍標準偏差(3σ)對應的元素濃度即為檢出限，結果說明Cu、As、Cd、Pb分別在0～50 μg/L、Hg 在0～5 μg/L 范圍內呈良好線性關系。

表2 標準曲線、相關系數及檢出限Table 2 Standard curve，correlation coefficient and detection limits

3.2 精密度試驗

取上述對照品溶液，平行取6 份，經測定計算各重金屬元素含量，精密度結果見表3。

表3 精密度實驗結果Table 3 The results of precision

3.3 重復性試驗

隨機抽取某一樣品粉末，平行稱取6 份，上述方法消解處理得供試品溶液，經測定計算各元素含量，重復性結果見表4。

表4 重復性實驗結果Table 4 The results of repeatability

3.4 加樣回收率試驗

采用標準加入法進行回收率試驗，分別取標準品溶液(Cu、As、Cd、Hg、Pb 終濃度分別10、10、10、1、10 μg/L)加入空白消解液中，按上述方法消解處理、稀釋，對樣品中的各元素進行加標回收，計算回收率。結果表明，所建立的分析方法回收率較好。

表5 加樣回收率實驗結果Table 5 The recovery of standard addition

3.5 元素含量測定結果

分別稱取不同批次的樣品，按樣品處理方法分別處理，測定15 批藥材的重金屬元素含量，結果見表6。

3.6 元素主成分分析與綜合評價

表7 相關數據表明馬蘭中As 和Cu、Cd 以及Pd表現出一定的負相關趨勢，其中和Cd 呈明顯負相關(P＜0.05)，反映出As 和Cd 具有一定程度的相互拮抗抑制的作用。其余元素間大多呈現正相關趨勢，但均未達到顯著性水平。運用SPSS19.0 軟件進行主成分分析得到兩個主要成分，統計結果見表8。

表6 重金屬元素含量測定結果Table 6 Contents of tested elements in K.indica

表7 元素相關性分析結果Table 7 The results of correlation analysis

表8 旋轉前后的特征值及方差貢獻率Table 8 Total variance explained

結果可知，在所提取的主成分1 和2 中，特征值都大于1，方差累積貢獻率達到64.96%。為了確定馬蘭樣品中重金屬元素各自所占的比例，由旋轉前后因子載荷矩陣可知，在第一成分中占比例較大的兩個元素是Cu 和Cd，在第二成分中占很大比例的是Hg 和Pd 兩種元素，統計結果見表9。又通過旋轉前后方差累積貢獻率可知，第一成分占較大比例，故Cu 和Cd 為馬蘭中特征重金屬元素。

表9 因子載荷矩陣Table 9 Factor loading matrix

將上述旋轉后主成分因子得分和方差貢獻率乘積之和相加，得出各產地馬蘭樣品中重金屬總因子得分F，其綜合評價函數為F=0.586F1+0.414F2，通過此函數公式算出不同產地馬蘭的綜合得分F以及排名，見表10。由數據可知，亳州市藥材市場、亳州2 以及宣城這三批次馬蘭樣品綜合得分排名前三，故綜合來看這三批次馬蘭樣品重金屬含量相比其它要高。

表10 成分因子以及綜合評價Table 10 Principal factor scores and comprehensive ranking

3.7 不同產地馬蘭重金屬元素聚類分析

為了更形象直觀的反應不同產地馬蘭重金屬含量的相關性和差異性，采用SPSS19.0 將上述主成分分析的結果進行變量聚類分析，結果見圖1。可將5個元素分為4 類:Cu ∕Hg、Pd、Cd 以及As，將這4類元素作為特征的變量，再進行聚類分析，見圖1。

圖1 15 批藥材的聚類樹狀圖Fig.1 Dendrogram of 15 batches of K.indica samples

由樹狀圖知，在閾值5 處，可將上述產地分為6類:S8/S15/S4，S2/S7/S14，S5/S6，S1/S13，S9/S12/S3/S10，S11。

4 結論

通過微波消解-ICP-MS 法測定不同產地馬蘭中重金屬元素的含量，并運用主成分分析法和聚類分析法對重金屬元素含量進行分析和評價。結果亳州藥材市場、亳州2 以及宣城市這三批次馬蘭樣品綜合得分排名前三。聚類分析說明馬蘭重金屬含量存在產地相似性。本研究為馬蘭的質量控制與安全評價提供參考依據。

參考文獻

1 Chinese Herbal Editorial Board，State Administration of Traditional Chinese Medicine，China.Chinese Herbal (國家中醫藥管理局中華本草編委會).Shanghai:Shanghai Science and Technology Press，2006，7:886-889.

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