ICP-MS及其聯用技術在中藥無機元素的分析應用

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1.湖北醫藥學院附屬人民醫院重癥醫學科，湖北 十堰 442000；2.湖北醫藥學院生物醫藥研究院，湖北 十堰 442000；3.湖北醫藥學院南水北調水源地環境與健康研究中心，湖北 十堰 442000

電感耦合等離子體質譜(Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)技術是以獨特的接口技術將四極桿質譜儀的快速靈敏掃描的優點與ICP的高溫電離特性結合成的一種新型的元素分析技術[1]。ICP-MS進行元素分析時：處理好的樣品以溶液的氣溶膠的形式通過進樣系統被引入氬等離子體中心區，等離子體的高溫(8000K)使樣品進行去溶劑化、汽化、解離和電離；接口系統允許樣品能夠克服質譜儀與進樣系統之間的壓力、濃度和溫度的巨大差異而被有效的傳輸到質譜的真空系統；離子透鏡經過靜電控制聚焦離子，使得離子與未電離的中性離子、光子及電子分離；通過轉換質量分析系統的高頻電壓和電流，特定質荷比的離子即可到達檢測器并以電信號被檢測。通過與參考物質或標準比較，可以實現樣品中無機元素定性和定量分析。ICP-MS與其他技術聯用，如液相色譜、氣相色譜，則可實現元素形態分析，同位素分析等多種應用，進而更深入的研究無機元素的作用機理。

中藥是我國獨有的特色產業。中藥中的必需微量元素影響中藥藥效的發揮，而重金屬一般都是毒性元素，則應在規定的限度標準內。因此，對中藥中的微量元素和重金屬元素進行分析可為中藥的藥效、藥性及用藥安全提供更多的參考。在具體的元素分析中，傳統的元素檢測方法如分光光度法[2]和原子熒光光光譜法[3]的基體干擾較多，而且測定的元素種類有限；石墨爐原子吸收光譜法[4]雖然準確度較高但單次上樣也只能測定一種元素并且測定元素的種類有限，此外耗時而且成本較高；目前運用較多的電感耦合等離子體原子發射光譜法[5]可同時測定多種元素，但也具有光譜法的缺點，比如因靈敏度較低而不能分析某些痕量元素，并且只能分析元素含量，而不能用于元素形態的分析；ICP-MS則是具有干擾較少、線性范圍較寬、精密度較高、檢測限低以及多元素同時測定等多種優勢的分析技術，其幾乎可以分析元素周期表上除了放射性元素之外的所有元素。此外，該技術還可與多種前處理技術結合使用[6-7]，精簡中藥繁雜的前處理過程，最大限度的擴大使用范圍并減少基體干擾。除此之外，ICP-MS技術與多種不同分離技術融合[8-11]，從而針對微量元素及重金屬元素形態以及價態進行科學分析，其能提供精確的同位素信息和同位素比的測定更是其他元素分析方法所不具備的。因此，ICP-MS可為中藥材和中藥炮過程中微量元素和重金屬元素的控制提供更為全面、準確的參考信息。

1 ICP-MS在中藥領域的應用

中藥中存在多種微量元素，是中藥藥性和藥效量化的物質基礎；而中藥的生長環境，加工過程等都可能引入重金屬元素，有毒的重金屬元素在體內富集超過限量就會嚴重損害人類身心健康。中藥材療效獨特、資源豐富，但卻因產地眾多、礦源不同，質量差異很大。另外，中藥材本身基體復雜，并且微量元素和重金屬元素含量較低[12]。運用現代分析技術直觀得到元素含量和形態的變化，并找到特征元素，進而對中藥中的無機元素進行整體描述和評價，完善中藥無機領域研究的空白，為人類安全并有效的應用中藥提供更為準確的質量參考。ICP-MS及其聯用技術因其線性范圍較廣、檢測靈敏度較高、檢測限極低及可同時測定多元素的特點而廣泛應用于中藥元素的含量與形態分析，在中藥無機元素監控方面提供更準確的參考。

1.1 元素含量分析

1.1.1 ICP-MS應用于無機元素譜的建立 相對于復雜，動態的有機指紋圖譜，無機元素譜更多的是通過檢測含量等到的不同元素的點狀分布圖。無機元素譜直觀的揭示元素的種類和含量變化，有助于找到特征元素和洞悉元素整體變化態勢，進而對中藥質量進行更為全面的評價。無機元素譜的出現正是對中藥整體質量控制和質量評價的有力補充，運用統計學分析方法，篩選特征無機元素，并結合有效成分、藥理活性等因素，隨之產生的一系列評價模式與方法，極大的促進了中藥質量的科學研究。ICP-MS技術可以同時快速、準確地測定多元素的含量，在建立中藥材無機元素譜中占有無可替代的作用。運用ICP-MS針對不同地區的同種藥材進行多元素含量的同時測定并建立各地區的無機元素譜，通過分析各地區的無機元素譜的特征性和一致性建立該種藥材的特征無機元素譜，已廣泛應用于中藥材及制劑的質量控制，中藥材 產地溯源，中藥材炮制加工及工藝的研究[13-14]。目前，植物類中藥材無機元素研究種類可達40余種，基本涵蓋了常見的元素[15]；動物類藥材達35種[16]。參照無機元素譜，不僅可以比較單個特征元素的含量，也可以比較整體元素分布態勢，這在一定程度上提高了中藥質量控制的效率，也為中藥材質量控制提供了更為準確的參考。

1.1.2 ICP-MS應用于中藥材及制劑的質量控制 微量元素和重金屬元素含量的檢測是中藥質量控制的重要內容。中藥材中的重金屬元素會順著食物鏈最終在人體內蓄積，超過一定的限度就會引起各種病理性反應，甚至中毒。ICP-MS技術應用于中藥材中的重金屬元素的含量分析[17]，有利于加強中藥材的質量控制，保障中藥藥源的安全。有些中藥材具有某些相同的藥理作用，但他們也有自己獨特的功效，如果不加以區分，會導致藥材的藥理作用不能充分并合理的發揮，甚至是藥材混用、濫用等嚴重后果。常用的藥材鑒別方法很難對其進行鑒別，運用ICP-MS技術對中藥材中的多種微量元素進行分析，能夠在消耗較少的藥材樣品的情況下，快速、準確的測定藥材中多種無機元素的含量[18]，通過與標準品或無機元素譜比較即可對藥材進行鑒定。

目前《中國藥典》針對中藥制劑中某些重金屬元素已經制定了限定標準，嚴格控制中藥材和中藥制劑中重金屬元素含量，使其在限度標準內是中藥制劑質量控制的重要內容。然而，中藥制劑中無機元素的含量受原藥、配方、制劑工藝等多種因素的影響，要在較短的時間內檢測如此大量的樣本，選擇合適的檢測方法尤為重要。ICP-MS技術的低檢測限，高靈敏度，少干擾，多元素同時測定及可以結合其他的樣品前處理方法如微波消解法[19]等測定無機元素使用的特點為中藥制劑提供了更為準確、便利的的質量參考。此外，運用ICP-MS技術建立無機元素譜[20]，聯合數據統計分析，對中藥材及制劑中無機元素成分進行質量評價，可以快速、準確的對出廠藥材及制劑進行質量監控。中藥常常配伍使用，傳統的配伍都是以藥理、藥性為依據，而ICP-MS技術則通過測量中藥材中的無機元素的含量將中藥制劑的配伍的理論數字現代化，在一定程度上指導中藥制劑工藝的研發[21]。

1.1.3 ICP-MS應用于中藥炮制的研究 中藥炮制是國藥的特色內容，其目的則主要是增效減毒。炮制因改變了中藥物質基礎而改變中藥藥性、藥效及毒性。研究表明[22]，中藥炮制工藝多種多樣，炮制方法不同或多或少都會影響藥性，并且有些炮制方法可以直接影響無機元素含量的變化[23]。因此，研究中藥炮制過程前后無機元素含量變化，在一定程度上可以闡明其物質基礎的變化。運用ICP-MS技術追蹤中藥炮制過程中無機元素含量變化，特別是主成分微量元素和有害重金屬元素的含量變化，不僅可以進一步闡明中藥炮制的機理，并有利于更深入的研究其性味歸經對臨床作用的影響[23-24]。

1.1.4 ICP-MS應用于中藥產地溯源的研究 產地溯源是中藥材的質量控制的重要方面。中藥材中的有效成分，特別是必需微量元素會因原料的產地、氣候、采收時間的不同而導致其含量和種類不盡相同，導致藥材的品質大相徑庭，甚至發揮相反的藥效，這也正是藥材道地性形成的重要原因。運用ICP-MS同時測量藥材中的多種微量元素，結合統計學的分析方法，通過比較微量元素含量來區分是否為道地藥材是比較方便、快捷并準確的方法，而常用的藥材鑒別方法卻很難做到。ICP-MS技術從元素角度為藥材地域性的相關性、種屬親緣關系的鑒定及藥材的資源品質提供準確的數據參考[25-26]，較好地促進了中藥產地藥材的分型和鑒定，提高了中藥栽培的理論認識，豐富了中藥材的道地性理論，也揭示了對必需微量元素和有毒重金屬元素的把控和調節是中藥材品質的控制不可或缺的環節。現將ICP-MS在中藥無機元素含量分析中的應用列于表1。

續表1 表1 ICP-MS在中藥無機元素含量分析中的應用

綜上，作為中藥藥性物質基礎的重要組成部分，必需微量元素含量會直接關系到藥物的功效的闡明；而重金屬元素則為有毒元素，超過一定的限量則會損害人體健康，因此中藥的重金屬元素必須在一定的限度內，為用藥安全添加一道防火線。在具體的元素分析過程中，中藥中含有的無機元素種類豐富，基質復雜且含量差異大，而大批量、多元素的檢測對檢測方法提出了新的挑戰。ICP-MS技術高靈敏度、較寬的動態線性范圍，少干擾等優點能夠很好地克服中藥的成分復雜、微量元素含量低以及干擾因素多等困難；另外，ICP-MS多元素同時測定的特點允許在較短的時間內獲得中藥中微量元素和重金屬元素的信息。因此，ICP-MS在中藥元素質量控制與中藥無機元素譜的完善中將發揮巨大的應用價值，也將推動中藥整體質量控制研究將更加完善。

1.2 元素形態分析

1.2.1 ICP-MS應用于元素形態分析的概況 元素的生物有效性和毒性不僅與其濃度息息相關，也取決于其化學形態[27]，不同形態的元素毒性可能相差極大，單一總量控制的模式則會存在明顯的弊端。因此，確定關元素種類和含量后，進一步考察其發揮作用的形式如元素形態也非常必要。目前，單一的儀器或技術很難進行元素形態的分析，而隨著離子色譜、高效液相色譜等與ICP-MS聯用技術的發展，對于元素價態的分析方法也將日趨成熟。多價態元素的測定不僅豐富了ICP-MS的使用范圍，其關鍵是使藥物，尤其是中藥這一復雜體系的研究更為深入，更為中藥的臨床用中藥安全性奠定了更為堅實的基礎。劉威等[28]運用ICP-MS分析桂枝原藥中的24種微量元素的初級和次級形態，再結合統計學分析方法挖掘微量元素相關關系，這些研究可為桂枝的合理應用及質量控制提供指導和闡明傳統的藥理毒理提供科學依據。目前報道較多的的元素形態分析有砷和汞兩種元素，這兩種元素的不同形態導致毒性差別較大，運用ICP-MS獨有的元素形態分析性可使讓中藥元素分析提升到一個新的高度。

1.2.2 ICP-MS應用于元素形態分析的典型案例 砷元素存在于自然界中的形式復雜，形態不同導致其毒性各異。無機砷可分為五價砷(As5+)和三價砷(As3+)，毒性都很強；有機砷則有單甲基砷酸(MMA)和二甲基砷酸(DMA)，也都有一定毒性，但毒性遠小于無機砷；而其它存在形式的砷如砷甜菜堿(AsB)、砷膽堿(AsC)、砷脂(AsL)及砷糖(AsS)卻幾乎無毒[29]。ICP-MS因其有ppt級靈敏度可為砷的多種形態的測定提供足夠的靈敏度和檢出限。李麗敏等[30]運用高效液相色譜-電感耦合等離子質譜聯用技術建立了As3+、As5+、MMA、DMA、AsC和AsB6種不同形態砷的分析方法，并對5種含雄黃復方制劑中的可溶性砷的形態進行分析，結果顯示中藥復方制劑不同，酸可溶性砷的總量呈現不同比例關系，這表明可溶性砷有毒形態的溶出可能受到復方制劑中存在的某些成分的抑制。汪建君等[31]采用高效液相色譜-電感耦合等離子質譜聯用技術測定了澤瀉、雞血藤、金銀花3味中藥中砷形態的殘留情況，結果顯示澤瀉檢出少量As3+和As5+，雞血藤則均未檢出As3+、DMA、MMA、As5+，金銀花檢出少量的As3+、DMA及As5+。因此，為了闡明砷的作用機理，不僅要測定含砷總量更要研究分析砷的形態，以綜合評價砷毒性。

正如砷元素，不同形態的汞元素毒性差異也較大：無機汞如一價汞(Hg+)和二價汞(Hg2+)，是汞元素的主要毒性形態，毒性非常強；有機汞如甲基汞(MeHg)和乙基汞(EtHg)，因其具親脂性和生物放大效應則毒性更強，其中又以甲基汞的毒性為最強[32]，因其具極強的生物親和力則更容易進入體內，主要侵犯中樞神經系統導致視野收縮、運動性共濟失調、末梢感覺錯亂等。此外，甲基汞還可以透過胎盤屏障，嚴重損害胎兒腦細胞的發育[33]。根據不同形態的毒性強弱，目前Hg殘留高風險的品種有：金錢白花蛇、蘄蛇、蜈蚣、烏梢蛇；As殘留高風險的品種有：蘄蛇、地龍、九香蟲、烏梢蛇。但是，值得注意的是重金屬總量與形態并非呈簡單的正相關。駱驕陽等[34]運用高效液相色譜-電感耦合等離子質譜聯用技術分析動物藥中汞和砷元素形態殘留，分析結果顯示，31種藥物均檢測到Hg2+，其含量為2.39～6567 μg/kg；12種動物藥總共33個批次檢測到MeHg，其含量為2.83～319.7 μg/kg；而所有的動物藥樣品中均未檢測到EtHg形態。

綜上，在中藥微量元素質量控制和研究中，ICP-MS結合統計分析是一種極具優勢的方法。元素在中藥中的存在形態十分復雜，微量元素的各種形態的生理活性各不相同，不同形態重金屬元素的毒性也各異。另外，不同形態元素的含量以及各種形態微量元素比例的關系與其藥效，藥性及毒性都密切相關。因此，在中藥質量控制及其質量評價的過程中，必須充分考慮元素元素的含量、形態、同一種元素各形態之間的比例及元素與有機成分之間的相互平衡和相互作用。綜上可以預見，運用ICP-MS及其聯用技術研究含中藥中必需微量元素、有害重金屬元素及其形態對人體作用機理必將成為今后中藥研究領域的熱點。

1.3 常見問題及解決方案 當今，ICP-MS是多元素測定領域中最為快捷、方便和準確的元素分析手段之一。ICP-MS具有極低的檢出限、很高響應的靈敏度、比較寬的線性范圍和多元素同時測定的優點，因此，其在中藥元素測定的應用地位毋庸置疑。然而精密儀器對測試環境及樣品處理要求極高，所以在實際應用過程中存在的干擾不容忽視，這也是保證結果準確的一個不容忽視的重要環節。而在運用ICP-MS測定元素的過程中，基體效應和信號波動，雙電荷離子、氧化物、同量異位素、多原子離子干擾是比較常見的問題，當然也有比較成熟的經驗去克服這些干擾。應用內標可以有效的校正信號波動，質量數接近的元素受基體效應和信號波動的影響大小相近，所以應以質量數接近的元素為內標，如果進行多元素分析時則可以根據需要選擇多內標[35]；ICP-MS的碰撞/反應模式可以消除多原子離子干擾，通過測定穩定的另一同位素來校正相鄰元素間同量異位素可能引起的干擾[36]。基體效應可通過同位素稀釋、與基體匹配的標準或更簡單的方法如稀釋樣品等改善[37]。針對氧化物的干擾也有多種方法，如減小氧化物形成區與截取錐之間的距離，減緩霧化氣流速度，提高霧化效率或提升等離子體的溫度等措施均使其低于可接受的水平。相比而言，雙電荷離子干擾則較為少見，通常可以通過儀器校正或清洗進樣系統解決。記憶效應則可通過減小先于樣品引入高濃度標準物的濃度加以控制，此外，優化等離子體操作條件如功率、基體濃度等亦可減小記憶效應[1]。

2 ICP-MS聯用技術的發展及展望

運用ICP-MS分析樣品時，樣品前處理是非常重要的環節，不僅使待測組分從復雜樣品中分離成便于測定的形式，亦可除去對分析測定有干擾的基體物質，確保我們能夠正常使用儀器和得到更為準確的數據。所以，研究合適的樣品前處理技術來富集目標分析物，同時分離基體，進一步提升方法的分析性能，為中藥元素研究奠定中重要的基礎。目前，樣品前處理技術如誘導燃燒、液液萃取、固相萃取、樹脂預富集、超聲輔助與微波消解等，均可有效減少非目標元素的對分析過程的干擾[38]。目前，報道較多的是微波消解前處理技術，即將消解液和樣品封閉在容器中，利用微波加熱使之增壓最終允許各種樣品快速溶解的濕法消化法，因樣品在密閉容器內高溫高壓條件下反應決定了其低空白、完全及快速的優點。雷超海等[39]將4種動物類中藥用HNO3-H2O2微波消解后，運用ICP-MS法同時分析其中的多種元素，該方法快捷、簡便和準確，該結果可為進一步控制中藥材的質量安全及繼續開發利用提供技術參考。綜上可知，前處理技術的發展將會使ICP-MS技術在中藥的研究領域擁有更廣闊的的應用。

ICP-MS技術在元素元素檢測中占有不可替代的地位，而ICP-MS聯用技術的發展，將其應用提升到了一個新的高度。ICP-MS技術與液相色譜(Liquid chromatography，LC)、離子色譜(gas chromatography，IC)、氣相色譜(gas chromatography，GC)、氫化物發生(hydride generation，HG)等技術聯用，已被被廣泛用于元素的含量分析與形態分析；而ICP-MS技術與毛細管電泳(capillary electrophoresis，CE)、激光燒蝕(laser ablation，LA)等技術聯用使得分析范圍從整體分析到微區及表層分析。而目前中藥領域報道較多的是LC-ICP-MS的聯用技術。LC-ICP-MS聯用技術有如下特點：測定范圍較廣，檢測限較低；分離程序和步驟快速、簡便，減少元素形態改變而被直接檢測；系統比較封閉，可避免污染干擾，提高分析效率。應用范圍主要集中在2個方面：經LC快速分離基體后ICP-MS實現無干擾在線含量分析；元素形態分析。因此，LC-ICP-MS已被廣泛用于多種領域的微量及痕量元素的形態分析[40]。目前，ICP-MS及其聯用技術已涉足研究中藥元素的含量測定、無機指紋圖譜方面研究、微量元素與藥效的關系、重金屬元素形態與毒理學的關系等多個方面，但除了在元素含量測定方面，其他方面研究還不夠深入。

隨著藥物作用機理研究的深入，ICP-MS在藥物研究領域，尤其是中藥研究中將越來越普及，有逐步取代AAS、AFS和ICP-AES來測定元素的含量的趨勢。而ICP-MS聯用技術的發展則會將其在中藥，甚至是整個醫藥領域的應用推向一個新的高度。