電感耦合等離子體質譜法同時測定玉米須中26種無機元素*

陳廣云，金 鵬，陳小紅，李 佳，金 華

（淮安市食品藥品檢驗所，江蘇 淮安223000）

玉米須為禾本科植物玉蜀黍Zea maysL.的干燥花柱和柱頭，性甘味平，歸腎、胃、肝、膽經，具有利尿消腫、清肝利膽之功效，主治水腫、淋證、白濁、消渴、黃疸、膽囊炎、膽石癥、高血壓、乳癰、乳汁不通等[1]。同時，其具有較好的保健作用，民間常用于藥茶、藥膳中，可作為治療高血壓、高脂血癥、糖尿病的輔助藥物，具有較大的藥用和市場開發價值[2-4]。中藥無機元素的研究包括發現中藥作用機制、生物活性，尋找和開發新的藥用資源，以及中藥質量控制等重要方面。中藥玉米須中含有豐富的鉀（K）、鈷（Co）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鐵（Fe）等無機元素，同時含有鈣（Ca）、鈉（Na）、鎳（Ni）、鎂（Mg）、錳（Mn）、鉻（Cr）等人體必需的微量元素[5-6]。故本研究中運用電感耦合等離子體-質譜（ICP-MS）法同時測定玉米須中26種無機元素[硼（B）、Na、Mg、Al、K、Ca、鈦（Ti）、釩（V）、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、砷（As）、硒（Se）、鍶（Sr）、鉬（Mo）、鎘（Cd）、錫（Sn）、銻（Sb）、鋇（Ba）、汞（Hg）、鉈（Tl）、鉛（Pb）]含量，建立玉米須無機元素指紋圖譜，并通過聚類分析及主成分分析探討不同產地玉米須質量的相似性和差異性，為進一步開發、利用玉米須資源及評價玉米須品質提供基礎。現報道如下。

1 儀器與試藥

1.1 儀器

NexIon 350X型電感耦合等離子體質譜儀（美國PerkinElmer公司）；Multiwave 3000型微波消解儀（奧地利Anton Paar公司）；XS205型電子分析天平（瑞士Mettler Toledo公司，精度為十萬分之一）；Milli-Q型超純水處理系統（美國Millipore公司）。

1.2 標準物質與試藥

多 元 素（25種）標 準 溶 液（100μg/mL，批 號 為18D5095），混合內標溶液（Sc，Bi，Ge，In，100μg/mL，批號為18D7287），Hg元素標準溶液（100μg/mL，批號為GNM-SHG-002-2013），金元素（Au）標準溶液（1 000μg/mL，批號為166079-1），均購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心；硝酸（優級純，美國Merck公司）；水為自制超純水。10批玉米須樣品信息見表1，經江蘇省淮安市食品藥品檢驗所袁曉芳主任中藥師鑒定為正品。樣品使用前在60℃下干燥2 h，粉碎成粗粉。

表1 10批玉米須樣品信息

2 方法與結果

2.1 儀器工作條件

ICP-MS儀器參數：RF功率為1 100 W；載氣流量為0.90 L/min；輔助氣流速為1.2 L/min；等離子氣流速為15 L/min；霧化器泵速為24 r/min；掃描次數為20次；駐留時間為50 ms；積分時間為1 000 ms；掃描模式為跳峰；重復測定次數為3次；錐類型為鎳錐；分析模式為氦（He）碰撞模式；內標添加方式為液體混合用三通在線添加。

內標元素：測定時，選取同位素11B，23Na，25Mg，27Al，39K，44Ca，47Ti，51V，52Cr，55Mn，57Fe以45Sc為內標元素；59Co，60Ni，59Cu，66Zn，75As，82Se以72Ge為內標元素；88Sr，95Mo，111Cd，118Sn，121Sb，138Ba以115In為內標元素；202Hg，205Tl，208Pb以209Bi為內標元素。

微波消解程序：10 min內功率升至700 W，維持5 min，再在10 min內功率升至1 400 W，維持40 min。

2.2 溶液制備

標準貯備液：精密量取多元素（25種，Hg除外）標準溶液適量，用2%硝酸溶液稀釋成每1 mL含25種無機元素1μg的混合標準貯備溶液；另取Hg標準溶液適量，用2%硝酸溶液稀釋成每1 mL含Hg 1μg的標準貯備溶液。

標準溶液：精密量取上述25種無機元素混合標準貯備溶液適量，加2%硝酸溶液分別制成不同質量濃度的系列混合標準溶液（其中Na，Mg，Al，K，Ca元素質量濃度分別為0，50，100，200，500，1 000 ng/mL，其余元素質量濃度為0，10，20，30，100，500 ng/mL）；精密量取上述Hg標準貯備溶液適量，加2%硝酸溶液稀釋成每1 mL分別含0，0.2，0.5，1，2，5 ng的系列質量濃度標準溶液。

內標溶液：精密量取混合內標溶液和Au元素標準溶液適量，用2%硝酸溶液稀釋成每1 mL分別含混合內標50 ng、Au元素200 ng的混合溶液。

供試品溶液[7]：取玉米須樣品粉末0.5 g，精密稱定，置微波消解罐中，加硝酸5 mL，密閉，按2.1項下工作條件設定微波消解程序進行消解。消解后的樣品轉移至50 mL容量瓶中，用適量超純水洗滌消解罐3次，洗滌液并入容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，即得。如無機元素含量較高，可用2%硝酸溶液適當稀釋。同法制備空白試劑溶液。

2.3 方法學考察

線性關系考察：取2.2項下系列標準溶液，按擬訂工作條件，以各個元素測量的經內標校正的信號值為縱坐標（Y）、相對應的質量濃度（X）為橫坐標進行線性回歸，各元素線性方程及相關系數見表2。

精密度試驗：在2.2項下各元素線性范圍內，分別取質量濃度為500 ng/mL的25種無機元素混合標準溶液及5 ng/mL的Hg標準溶液，按擬訂工作條件重復測定6次，記錄信號值。結果的RSD均小于5%（n=6），表明儀器精密度良好。

重復性試驗：精密稱取樣品（編號S1）6份，按2.2項下方法制備供試品溶液，按擬訂工件條件測定，計算含量。結果的RSD均小于5%（n=6），表明方法重復性良好，符合分析要求。

加樣回收試驗：精密稱取樣品（編號S1）6份，每份0.25 g，分別精密加入一定量的26種元素標準溶液（Na，Mg，Al，K，Ca元素加入量為50μg，Hg元素加入量為250 ng，其余元素加入量為25μg），依法制備供試品溶液，按擬訂工作條件測定。結果加樣回收率為84.73%～110.61%，RSD為0.32%～4.57%（n=6）。

檢測限與定量限：取2%硝酸溶液，按擬訂工作條件連續進樣10次，以測定結果3倍的標準偏差所對應的濃度值作為各元素的檢測限，10倍標準偏差所對應的濃度計算各元素的定量限。結果見表2。

2.4 樣品含量測定

取上述10批玉米須樣品，依法制備供試品溶液，按擬訂工作條件測定含量。結果見表3。

2.5 無機元素指紋圖譜的建立

根據玉米須26種無機元素含量測定結果，按照無機元素原子序號的順序繪制含量分布曲線，將10批玉米須樣品無機元素含量分布曲線繪制在一起，為便于在同一圖中同時呈現各元素，把含量較高的元素同時縮小相同的倍數，使其數量級相同（Mg，Al，K，Ca，Fe含量各縮小100倍），詳見圖1。可見，10批樣品中除個別樣品無機元素指紋圖譜峰形有些許差異外，其他樣品具有相似的峰形，即各無機元素含量按原子序號順序在一定程度上呈現出有規律的波浪式分布[8]。樣品產地不同，含量有差異，根據這一共性可用于區別玉米須的無機元素指紋圖譜與其他藥材的無機元素指紋圖譜[9]。

表2 26種無機元素線性關系考察結果及檢測限與定量限（n=6）

表3玉米須樣品中26種無機元素含量測定結果（mg/kg，n=2）

圖1玉米須無機元素指紋圖譜

2.6 聚類分析

采用SPSS 22.0統計學軟件對10批玉米須樣品中26種無機元素含量進行聚類分析，采用組間聯接方法、平均Euclidean距離進行層次聚類。當平均Euclidean距離為5時，10批樣品共分為四大類，結果見圖2。其中，S3，S5，S9，S10聚為第一類；S7，S8聚為第二類；S1單獨聚為第三類；S2，S4，S6聚為第四類。結果顯示，同類間的無機元素含量結果相似度較高，不同類間的差異較大，且相同產地的玉米須樣品基本可聚為一類，表明產地因素對玉米須質量有一定影響。

圖2玉米須聚類分析結果

2.7 主成分分析

主成分分析是將多個指標化為少數幾個綜合指標的統計學方法，用少數幾個綜合指標反映大量原始指標的主要信息，可以起到降維、簡化問題的作用[10]。剔除部分未檢出元素后，將21種元素（B，Na，Mg，Al，K，Ca，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，As，Sr，Mo，Sn，Ba，Pb）的含量測定結果用SPSS 22.0統計學軟件進行標準化處理，結果記為X1～X21，詳見表4。將標準化的數據進行主成分分析，得到主成分特征值及貢獻率（見表5）、碎石圖（見圖3）及未旋轉因子載荷矩陣表（見表6）。

表4標準化處理結果

表5主成分特征值及貢獻率

圖3主成分分析碎石圖

由表6可見，未旋轉因子載荷矩陣是反映主成分與相關變量的相關系數，在主成分中各元素作用不同，所表現的重要程度不同[11]。第1主成分與Al，Ti，V，Cr，Fe，Co高度相關（相關系數均大于0.9），且第1主成分的方差貢獻率達到56.73%，故可認為Al，Ti，V，Cr，Fe，Co是玉米須的特征無機元素，對玉米須質量有較大影響。

表6未旋轉因子載荷矩陣

主成分特征值及貢獻率是選擇主成分的重要依據。由圖3可見，前3個主成分的特征值均大于2，分別為11.91，3.75，2.59，對總方差的累積貢獻率達86.90%，能較全面地評價玉米須樣品的品質，故選擇前3個成分進行分析。根據主成分的定義可知，主成分表達式中的系數應是各因子荷載所對應的特征向量。特征向量的計算公式為將表6中的數據除以各主成分相對應的特征值（λ）開平方根，便得到3個主成分中每個指標所對應的特征向量，結果見表7。主成分評價指標表達式為公式1）：

（i=1，2，3；R1，R2，R3……R21為表7中第1，2，3主成分所各自對應的特征向量值；X1，X2，X3……X21為表4中S1～S10樣品經標準化處理后的結果）

計算10批玉米須樣品中3個主成分的評價指標得分F1，F2，F3，由于各主成分的方差貢獻率不同，因此對于各主成分的評價應以各主成分特征值λ為權重，由各主成分得分和對應權重相乘求和來構建綜合評價函數，表達式為公式2）：

可計算出能基本反映原始樣本信息的綜合評價指標得分F值，并對F值進行排序，結果見表8。可見，S2，S4，S7和S8號樣品綜合得分較高，表明從無機元素角度評價，這4批樣品品質較好。

3 討論

本研究中采用ICP-MS法對玉米須中26種無機元素的含量進行測定，結果顯示，玉米須中K，Mg，Al，Ca，Fe，Zn等元素含量較豐富，與文獻[5-6]報道基本一致。K可增強肌肉韌性和心臟動力，降低血壓，減少心血管疾病的產生；Ca有消炎、消腫、抗過敏、解毒等作用；Mg具有舒張血管而使血壓下降的作用，同時Ca，Mg對人體的生長發育和生殖起重要作用[11]；Fe在人體內主要參與氧的運輸和造血過程，歸肝經藥含有豐富 的Fe[12]，這與玉米須歸肝經一致。含量測定結果也顯示，在中藥玉米須含有的微量元素中Mn含量最高，而Mn具有改善動脈硬化的功效[13]。以上結果表明無機元素與玉米須的功效之間存在著較強的關聯，同時也為玉米須資源的開發與利用提供了物質基礎。

表7各主成分對應的特征向量

表8各主成分得分分值、綜合得分分值及排序

同時，參照《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》[14]中有害元素限量（Cu≤20 mg/kg，As≤2 mg/kg，Cd≤0.3 mg/kg，Hg≤0.2 mg/kg，Pb≤5 mg/kg）。可見，S4號樣品中Pb元素含量超標，這可能與當地的植物生長環境及土壤污染程度有關，提示應加強中藥中重金屬及有害元素的監管。

本研究中根據玉米須中26種無機元素的含量測定結果，建立了玉米須無機元素指紋圖譜，并運用聚類分析與主成分分析，將無機元素作為整體，通過降維思想全面綜合評價玉米須的品質，并找出了影響玉米須品質的關鍵指標元素。