礦物元素指紋圖譜的建立及在西洋參產地鑒別中的應用研究

張春華，陳春桃，陳 亮，韓必愷，李子宜，吳惠勤，黃曉蘭

(廣東省科學院測試分析研究所(中國廣州分析測試中心)，廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室，廣東省中藥質量安全工程技術研究中心，廣東 廣州 510070)

西洋參為五加科人參屬多年生草木植物西洋參(Panax quinquefolium L.)的干燥根，其味微苦，性涼，歸心、肺、腎經，有補氣養陰，清熱生津的功能，主治氣虛陰虧，虛熱煩倦，咳喘痰血，內熱消渴，口燥咽干[1]。西洋參又名西洋人參、洋參、花旗參、廣東人參，原產于加拿大和美國，上世紀80年代以來在我國引種成功，主要分布在吉林、山東、北京和陜西等地[2]。目前，我國已經成為世界西洋參第一大消費國，同時也是第二大生產國。不同產地西洋參的價格差別較大，特別是進口西洋參價格昂貴，一些不法商人受利益驅使，以國產西洋參假冒進口西洋參進行出售，擾亂了市場秩序。故建立西洋參的產地鑒定方法對規范西洋參藥材市場，保護消費者和生產者的權益具有重要意義。

植物依靠吸收土壤中的養分、礦物元素和水分而生長，不同產地的土壤存在差異，故植物中的礦物元素組成也存在差異。礦物元素和/或穩定同位素法結合主成分分析、聚類分析、線性判別分析等多元統計分析方法已被應用于糧食[3-5]、橄欖油[6-7]、葡萄酒[8]、茶葉[9-11]、水果[12-13]等的產地溯源研究，而采用礦物元素法鑒別西洋參產地的研究較少[14-15]。侯皓然等[15]為鑒別中國東北、美國和加拿大產西洋參，測定了西洋參中的28種礦物元素，最終篩選出Y、Fe和Ni 3個元素作為區分西洋參產地的判別分析模型指標。但該方法測定的樣品中礦物元素種類少，只篩選得到少數幾個元素作為有效指標，不能反映樣品中礦物元素全貌。

在前期研究中，本小組建立了山東產西洋參礦物元素指紋圖譜，并進行了實際應用[16-17]。為了應對國產西洋參冒充進口西洋參等產地造假問題，本文將西洋參產地擴展為山東、吉林、美國和加拿大4個，優化了元素分類和轉換系數，建立了4個產地西洋參的礦物元素標準指紋圖譜。采用SPSS 20.0軟件計算礦物元素指紋圖譜的相似度，確定山東、吉林、美國和加拿大產西洋參礦物元素指紋圖譜的相似度閾值分別為0.93、0.91、0.98和0.93，建立了山東、吉林、美國和加拿大產西洋參產地的鑒別模型。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

不同產地西洋參樣品：山東(22個，編號：SD01～SD15，X01～X07)、吉林(22個，編號：JL01～SD15，X08～X14)、美國(7個,編號：MG01～MG07)、加拿大(7個,編號：JND01～JND07)。所有樣品由廣東跑合中藥材電子商務有限公司提供或自北京同仁堂藥店、廣州采芝林藥店購買，部分西洋參樣品細分為主根和側根。所有西洋參樣品于60 ℃下烘干2 h，剪成顆粒，用中藥粉碎機粉碎，過二號篩(孔徑為850 μm)后，用樣品袋封裝，保存于干燥塔中。

P單元素標準溶液(1 000 μg/mL)，Ca、K、Mg、Na多元素標準溶液(100 μg/mL)，Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn多元素標準溶液(100 μg/mL)，La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y多元素標準溶液(100 μg/mL)購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心；Ag、Al、As、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cs、Cu、Fe、Ga、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Rb、Se、Sr、Tl、U、V、Zn多元素標準溶液(100 μg/mL)購自安捷倫科技有限公司;Sc、Mo、Hg、Rh、Re單元素標準溶液(1 000 μg/mL)購自國家鋼鐵材料測試中心。生物成分分析標準物質GBW10027(GSB-18 人參)購自國家標準物質網。

HNO3(68%)購自蘇州晶瑞化學股份有限公司；超純水為實驗室自制。

1.2 儀 器

Agilent 7700x ICP-MS電感耦合等離子體質譜儀(美國安捷倫公司)；WX-8000型微波消解儀和G-160型趕酸器(上海屹堯儀器科技發展有限公司)；TP-214型丹佛電子天平(美國丹佛儀器公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品消解取西洋參粉末0.5 g于聚四氟乙烯消解管中，加入5 mL濃硝酸，放置30 min后，置于微波消解儀中消解，按程序消解完全后，冷卻,趕酸器上120 ℃趕酸約20 min，消解液轉移至25 mL比色管中，用超純水定容至刻度。同時，按上述步驟消解制備全流程空白和人參質控樣品。

1.3.2 ICP-MS 儀器工作條件高頻發生器輸出功率：1 550 W；采樣深度：10 mm；霧化器：MicroMist；霧化室溫度：2 ℃；等離子體氣(氬氣)：15.0 L/min，輔助氣(氬氣)：0.8 L/min，載氣(氬氣)：0.8 L/min，補償氣(氬氣)：0.4 L/min，碰撞氣(氦氣)：4.3 mL/min(He模式)；內標元素Rh和Re通過T型三通管在線加入，蠕動泵轉速為0.1 r/s，監測質量數分別為：7Li、9Be、11B、23Na、24Mg、27Al、31P、39K、44Ca、45Sc、47Ti、51V、52Cr、55Mn、56Fe、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、69Ga、75As、78Se、85Rb、88Sr、89Y、95Mo、103Rh、107Ag、111Cd、118Sn、121Sb、133Cs、137Ba、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu、185Re、202Hg、205Tl、208Pb、209Bi。

1.3.3 數據處理采用Origin 7.5繪制礦物元素指紋圖譜；通過SPSS 20.0軟件的距離分析計算礦物元素指紋圖譜相似度。

2 結果與討論

2.1 方法準確度與精密度

ICP-MS以Rh和Re為內標，采用標準曲線法測定了西洋參中Li、Be、B、Na、Mg、Al、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Se、Rb、Sr、Y、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hg、Tl、Pb、Bi 50種礦物元素的含量。通過生物成分標準物質GBW10027(GSB-18 人參)驗證元素含量測定的準確性(表1)。結果顯示，該生物成分標準物質中不含Ga；Sn和Bi 的含量低，扣除空白后兩者的測定結果相差大或未檢出；Ti元素在硝酸消解體系中測得的只是酸溶解的含量，其值偏低；其它元素含量基本與證書顯示值相符。對生物成分標準物質中不含和只給出參考值的Sc、Ga、As、Ag、Sn、Sb、Eu、Tm、Lu和Bi 10種元素進行加標回收實驗，6次平行測試的平均回收率為81.2%～127%，相對標準偏差(RSD)為1.6%～6.6%。從生物成分標準物質及加標回收檢測結果可知，本方法測定西洋參樣品中50種元素具有良好的準確性和精密度。

表1 生物成分標準物質(GBW10027)證書值及檢測結果(n=6)

(續表1)

2.2 不同產地西洋參元素含量分析

山東、吉林、美國和加拿大4個產地的西洋參中礦物元素的平均含量結果見表2。由表2可知，4個產地西洋參樣品中含有大量必需元素K、P、Ca和Mg，其它微量必需元素如B、Na、Fe、Mn、Cu、Zn和Ni的含量均在0.6 mg/kg以上；4個產地西洋參樣品中的非必需元素，如Al、Ba、Sr、Ti、Ga、Cr和Rb的含量也在0.6 mg/kg以上；除以上元素外，僅山東產西洋參中的Ce含量大于1 mg/kg ，其他元素含量均小于1 mg/kg。

在測定的50種礦物元素中，K含量最高，為11.6～14.9 g/kg，其中，加拿大產西洋參中K含量最高，美國和山東產西洋參次之，吉林產西洋參中含量最小。測定結果顯示，K、P、Ca和Mg含量呈依次下降趨勢，其中P、Ca和Mg的含量范圍為1.33～3.06 g/kg；且P含量在加拿大產西洋參中最高，山東和吉林產西洋參中最小；4個產地西洋參的Ca含量差別不大，Mg含量在加拿大產西洋參中最高，其它3個產地含量差別不大。Al、Fe、Na和Mn含量為40～284 mg/kg，其中，Al和Fe含量在山東和美國產西洋參中較高，吉林和加拿大產西洋參中較低；Na和Mn含量在山東產西洋參中也較高。Ba、Zn、Sr、Ti、Ga、B和Cu含量為3.1～44.1 mg/kg，Ba在山東和美國產西洋參中含量均較高，Zn在山東產西洋參中含量最高，Sr和B在加拿大產西洋參中含量均較高，Ti、Ga和Cu在美國產西洋參中含量均較高。Ni、Rb和 Cr 含量為0.6～7.0 mg/kg，分別在山東、吉林和美國產西洋參中含量較高。16種稀土元素除Gd在加拿大產西洋參中含量較高外，其余均在山東產西洋參中含量較高。Be、Ag、Sn、Sb、Cs、Hg和Tl含量均小于50 μg/kg，部分元素甚至未檢出。

表2 不同地區西洋參樣品中礦物元素含量

(續表2)

2.3 礦物元素指紋圖譜的建立

與有機化合物指紋圖譜可由色譜圖直接得到不同，ICP-MS所測定的元素含量為一組獨立的離散數據，構建礦物元素指紋圖譜需將元素含量數據轉換為圖形。將測定元素按原子序數由小到大進行排序，以元素種類為橫坐標，其對應含量為縱坐標，繪制了山東、吉林、美國和加拿大4個產地西洋參的礦物元素-含量關系圖(圖1)。從圖1可以看到，4個產地的礦物元素-含量關系圖幾乎完全重疊，無法體現不同產地西洋參礦物元素指紋圖譜的差別。這主要是因為西洋參中不同元素含量范圍相差大，如其中K元素含量超過所有元素總和的60%，在礦物元素-含量關系圖的圖形中起了主導作用。

圖1 不同產地西洋參礦物元素-含量關系圖

為了展示礦物元素的差異，在構建不同產地西洋參礦物元素指紋圖譜時，根據前期的研究結果[16-17]并進一步優化，將礦物元素按平均含量(元素未檢出的含量以0代替)大小分為5類，并進行不同比例的縮小，元素分類和縮小系數見表3。分別以15批次山東和吉林、7批次美國和加拿大產西洋參元素含量的平均值建立各產地西洋參的礦物元素標準指紋圖譜，如圖2所示，礦物元素標準指紋圖譜能夠展示不同產地西洋參中礦物元素的差異，可應用于西洋參的產地鑒別。

表3 元素分類和縮小系數

圖2 不同產地西洋參的礦物元素標準指紋圖譜

2.4 西洋參產地鑒別模型的建立

在指紋圖譜的研究中，通常采用相似度評價不同指紋圖譜的差異。本文采用SPSS 20.0統計軟件計算西洋參中礦物元素指紋圖譜的相似度，構建礦物元素標準指紋圖譜的15批次山東和吉林、7批次美國和加拿大產西洋參與各產地礦物元素標準指紋圖譜之間的相似度見表4。山東、吉林、美國、加拿大產西洋參與其相應礦物元素標準指紋圖譜之間的相似度分別為0.934～0.993、0.911～0.992、0.984～0.997和0.925～0.991，其相似度均大于0.90，表明各產地西洋參與各自礦物元素指紋圖譜有較好的相似性。

將各產地西洋參的礦物元素指紋圖譜與礦物元素標準指紋圖譜的相似度最小值定義為相似度閾值，山東、吉林、美國、加拿大產西洋參礦物元素標準指紋圖譜的相似度閾值分別為0.93、0.91、0.98和0.93。在鑒別未知產地的西洋參時，按“2.3礦物元素指紋圖譜的建立”構建未知產地西洋參的礦物元素指紋圖譜，計算其與礦物元素標準指紋圖譜的相似度，若相似度高于某產地西洋參礦物元素標準指紋圖譜的相似度閾值且相似度越大，則判定屬于某產地，反之不屬于。

表4 不同產地西洋參與各產地礦物元素標準指紋圖譜的相似度

2.5 西洋參的不同生長年限對鑒別模型的影響

西洋參為多年草本植物，為研究生長年限對產地鑒別的影響，選取三年生和四年生山東產西洋參各8個，測定其礦物元素含量，以含量平均值建立三年生和四年生西洋參的礦物元素標準指紋圖譜。

采用SPSS 20.0 軟件計算不同生長年限山東產西洋參與各產地礦物元素標準指紋圖譜的相似度，結果見表5。三年生西洋參與四年生西洋參礦物元素指紋圖譜的相似度為0.989，說明兩者有很好的相似度。三年生、四年生西洋參與山東產和美國產西洋參礦物元素標準指紋圖譜的相似度均大于0.90，但與山東產西洋參相似度更高，為0.990和0.999，而與吉林和加拿大產西洋參的相似度均小于0.90。因此，雖然不同生長年限西洋參中的礦物元素含量有差別，但在建立的模型中對產地鑒別無影響。

表5 三年生和四年生山東產西洋參與各產地礦物元素標準指紋圖譜的相似度

2.6 未知產地西洋參樣品驗證結果

為了驗證建立的西洋參產地鑒別模型的準確性，選取未參與礦物元素標準指紋圖譜建立的山東、吉林及部分山東產西洋參的側根共20批樣品作為未知產地樣品，按建立的方法構建礦物元素指紋圖譜，分別計算其與山東、吉林、美國、加拿大產西洋參礦物元素標準指紋圖譜的相似度。

20批次西洋參中有17批次結果與實際產地相符，正確率為85%，總體較為滿意。編號為X01～X07的西洋參與山東和美國產西洋參礦物元素標準指紋圖譜的相似度均大于0.90，但都只達到了山東產西洋參礦物元素指紋圖譜的相似度閾值，均判定產地為山東，判定結果與實際產地相符；編號為X08～X11的西洋參測定結果判定產地為吉林，與實際產地相符；編號為X12～X14的西洋參實際產地為吉林，但其中X12判定產地為山東，X13和X14判定產地為加拿大，判定結果錯誤；6個山東產西洋參的側根樣品，均判定產地為山東，表明西洋參樣品的不同部位不影響本方法判定結果的準確性。

3 結 論

采用ICP-MS測定了山東、吉林、美國和加拿大產西洋參中50種礦物元素的含量，經數據轉換后，建立了各產地西洋參的礦物元素指紋圖譜和標準指紋圖譜，通過計算指紋圖譜的相似度，建立了西洋參的產地鑒別方法。研究表明不同生長年限和不同部位西洋參對建立的產地鑒別方法無影響。20批未知樣品的驗證結果正確率為85%。本文建立的礦物元素指紋圖譜法為中藥的產地鑒別提供了一種新方法。