ICP-MS 法同時測定辣木籽中22 種無機元素及主成分分析和聚類分析

牛延菲，曹紅云，徐 怡，張曉南，吳春華

（1.西南林業(yè)大學化學與工程學院，云南昆明 650224；2.云南省藥物研究所，云南昆明 650111）

辣木（Moringa oleiferaLam.）原產(chǎn)于印度及非洲的熱帶地區(qū)，為辣木科（Moringaceae）辣木屬（MoringaAdans.）的植物，是一種多年生熱帶落葉喬木，19 世紀初引種至我國，目前廣西、云南等地均有大面積種植[1]。辣木除栽培用于觀賞外，還有廣泛的食用和藥用價值[2?4]，2012 年我國衛(wèi)生部批準辣木葉為新資源食品。辣木籽為辣木的干燥成熟種子，種子近球形，除含有豐富的油脂、維生素、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分[5?7]，還含有黃酮類、酚苷類、多糖、維生素、生物堿、甾醇等多種活性物質(zhì)[8?10]，具有抗氧化[11]、抗炎[12]、抗腫瘤[12]、降血糖血脂[13]、護肝[14]等藥理作用，在食品、保健品、藥品、醫(yī)美等領域得到廣泛研究和開發(fā)。

植物無機元素與其功效、營養(yǎng)價值密切相關，研究其無機元素含量與分布，對于闡明傳統(tǒng)的藥理、毒理，進一步開發(fā)藥用資源具有重要的價值[15]。目前辣木籽研究大多針對其中化學成分的分離與鑒定，而對其無機元素的研究較少[16]，無機元素測定主要采用原子吸收光譜和電感耦合等離子發(fā)射光譜法，其中ICP-MS 法因其檢出限低、精密度高、準確性好及同時分析多元素等優(yōu)勢，在食品、藥學、化妝品等領域得到了廣泛的應用[17]。本文建立了微波消解法和ICP-MS 內(nèi)標法同時測定辣木籽（紅河州元陽、紅河州紅河、紅河州開遠、楚雄州元謀、德宏州芒市、楚雄州雙柏、昭通市巧家、昆明市東川、玉溪市元江、麗江市華坪10 個產(chǎn)地）中Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Mo、Ag、Cd、Sb、Ba、Hg、Tl、Pb22 種無機元素，同時從元素組學的角度建立無機元素特征圖譜，并對數(shù)據(jù)進行主成分分析和聚類分析，以期探索辣木籽中無機元素的組成，為該植物的進一步研究提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

辣木籽 采集紅河州元陽、紅河州紅河、紅河州開遠、楚雄州元謀、德宏州芒市、楚雄州雙柏、昭通市巧家、昆明市東川、玉溪市元江、麗江市華坪10 個產(chǎn)地的樣品，分別編號為S1～S10，由云南省藥物所究所正高級工程師蘇鈦鑒定為辣木科辣木屬植物辣木（Moringa oleiferaLam.）的干燥成熟種子；Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Mo、Ag、Cd、Sb、Ba、Tl、Pb 單元素和混合標準溶液（1 mg/mL） 美國Agilent 公司；Hg、Au 單元素標準溶液（1 μg/mL） 國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院；Sc、Ge、In、Bi 混合標準溶液（1 mg/L） 美國Agilent 公司；Li、Y、Co、Bi 調(diào)諧液（1 mg/L） 美國Agilent 公司；硝酸 UPS 級，蘇州晶瑞。

CEM Mars 6 高通量密閉微波消解儀 美國CEM 公司；Agilent 7700X 電感耦合等離子質(zhì)譜儀 美國Agilent 公司；AG285 電子天平 梅特勒-托利多公司；Advantage 10 Milli-Q 超純水發(fā)生器 美國密理博公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準溶液的制備 精密量取多元素混合標準品適量，用10%硝酸進行稀釋，配置成系列標準混合溶液，其中Na、Mg、K、Ca 和Fe 元素的質(zhì)量濃度為8000、16000、24000、32000、40000 μg/L；Al、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se 和Mo 元素的質(zhì)量濃度為80、160、240、320、400 μg/L；Ag、Cd、Sb、Ba、Tl、Pb 和Hg 元素的質(zhì)量濃度為8、16、24、32、40 μg/L。

1.2.2 內(nèi)標溶液的制備 精密量取Sc、Ge、In 和Bi 混合標準溶液適量，用水分別稀釋成1 μg/mL 的混合溶液，即得。

1.2.3 樣品消解 稱取本品粉末約0.3 g，置消解罐內(nèi)，加優(yōu)級純硝酸8 mL，加入100 μL Au 單元素標準溶液（質(zhì)量濃度：10 μg/L），混勻，過夜。置于高通量密閉微波消解儀內(nèi)進行消解，消解程序為：功率900 W，以5 ℃/min 速率自室溫加熱至90 ℃，保持10 min；功率1800 W，以3 ℃/min 速率加熱至125 ℃，保持15 min；以100%的功率，以3 ℃/min 速率加熱至180 ℃，保持30 min。待消解結(jié)束，冷卻，放氣，藥液由消解罐轉(zhuǎn)移至50 mL 量瓶中，用超純水定容至刻度，搖勻，離心，取上清液，即得。使用同法制備空白溶液。

1.2.4 儀器條件 使用濃度為1 mg/L 的調(diào)諧液Li、Y、Co、Bi 調(diào)諧，使ICP-MS 的各項參數(shù)均達到要求，即儀器射頻的功率為1500～1700 W、等離子體氣流速15.0 L/min、輔助氣的流速1.0 L/min、載氣的流速為0.8～1.1 L/min、耐鹽型霧化器溫度2 ℃、蠕動泵穩(wěn)定時間35 s。

1.2.5 測定法 測定時選取的同位素為23Na、24Mg、27Al、39K、40Ca、52Cr、55Mn、56Fe、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、75As、78Se、95Mo、107Ag、111Cd、121Sb、137Ba、202Hg、205Tl 和208Pb，其 中23Na、24Mg、27Al、39K、40Ca、52Cr、55Mn 和56Fe，以45Sc 作為內(nèi)標；59Co、60Ni、63Cu、66Zn、75As 和78Se，以72Ge 作為內(nèi)標；95Mo、107Ag、111Cd、121Sb 和137Ba，以115In 作為內(nèi)標；202Hg、205Tl 和208Pb，以209Bi 作為內(nèi)標。以各元素與內(nèi)標元素計數(shù)值的比率值為縱坐標，元素質(zhì)量濃度為橫坐標，繪制標準曲線，從標曲計算得各元素相應的濃度，同時扣除空白溶液的干擾。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究利用Excel 2010、SPSS 22.0 軟件進行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 方法學驗證

2.1.1 線性關系考察 取“1.2.1”項下多元素系列標準混合溶液，在“1.2.4”儀器條件下進行測定，以10%硝酸溶液為空白，依次測定，以多元素的質(zhì)量濃度（μg/L）為橫坐標、待測元素與內(nèi)標溶液檢測器響應值比值為縱坐標，繪制標準曲線，結(jié)果見表1。由表1 可見，Na、Mg、K、Ca、Fe 元素在0～40000 μg/L；Al、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Mo 元素的質(zhì)量濃度為0～400 μg/L；Ag、Cd、Sb、Ba、Tl、Pb、Hg 元素的質(zhì)量濃度為0～40 μg/L 范圍內(nèi)線性關系良好，相關系數(shù)r均大于0.999。

2.1.2 檢出限實驗 將空白溶液在“1.2.4”條件下連續(xù)測定11 次，以測定結(jié)果的3 倍標準偏差所對應的濃度值為22 種元素的儀器檢出限，結(jié)果見表1 檢出限在0.04～78.44 μg/L，滿足分析要求。

2.1.3 精密度試驗 取配制好的混合對照品溶液（Na、Mg、K、Ca、Fe 元素的質(zhì)量濃度為16000 μg/L；Al、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Mo 元素的質(zhì)量濃度為80 μg/L；Ag、Cd、Sb、Ba、Tl、Pb、Hg 元素的質(zhì)量濃度為24 μg/L），在“1.2.4”儀器條件下進行測定，連續(xù)測定7 針，RSD 值均小于5.0%，表明本法具有良好的精密度。

2.1.4 重復性試驗 精密稱取同一批號的樣品6 份，按照“1.2.3”前處理，在“1.2.4”儀器條件下進行測定。經(jīng)計算，檢出限以上元素的含量RSD%均小于5.0%，結(jié)果表明本法具有良好的重復性。

2.1.5 準確度試驗 精密稱取已知含量的樣品0.3 g，平行制備6 份，分別加入適量的標準溶液，按照“1.2.3”項下方法前處理，在“1.2.4”儀器條件下進行測定，計算回收率，結(jié)果見表2。經(jīng)計算22 種無機元素的回收率在80.13%～113.66%之間，RSD<10%，符合規(guī)定。

2.1.6 樣品測定 取10 個產(chǎn)地樣品，按照“1.2.3”項下方法前處理，在“1.2.4”儀器條件測定，結(jié)果見表3。根據(jù)結(jié)果分析，辣木籽中無機元素種類豐富，其中K、Mg、Ca、Zn、Fe、Na、Mn 等元素含量較高，尤以K、Mg 和Ca 含量最高，這提示辣木籽可作為補充K、Mg 和Ca 元素的食物來源。同時所采集的10 個不同產(chǎn)地的辣木籽As、Cd、Sb、Hg、Tl、Pb 有害元素含量較低，說明辣木籽中上述有害元素污染風險較低。

2.2 辣木籽無機元素指紋圖譜建立

表3 中含量數(shù)據(jù)表明，不同產(chǎn)地辣木籽均含有豐富的K、Mg、Ca 人體必需常量元素（>1000 mg/kg）；較高的Fe、Zn、Mn、微量元素（>10 mg/kg）；較低的As、Cd、Sb、Hg、Tl、Pb 有害元素（<0.2 ppm）。根據(jù)表3 辣木籽22 種無機元素含量測定結(jié)果，按照無機元素原子序號的順序繪制含量分布曲線，為便于同時呈現(xiàn)所有元素，參考相關文獻[17]把含量懸殊的元素縮小相同倍數(shù)（K、Mg、Ca 含量各縮小10 倍），詳見圖1。由元素指紋圖譜可見，10 個產(chǎn)地樣品中無機元素指紋圖譜具有相似的峰形，即各無機元素含量按原子序號順序在一定程度上呈現(xiàn)出有規(guī)律的高低分布，生成的共性無機元素譜可用于鑒別辣木籽。

2.3 主成分分析

剔除未檢出的元素，將14 種元素（Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Se、Mo、Ba）含量測定結(jié)果用SPSS 22.0 統(tǒng)計學軟件進行主成分分析，得到各主成分特征值、貢獻率及累積貢獻率（見表4），由結(jié)果可知，前4 個主成分的特征值均大于1，分別為4.66、3.22、2.26、1.19，對總方差的累積貢獻率達80.94%，能夠反映出大部分信息，故選擇前4 個成分進行分析。

表1 22 種元素回歸方程Table 1 Regression equation of 22 elements

表2 準確度試驗測定結(jié)果（n=6）Table 2 Accuracy measurement results (n=6)

旋轉(zhuǎn)成分矩陣圖見表5，其中第1 個主成分與Zn、Ca、Cu 呈正相關（相關系數(shù)均>0.8），第2 個主成分與Fe 呈正相關，第3 個主成分與Cr 呈正相關（相關系數(shù)>0.7），第4 個主成分與Ba、Al 呈正相關（相關系數(shù)>0.8），并且第1、第2、第3、第4 個主成分的累計方差貢獻率為80.94%，超過總方差的80%，所以推斷Zn、Ca、Cu、Fe、Cr、Ba、Al 是辣木籽的特征無機元素。

2.4 聚類分析

使用SPSS 22.0 統(tǒng)計學軟件，采用組間聯(lián)接方法、系統(tǒng)聚類分析法對10 批辣木籽樣品中22 種無機元素含量進行聚類分析，當歐式距離平方和為5 時，10 個樣品可分為兩大類，結(jié)果見圖2。其中，S5（德宏州芒市）單獨聚為一類，其余樣品為一類。對其余樣品進行細分，S4（楚雄州元謀）、S6（楚雄州雙柏）、S7（昭通市巧家）、S8（昆明市東川）、S10（麗江市華坪）可聚為一類，上述5 個產(chǎn)地均為金沙江干熱河谷區(qū)域；S2（紅河州紅河）、S3（紅河州開遠）、S9（玉溪市元江）可聚為一類，上述3 個產(chǎn)地均為紅河（元江）干熱河谷區(qū)域。聚類分析的結(jié)果表明，辣木籽無機元素的含量與環(huán)境、地域等因素具有相關性。

3 結(jié)論與討論

本研究開發(fā)建立了密閉微波消解、ICP-MS 內(nèi)標法同時測定辣木籽中的Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Mo、Ag、Cd、Sb、Ba、Hg、Tl、Pb22 種無機元素的檢測方法。其中，為排除Hg 元素的記憶和吸附效應，加入Au 元素成功抑制該效應；同時采用內(nèi)標補償法[17]，排除基體效應對多元素產(chǎn)生的抑制作用；最后，通過方法學驗證了該方法的準確性和可靠性。結(jié)果表明，本方法中的22 種元素的方程系數(shù)均大于0.999，儀器精密度RSD 均在5%以內(nèi)，加樣回收率在80.13%～113.66%之間，方法簡便、準確、可行。

表3 樣品測定結(jié)果（mg/kg，n=3）Table 3 Test results of samples (mg/kg,n=3)

圖1 無機元素指紋圖譜Fig.1 Fingerprint of inorganic elements

表4 各主成分特征值、貢獻率及累積貢獻率Table 4 The characteristic value,contribution rate and cumulative contribution rate of each principal component

表5 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 5 Rotating component matrix

無機元素尤其是某些微量元素在中藥材發(fā)揮藥效的過程中也具有重要的作用[18?19]。本研究中采用ICP-MS 法對辣木籽中22 種無機元素的含量進行測定，結(jié)果顯示，10 個產(chǎn)地的辣木籽中含有較豐富K、Mg、Ca、Na 人體必須的常量元素；較高的Fe、Zn、Mn、Cu 微量元素；檢出Al、Ni、Cr、Mo、Co 微量元素；很低的As、Cd、Sb、Hg、Tl、Pb 重金屬及有害元素。符合《中國藥典》四部（2020 年版）9302“中藥有害殘留物限量制定指導原則”中規(guī)定的重金屬及有害元素一致性限量指導值：藥材及飲片（植物類）Pb 不得超過5 mg/kg，Cd 不得超過1 mg/kg，As 不得超過2 mg/kg，Hg 不得超過0.2 mg/kg。

圖2 辣木籽聚類分析結(jié)果Fig.2 The cluster analysis results

綜合分析辣木籽無機元素指紋圖譜，云南10 個產(chǎn)地的辣木籽中含有較豐富K、Mg、Ca、Na 人體必須的常量元素；較高的Fe、Zn、Mn、Cu 微量元素；且均呈高鉀低鈉特征。K 有助于增強心臟動力、降低血壓，高鉀低鈉食物可促使鈉鹽排泄，調(diào)整細胞內(nèi)鉀鈉的比值，有益于高血壓防治[20]；Mg 是酶反應的重要配體之一，具有舒張血管而使血壓下降的作用，缺乏時導致細胞內(nèi)外的滲透壓平衡被破壞，引起高血壓和其它病變；Ca 是構(gòu)成骨骼及牙齒的主要成分，還有抗炎、消腫等作用[21]；Fe 在人體內(nèi)主要參與氧的運輸和造血過程，保持細胞的正常功能；Cu 參與鐵的代謝和紅細胞生成，維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能[22]；體內(nèi)缺乏Zn 影響人體的衰老；Mn 是超氧化物歧化酶的活性組分，改善脂質(zhì)代謝，維持血糖、血脂和血壓水平，對急性心肌缺血具有保護作用[23]。ICP-MS 作為一種準確、便捷的技術手段可用于藥材的有害重金屬元素[24?26]、有益微量元素[27]的質(zhì)量控制，不同產(chǎn)地辣木籽所含的無機元素與辣木籽具有治療心腦血管疾病、抗氧化等作用是相符合的[28?30]。本研究結(jié)果為進一步揭示辣木籽中富含的有益微量元素與治療心血管疾病的關系提供了有利數(shù)據(jù)。