X射線熒光光譜法快速比較黃精根莖及須根有害元素含量

唐敏，韓偉丹，王麗君，趙丹，徐芳輝*（.益陽醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，湖南 益陽 43000；.北京安科慧生科技有限公司，北京 065500）

黃精的藥用部位是滇黃精Polygonatum kingianumColl.et Hemsl、黃精Polygonatum sibiricumRed（又名雞頭黃精）和多花黃精Polygonatum.Cyrtonema.Hua 的根莖[1]，其須根一般都舍棄而未被利用，有研究表明多花黃精的須根有類似于其根莖的藥效學(xué)作用[2]，所以黃精須根有望被作為新資源進(jìn)行開發(fā)利用。近年來，黃精藥用價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)保健等價(jià)值不斷被挖掘，其市場(chǎng)需求逐年增加[3]，這也就導(dǎo)致了黃精資源的供需矛盾。隨著3 種黃精基原植物蘊(yùn)藏量的急劇下降[4]，須根的開發(fā)利用受到了廣泛關(guān)注。但也存在一定的問題，例如多花黃精須根的灰分含量不符合藥典標(biāo)準(zhǔn)[5]，推測(cè)可能是由于須根與土壤接觸面積大，礦物質(zhì)沉積更多所致[6]。此外，2020年版《中國藥典》實(shí)施以來，有害元素的檢測(cè)成為食品和藥品質(zhì)量安全保障的主要控制方面之一，比較黃精須根和根莖之間有害元素含量差異的研究尤為必要，同時(shí)還可為黃精須根各元素富集作用以及元素轉(zhuǎn)移能力的研究提供科學(xué)依據(jù)。

目前，有害元素定量分析常用原子熒光光度法、原子吸收光譜和電感耦合等離子體質(zhì)譜進(jìn)行檢測(cè)[7]，其靈敏度高、精密度好，但對(duì)前處理要求高，周期較長(zhǎng)，分析費(fèi)用高，獲得的元素信息有限[8-10]。X 射線熒光（X-ray fluorescence，XRF）光譜技術(shù)是一種利用樣品對(duì)X 射線的吸收來測(cè)定樣品中元素的方法[11]，其原理是隨樣品中元素及其含量的變化來進(jìn)行定性或定量。目前，XRF 光譜技術(shù)因測(cè)定快速、測(cè)量范圍廣、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高、樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單、非破壞性以及譜線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土壤、茶葉、材料等方面[12]，同時(shí)也可用于中藥的檢測(cè)[13]。XRF 可同時(shí)定性和定量測(cè)定檢測(cè)樣本內(nèi)的多種元素，而且簡(jiǎn)單快捷，特別適合于復(fù)雜樣品，因此越來越被重視，應(yīng)用也越來越廣泛[14]。本研究采用高靈敏度X 射線熒光光譜儀（PHECDA-PRO）分析黃精根系附著的背景土壤、藥用部位根莖以及須根中有害元素及其他元素的含量，研究黃精須根作為新資源利用是否存在有害元素含量超標(biāo)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 儀器及試藥

高靈敏度X 射線熒光光譜儀（PHECDA-PRO，北京安科慧生公司）；769YP-15A 粉末壓片機(jī)（天津市科器高新技術(shù)公司）；101-0 電熱鼓風(fēng)干燥箱（北京科偉永興儀器有限公司）；A11 basic 破碎機(jī)（德國IKA 公司）；AM420 行星式球磨儀（北京螞蟻源科學(xué)儀器有限公司）。NCS141993 多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 μg·mL－1，鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司）；硼酸（純度≥99.5%，北京現(xiàn)代東方科技發(fā)展有限公司）。

1.2 樣品制備

6 批新鮮黃精樣品，采自湖南益陽，采樣時(shí)連同黃精植株地下部分的背景土壤一并采集，經(jīng)益陽醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校中藥教研室徐芳輝老師鑒定為雞頭黃精Polygonatum sibiricumRed（編號(hào)1、2、3、4、5、6），留樣保存在益陽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校中藥教研室。將雞頭黃精根莖與須根分離，清洗干凈，根莖切片后與須根置于烘箱中，65℃條件下烘干，烘干后用破碎機(jī)破碎成粉末，進(jìn)一步用球磨機(jī)磨成細(xì)粉，過80 目篩，取樣3 g 在壓力20噸保壓1 min 條件下進(jìn)行壓片，完成制樣（過程見圖1）。土壤樣品取200 g 放入破碎機(jī)中進(jìn)行破碎，過篩（50 目），去除非代表性樣品（如石子、其他植物須根等），繼續(xù)均勻破碎，過80 目篩得到土壤供試樣品，混勻裝入密封袋中，保存?zhèn)溆谩７謩e取土壤樣品5 g 左右放入樣品杯中，手動(dòng)壓實(shí)，完成制樣，編號(hào)后置干燥器內(nèi)保存，待測(cè)。

圖1 雞頭黃精樣品制備過程Fig 1 Sample preparation process of Polygonatum sibiricum Red

土壤質(zhì)控樣品（治金部天津地質(zhì)研究院）；黃芪質(zhì)控樣品（地球物理地球化學(xué)勘察研究所）。

1.3 樣品檢測(cè)

選取土壤質(zhì)控樣品（GSS-24）和黃芪質(zhì)控樣品（GBW10028）進(jìn)行質(zhì)控測(cè)定，測(cè)試時(shí)間8 min/個(gè)，采用Fast FP 算法作為分析方法。土壤和藥材的儀器條件分別見表1及表2。

表1 土壤元素檢測(cè)條件Tab 1 Instrument operating conditions for the elements of soil

表2 雞頭黃精根莖、須根元素檢測(cè)條件Tab 2 Instrument operating conditions for the elements in rhizome and fibrous root of Polygonatum sibiricum Red

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值表示，數(shù)據(jù)處理軟件為Graphpad prism 軟件，采用t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。層次聚類分析加主成分分析采用Simca-P 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 準(zhǔn)確度試驗(yàn)

選取土壤質(zhì)控樣品（GSS-24）和黃芪藥材質(zhì)控樣品（GBW10028）進(jìn)行測(cè)定（暫無雞頭黃精藥材質(zhì)控樣品），土壤和藥材質(zhì)控樣品平行檢測(cè)3 次，檢測(cè)結(jié)果見表3。質(zhì)控土壤樣本的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相差相對(duì)較小，質(zhì)控藥材樣品的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相差較大，可能是質(zhì)控藥材樣本中組織之間元素含量差異大而造成的元素分布均勻性不高造成的。

表3 土壤和藥材質(zhì)控樣品部分元素含量檢測(cè)結(jié)果(mg·kg－1，n ＝3)Tab 3 Determination of some elements in soil and medicinal materials quality control samples (mg·kg－1，n ＝3)

2.2 重復(fù)性試驗(yàn)

取1 號(hào)雞頭黃精根莖部位作為樣品壓片6 份，Cu、As、Pb、Cd 元素含量的RSD分別是8.1%、14.3%、11.9%、6.6%，結(jié)果顯示方法重復(fù)性較好（＜15%）。

2.3 精密度試驗(yàn)

取1 號(hào)雞頭黃精根莖壓片，平行檢測(cè)6 次，Cu、As、Pb、Cd 元素含量的RSD分別為4.8%、11.3%、9.5%、6.6%，結(jié)果顯示儀器精密度較好（＜15%）。

2.4 校準(zhǔn)曲線的測(cè)定

選取5 個(gè)土壤質(zhì)控樣品GBW（E）07004、GBW（E）07003、GBW07409、GSS-13、GSS-16，依次完成測(cè)試，用于土壤樣品檢測(cè)校準(zhǔn)曲線的制訂；取適量100 μg·mL－1NCS141993 多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋制成質(zhì)量濃度梯度為0、0.2、0.5、1.0、2.0、5 μg·mL－1的溶液，依次完成測(cè)試，用于藥材樣品檢測(cè)校準(zhǔn)曲線的制訂，其中Cu、As、Pb、Cd 元素的校準(zhǔn)曲線見表4。

表4 Cu、As、Pb、Cd 元素的校準(zhǔn)曲線Tab 4 Calibration curve for the Cu，As，Pb and Cd

2.5 雞頭黃精樣品檢測(cè)

測(cè)試過程中雞頭黃精樣品出峰情況及峰形擬合情況見圖2，可見元素出峰明顯，且峰形擬合較好，背景扣除合理。

圖2 雞頭黃精樣品譜圖Fig 2 Spectrogram of elements in the samples

雞頭黃精樣品及背景土壤中的Cu、As、Pb、Cd 4 種有害元素結(jié)果比較見圖3。雞頭黃精非藥用部位須根中4 種元素的含量均顯著高于用藥部位根莖?？紤]到根莖和須根對(duì)土壤中有害元素的富集情況，列出了背景土壤中的4 種有害元素，結(jié)果顯示雞頭黃精根莖的Cu、As、Pb、Cd 均顯著低于背景土壤，但須根中的Cu 和Cd 的含量超出了背景土壤，說明須根對(duì)Cu 和Cd 元素的富集比較強(qiáng)。

圖3 各供試品中Cu、As、Pb、Cd 的比較Fig 3 Cu，As，Pb，Cd in samples

對(duì)雞頭黃精根莖和須根32 種元素的XRF 檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，層次聚類分析（見圖4A）結(jié)果顯示根莖組和須根組能明顯區(qū)分開來，形成兩簇，包括Cu、As、Pb、Cd 等多種元素在須根組中呈加強(qiáng)趨勢(shì)。使用主成分分析（PCA）對(duì)根莖組和須根組進(jìn)行降維分析發(fā)現(xiàn)（見圖4B），兩個(gè)不同部位組之間存在明顯差異，其趨勢(shì)結(jié)果與熱圖一致，說明雞頭黃精須根中多種元素含量高于根莖部位。

圖4 雞頭黃精根莖和須根元素含量的層次聚類分析（A）及主成分分析（B）圖Fig 4 Clustering（A）and PCA（B）analysis of element contents in rhizome and fibrous root of Polygonatum sibiricum Red

2020年版《中國藥典》規(guī)定限值Cu 為20 mg·kg－1、As 為2 mg·kg－1、Pb 為5 mg·kg－1、Cd 為1 mg·kg－1。結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，6 批雞頭黃精根莖樣品中As、Pb、Cu、Cd 均在限值以內(nèi)，滿足要求。但須根的Cu、Cd 均超過限值，1 號(hào)須根樣品As 超標(biāo)，4 號(hào)須根樣品Pb 超標(biāo)，表明雞頭黃精須根存在Cu 和Cd 含量明顯超標(biāo)情況，同時(shí)As 和Pb 存在超標(biāo)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，被檢測(cè)的樣品土壤中Cd 含量雖沒有超出風(fēng)險(xiǎn)管控限值，雞頭黃精根莖部位也未有超出藥典檢測(cè)限值，但雞頭黃精須根樣品中表現(xiàn)出明顯的Cd 含量超標(biāo)。

3 討論

隨著黃精需求量的逐漸增大，黃精的價(jià)格逐年攀升，其藥材資源量匱乏問題日益凸顯。黃精的須根屬于非藥用部位，但其所含成分及藥效與藥用部位根莖極其相似，有可能被作為新資源加以開發(fā)利用。考慮到須根對(duì)重金屬元素的富集可能高于其他器官，如胡蘿卜須根Cd 含量明顯高于其塊根含量[15]，黃精須根的有害元素含量分析顯得尤為必要。本研究結(jié)果顯示雞頭黃精須根的有害元素含量明顯高于根莖，其中全部須根樣品Cu、Cd 均超過限值，部分須根樣品As、Pb 超出限值，所以雞頭黃精須根存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，在作為新資源開發(fā)時(shí)須持謹(jǐn)慎態(tài)度。在本試驗(yàn)中，由于有害重金屬元素Hg 在藥材質(zhì)控樣品黃芪中沒有檢出，且XRF 對(duì)Hg 元素的檢測(cè)穩(wěn)定性不強(qiáng)，所以本研究中Hg 檢測(cè)結(jié)果未被列出分析，但會(huì)在后續(xù)的研究中結(jié)合原子吸收光譜和電感耦合等離子體質(zhì)譜對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)分析。本研究結(jié)果還顯示多種元素在土壤樣本中的均一性大于藥材樣本，推測(cè)其原因與藥材中不同組織對(duì)各元素富集的能力強(qiáng)弱有關(guān)。

在藥材樣品制備過程中，粉末顆粒粗細(xì)程度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，建議用球磨機(jī)處理藥材粉末以達(dá)到較好的均勻性。為了防止其他外部金屬元素干擾，本實(shí)驗(yàn)過程中采用了陶瓷刀作為破碎工具組件，雖然暫無相關(guān)報(bào)道，但在以后的研究中也會(huì)對(duì)該因素進(jìn)行考察。XRF 光譜法檢測(cè)過程中，樣品處理階段無需微波消解，直接粉末制樣，可為中藥材質(zhì)量實(shí)時(shí)分析提供一種快速的檢測(cè)手段[16]。