珍稀瀕危植物桫欏中無機組成元素的研究

江 波，唐莉娟，黃建華

1.長江師范學院生命科學與技術(shù)學院，重慶 408100 2.桂林市公安局刑偵支隊，廣西 桂林 541213 3.湖南中醫(yī)藥大學藥學院，湖南 長沙 410208

珍稀瀕危植物桫欏中無機組成元素的研究

江 波1，唐莉娟2，黃建華3*

1.長江師范學院生命科學與技術(shù)學院，重慶 408100 2.桂林市公安局刑偵支隊，廣西 桂林 541213 3.湖南中醫(yī)藥大學藥學院，湖南 長沙 410208

建立測定珍稀瀕危植物桫欏中無機組成元素含量的分析方法。通過閉密微波消解對桫欏樣品進行處理，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法測定其中的Na，Mg，Al，P，K，Ca等6個常量元素，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測定了其中的V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb等10個微量元素。優(yōu)化并確定了儀器的最佳工作條件，通過在樣品溶液中添加低濃度鹽酸確保了待測元素Hg在樣品溶液中的穩(wěn)定性，采用多譜擬合(MSF)技術(shù)消除了ICP-OES測定過程中的光譜干擾，采用動態(tài)反應池(DRC)技術(shù)校正了ICP-MS測定過程中的質(zhì)譜干擾。在選定的工作條件下，各元素標準曲線線性關(guān)系良好，方法的檢出限在1.87 ng·L-1～12.31 μg·L-1之間。采用本法對標準物質(zhì)NIST SRM1457(桃葉)進行測定，分析結(jié)果與標準物質(zhì)所提供的參考值基本一致。兩種桫欏樣品的分析結(jié)果顯示，桫欏葉中元素Na，Mg，K，Ca，Al，P的含量較高，而元素K的含量最高，表明桫欏對元素K具有很強的富集能力。元素V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Cu，Zn含量較低，桫欏葉中重金屬元素Ni，Cd，Hg，Pb的含量極低，表明桫欏的野外生態(tài)環(huán)境良好。該方法具有操作簡單、分析速度快、準確性和精密度好等特點，可為珍稀瀕危植物桫欏中無機組成元素含量的檢測提供科學依據(jù)。

桫欏； 無機組成元素； 電感耦合等離子體發(fā)射光譜； 電感耦合等離子體質(zhì)譜

引 言

桫欏(Alsophilaspinulosa(Wall.ex Hook.) R.M.Tryon )又稱樹蕨，為桫欏科桫欏屬的大型木本蕨類植物，是侏羅紀時期與恐龍同代的一種珍稀孑遺植物，是世界上最古老的活化石和目前僅存的幾種珍稀蕨類植物之一，它對研究古氣候與植物起源、進化和植物地理區(qū)系具有重要價值[1]。目前，有關(guān)桫欏的研究主要局限于其種群分布、生態(tài)環(huán)境、栽培繁殖技術(shù)以及生物化學活性等方面[2-4]，對桫欏中無機組成元素的研究較少。作為一種與恐龍化石并存的珍稀蕨類植物，桫欏受其生長的土壤、水以及周邊環(huán)境的影響，其所吸取的無機元素的種類和含量均存在較大差異。確定桫欏中無機元素的組成及分布，對于保護桫欏的種質(zhì)資源，積極開發(fā)其藥用價值及其他多種用途，了解其物種形成和地理分布，均具有十分重要意義。

植物中無機元素的分析方法有X射線熒光光譜(XRF)法[5]、原子吸收光譜(AAS)法[6]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法[7]、中子活化分析(NAA)法[8]、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法，其中將等離子體(ICP)作為樣品的離子化和原子化光源的ICP-OES法和ICP-MS法具有樣品處理簡單、分析速度快、線性范圍寬、檢出限低、靈敏度和準確度高等特點，已成為無機元素分析中應用范圍最廣的分析方法[9-11]。采用ICP-MS法測定微量元素優(yōu)勢明顯，但對于常量元素的分析，需對樣品進行高倍率地稀釋，鑒于ICP-OES法比ICP-MS法具有更好的耐鹽性，本文針對桫欏中Na，Mg，Al，P，K，Ca等6個常量元素采用ICP-OES法進行測定，而對于桫欏中V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb等10個微量元素則采用ICP-MS法進行測定，分別應用多譜擬合(MSF)技術(shù)和動態(tài)反應池(DRC)技術(shù)校正了測定過程中的光譜干擾和質(zhì)譜干擾，實現(xiàn)了珍稀瀕危植物桫欏中16種無機組成元素的快速準確分析。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗采用光譜儀為Optima 2100 DV儀(PerkinElmer公司，美國)，質(zhì)譜儀為SCIEX ELAN DRC ICP-MS儀(PerkinElmer公司，美國)，樣品處理采用MARS-X高通量微波消解系統(tǒng)(CEM公司，美國)，Milli-Q超純水機(Millipore公司，美國)。

標準儲備溶液：1 000 μg·mL-1的Na，Mg，Al，P，K，Ca，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb單元素標準溶液(國家標準物質(zhì)研究中心提供)； 內(nèi)標溶液：1 000 μg·mL-1的Sc，Y，In，Bi元素標準溶液(國家標準物質(zhì)研究中心提供)； 質(zhì)譜調(diào)諧溶液：10 μg·L-1的Mg，In，Ba，Ce，U元素標準溶液(美國PerkinElmer公司提供)； HNO3，HF，HCl均為優(yōu)級純。實驗用水為電阻率大于18.2 MΩ·cm的超純水，所用實驗器皿均采用20%的HNO3(φ)浸泡24 h，用超純水沖洗5次后在105 ℃烘箱中烘干備用。

兩種桫欏樣品均采集于武陵山區(qū)，取新鮮桫欏葉為檢測樣本，樣品裝入真空袋低溫運回實驗室，置于4 ℃冰箱中保存，以備樣品處理。

1.2 樣品處理

將采集的桫欏葉用超純水洗凈，瀝干水分于90 ℃烘箱中烘8 h，取出冷卻后粉碎過200目尼龍篩。準確稱取粉碎樣品0.500 0 g于微波消解罐內(nèi)，依次加入2 mL HNO3，1 mL HF, 0.5 mL HCl，室溫預消解15 min后蓋上內(nèi)蓋置入微波消解系統(tǒng)內(nèi)分兩步升溫模式消解。步驟一：溫度120 ℃，爬升時間5 min，保持3 min； 步驟二：溫度180 ℃，爬升時間8 min，保持8 min。消解完畢，取出冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移至100 mL燒杯中于170 ℃電熱板上趕酸，冷卻后加入1 mL HNO3，用超純水轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中定容，待測。

1.3 儀器工作參數(shù)

ICP-OES工作參數(shù)：射頻功率，1 250 W； 等離子氣流量，14.5 L·min-1； 霧化氣流量，0.8 L·min-1； 輔助流量，0.2 L·min-1； 蠕動泵泵速，1.5 mL·min-1； 觀測高度，15 mm； 溶液提升量，1.5 mL·min-1； 波長選擇，Na 589.592 nm, Mg 279.077 nm, Al 396.152 nm, P 213.618 nm, K 766.514 nm, Ca 317.933 nm。

ICP-MS工作參數(shù)：射頻功率，1 500 W； 冷卻氣流速，15 L·min-1； 載氣流速，0.95 L·min-1； 輔助氣流速，1.2 L·min-1； 進樣錐，Pt錐； 截取錐，Pt錐； 溶液提升量，1 mL·min-1； 同位素選擇，51V,52Cr,55Mn,56Fe,60Ni,63Cu,64Zn,111Cd,202Hg,206Pb。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品處理

植物樣品的消解最常見的消解酸為HNO3，當樣品消解不完全時，常常補充H2O2組成HNO3+H2O2混合酸進行消解。本實驗分別采用HNO3和HNO3+H2O2為消解體系處理標準物質(zhì)NIST SRM1457(桃葉)，表1表明，兩種酸消解體系中元素Al和Hg的測定結(jié)果與參考值相比較明顯偏低。

表1 酸消解體系對測定結(jié)果的影響

“*”：mg·g-1

元素Al在植物中部分以硅鋁酸鹽的形式存在[12]，當Al包藏在硅酸鹽晶格中時，采用HNO3和H2O2均不能將其釋放出來，從而導致元素Al的測定結(jié)果偏低，使用HF能較好地消解硅鋁酸鹽，將元素Al從晶格中釋放出來[13]。元素Hg在植物中含量低，穩(wěn)定性差，在ICP-MS分析中，為消除Hg的記憶效應，通常采用加入元素Au的方法來增加汞的穩(wěn)定性，但同時也會導致Hg的靈敏度下降，而元素Hg在氯化物基質(zhì)中能穩(wěn)定存在，且多數(shù)金屬元素在氯化物基質(zhì)中更易溶解或在化學上更加穩(wěn)定，因此，在樣品消解過程中加入低濃度的HCl有利于大多數(shù)元素的測定，而由于HCl的使用所帶入的Cl形成的多原子質(zhì)譜干擾則可以通過DRC技術(shù)消除。本實驗最終確定以HNO3+HF+HCl為消解液，表1分析結(jié)果顯示，采用此消解體系，所有元素測定結(jié)果均與標準樣品所提供的參考值一致。

2.2 干擾及校正

在ICP-OES分析過程中存在的干擾主要表現(xiàn)為元素Al和P的光譜干擾，在Al 396.152 nm的右側(cè)存在Ca 396.847 nm線翼重疊，在P 213.618 nm左側(cè)存在Cu 213.597 nm的重疊干擾。本實驗利用多組分圖譜擬合(MSF)技術(shù)進行準確校正。分別對空白溶液、待測元素溶液及干擾元素溶液進行測定，在一定波長范圍內(nèi)利用化學計量學和多元線性回歸算法，通過所建立的數(shù)學模型將待測譜線從干擾譜線和背景中剝離出來，得到單純的分析譜線，提高了信噪比，改善了檢出限，消除了ICP-OES分析中的光譜干擾。

對于微量元素的測定，由于本實驗大部分待測元素屬于中質(zhì)量數(shù)元素，在樣品處理過程中混合消解酸的使用導致ICP-MS分析中質(zhì)譜干擾變得非常復雜，本實驗采用DRC技術(shù)通過向DRC內(nèi)引入CH4氣體進行校正，比較了1 μg·L-1的混合標準溶液在校正前后背景等效濃度(BEC)以及相對標準偏差(RSD，n=11)的變化情況，結(jié)果見表2。

表2 主要質(zhì)譜干擾及DRC參數(shù)

從表2可以看出，采用DRC技術(shù)顯著降低了待測元素的BEC和檢出限，改善了測量精密度，表明質(zhì)譜干擾得到了校正。元素Cd，Hg，Pb受質(zhì)譜干擾的程度較輕，實驗選用普通模式進行測定。

圖1 內(nèi)標元素的校正效果

在等離子體中，樣品和標樣的組成不同會引起進樣速率的差異，影響待測元素的傳輸效率和離子化產(chǎn)率，內(nèi)標元素可以對二者的粘度效應與等離子體效應進行補償。本實驗在ICP-OES分析中選用5 μg·mL-1的Y為內(nèi)標元素，在ICP-MS分析中選用1 μg·mL-1的Sc，Y，In，Bi為內(nèi)標元素，內(nèi)標元素的校正效果見圖1。加入內(nèi)標元素后，所有待測元素的加標回收率均在90%～110%范圍內(nèi)，相對標準偏差(RSD，n=6)均小于5%，內(nèi)標元素的校正效果明顯。

2.3 校準曲線及檢出限

分別配制0.00，5.00，10.00，20.00，50.00 mg·L-1的Na，Mg，Al，P，K，Ca系列標準溶液，0.00，0.50，1.00，2.00，5.00 mg·L-1的V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Cu，Zn的系列標準溶液，0.00，5.50，20.00，50.00，200.00 μg·L-1的Ni，Cd，Hg，Pb的系列標準溶液，在擬定的實驗條件下分別采用ICP-OES法和ICP-MS法進行測定，繪制各待測元素的工作曲線。在選定的實驗條件下，取試劑空白溶液進行11次測定結(jié)果的3倍標準偏差為方法的檢出限。結(jié)果見表3，各元素工作曲線的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999 5，線性關(guān)系良好，檢出限在1.87 ng·L-1～12.31 μg·L-1之間，滿足樣品中常量元素和微量元素的分析要求。

表3 標準曲線的線性參數(shù)以及方法的檢出限

“*”：μg·L-1

表4 樣品分析結(jié)果

“*”：mg·g-1

應用上述條件和方法對采自武陵山區(qū)兩種桫欏葉(樣品1、樣品2)進行分析，每種樣品重復測定11次，表4結(jié)果顯示，兩種桫欏葉中16個無機元素的質(zhì)量分布差異較大。桫欏葉中元素Na，Mg，K，Ca，Al，P的含量較高，而元素K的含量最高，表明桫欏對元素K具有很強的富集能力。元素V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb含量較低，其中，桫欏葉中重金屬元素Ni，Cd，Hg，Pb的含量極低，這與桫欏的野外生態(tài)環(huán)境有關(guān)。值得關(guān)注是，與其他蕨類植物相比較，桫欏葉中金屬元素Fe的含量很低，表明桫欏對元素Fe的需求量和富集能力較低。

3 結(jié) 論

采用微波消解法對珍稀瀕危植物桫欏樣品進行消解，利用ICP-OES法和ICP-MS法可以準確測定其中的Na，Mg，Al，P，K，Ca，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb等16個無機元素。以HNO3+HF+HCl為消解體系可完全釋放樣品中的Al元素，穩(wěn)定樣品中的Hg元素。對于實驗過程中的光譜干擾和質(zhì)譜干擾，本實驗采用MSF技術(shù)和DRC技術(shù)進行了校正，并通過加入內(nèi)標元素消除了基體干擾。方法實現(xiàn)了珍稀瀕危植物桫欏樣品多個無機元素的準確測定，為展開桫欏中無機元素的生物效應和作用機理研究提供了分析手段。

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(Received Dec.16, 2014; accepted Mar.21, 2015)

*Corresponding author

Study on the Inorganic Components Elements in Rare and Endangered PlantAlsophilaSpinulosa

JIANG Bo1, TANG Li-Juan2, HUANG Jian-hua3*

1.College of Life Science and Technology, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, 2.Criminal Investigation Detachment, Guilin Public Security Bureau, Guilin 541213, 3.School of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, China

A method for simultaneously analysis of inorganic elements in rare and endangered plant spinulose tree fern was established.AlsophilaSpinulosasamples were pretreated by using the hermetic microwave digestion.Six elements Na, Mg, Al, P, K and Ca were determined by using the inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) and ten elements V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg and Pb were determined by using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).The working conditions were optimized as well.In order to keep the stability of the experiment, low concentration of HCl was added into the sample during testing.Multicomponent Spectral Fitting (MSF) and dynamic reaction cell (DRC) were used to correct the spectral interference and mass interference.Under optimized conditions, the standard linear relationships were satisfactory and the detection limit ranged from 1.87 ng·L-1～12.31 μg·L-1.Finally, the standard reference material NIST SRM 1 547 (peach leaves) was used to verify the proposed method.The obtained results were consistent with the reference method with the sameaccuracy and precision.TwoAlsophilaSpinulosasamples analysis results showed thatAlsophilaSpinulosahave higher concentrations of Na, Mg, K, Ca, Al, and P, and concentration of K is the highest.These results indicated thatAlsophilaSpinulosahave strong capability in K-enrichment.AlsophilaSpinulosahave low concentrations of V, Cr, Mn, Fe, Cu, and Zn.Concentrations of Ni, Cd, Hg, and Pb are at very low trace levels, which indicated that the wild living environment is very healthy.This method has features of fast analyzing, high accuracy and convenience in operation, which can provide scientific basis forAlsophilaSpinulosainorganic elements contents measure.

AlsophilaSpinulosa; Inorganic components elements; ICP-OES; ICP-MS

2014-12-16，

2015-03-21

國家自然科學基金項目(21075138)； 教育部“春暉計劃”項目(Z20111146)； 重慶市教委科學技術(shù)研究項目(KJ121314)資助

江 波，1974年生，長江師范學院生命科學與技術(shù)學院講師 e-mail: jblmz74@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: jhhuang85@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1468-05