藥用石膏降溫物質(zhì)基礎(chǔ)的假說

宋 晨，張志杰，邊寶林

中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所，北京 100700

引 言

生石膏(CaSO4·2H2O)是一味常用的礦物類中藥，在臨床上主要用于治療跟發(fā)熱相關(guān)的疾病。以石膏為主藥可以配伍形成多個經(jīng)方，如白虎湯、竹葉石膏湯和麻杏石甘湯等，在長期的臨床應(yīng)用中降溫效果顯著。石膏降溫的物質(zhì)基礎(chǔ)和機(jī)理近百年來一直在探索之中，張錫純在《醫(yī)學(xué)衷中參西錄》中認(rèn)為石膏中的硫和氧是石膏解熱的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。近幾十年來，石膏解熱物質(zhì)基礎(chǔ)研究方面的文獻(xiàn)有很多。郭協(xié)塤提出天然石膏在動物實驗上有退熱作用，而純粹石膏則無退熱現(xiàn)象，并推測石膏退熱有效成份是天然石膏內(nèi)所含的雜質(zhì)，其退熱機(jī)制尚未明確[2]。夏怡等也證明了用純的CaSO4·2H2O代替白虎湯中的石膏，則白虎湯失去降溫效果[3]，認(rèn)為石膏含有的微量元素是石膏解熱的可能物質(zhì)基礎(chǔ)。李軒貞對不同產(chǎn)地的石膏中Mg,Fe,Mn,Cu進(jìn)行了比較[4]，王煥第等、王薇等和田騰躍等分別對比了15種、23種和32種微量元素[5-7]。劉元芬討論了石膏炮制前后的微量元素含量變化，發(fā)現(xiàn)炮制后只有Sr的含量相對增加，其余各地石膏的微量元素含量均不同程度下降[8]。孫姝和周灝分析了石膏微量元素和石膏解熱之間的聯(lián)系，得出石膏退熱作用的物質(zhì)基礎(chǔ)是多種微量元素共同作用的結(jié)果[9-10]。前人雖然做了很多工作，但迄今為止尚未得出關(guān)于石膏解熱物質(zhì)基礎(chǔ)的可靠科學(xué)假說。

石膏降溫物質(zhì)基礎(chǔ)研究的前提是石膏的礦物組成和元素分布，工作中采集了藥用石膏藥材，運(yùn)用偏光顯微鏡、X射線衍射儀、電子探針顯微分析儀和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀四種儀器詳細(xì)分析了石膏的顯微特征，宏觀和微觀礦物組成，主量元素和微量元素，通過測試結(jié)果弄清石膏的礦物組成和元素分布特點，并進(jìn)一步提出了石膏解熱物質(zhì)基礎(chǔ)的假說。

1 實驗部分

1.1 儀器

偏光顯微鏡：ZEISS公司，型號AxioScope.A1。

X射線粉晶衍射：德國布魯克公司，型號D8 Advance。工作參數(shù)：Cu靶，掃描范圍：10°～70°，步長0.02°，工作電壓40 kV，工作電流40 mA。采用布魯克公司EVA軟件對樣品的XRD原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將所得衍射數(shù)據(jù)與國際標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射數(shù)據(jù)卡片進(jìn)行匹配。

表1 石膏產(chǎn)地，顏色，透明度和形態(tài)信息表Table 1 Gypsum producing area,color,transparency and shape information table

電子探針：日本電子株式會社，型號JXA-8230。工作參數(shù)：工作電壓為15 kV，電子束流值為5×10-9A，束斑直徑選擇30 μm。

電感耦合等離子體質(zhì)譜：美國賽默飛公司，型號Thermo X Series 2。RF功率1 300 W，掃描方式跳峰，冷卻氣流量15 L·min-1，輔助氣流量1.2 L·min-1，采樣錐孔徑1.1 mm，截取錐孔徑0.9 mm。

1.2 樣品處理

實驗采集了33批石膏藥材(每個批次選一個典型樣品)，分別為：湖北應(yīng)城13批；湖北荊門6批(包括龍源和長興)；山東平邑9批；山東泰安3批；四川眉山2批。樣品形態(tài)包括塊狀石膏和纖維石膏，其中塊狀石膏4批，纖維石膏29批。顏色包括白色，淡黃色和淡紅色，其中白色樣品18批，淡黃色樣品10批，淡紅色樣品5批。本次石膏樣品中有16批是半透明，17批不透明，沒有發(fā)現(xiàn)透明的透石膏。產(chǎn)地采集石膏樣品統(tǒng)計結(jié)果顯示石膏樣品大多數(shù)都是纖維石膏，顏色以白色為主，不透明和半透明的樣品批次相當(dāng)。詳細(xì)樣品采集情況見表1。

偏光顯微鏡：將樣品制成30 μm的永久薄片，置于偏光顯微鏡上進(jìn)行單偏光和正交偏光的觀察。

X射線粉晶衍射：將石膏樣品在瑪瑙研缽中研成粉末狀(160～200目)，置樣品池中，表面壓平，進(jìn)行檢測。

電子探針：將樣品制成45 μm的永久厚片，然后在表面上鍍碳粉，置于樣品池中進(jìn)行分析。

圖1 平邑-2煎煮液(a)和震蕩液(b)的激光粒徑分析結(jié)果(顯示和純水一致，沒有殘存的微粒)Fig.1 Laser particle size analysis results of Pingyi-2 decocted fluid (a) and suspension (b) (showing consistent with pure water,no residual particles)

電感耦合等離子體質(zhì)譜：取樣品50 mg，按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14506.30—2010進(jìn)行樣品制備。

石膏的煎出液制備：選用山東省的石膏6批，粉碎篩析，選取粒徑在200目(75 μm)～500目(25 μm)之間的粉末用于實驗，生石膏∶高純水按20 g∶100 mL煎煮30 min，煎液10 000 r·min-1離心后，過0.22 μm濾膜，用激光粒徑檢測，與純水進(jìn)行對比，確認(rèn)不存在微粒(圖1)。

石膏的震蕩液制備：選用山東省的石膏6批，粉碎篩析，選取粒徑在200目(75 μm)～500目(25 μm)之間的粉末用于實驗，生石膏∶高純水按20 g∶100 mL震蕩30 min，10 000 r·min-1離心后，過0.22 μm濾膜，用激光粒徑檢測，與純水進(jìn)行對比，確認(rèn)不存在微粒(圖1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 偏光顯微鏡分析

通過對33批石膏的鏡下觀察，統(tǒng)計顯微鏡下石膏的形態(tài)、大小、解理、消光類型和最高干涉色。鏡下顯微形態(tài)以長柱狀為主(18批)，其余為纖維狀(9批)和粒狀(6批)，其中鱗片狀作為次要顯微形態(tài)出現(xiàn)在4批中。樣品中纖維狀和長柱狀寬度在0.005～0.4 mm之間。粒狀顆粒大小在0.01 mm×0.01 mm～0.3 mm×0.8 mm之間。一組解理在12批樣品中出現(xiàn)，其余21批都未出現(xiàn)解理。消光類型是斜/平行消光13批，斜消光17批，平行消光2批，僅1批單獨出現(xiàn)波狀消光。

石膏的微觀顆粒形態(tài)與石膏的產(chǎn)地相關(guān)：山東平邑石膏以纖維狀為主[圖2(a)]，偶見長柱狀和粒狀；山東泰安石膏均為粒狀見圖2(d)；湖北應(yīng)城，湖北荊門龍源礦[圖2(c)]的石膏都是長柱狀[圖2(b)]；四川眉山一批為長柱狀，一批為粒狀；湖北荊門長興的石膏都為纖維狀。石膏的顯微形態(tài)和地質(zhì)過程息息相關(guān)，不同的地質(zhì)過程可以改變石膏微觀顆粒的大小與形態(tài)。

傳統(tǒng)上，石膏以色白、半透明、縱斷面纖維狀、具絲絹樣光澤、無雜質(zhì)者為佳。四川眉山和湖北荊門龍源礦的石膏都是白色半透明纖維狀石膏，具有絲絹光澤，沒有其他雜質(zhì)，符合上述傳統(tǒng)認(rèn)為的優(yōu)質(zhì)石膏標(biāo)準(zhǔn)。在微觀顆粒大小上，四川眉山[圖2(f)]和湖北荊門龍源礦[圖2(c)]的石膏微觀顆粒大小明顯大于其他產(chǎn)地的石膏。推測石膏的品質(zhì)和石膏顯微顆粒大小相關(guān)，品質(zhì)優(yōu)良者，微觀顆粒較大。

圖2 石膏偏光顯微鏡下顆粒粒徑變化圖(a):平邑-6;(b):應(yīng)城7-1；(c):龍源-2;(d),(e):泰安-1;(f):眉山-1Fig.2 Variation of gypsum particle size under a polarizing microscope(a):Pingyi-6;(b):Yingcheng7-1;(c):Longyuan-2;(d),(e):Taian-1；(f):Meishan-1

2.2 X射線衍射分析

本次實驗共分析五個產(chǎn)地石膏樣品。圖3(a,b)分別是五個產(chǎn)地石膏的X射線衍射譜和眉山-1，應(yīng)城2-4的物相分析。經(jīng)過全譜擬合，30批產(chǎn)地藥材的物相均為單一物CaSO4·2H2O(卡片號01-074-1433)，無其他物相；應(yīng)城2-4樣品主要物相為CaSO4·2H2O，次要物相為SiO2(卡片號01-079-1906)。這些樣品之間角度值和峰強(qiáng)都比較一致。結(jié)果顯示除了1批樣品含有石英雜質(zhì)，其余樣品在XRD下均未見其他礦物雜質(zhì)，說明純度較高。

2.3 電子探針分析

實驗電子探針中共計打點56個，涉及到石膏藥材10個批次。電子探針打點的結(jié)果為38個點是石膏，16個點是硬石膏，還有2個點是加拿大樹膠(制片粘合劑)。在以往的電子探針微區(qū)分析中石膏和硬石膏的電子探針分析結(jié)果都顯示為CaSO4。這是因為由于電子探針的電子束能量太高打到礦物表面時會灼燒礦物，而石膏的晶體結(jié)構(gòu)不是很穩(wěn)定，所以會在分析過程中失去兩個水分子變成硬石膏。解決這個問題的方法就是需要降低電子探針加速電壓(實驗由30 kV降為15 kV)和電子束電流的強(qiáng)度(實驗由3×10-8A降為5×10-9A)和擴(kuò)大電子束束斑的直徑大小(5 μm增至30 μm)。

圖3 石膏部分藥材X射線衍射譜(a)和石膏物相分析(b)Fig.3 XRD spectrums (a) and phase analysis (b) of gypsum

電子探針實驗結(jié)果顯示，在石膏的樣品中主要礦物為石膏，次要礦物為硬石膏。石膏和硬石膏呈現(xiàn)共生關(guān)系。未發(fā)現(xiàn)除石膏和硬石膏之外的礦物。發(fā)現(xiàn)的硬石膏礦物沒有確定的晶形，硬石膏和石膏的接觸面都是不規(guī)則狀曲線，推測硬石膏是后期石膏轉(zhuǎn)化而來，而不是原生的硬石膏。薄片中個別危區(qū)出現(xiàn)硬石膏較多，形成了硬石膏包裹石膏的現(xiàn)象。

圖4是龍源-1樣品的背散射電子影像圖。圖中清晰的顯示在微觀尺度上，硬石膏和石膏是共生礦物。其中灰色礦物是石膏，灰白色礦物是硬石膏，形成了硬石膏包裹石膏的局部現(xiàn)象。在自然界中生成硬石膏有兩種模式。一是Sabkha環(huán)境下在非常早期的蒸發(fā)巖成巖的巖石間隙中形成，二是在硫酸鈣蒸發(fā)巖地層深埋的過程中由石膏轉(zhuǎn)化為硬石膏[11]。圖中硬石膏和石膏的接觸均為不規(guī)則狀曲線，推測此硬石膏為石膏形成后轉(zhuǎn)化而來，在圖示的局部區(qū)域石膏較多，呈現(xiàn)硬石膏包裹石膏的現(xiàn)象。

圖4 龍源-1 BSE圖1,2,3：石膏；4,5,6,7,8：硬石膏Fig.4 Longyuan-1 BSE diagram1,2,3：Gypsum；4,5,6,7,8：Anhydrite

元素在礦物中存在的狀態(tài)主要有兩種，類質(zhì)同象和獨立礦物態(tài)。當(dāng)獨立礦物顆粒比較大時，可以通過肉眼或者顯微鏡直接觀察到這些礦物，但如果其礦物顆粒小到超顯微時，就只能用一些特殊的儀器進(jìn)行測量分析。其中電子探針分析就可以探測確認(rèn)微量元素在礦物中的存在形態(tài)。選取所有含SrO的探針點，計算CaO/SrO的值(圖5)。結(jié)果顯示SrO在石膏中呈統(tǒng)計式均勻分布，且并不存在為零或者非常小的值，說明SrO未形成獨立礦物，在石膏中主要以類質(zhì)同象混入物的形式存在。這種現(xiàn)象的形成主要是由于Sr2+半徑(1.13 ?)和Ca2+(0.99 ?)的離子半徑較接近，在石膏形成的過程中，Sr原子會替代晶格中的Ca原子。

圖5 不同石膏樣品中電子探針CaO/SrO的比值橫坐標(biāo)是電子探針點位的序號， 縱坐標(biāo)是相應(yīng)點位的CaO/SrO的值Fig.5 Ratio of electron probe CaO/SrO in different gypsum samples

The abscissa is the serial number of the electronic probe point,and the ordinate is the CaO/SrO value of the corresponding point

2.4 電感耦合等離子體質(zhì)譜分析

共測試了五個產(chǎn)地33批石膏藥材樣品的微量元素，6個石膏煎出液和6個石膏震蕩液樣品。每批樣品測試31個元素。由于微量元素含量彼此之間數(shù)量級相差較大，且存在奇偶性(原子序數(shù)為偶數(shù)的元素豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的元素豐度)。為了消除這種效應(yīng)，把原始地幔(代表初始化的地球)作為微量元素的標(biāo)準(zhǔn)，將石膏中的微量元素含量和原始地幔的微量元素含量做對比，可推測出石膏在形成過程中富集了哪些元素。

圖6是五個產(chǎn)地采集的部分石膏藥材的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖，顯示石膏整體相對于原始地幔元素而言是虧損的。石膏相對于原始地幔富集Sr，W，As元素，其中Sr元素的富集可達(dá)到6倍以上，最高富集176倍。部分石膏富集Sb，Tl，Pb，Bi,Cs,Ba元素，其余相對原始地幔都虧損的元素為Li,Be,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Rb,Nb,Mo,Cd,In,Ta,Th,U,Hg。

五個產(chǎn)地石膏的配分模式大致上一樣，個別元素略有不同。比如平邑，泰安和應(yīng)城富集Bi元素，而眉山，荊門都虧損Bi元素。這種現(xiàn)象說明各地石膏的成因都相似，個別元素的不同與當(dāng)?shù)爻傻V條件有關(guān)。

圖6 五個產(chǎn)地石膏藥材微量元素配分模式圖(標(biāo)準(zhǔn)化原始地幔數(shù)據(jù)來自Mcdonough &Sun,1995)[12]Fig.6 Primitive mantle-normalized multi-element patterns of gypsumin five producing areas (standardized primitive mantle data from Mcdonough &Sun,1995)[12]

圖7是石膏煎煮和直接震蕩后的水溶液原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖，其中紅色代表的是石膏煎煮的水溶液，而藍(lán)色則是石膏震蕩水溶液。從圖7可以看出煎煮和常溫震蕩對石膏中微量元素的溶出影響基本一致。在煎煮液中Sr和Pb元素的溶出要高于室溫震蕩，其中Pb元素高出7～110倍，Sr元素高出21.1%～76.6%，與石膏水溶液中的含量和石膏中的含量密切相關(guān)。

圖7 采集山東石膏水溶液微量元素配分模式圖(標(biāo)準(zhǔn)化原始地幔數(shù)據(jù)來自Mcdonough &Sun,1995)[12]Fig.7 Primitive mantle-normalized multi-element patterns of gypsum aqueous solution from Shandong Province (standardized primitive mantle data from Mcdonough &Sun,1995)[12]

石膏(CaSO4·2H2O)在水中的溶出一直是研究石膏關(guān)注的問題。根據(jù)最新的文獻(xiàn)研究表明石膏在水中25 ℃的溶解度為0.014 7～0.018 2 mol·L-1，100 ℃時溶解度0.012 5～0.016 25 mol·L-1[13]。石膏的化學(xué)式為CaSO4·2H2O，相對原子質(zhì)量為172.112，溶解度換算后為2.53～3.13 g·L-1(25 ℃)，2.15～2.80 g·L-1(100 ℃)。理論上處理后的石膏水溶液中Ca2+的含量為589～729 mg·L-1，實際的測試結(jié)果為616 mg·L-1(平均)。測試結(jié)果和理論基本相符合。

由于石膏水溶液是CaSO4·2H2O飽和溶液，根據(jù)溶解度和石膏礦石中Sr的含量可計算出水溶液中溶出的理論Sr含量。平邑-4為136.22 μg·g-1，泰安-1為1 242.38 μg·g-1。平邑-4理論上處理后的石膏水溶液中Sr的含量為344.64～426.37 μg·L-1，但實際測量結(jié)果為693 μg·L-1(浸泡，震蕩)，1 223 μg·L-1(煎煮后)，泰安-1理論上處理后的石膏水溶液中Sr的含量是3 143.22～3 888.65 μg·L-1，但實際測量結(jié)果為7 045 μg·L-1(浸泡，震蕩)，8 532 μg·L-1(煎煮后)，Sr的實際溶出是理論值的2～4倍。分析認(rèn)為溶解是一個動態(tài)平衡，當(dāng)Ca2+飽和時，Sr2+仍然持續(xù)溶出。臨床大劑量應(yīng)用石膏，并要求石膏先煎，增加原始藥物數(shù)量和煎煮時間，這兩者都會促進(jìn)Sr2+的溶出。

Sr元素是人體內(nèi)必需的一種微量元素，與人體骨骼的發(fā)育、心血管的功能與結(jié)構(gòu)以及神經(jīng)和肌肉的興奮等息息相關(guān)，在人體中具有重要作用。Sr與血管的功能及構(gòu)造有著千絲萬縷的關(guān)系，其作用機(jī)制是在腸內(nèi)與鈉競爭吸收部位，從而減少人體對鈉的吸收，增加鈉的排泄，以此來預(yù)防心血管疾病的病發(fā)率和減少心血管疾病的死亡率[14]。在發(fā)熱的正調(diào)節(jié)介質(zhì)中，Na+/Ca2+比值是其中之一。升高Ca2+，降低Na+會使體溫降低。

3 結(jié) 論

(1) 偏光顯微鏡觀察結(jié)果顯示石膏顯微晶體形態(tài)主要為長柱狀和纖維狀，且和石膏的產(chǎn)地密切相關(guān)。石膏品質(zhì)好的樣品，其顯微顆粒較大。

(2) 電子探針顯示在石膏礦物的微區(qū)中含有極微量的硬石膏。XRD顯示硬石膏的含量都在檢測限之下，說明它在石膏中的含量非常少。CaO/SrO的值說明SrO未形成獨立礦物，在石膏中主要以類質(zhì)同象混入物的形式存在。

(3) 電感耦合等離子體質(zhì)譜測試的結(jié)果證實Sr是最為穩(wěn)定富集的微量元素，且臨床大量使用石膏并先煎能大幅促進(jìn)Sr2+的溶出。在發(fā)熱的正調(diào)節(jié)介質(zhì)中，Na+/Ca2+比值是其中之一。升高Ca2+，降低Na+會使體溫降低。

據(jù)以上三點提出石膏降溫的假說：在發(fā)熱過程中，Sr2+通過和Ca2+相似的特性，抑制Na+，調(diào)節(jié)發(fā)熱的正調(diào)節(jié)介質(zhì)Na+/Ca2+的比值，和Ca2+共同降溫。

石膏降溫的物質(zhì)基礎(chǔ)是Sr元素和Ca元素共同的作用。

致謝：感謝XRD的測試單位清華大學(xué)物理實驗室和尉京志老師，電子探針的測試單位北京科技大學(xué)的鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室和左小劍老師，LA-ICP-MS的測試單位河北省廊坊市區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所。