電感耦合等離子體質(zhì)譜結(jié)合紅外光譜與X射線光譜的蒙藥磁石質(zhì)量控制方法研究

甄曉宇，鄭 重，皮子鳳，劉 舒，劉志強(qiáng)，閆 靜*

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130022)

蒙藥是蒙古人民長(zhǎng)期同疾病作斗爭(zhēng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并在吸收中醫(yī)、藏醫(yī)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐漸形成。蒙藥種類繁多，資源豐富，相關(guān)資料顯示蒙藥材有2 230多種[1]，其中在《中國(guó)人民共和國(guó)藥典》2015版(一部)收載的專用蒙藥藥材有4種[2]。蒙藥與中藥相似，分為植物藥、動(dòng)物藥和礦物藥。礦物藥主要是天然形成的無(wú)機(jī)物或礦石的加工品，產(chǎn)出時(shí)間相對(duì)較久，但功能確切，療效顯著，逐漸成為重點(diǎn)研究的對(duì)象。

磁石為中藥礦物藥，起始于《神農(nóng)本草經(jīng)》，為氧化物類礦物尖晶石族磁鐵礦，歷代藥典均有記載。其主要成分為四氧化三鐵(Fe3O4)，臨床應(yīng)用廣泛，功效為納氣平喘、鎮(zhèn)靜安神、平肝潛陽(yáng)、聰耳明目，常制成丸劑，如耳聾左慈丸、磁朱丸等，用于治療頭暈?zāi)垦！⒍@耳鳴、視物昏花、驚悸失眠等證[3]。蒙藥經(jīng)典名方扎沖十三丸用于治療“赫依病”，磁石是其中的重要組分，有安神鎮(zhèn)驚作用[4]。

目前蒙藥的質(zhì)量控制、安全性評(píng)價(jià)研究日益受到關(guān)注，蒙藥磁石由于受地域、文化、市場(chǎng)等方面的影響，使其在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范化等方面存在諸多問(wèn)題[5-6]。隨著現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)蒙藥磁石的研究及其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制訂也提出更高的要求，為了充分發(fā)揮蒙藥磁石的藥效及民族特色，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)蒙藥磁石的質(zhì)量研究[7]。傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)、X射線衍射技術(shù)(XRD)是成分分析較常用的方法[8-14]，電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)在元素含量測(cè)定方面承擔(dān)著重要的角色[15-16]。本文采用FTIR、XRD以及ICP-MS等研究手段對(duì)10個(gè)批次的磁石進(jìn)行成分分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為磁石的鑒定和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與樣品

VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀(德國(guó)布魯克公司)，OPUS紅外采集系統(tǒng)；MS105DU型電子天平(瑞士梅特勒公司)；D8 Advance 型X射線衍射儀(美國(guó)布魯克公司)。QTEGRA電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)賽默飛)；ASX-560 ICP-MS自動(dòng)進(jìn)樣器(美國(guó)Teledyne CETAC公司)；Milli-Q超純水系統(tǒng)(美國(guó)Siemens公司)；微波消解儀、聚四氟乙烯消解罐(安東帕公司)；臺(tái)式粉末壓片機(jī)(天津市思創(chuàng)精實(shí)科技發(fā)展有限公司)。

表1 磁石樣品的產(chǎn)地及批號(hào)Table 1 Origin and batch number of magnetite sample

溴化鉀(光譜純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，20180622)；濃硝酸(ppb級(jí)，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司)；濃鹽酸(20160718)、氫氟酸(20171106)購(gòu)自北京化工廠；GBW10028標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：地球物理地球化學(xué)勘察研究所(GSB-19)；去離子水為經(jīng)Milli-Q超純水系統(tǒng)處理后的超純水；元素標(biāo)準(zhǔn)液(Fe、Si、Mg、Ca、Al、K、Sn、Zn、Co、Ni、Ba、Mn、V、Be、Ti、Zr、Sr、Cu、As、Cd、Cr、Pb、Hg、P)均購(gòu)自國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心標(biāo)準(zhǔn)樣品部。

所有磁石樣品為吉林省內(nèi)各藥店購(gòu)買或相關(guān)單位提供，經(jīng)內(nèi)蒙古民族大學(xué)包桂花教授鑒定為氧化物類礦物尖晶石族磁鐵礦。磁石樣品的來(lái)源信息見(jiàn)表1。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

分別精密稱取Co、Ni、Ba、V、Be、As、Cr、Sr、Sn、Cu、Cd、Zn、Zr、Mn、K、Ti、Pb、Hg、P的標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL)0.1 mL置于100 mL容量瓶中，加水稀釋至刻度，質(zhì)量濃度為1.0 μg/mL，作為母液(1)；分別稱取Fe、Si、Mg、Ca、Al的標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL)0.1 mL置于100 mL容量瓶中，加水稀釋至刻度，質(zhì)量濃度為1.0 μg/mL，作為母液(2)；精密移取母液(1)0.05、0.25、0.5、1、1.5 mL，分別加至50 mL容量瓶中，定容至刻度，得到含Co、Ni、Ba、V、Be、As、Cr、Sr、Sn、Cu、Cd、Zn、Zr、Mn、K、Ti、Pb、Hg、P元素的1.0、5.0、10.0、20.0、30.0 ng/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液；精密移取母液(2)0.05、0.5、1.5、2.5、5、10 mL，分別加至50 mL容量瓶中，定容至刻度，得到含F(xiàn)e、Si、Mg、Ca、Al元素的1.0、10.0、30.0、50.0、100.0、200.0 ng/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.3 檢測(cè)條件

FTIR條件：將磁石與溴化鉀以質(zhì)量比1∶100混合均勻后，置于壓片機(jī)中壓制成透明薄片，紅外分光光度計(jì)上于4 000～400 cm-1掃描測(cè)定。每個(gè)樣品累計(jì)掃描16次。

XRD條件：Cu kα1輻射，石墨單色器，管壓為40 kV，管流為40 mA。2θ掃描范圍為5°～60°，掃描速度0.5°/min，狹縫寬度:DS=SS=1°，RS=0.2 mm，步長(zhǎng)為0.02°。

ICP-MS條件：工作參數(shù)：功率為1.3 kW，冷卻氣流速為1.5 L·min-1，載氣流速為0.8 L·min-1，輔助氣流速為0.2 L·min-1，樣品提升量為1.5 mL·min-1。測(cè)量條件：積分時(shí)間：10 s；延遲時(shí)間：1 s；重復(fù)次數(shù)：1；測(cè)量方式：標(biāo)準(zhǔn)曲線法；讀數(shù)方式：峰強(qiáng)。

1.4 供試品的準(zhǔn)備

取干燥的磁石樣品，粉碎，過(guò)200目篩備用。取磁石粉末0.1 g，精密稱定，放入100 mL聚四氟乙烯消解罐中，精確加入6 mL濃硝酸、2 mL濃鹽酸和1 mL HF，置于通風(fēng)櫥中靜置15 min，待反應(yīng)不劇烈后加蓋密封，裝入微波消解儀中。按設(shè)定的程序消解：先經(jīng)10 min由室溫升至185 ℃，在220 ℃維持20 min消解，消解完畢后，冷卻至室溫，取出消解罐，在通風(fēng)櫥中將酸揮盡，轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，用水定容至刻度，即為供試品溶液1；供試品溶液1稀釋20倍后作為供試品溶液2，用于Co、Ni、Ba、V、Be、As、Cr、Sr、Sn、Cu、Cd、Zn、Zr、Pb、Hg、P含量的測(cè)定；供試品溶液2稀釋10 倍后作為供試品3，用于Mn、K、Ti含量的測(cè)定；供試品3稀釋10倍后作為供試品4，用于Fe、Si、Mg、Ca、Al 含量的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 消解液的優(yōu)化

磁石為礦物藥，較難消解，需要對(duì)消解液進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)消解液有無(wú)殘?jiān)约跋庖旱某吻宄潭扰卸ㄗ罱K的消解液組成，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，最終選擇加入6 mL濃硝酸、2 mL濃鹽酸和1 mL HF作為消解液。

圖1 磁石樣品的紅外光譜分析指紋圖譜Fig.1 Fingerprint of FTIR analysis for magnetite sample

2.2 FTIR的測(cè)定與分析

按照“1.3”FTIR條件測(cè)定樣品，OPUS采集系統(tǒng)采集圖像，用Origin 2017軟件分析，獲得各樣品的紅外光譜分析指紋圖譜(圖1)。

經(jīng)過(guò)對(duì)所有供試品的紅外光譜圖進(jìn)行分析、比較，標(biāo)定7 個(gè)共有峰作為磁石指紋圖譜的特征峰。如圖1所示，1～7號(hào)峰的波數(shù)依次為468、526、801、1 011、1 429、2 920、3 424 cm-1。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)可知氧化物礦物的紅外光譜在1 000 cm-1以上無(wú)吸收[17]。在各樣品的指紋圖譜中，468 cm-1為石英的特征吸收峰；526 cm-1為磁石主要成分四氧化三鐵的特征吸收峰；1 011 cm-1為磷酸鹽的特征峰；1 429 cm-1為碳酸鹽的特征吸收峰；3 424 cm-1為羥基的特征吸收峰。不同產(chǎn)地、不同批次磁石的紅外光譜指紋圖見(jiàn)圖2。

借助軟件，以所有磁石樣品的紅外光譜中共有峰吸光度的均值為參照，分別計(jì)算各批次磁石樣品的相關(guān)系數(shù)和相似度(夾角余弦值)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 磁石FTIR指紋圖譜的相似性分析Table 2 Analysis of similarities of FTIR fingerprint from magnetite samples

(續(xù)表2)

圖2 不同批次磁石的紅外光譜指紋圖Fig.2 Infrared fingerprint of different batches of magnetite samples

圖3 磁石的XRD指紋圖譜Fig.3 XRD patterns of magnetite samples

由表2可知，除了樣品1和樣品7，其他磁石樣品的夾角余弦值均大于0.9，說(shuō)明磁石的組成相似，只有少數(shù)樣品有差異，可能與磁石的產(chǎn)地及其伴生物有關(guān)。

指紋圖譜分析結(jié)果表明，不同產(chǎn)地、不同批次的磁石樣品之間既相關(guān)，又存在差異。相應(yīng)的共有特征峰均在光譜圖上體現(xiàn)，相似度較好；但在取樣量和壓片厚度盡量一致時(shí)，各峰的透光率仍存在差異，說(shuō)明不同產(chǎn)地、不同批次磁石樣品的成分含量有一定差異。在磁石紅外光譜中，磁石主要成分Fe3O4的峰較弱，只以肩峰或弱吸收峰呈現(xiàn)。石英在每個(gè)譜圖中均有呈現(xiàn)，說(shuō)明磁鐵礦在形成過(guò)程中常有石英與其伴生。其他共有吸收峰的出現(xiàn)說(shuō)明磁鐵礦中還有磷酸鹽、碳酸鹽等其他礦物與其伴生。

2.3 XRD的測(cè)定與分析

取供試品適量，將10個(gè)批次的磁石按“1.3”實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行XRD分析。應(yīng)用Origin 2017數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件處理得XRD圖，將10批磁石樣品的XRD圖進(jìn)行疊加，建立磁石的 XRD指紋圖譜(見(jiàn)圖3)。

找尋峰的條件為Search Rectangle:Width 1.00,Height:2.0,Minimum Height:1.5。由布拉格公式2dsinθ=λ可求得晶格間距，其中n=1,λ=1.542 8×10-10。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以d/(I/I0)表示其衍射峰值，d為晶格間距，(I/I0)為衍射相對(duì)強(qiáng)度。在磁石譜圖分析過(guò)程中，經(jīng)尋峰處理，比較后選定共有率≥90%的9個(gè)峰作為磁石的指紋峰(見(jiàn)表3)。對(duì)磁石的XRD圖譜特征峰數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)與粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)卡片進(jìn)行匹配，認(rèn)定磁石指紋譜中5、7、8、9號(hào)共有峰數(shù)據(jù)與Fe3O4相符，3、4號(hào)共有峰數(shù)據(jù)與SiO2相符。說(shuō)明磁石藥材中主要物相為Fe3O4和 SiO2，與紅外譜圖等相關(guān)數(shù)據(jù)吻合?？梢钥闯?，不同產(chǎn)地、不同批次的磁石樣品既有一定的相關(guān)性，也有區(qū)別。其XRD譜圖的輪廓基本一致，指紋特征峰在譜圖上的相似度很高，但各譜圖的特征峰強(qiáng)度以及峰位有所不同，說(shuō)明不同產(chǎn)地、不同批次磁石的組成以及含量不同，可為磁石藥材品質(zhì)鑒別提供依據(jù)。

表3 磁石常見(jiàn)特征峰的2θ值和相對(duì)強(qiáng)度(I/I0)Table 3 2θ value and relative intensity(I/I0) of common characteristic peaks of magnetite samples

2.4 ICP-MS的測(cè)定與分析

2.4.1 方法學(xué)考察精密度：取S1樣品作為供試品，按“1.3”FTIR條件連續(xù)測(cè)定5次，所得紅外譜線基本重合，樣品中共有峰波數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于0.10%。吸光度的RSD均小于1.0%。取上述供試品溶液按照“1.4”進(jìn)行樣品處理，“1.3”ICP-MS條件連續(xù)測(cè)定5次，所得元素含量的RSD小于0.10%。表明該方法的精密度良好，符合定量要求。

穩(wěn)定性：取S1樣品作為供試品，保存于干燥器中，按“1.3”FTIR條件每隔1 h測(cè)定1次，共測(cè)定6次，所得紅外光譜圖基本一致，樣品中共有峰波數(shù)的RSD均小于0.10%，吸光度的RSD均小于5.0%。偏差可能是磁石在取出過(guò)程中吸水所致。取上述供試品溶液于冰箱4 ℃左右保存，按照“1.3”ICP-MS條件每隔1 h測(cè)定1次，共測(cè)定6次，所得元素含量基本一致，RSD小于0.10%。表明樣品在6 h內(nèi)穩(wěn)定性良好。

重復(fù)性：平行制備6份供試品(S1樣品)，按“1.3”FTIR條件分別進(jìn)行測(cè)定，所得紅外光譜圖基本一致，樣品中共有峰波數(shù)的RSD均小于0.10%，吸光度的RSD均小于4.0%。平行制備6份上述供試品，按照“1.3”ICP-MS條件分別測(cè)定，所得元素含量基本一致，RSD小于0.10%。表明該方法的重復(fù)性良好，符合定量要求。

表4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)比(n=3)Table 4 Comparison of reference materials(n=3)

采用ICP-MS法測(cè)定了標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10028(GSB-19)中藥黃芪中Pb、Cu、Mn、Sn元素的含量(n=3)，由表4可知，與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比結(jié)果一致。

取“1.2”系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，按“1.3”ICP-MS條件測(cè)定，以內(nèi)標(biāo)元素校正的各元素響應(yīng)值為縱坐標(biāo)(y)，以相應(yīng)的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到每種元素的r2均大于0.993(見(jiàn)表5)，說(shuō)明方法的線性關(guān)系良好。

取已知含量的S1樣品0.1 g(6份)，精密稱定，分別加入一定量的各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照“1.4”條件制備樣品溶液，“1.3”ICP-MS條件連續(xù)進(jìn)樣測(cè)定，得到各元素的回收率為77.7%～116%(見(jiàn)表5)，RSD(n=6)為0.40%～2.5%，符合分析要求。

表5 24種無(wú)機(jī)元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線及其在磁石中的加標(biāo)回收率Table 5 Standard curves of 24 kinds of inorganic elements and their recoveries in magnetite sample

(續(xù)表5)

2.4.2 樣品測(cè)定按“1.3”ICP-MS條件依次測(cè)定10批次磁石樣品中24種元素的含量。結(jié)果表明，除Sn、Zr、Cu、Cd外，其他元素在10批樣品中均有檢出，其中Fe、Ca、Al、Mg、K、Zn、Mn、Ti、P元素的含量較高，分別為174.8～443.2 mg/g、10.42～57.47 mg/g、2.877～44.21 mg/g、4.158～27.01 mg/g、5.127～48.21 mg/g、0.757 0～9.926 mg/g、2.805～3.712 mg/g、0.977 6～2.193 mg/g、0.674 0～14.73 mg/g，為磁石的主要元素。Co、Ni、Ba、V、Be、Zr、Sr、As、Cr元素的含量較少，分別為37.29～64.39 μg/g、19.74～57.81 μg/g、260.4～979.1 μg/g、178.4～296.5 μg/g、3.89～48.00 μg/g、40.32～83.25 μg/g、100.5～153.5 μg/g、23.71～100.2 μg/g、152.8～763.1 μg/g。

重金屬Cr、Pb、Hg、Cu元素均有檢出，Cd元素在S1、S2、S4、S8未檢出，在其他批次中均有檢出，含量為7.34～73.4 μg/g，Cr元素的含量為152.8～763.1 μg/g，Pb元素的含量為4.980～175.4 μg/g，Hg元素含量除廠家提供的磁石樣品外均在500.0～720.0 μg/g范圍內(nèi)，Cu元素的含量為5.88～34.76 μg/g，Sn元素在多數(shù)產(chǎn)地的藥材中均未檢出。

2.5 討 論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)ICP-MS對(duì)磁石進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示磁石中含有24種元素，其中Fe為主要元素，含量最高，是重要的檢測(cè)指標(biāo)，其均值在345.0 mg/g，含鐵量為34.5%。根據(jù)中國(guó)藥典中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究制定技術(shù)要求，按其平均值的±20%作為限定的制定幅度，建議限量標(biāo)準(zhǔn)，全鐵量不低于27.6%。2015版《中國(guó)藥典》中采用滴定法測(cè)定的含鐵量限定標(biāo)準(zhǔn)為不得少于50.0%，與本實(shí)驗(yàn)方法不同，含量也存在一定差異。

重金屬及有害元素對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼造血系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等極具危害，還有致畸、致癌、致突變作用，直接影響藥性及用藥安全，所以重金屬及有害元素的檢查是保證中藥應(yīng)用安全性的重要方面，尤其在礦物藥的安全性評(píng)價(jià)中更顯重要。其限量使用成為重中之重，而重金屬及有害元素的含量也成為篩選優(yōu)質(zhì)藥材的重要參數(shù)。

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定重金屬Pb、As、Hg、Cu、Cd的含量均值分別為51.44、49.16、539.7、18.06、30.27 μg/g。根據(jù)中國(guó)藥典中藥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究制定技術(shù)要求，建議磁石中Pb、As、Hg、Cu和Cd元素分別不得超過(guò)61.73、58.99、647.6、33.11、50.45 μg/g。Al元素可對(duì)身體造成傷害，其含量不可忽視，本實(shí)驗(yàn)測(cè)定Al元素含量的均值為23.72 mg/g，建議限量標(biāo)準(zhǔn)Al元素不得超過(guò)28.46 mg/g。

蒙藥方劑中磁石通常需炮制后入藥。炮制的過(guò)程能夠使礦物藥中重金屬與有害元素的含量及價(jià)態(tài)發(fā)生變化，從而起到減毒增效的作用。本研究建立的多種元素定量分析方法為蒙藥磁石的質(zhì)量控制提供了重要的技術(shù)支持，并為后續(xù)蒙藥磁石炮制規(guī)范化研究提供了指導(dǎo)方案。

3 結(jié) 論

本研究應(yīng)用FTIR、XRD及ICP-MS法測(cè)定磁石樣品的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及所含元素含量，F(xiàn)TIR、XRD的結(jié)果顯示，磁石的主要成分為Fe3O4以及石英，并有其他多種礦物伴生，不同產(chǎn)地、不同批次磁石樣品中各元素的含量有一定差異；ICP-MS結(jié)果顯示，磁石中含有多種元素，形成復(fù)雜的元素體系，不同產(chǎn)地、不同批次磁石樣品中各元素的含量存在差異。某些元素和化合物可能成為磁石功效的質(zhì)量標(biāo)志物，用于品鑒磁石藥材的質(zhì)量；部分重金屬及有害元素有檢出，一定程度上影響用藥安全性，而重金屬及有害元素的含量也成為篩選優(yōu)質(zhì)藥材的重要參數(shù)。本研究結(jié)果不僅可為蒙藥磁石的質(zhì)量控制和安全性評(píng)價(jià)提供科學(xué)方法，而且可為磁石炮制規(guī)范化研究和臨床用藥安全提供重要依據(jù)。