礦物元素指紋圖譜的建立及在西洋參產(chǎn)地鑒別中的應(yīng)用研究

張春華，陳春桃，陳 亮，韓必愷，李子宜，吳惠勤，黃曉蘭

(廣東省科學(xué)院測(cè)試分析研究所(中國(guó)廣州分析測(cè)試中心)，廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省中藥質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510070)

西洋參為五加科人參屬多年生草木植物西洋參(Panax quinquefolium L.)的干燥根，其味微苦，性涼，歸心、肺、腎經(jīng)，有補(bǔ)氣養(yǎng)陰，清熱生津的功能，主治氣虛陰虧，虛熱煩倦，咳喘痰血，內(nèi)熱消渴，口燥咽干[1]。西洋參又名西洋人參、洋參、花旗參、廣東人參，原產(chǎn)于加拿大和美國(guó)，上世紀(jì)80年代以來在我國(guó)引種成功，主要分布在吉林、山東、北京和陜西等地[2]。目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界西洋參第一大消費(fèi)國(guó)，同時(shí)也是第二大生產(chǎn)國(guó)。不同產(chǎn)地西洋參的價(jià)格差別較大，特別是進(jìn)口西洋參價(jià)格昂貴，一些不法商人受利益驅(qū)使，以國(guó)產(chǎn)西洋參假冒進(jìn)口西洋參進(jìn)行出售，擾亂了市場(chǎng)秩序。故建立西洋參的產(chǎn)地鑒定方法對(duì)規(guī)范西洋參藥材市場(chǎng)，保護(hù)消費(fèi)者和生產(chǎn)者的權(quán)益具有重要意義。

植物依靠吸收土壤中的養(yǎng)分、礦物元素和水分而生長(zhǎng)，不同產(chǎn)地的土壤存在差異，故植物中的礦物元素組成也存在差異。礦物元素和/或穩(wěn)定同位素法結(jié)合主成分分析、聚類分析、線性判別分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法已被應(yīng)用于糧食[3-5]、橄欖油[6-7]、葡萄酒[8]、茶葉[9-11]、水果[12-13]等的產(chǎn)地溯源研究，而采用礦物元素法鑒別西洋參產(chǎn)地的研究較少[14-15]。侯皓然等[15]為鑒別中國(guó)東北、美國(guó)和加拿大產(chǎn)西洋參，測(cè)定了西洋參中的28種礦物元素，最終篩選出Y、Fe和Ni 3個(gè)元素作為區(qū)分西洋參產(chǎn)地的判別分析模型指標(biāo)。但該方法測(cè)定的樣品中礦物元素種類少，只篩選得到少數(shù)幾個(gè)元素作為有效指標(biāo)，不能反映樣品中礦物元素全貌。

在前期研究中，本小組建立了山東產(chǎn)西洋參礦物元素指紋圖譜，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用[16-17]。為了應(yīng)對(duì)國(guó)產(chǎn)西洋參冒充進(jìn)口西洋參等產(chǎn)地造假問題，本文將西洋參產(chǎn)地?cái)U(kuò)展為山東、吉林、美國(guó)和加拿大4個(gè)，優(yōu)化了元素分類和轉(zhuǎn)換系數(shù)，建立了4個(gè)產(chǎn)地西洋參的礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜。采用SPSS 20.0軟件計(jì)算礦物元素指紋圖譜的相似度，確定山東、吉林、美國(guó)和加拿大產(chǎn)西洋參礦物元素指紋圖譜的相似度閾值分別為0.93、0.91、0.98和0.93，建立了山東、吉林、美國(guó)和加拿大產(chǎn)西洋參產(chǎn)地的鑒別模型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

不同產(chǎn)地西洋參樣品：山東(22個(gè)，編號(hào)：SD01～SD15，X01～X07)、吉林(22個(gè)，編號(hào)：JL01～SD15，X08～X14)、美國(guó)(7個(gè),編號(hào)：MG01～MG07)、加拿大(7個(gè),編號(hào)：JND01～JND07)。所有樣品由廣東跑合中藥材電子商務(wù)有限公司提供或自北京同仁堂藥店、廣州采芝林藥店購(gòu)買，部分西洋參樣品細(xì)分為主根和側(cè)根。所有西洋參樣品于60 ℃下烘干2 h，剪成顆粒，用中藥粉碎機(jī)粉碎，過二號(hào)篩(孔徑為850 μm)后，用樣品袋封裝，保存于干燥塔中。

P單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL)，Ca、K、Mg、Na多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL)，Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL)，La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL)購(gòu)自國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；Ag、Al、As、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cs、Cu、Fe、Ga、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Rb、Se、Sr、Tl、U、V、Zn多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL)購(gòu)自安捷倫科技有限公司;Sc、Mo、Hg、Rh、Re單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL)購(gòu)自國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心。生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10027(GSB-18 人參)購(gòu)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)。

HNO3(68%)購(gòu)自蘇州晶瑞化學(xué)股份有限公司；超純水為實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 儀 器

Agilent 7700x ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)安捷倫公司)；WX-8000型微波消解儀和G-160型趕酸器(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)；TP-214型丹佛電子天平(美國(guó)丹佛儀器公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品消解取西洋參粉末0.5 g于聚四氟乙烯消解管中，加入5 mL濃硝酸，放置30 min后，置于微波消解儀中消解，按程序消解完全后，冷卻,趕酸器上120 ℃趕酸約20 min，消解液轉(zhuǎn)移至25 mL比色管中，用超純水定容至刻度。同時(shí)，按上述步驟消解制備全流程空白和人參質(zhì)控樣品。

1.3.2 ICP-MS 儀器工作條件高頻發(fā)生器輸出功率：1 550 W；采樣深度：10 mm；霧化器：MicroMist；霧化室溫度：2 ℃；等離子體氣(氬氣)：15.0 L/min，輔助氣(氬氣)：0.8 L/min，載氣(氬氣)：0.8 L/min，補(bǔ)償氣(氬氣)：0.4 L/min，碰撞氣(氦氣)：4.3 mL/min(He模式)；內(nèi)標(biāo)元素Rh和Re通過T型三通管在線加入，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為0.1 r/s，監(jiān)測(cè)質(zhì)量數(shù)分別為：7Li、9Be、11B、23Na、24Mg、27Al、31P、39K、44Ca、45Sc、47Ti、51V、52Cr、55Mn、56Fe、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、69Ga、75As、78Se、85Rb、88Sr、89Y、95Mo、103Rh、107Ag、111Cd、118Sn、121Sb、133Cs、137Ba、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu、185Re、202Hg、205Tl、208Pb、209Bi。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理采用Origin 7.5繪制礦物元素指紋圖譜；通過SPSS 20.0軟件的距離分析計(jì)算礦物元素指紋圖譜相似度。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法準(zhǔn)確度與精密度

ICP-MS以Rh和Re為內(nèi)標(biāo)，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定了西洋參中Li、Be、B、Na、Mg、Al、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Se、Rb、Sr、Y、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hg、Tl、Pb、Bi 50種礦物元素的含量。通過生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10027(GSB-18 人參)驗(yàn)證元素含量測(cè)定的準(zhǔn)確性(表1)。結(jié)果顯示，該生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中不含Ga；Sn和Bi 的含量低，扣除空白后兩者的測(cè)定結(jié)果相差大或未檢出；Ti元素在硝酸消解體系中測(cè)得的只是酸溶解的含量，其值偏低；其它元素含量基本與證書顯示值相符。對(duì)生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中不含和只給出參考值的Sc、Ga、As、Ag、Sn、Sb、Eu、Tm、Lu和Bi 10種元素進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，6次平行測(cè)試的平均回收率為81.2%～127%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.6%～6.6%。從生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及加標(biāo)回收檢測(cè)結(jié)果可知，本方法測(cè)定西洋參樣品中50種元素具有良好的準(zhǔn)確性和精密度。

表1 生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW10027)證書值及檢測(cè)結(jié)果(n=6)

(續(xù)表1)

2.2 不同產(chǎn)地西洋參元素含量分析

山東、吉林、美國(guó)和加拿大4個(gè)產(chǎn)地的西洋參中礦物元素的平均含量結(jié)果見表2。由表2可知，4個(gè)產(chǎn)地西洋參樣品中含有大量必需元素K、P、Ca和Mg，其它微量必需元素如B、Na、Fe、Mn、Cu、Zn和Ni的含量均在0.6 mg/kg以上；4個(gè)產(chǎn)地西洋參樣品中的非必需元素，如Al、Ba、Sr、Ti、Ga、Cr和Rb的含量也在0.6 mg/kg以上；除以上元素外，僅山東產(chǎn)西洋參中的Ce含量大于1 mg/kg ，其他元素含量均小于1 mg/kg。

在測(cè)定的50種礦物元素中，K含量最高，為11.6～14.9 g/kg，其中，加拿大產(chǎn)西洋參中K含量最高，美國(guó)和山東產(chǎn)西洋參次之，吉林產(chǎn)西洋參中含量最小。測(cè)定結(jié)果顯示，K、P、Ca和Mg含量呈依次下降趨勢(shì)，其中P、Ca和Mg的含量范圍為1.33～3.06 g/kg；且P含量在加拿大產(chǎn)西洋參中最高，山東和吉林產(chǎn)西洋參中最小；4個(gè)產(chǎn)地西洋參的Ca含量差別不大，Mg含量在加拿大產(chǎn)西洋參中最高，其它3個(gè)產(chǎn)地含量差別不大。Al、Fe、Na和Mn含量為40～284 mg/kg，其中，Al和Fe含量在山東和美國(guó)產(chǎn)西洋參中較高，吉林和加拿大產(chǎn)西洋參中較低；Na和Mn含量在山東產(chǎn)西洋參中也較高。Ba、Zn、Sr、Ti、Ga、B和Cu含量為3.1～44.1 mg/kg，Ba在山東和美國(guó)產(chǎn)西洋參中含量均較高，Zn在山東產(chǎn)西洋參中含量最高，Sr和B在加拿大產(chǎn)西洋參中含量均較高，Ti、Ga和Cu在美國(guó)產(chǎn)西洋參中含量均較高。Ni、Rb和 Cr 含量為0.6～7.0 mg/kg，分別在山東、吉林和美國(guó)產(chǎn)西洋參中含量較高。16種稀土元素除Gd在加拿大產(chǎn)西洋參中含量較高外，其余均在山東產(chǎn)西洋參中含量較高。Be、Ag、Sn、Sb、Cs、Hg和Tl含量均小于50 μg/kg，部分元素甚至未檢出。

表2 不同地區(qū)西洋參樣品中礦物元素含量

(續(xù)表2)

2.3 礦物元素指紋圖譜的建立

與有機(jī)化合物指紋圖譜可由色譜圖直接得到不同，ICP-MS所測(cè)定的元素含量為一組獨(dú)立的離散數(shù)據(jù)，構(gòu)建礦物元素指紋圖譜需將元素含量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形。將測(cè)定元素按原子序數(shù)由小到大進(jìn)行排序，以元素種類為橫坐標(biāo)，其對(duì)應(yīng)含量為縱坐標(biāo)，繪制了山東、吉林、美國(guó)和加拿大4個(gè)產(chǎn)地西洋參的礦物元素-含量關(guān)系圖(圖1)。從圖1可以看到，4個(gè)產(chǎn)地的礦物元素-含量關(guān)系圖幾乎完全重疊，無法體現(xiàn)不同產(chǎn)地西洋參礦物元素指紋圖譜的差別。這主要是因?yàn)槲餮髤⒅胁煌睾糠秶嗖畲螅缙渲蠯元素含量超過所有元素總和的60%，在礦物元素-含量關(guān)系圖的圖形中起了主導(dǎo)作用。

圖1 不同產(chǎn)地西洋參礦物元素-含量關(guān)系圖

為了展示礦物元素的差異，在構(gòu)建不同產(chǎn)地西洋參礦物元素指紋圖譜時(shí)，根據(jù)前期的研究結(jié)果[16-17]并進(jìn)一步優(yōu)化，將礦物元素按平均含量(元素未檢出的含量以0代替)大小分為5類，并進(jìn)行不同比例的縮小，元素分類和縮小系數(shù)見表3。分別以15批次山東和吉林、7批次美國(guó)和加拿大產(chǎn)西洋參元素含量的平均值建立各產(chǎn)地西洋參的礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜，如圖2所示，礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜能夠展示不同產(chǎn)地西洋參中礦物元素的差異，可應(yīng)用于西洋參的產(chǎn)地鑒別。

表3 元素分類和縮小系數(shù)

圖2 不同產(chǎn)地西洋參的礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜

2.4 西洋參產(chǎn)地鑒別模型的建立

在指紋圖譜的研究中，通常采用相似度評(píng)價(jià)不同指紋圖譜的差異。本文采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算西洋參中礦物元素指紋圖譜的相似度，構(gòu)建礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的15批次山東和吉林、7批次美國(guó)和加拿大產(chǎn)西洋參與各產(chǎn)地礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜之間的相似度見表4。山東、吉林、美國(guó)、加拿大產(chǎn)西洋參與其相應(yīng)礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜之間的相似度分別為0.934～0.993、0.911～0.992、0.984～0.997和0.925～0.991，其相似度均大于0.90，表明各產(chǎn)地西洋參與各自礦物元素指紋圖譜有較好的相似性。

將各產(chǎn)地西洋參的礦物元素指紋圖譜與礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度最小值定義為相似度閾值，山東、吉林、美國(guó)、加拿大產(chǎn)西洋參礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度閾值分別為0.93、0.91、0.98和0.93。在鑒別未知產(chǎn)地的西洋參時(shí)，按“2.3礦物元素指紋圖譜的建立”構(gòu)建未知產(chǎn)地西洋參的礦物元素指紋圖譜，計(jì)算其與礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度，若相似度高于某產(chǎn)地西洋參礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度閾值且相似度越大，則判定屬于某產(chǎn)地，反之不屬于。

表4 不同產(chǎn)地西洋參與各產(chǎn)地礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度

2.5 西洋參的不同生長(zhǎng)年限對(duì)鑒別模型的影響

西洋參為多年草本植物，為研究生長(zhǎng)年限對(duì)產(chǎn)地鑒別的影響，選取三年生和四年生山東產(chǎn)西洋參各8個(gè)，測(cè)定其礦物元素含量，以含量平均值建立三年生和四年生西洋參的礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜。

采用SPSS 20.0 軟件計(jì)算不同生長(zhǎng)年限山東產(chǎn)西洋參與各產(chǎn)地礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度，結(jié)果見表5。三年生西洋參與四年生西洋參礦物元素指紋圖譜的相似度為0.989，說明兩者有很好的相似度。三年生、四年生西洋參與山東產(chǎn)和美國(guó)產(chǎn)西洋參礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度均大于0.90，但與山東產(chǎn)西洋參相似度更高，為0.990和0.999，而與吉林和加拿大產(chǎn)西洋參的相似度均小于0.90。因此，雖然不同生長(zhǎng)年限西洋參中的礦物元素含量有差別，但在建立的模型中對(duì)產(chǎn)地鑒別無影響。

表5 三年生和四年生山東產(chǎn)西洋參與各產(chǎn)地礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度

2.6 未知產(chǎn)地西洋參樣品驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證建立的西洋參產(chǎn)地鑒別模型的準(zhǔn)確性，選取未參與礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜建立的山東、吉林及部分山東產(chǎn)西洋參的側(cè)根共20批樣品作為未知產(chǎn)地樣品，按建立的方法構(gòu)建礦物元素指紋圖譜，分別計(jì)算其與山東、吉林、美國(guó)、加拿大產(chǎn)西洋參礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度。

20批次西洋參中有17批次結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)地相符，正確率為85%，總體較為滿意。編號(hào)為X01～X07的西洋參與山東和美國(guó)產(chǎn)西洋參礦物元素標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜的相似度均大于0.90，但都只達(dá)到了山東產(chǎn)西洋參礦物元素指紋圖譜的相似度閾值，均判定產(chǎn)地為山東，判定結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)地相符；編號(hào)為X08～X11的西洋參測(cè)定結(jié)果判定產(chǎn)地為吉林，與實(shí)際產(chǎn)地相符；編號(hào)為X12～X14的西洋參實(shí)際產(chǎn)地為吉林，但其中X12判定產(chǎn)地為山東，X13和X14判定產(chǎn)地為加拿大，判定結(jié)果錯(cuò)誤；6個(gè)山東產(chǎn)西洋參的側(cè)根樣品，均判定產(chǎn)地為山東，表明西洋參樣品的不同部位不影響本方法判定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

采用ICP-MS測(cè)定了山東、吉林、美國(guó)和加拿大產(chǎn)西洋參中50種礦物元素的含量，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，建立了各產(chǎn)地西洋參的礦物元素指紋圖譜和標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜，通過計(jì)算指紋圖譜的相似度，建立了西洋參的產(chǎn)地鑒別方法。研究表明不同生長(zhǎng)年限和不同部位西洋參對(duì)建立的產(chǎn)地鑒別方法無影響。20批未知樣品的驗(yàn)證結(jié)果正確率為85%。本文建立的礦物元素指紋圖譜法為中藥的產(chǎn)地鑒別提供了一種新方法。