ICP-MS法測(cè)定廣西金櫻根及炮制品中22種金屬元素

韋熹苑 鄧琦 舒柯 盧小玲 卓燊 范家文 潘思杏

摘 要： 為建立廣西金櫻根藥材中22種金屬元素的電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS） 分析方法，該文對(duì)不同產(chǎn)地藥材及其炮制品中金屬元素含量進(jìn)行比較分析，評(píng)價(jià)其藥材的質(zhì)量和優(yōu)選適當(dāng)?shù)呐谥品椒āＭ瑫r(shí)，采用 ICP-MS 法測(cè)定22種金屬元素含量，繪制其特征金屬元素柱狀圖譜，并采用系統(tǒng)聚類分析和主成分分析對(duì)金櫻根藥材不同產(chǎn)地、不同炮制品的45個(gè)樣品進(jìn)行判別研究。結(jié)果表明：廣西金櫻根不同產(chǎn)地藥材及其炮制品的45個(gè)樣品中金屬元素含量存在一定差異，其中Al元素含量偏高，經(jīng)聚類分析和主成分分析將產(chǎn)地分為三類，主成分分析特征元素為Al、Pb、Ba、Zn、As、Sr。該研究通過(guò)金屬元素在不同產(chǎn)地金櫻根及炮制品中的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)金櫻根醋炙的炮制方法最優(yōu)，為金櫻根的臨床安全應(yīng)用及質(zhì)量控制提供了理論依據(jù)和方法學(xué)參考。

關(guān)鍵詞： 金櫻根， 炮制品， 金屬元素， ICP-MS， 聚類分析， 主成分分析

中圖分類號(hào)： Q946 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ?文章編號(hào)： 1000-3142（2021）07-1209-10

Abstract： To establish a quality control method for simultaneous analysis of 22 metal elements in the root of Rosa laevigata， collected from different origins， habitats and processed products by inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS）， and to optimize a processing method in R. laevigata between different processed products. The samples were analyzed by ICP-MS and the histograms were established based on the characteristic metal elements. Discrimination study was carried out based on the hierarchical clustering analysis （HCA） and principal component analysis （PCA） of 45 samples collected from different origins， habitats and processed products， of which the results showed that the content of each metal element in the 45 samples of R. laevigata was existed variation among the nine districts， of which the content of Al was abundant. The 45 samples were classified into three clusters. The results of PCA confirmed the accuracy of HCA. Six main factors were selected by PCA， and the PCA results showed that Al， Pb， Ba， Zn， As and Sr were the characteristic elements in R. laevigata. The results displayed that the content variations of metal elements in different habitats of R. laevigata and its processed products， and the vinegar stir fry method is optimization processing. This study could provide a theory and technical support for clinical safety application and the process quality control of R. laevigata.

Key words： roots of Rosa laevigata， processed products， metal elements， inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS）， hierarchical clustering analysis （HCA）， principal component analysis （PCA）

金櫻根（壯文Makgoij）為薔薇科（Rosaceae）植物金櫻子（Rosa laevigata）的根，性味澀、酸、平，有固精澀腸等作用，可用于治療滑精、遺尿、痢疾、泄瀉、崩漏帶下、子宮脫垂等疾病（鐘鳴等，2013）。現(xiàn)該藥材已作為原料藥用于金雞片、三金片等廣西特色中成藥在臨床上廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)金櫻根的科學(xué)開(kāi)發(fā)、基礎(chǔ)探索、臨床應(yīng)用等深入研究尤為重要。目前，金櫻根主要以野生為主，對(duì)金櫻根質(zhì)量評(píng)價(jià)控制等方面的研究較少，現(xiàn)有研究主要是對(duì)有機(jī)化學(xué)成分如鞣質(zhì)、酚類、生物堿、黃酮、多糖、三萜類等方面的研究報(bào)道（單于超和田素英，2011;劉一涵等，2018）。但對(duì)其金屬元素組成分析的系統(tǒng)研究卻鮮有報(bào)道，金屬元素作為中藥中一類重要的組成成分，其種類及含量高低直接影響著中藥的功效及毒副作用（武志菲，2017;張杰等，2018）。因此，中藥中金屬元素的含量控制與中藥品質(zhì)有直接關(guān)系?，F(xiàn)代研究證明，中藥通過(guò)炮制后其中的微量元素發(fā)生變化可改變藥性（吳兆熹等，2003）、影響療效（陳麗坤和李紹華，2002）等。此外，中藥中重金屬元素超標(biāo)一直成為我國(guó)中藥材出口的瓶頸（韓旭等，2015），所以中藥安全性也是受國(guó)際社會(huì)熱點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

本研究采用ICP-MS對(duì)廣西不同產(chǎn)地金櫻根及其炮制品中金屬元素進(jìn)行測(cè)定，并采用系統(tǒng)聚類分析和主成分分析，建立基于定量分析結(jié)果的聚類譜系圖，直觀地展示不同產(chǎn)地及其炮制品的金屬元素差異，并對(duì)最佳炮制方法進(jìn)行優(yōu)選，以此為金櫻根及其炮制品的安全性和臨床合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為金櫻根質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)提供了一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

1.1.1 材料和試劑 金櫻根采自廣西9個(gè)產(chǎn)地，經(jīng)貴州省食品藥品檢驗(yàn)所副主任藥師舒柯鑒定為薔薇科（Rosaceae）植物金櫻子（Rosa laevigata ）的根，金櫻根及其不同炮制品（實(shí)驗(yàn)室自制）共45個(gè)，具體見(jiàn)表1。Al，F(xiàn)e，Cu，Pb，As，Cd，Cr，Ni，V，Sb，Sn，Tl，Ag，B，Ba，Co，Mn，Mo，Se，Sr，Ti和Zn等22個(gè)元素的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（規(guī)格為ng·mL-1，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心），硝酸（AR），超純水（實(shí)驗(yàn)室自制）。

1.1.2 儀器 Icap Q電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（賽默飛公司），Milli-Q型超純水制備系統(tǒng)（ 美國(guó)密理博公司），微波消解儀 （美國(guó)CEM公司），電子分析天平 （瑞士梅特勒公司），電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海精密儀器公司），電磁爐（美的公司）。

1.2 方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備 將原始質(zhì)量濃度為1 000 ng·mL-1的金屬元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，臨用前將其稀釋為所需濃度，以確保待測(cè)樣品質(zhì)量濃度在標(biāo)準(zhǔn)系列的范圍之內(nèi)，具體見(jiàn)表2。

1.2.2 不同炮制品的制備 參照2015版《中國(guó)藥典》四部通則項(xiàng)下各炮制品的制備方法，將9批不同產(chǎn)地的金櫻根分別稱取各1 000 g，每批產(chǎn)地分5份，每份200 g，分別為生品、炒黃、酒炙、鹽炙、醋炙。

生品：將9批不同產(chǎn)地金櫻根藥材凈選切制后，40 ℃低溫烘干，備用。

炒黃品：取上述9批凈制后的藥材適量（每批200 g），置燒熱炒鍋內(nèi)，用文火翻炒至表面顏色加深時(shí)，取出，放涼。

酒炙品：取上述9批凈制后的藥材適量（每批200 g），加入定量的黃酒（藥∶黃酒=100∶20） 攪拌均勻，待黃酒被吸盡后，置燒熱炒鍋內(nèi)，用文火翻炒至表面顏色加深時(shí)，取出，放涼。

鹽炙品：取上述9批凈制后的藥材適量（每批200 g），加入定量的鹽水（藥∶食鹽 = 100∶20） 攪拌均勻，待鹽水被吸盡后，置燒熱炒鍋內(nèi)，用文火翻炒至表面顏色加深時(shí)，取出，放涼。

醋炙品： 取上述9批凈制后的藥材適量（每批200 g），加入定量的米醋（藥∶米醋 = 100∶20） 攪拌均勻，待醋被吸盡后，置燒熱炒鍋內(nèi)，用文火翻炒至表面顏色加深時(shí)，取出，放涼。

1.2.3 樣品溶液的制備 取上述9批不同產(chǎn)地炮制品低溫干燥后，粉碎，過(guò)65目篩，準(zhǔn)確稱各炮制品粉末0.5 g，放入聚四氟乙烯消解罐中，精確加入濃硝酸8 mL，置于通風(fēng)櫥中靜置25 min，裝入微波消解儀中，按下列程序消解：10 min 升溫至150 ℃，維持2 min，隨后3 min 升溫至200 ℃，維持 8 min 消解。完畢后，冷卻至室溫，取出，于通風(fēng)櫥中將酸揮發(fā)盡，超純水定容至100 mL。同法同時(shí)制備樣品空白溶液。

1.2.4 ICP-MS工作條件 RF功率為1 555 W，冷卻氣體積流量14 L·min-1，載氣體積流量 0.8 L·min-1，輔助氣體積流量0.8 L·min-1，霧化器體流量1 L·min-1，樣品提升量為 1.5 L·min-1，測(cè)量條件為掃描模式為跳峰模式，掃描次數(shù)10次，重復(fù)次數(shù)3次，采樣通道個(gè)數(shù)3個(gè)，停留時(shí)間0.01 s。

1.2.5 方法學(xué)考察

1.2.5.1 線性關(guān)系、檢出限及定量限 根據(jù)“1.2.1”項(xiàng)方法，依次測(cè)定22種金屬元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，按測(cè)定條件以標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（X），標(biāo)準(zhǔn)品峰強(qiáng)度為縱坐標(biāo)（Y），繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到各元素的回歸方程，相關(guān)系數(shù)，線性范圍和檢出限。結(jié)果見(jiàn)表2。

1.2.5.2 精密度試驗(yàn) 取22種金屬元素標(biāo)準(zhǔn)溶液各自連續(xù)進(jìn)樣6次，22種元素的 RSD 值在0.36%～2.86%之間。由表2可知，表明儀器的精密性良好。

1.2.5.3 重復(fù)性試驗(yàn) 取S1號(hào)金櫻根樣品6份，按照“1.2.3 ”項(xiàng)方法制備樣品溶液，測(cè)定 22種金屬元素的含量，22種金屬元素的 RSD值在0.46%～2.96%之間。由表2可知，說(shuō)明方法的重復(fù)性良好。

1.2.5.4 穩(wěn)定性試驗(yàn) 取 S1號(hào)金櫻根樣品1份，按照“1.2.3”項(xiàng)方法制備樣品溶液，分別于 0、2、4、8、16、24 h后測(cè)定22種金屬元素的含量，22種金屬元素的RSD值分別在0.52%～2.71%之間。由表2可知，表明樣品在24 h內(nèi)各元素的量是穩(wěn)定的。

1.2.5.5 加樣回收率試驗(yàn) 取已測(cè)定的S1樣品 0.5 g（5份），精密稱定，分別精密加入一定量的各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照“1.2.3”項(xiàng)制備樣品溶液，按上述 “1.2.4”項(xiàng)條件進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算得到各元素的回收率在 87.34%～108.33%之間，RSD 均小于3%。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬元素含量分析

本實(shí)驗(yàn)采用 ICP-MS 法測(cè)定45批廣西金櫻根不同產(chǎn)地樣品及炮制品藥材中22種金屬元素含量，具體結(jié)果見(jiàn)表3。參照現(xiàn)行《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（WM2-2001）》（中華人民共和國(guó)外貿(mào)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2005 ） 限量指標(biāo)：Pb≤5.0 mg·kg-1，Cd≤0.3 mg·kg-1，Hg≤0.2 mg·kg-1，Cu≤20.0 mg·kg-1，As≤2.0 mg·kg-1，可以得出45份金櫻根炮制品藥材中Pb、Cd、Hg、Cu、As元素的量均在標(biāo)準(zhǔn)限制范圍內(nèi)，金櫻根及各炮制品重金屬含量均符合我國(guó)中藥材重金屬安全性的相關(guān)規(guī)定。其結(jié)果可能與金櫻根在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)重金屬元素的吸收富集能力和土壤中的重金屬元素含量密切相關(guān)，因此，說(shuō)明廣西的土壤及氣候環(huán)境對(duì)金櫻根生長(zhǎng)的要求是有利的。

2.2 不同產(chǎn)地金櫻根炮制品中金屬元素聚類分析

采用系統(tǒng)聚類分析方法，選擇組間距離法 （between-groups linkage） 為聚類方法，歐氏距離平方法 （squared euclidean distance） 為測(cè)量距離方法進(jìn)行聚類分析，將9個(gè)不同產(chǎn)地金櫻根及不同炮制品的45批樣品金屬元素含量數(shù)據(jù)作為量化指標(biāo)，得到 22×45 階的數(shù)據(jù)矩陣， 應(yīng)用SPSS 23.0 （Windows 23.0， SPSS Inc.， USA）軟件建立基于金櫻根金屬元素分析結(jié)果的樹(shù)狀聚類譜圖，具體結(jié)果見(jiàn)圖1。

由聚類樹(shù)狀圖1可知，在λ<5.0 時(shí)，45個(gè)樣品能明顯劃分為三類：產(chǎn)于柳州融水、宜州懷遠(yuǎn)、宜州洛東和桂林全州的炮制品聚為第一類;產(chǎn)于桂林灌陽(yáng)、賀州信都、貴港桂平和欽州平吉的炮制品聚為第二類;產(chǎn)于貴港平南的金櫻根炮制品聚為第三類。結(jié)合表3的結(jié)果分析，以上三類產(chǎn)區(qū)Al元素均偏高，第三類產(chǎn)區(qū)的Al元素含量范圍最高，F(xiàn)e、Ba、B以及Zn元素平均含量范圍第二類含量最高，第一類含量次之，而第三類均在第一和第二類范圍內(nèi)。當(dāng)λ>10.0 時(shí)，所有樣品聚合為兩類，除貴港平南外所有產(chǎn)區(qū)聚為第一類，樣品大致采集于廣西西北、東北及東南部，而采集于貴港平南縣的金櫻根及炮制品為第二類，第二類產(chǎn)區(qū)Al元素含量比第一類產(chǎn)區(qū)高，其他元素含量均在第一類產(chǎn)區(qū)含量范圍內(nèi)。

從以上分析數(shù)據(jù)可見(jiàn)，除單獨(dú)聚為一類的貴港平南地區(qū)外，廣西東北部及東南部地區(qū)金櫻根中金屬元素的含量比西北部地區(qū)的高。原因可能是由于植物在滿足自身所需元素的同時(shí)，對(duì)土壤中的富集元素也會(huì)有非選擇性吸收，這種吸收取決于土壤中某一元素的含量和物理化學(xué)性質(zhì)，以及相應(yīng)的土壤、溫度、濕度等自然因素，從而造成中藥中不同地域含有的金屬元素存在差異。以上分析結(jié)果可見(jiàn)，廣西地域差異、環(huán)境、氣候等因素對(duì)金櫻根炮制品金屬元素的富集性均具顯著的影響。

2.3 金屬元素間主成分分析

為明確22種金屬元素在廣西金櫻根中各自的主成分特征值和貢獻(xiàn)率，采集9個(gè)不同產(chǎn)地金櫻根及不同炮制品的45 批樣品中22種金屬元素的含量數(shù)據(jù)，其中有5種金屬元素的含量接近0或等于0，為了統(tǒng)計(jì)分析，取17種金屬元素含量數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析。主成分的特征值及貢獻(xiàn)率是選擇主成分的主要依據(jù)。得到6個(gè)主成分， 累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85.432%。第1主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到32.44%，主要來(lái)自Al（0.726）、Pb（0.797）、Ba（0.845）及Zn（0.797）的信息，第2主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)15.43%，主要來(lái)自As（0.797）的信息，第3主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)14.17%，主要來(lái)自Sr（0.829）的信息。根據(jù)主成分分析原理，結(jié)合特征向量表可以看出，Al、Pb、Ba、Zn、As、Sr可作為金櫻根及炮制品的特征金屬元素，基本可以說(shuō)明各指標(biāo)的所有信息。

提取3個(gè)主成分用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件做散點(diǎn)3D得分圖。由圖2可知，45批樣品可分為三類：柳州融水、宜州懷遠(yuǎn)、宜州洛東和桂林全州的炮制品聚為第一類;桂林灌陽(yáng)、賀州信都、貴港桂平和欽州平吉的炮制品聚為第二類;貴港平南的金櫻根炮制品聚為第三類。主成分分析結(jié)果與聚類分析結(jié)果完全一致。

2.4 特征金屬元素柱狀圖

經(jīng)過(guò)主成分分析得出 Al、Pb、Ba、Zn、As、Sr是金櫻根炮制品的特征金屬元素，基本可以表征此批樣品的22種金屬元素信息。從測(cè)定結(jié)果可見(jiàn)，Al元素含量較高，為便于分析各特征金屬元素在45批樣品中的分布情況，將含量較高的Al元素縮小10倍數(shù)值與其他特征金屬元素達(dá)到同一數(shù)量級(jí)，再進(jìn)行繪制柱狀圖，各產(chǎn)區(qū)金櫻根及其炮制品特征金屬元素情況如圖3所示。S1～S45表示樣品編號(hào)。

由圖3可知，9個(gè)產(chǎn)區(qū)的金櫻根在經(jīng)過(guò)不同方法炮制后Pb、As、Sr元素含量無(wú)顯著性變化，Al元素經(jīng)過(guò)醋炙后的含量均顯著降低，Zn元素在經(jīng)過(guò)醋炙后含量明顯提高，而這兩種元素在其他炮制方法中無(wú)顯著性變化規(guī)律，Ba元素在柳州融水、貴港桂平及欽州平吉的產(chǎn)區(qū)炮制后變化明顯外，其他產(chǎn)區(qū)炮制后變化無(wú)顯著性。在醋制過(guò)程中Al元素降低，可能是由于金櫻根存在某種成分在酸性條件下能與Al元素形成絡(luò)合物導(dǎo)致了Al元素含量下降，而Zn元素增加有可能是由于金櫻根中存在的物質(zhì)能夠在酸性環(huán)境中，促進(jìn)金櫻根中Zn鹽的解離，使Zn元素增加。而對(duì)于其他元素在不同產(chǎn)區(qū)和不同炮制方法中呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律變化，可能與該地區(qū)藥材所含的成分的影響或者所含成分在一定炮制過(guò)程中產(chǎn)生的物質(zhì)變化有關(guān)。

3 討論與結(jié)論

在金櫻根各炮制品中常量元素以Al和Fe元素最為豐富，Al含量在各種炮制品中可達(dá)到33.9～270 mg·kg-1，此特征性可作為廣西金櫻根藥材的重要標(biāo)志，Al元素普遍較高可能與該藥材本身的遺傳特征，及在該藥材中存在某種成分能對(duì)Al元素產(chǎn)生主動(dòng)吸收的現(xiàn)象相關(guān)。Fe元素在生品中均達(dá)到1 mg·kg-1以上，但是，個(gè)別產(chǎn)區(qū)的Fe元素經(jīng)過(guò)炮制后呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律的下降或升高的特征，此特征可能是受產(chǎn)區(qū)土壤、氣候及炮制方法等綜合因素的影響所造成的，微量元素以B、Ba、Mn、Zn、Sr較為豐富，這些元素都是人體所必需的元素。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證明，正常人Al總量在45～150 mg，毒性不大，在體內(nèi)拮抗Al的某些毒害作用，但是Al元素的量必須控制在必要的范圍內(nèi)，因?yàn)檫^(guò)多的Al能阻礙磷的吸收，有抑制消化道酶的作用（葉福媛等，1999）。Zn元素具有清熱、涼血、消炎、收斂生肌等功效，同時(shí)還可以用于拮抗 Cd、Hg、Al元素，可提高免疫力等（張俊清等，2002;管敏強(qiáng)，2008），從金櫻根中抗炎解熱收斂等功效來(lái)看與Zn元素的作用相一致（譚年秀等，2012）。金櫻根的功效與其所含這些微量元素有一定的相關(guān)性，因此，適當(dāng)提高Zn元素的含量，降低Al元素的含量，使這些元素在金櫻根的藥效方面起著協(xié)同的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)醋制后Al元素和Zn元素呈現(xiàn)出降低或升高的趨勢(shì)，醋炙方法不僅能控制降低Al元素的含量，同時(shí)能夠適當(dāng)提高Zn元素的含量，同時(shí)醋味酸，在中藥中具有收斂固澀的作用，與其金櫻根治療的功效達(dá)到協(xié)同的作用。

本研究采用ICP-MS建立了測(cè)定廣西金櫻根及其炮制品中22種金屬元素含量的方法，該方法快速、準(zhǔn)確，可為金櫻根藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定提供必要的參考。通過(guò)對(duì)45批樣品中金屬元素含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)。聚類分析可以對(duì)45批樣品做出初步分組，展示了金櫻根藥材不同產(chǎn)地、不同炮制品的化學(xué)差異;主成分分析又能進(jìn)一步驗(yàn)證聚類分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)篩選出特征金屬元素為金櫻根藥材質(zhì)量控制研究提供方法學(xué)參考。本研究可為人工種植栽培基地的篩選、飲片加工生產(chǎn)以及臨床用藥安全提供一定的科學(xué)依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 周翠鳴）