臨澤小棗元素指紋圖譜結(jié)合化學計量學對元素富集規(guī)律的研究

于喆源

（甘肅省張掖市質(zhì)量檢驗檢測研究院，甘肅張掖 734000）

棗原產(chǎn)于中國，廣泛分布于海拔1 700 m以下的山區(qū)、丘陵、平原等地。棗富含多種營養(yǎng)元素，具有較高的經(jīng)濟價值、食用價值和園林價值，是我國重要的果樹資源[1]。有報道稱，世界上近99%的棗都產(chǎn)自于中國，同時占據(jù)了全球100%的棗產(chǎn)品國際貿(mào)易市場，具有較大的市場發(fā)展?jié)摿?，近年來已成為我國果樹發(fā)展的熱點[2]。自古以來臨澤小棗都享有盛名，因主產(chǎn)地在甘肅省張掖市臨澤縣而得名，據(jù)《臨澤縣志》記載距今已有1 400多年的種植栽培歷史。2008年經(jīng)過國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局的評定，原國家質(zhì)檢總局批準，將臨澤小棗納入到國家地理標志產(chǎn)品保護名錄。

研究表明，棗中富含多種無機元素，可以和人體內(nèi)的有機物形成配位鍵，承擔著多種多樣的功能[3]。對臨澤小棗中所含無機元素的種類與含量進行測定，可以為進一步開發(fā)其品牌價值提供一定理論基礎。同時，植物體內(nèi)元素富集量與生長環(huán)境有著密切關(guān)系，通過對臨澤小棗中多元素的測定，結(jié)合化學計量學模型建立，可以為臨澤小棗產(chǎn)地溯源提供一定的方法依據(jù)，從而拓寬臨澤小棗市場潛力。本研究采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）對臨澤小棗中所含無機元素含量進行測定[4]，以臨澤小棗中含有的15種元素的穩(wěn)定同位素含量為指標，建立無機元素指紋圖譜，并采用化學計量學方法對指紋圖譜信息進行化學模式識別，確定臨澤小棗內(nèi)所含無機元素的累積規(guī)律，研究數(shù)據(jù)可以為評價臨澤小棗無機元素富集情況以及對臨澤小棗產(chǎn)地溯源提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

濃硝酸（優(yōu)級純，成都市科隆化學品有限公司）；純凈水，元素標準溶液均來自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

小棗樣品（S1～S28)來自甘肅省張掖市臨澤縣各產(chǎn)區(qū)，小棗樣品（S29～S31)來自甘肅酒泉市引種區(qū)域，小棗樣品S32～S36)來自甘肅省張掖市甘州區(qū)沙井產(chǎn)區(qū)。經(jīng)甘肅張掖市質(zhì)量檢驗檢測研究院藥品檢驗中心鑒定為鼠李科植物棗（Ziziphus jujubaMill.）的干燥成熟果實，采集后陰涼處自然晾干，放入自封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 儀器與設備

電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP 2030），日本島津公司；超純水機（Q-GardA2），默克密理博；萬分之一電子天平（GL224i-1SCN），賽多利斯；微波消解儀（Mars6），美國CEM公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 試樣的制備

用天平稱取0.4 g臨澤小棗樣品粉末，置于潔凈干燥的聚四氟乙烯消解罐中；量取5 mL濃硝酸加入，輕輕振蕩消解罐，使內(nèi)部物質(zhì)混合均勻；將消解罐放置在微波消解儀內(nèi)，根據(jù)表1中設定好的時間與溫度進行升溫消解；消解完成后進行冷卻，待溶液溫度降至室溫時加入少量純水潤洗；轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中定容，試樣制備完成。采用同樣的方法完成所有試樣的制備。

表1 微波消解參數(shù)設定

1.3.2 標準溶液的制備

采用2% HNO3配制各種元素的標準工作液。其中Ag、Au、I、Mo、Ni、Ti和W元素濃度梯度為0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1、10.00μg·L-1、25.00μg·L-1和50.00 μg·L-1；Ba、Cu、Fe、Sr、Zn元素濃度梯度為0 μg·L-1、1 μg·L-1、5 μg·L-1、10 μg·L-1、20 μg·L-1、100 μg·L-1、200 μg·L-1、500 μg·L-1和1 000 μg·L-1；Pb元素濃度梯度為0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1、10.00 μg·L-1和25.00 μg·L-1；Al、Mn元素濃度梯度為0 μg·L-1、1 μg·L-1、5 μg·L-1、10 μg·L-1、20 μg·L-1、100 μg·L-1和200 μg·L-1；Cr、V元 素 濃 度 梯 度 為0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1和10.00 μg·L-1。

1.3.3 測試儀器的設定

通過控制軟件調(diào)節(jié)功率為1 200 W；通過計算機控制輔助氣、等離子氣和載氣流量，等離子氣流量調(diào)節(jié)為8 L·min-1，輔助氣流量調(diào)節(jié)為1.1 L·min-1，載氣體積流量調(diào)節(jié)為0.7 L·min-1；采樣深度控制在5 mm，碰撞池氣體調(diào)節(jié)為6 mL·min-1；常規(guī)分析靈敏度設定為115In＞40 000 cps。方法選擇：采用碰撞模式，池氣體6 mL·min-1，池電壓-21 V，能量過濾器7.0 V；采用內(nèi)標法測定，內(nèi)標溶液 Bi、Ge、Sc、Rh、Re以及In用于監(jiān)測基質(zhì)效應。每個試樣測定3次，然后取其平均值。

1.3.4 標準曲線的繪制

根據(jù)試驗要求確定標準液濃度，然后分別配制15種元素的標準液，并按要求完成標準液采集，求出各種標準溶液的光密度?？v軸（Y）為標準溶液的光密度，橫軸（X）為標準溶液的濃度，根據(jù)測定數(shù)據(jù)繪制標準曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 標準曲線

15種元素的回歸方程及相關(guān)系數(shù)如下。

Ag：Y=0.461 504 9X+0.307 744 4，相關(guān)系數(shù)r=0.999；Al：Y=4.660 200X-5.080 299，相關(guān)系數(shù)r=0.998；Au：Y=3.444 022X+0.046 973 9，相關(guān)系數(shù)r=0.996；Ba：Y=0.309 287 3X+1.034 200，相關(guān)系數(shù)r=1.000；Cr：Y=0.130 992 2X-0.702 560 6，相 關(guān) 系 數(shù)r=0.998；Cu：Y=0.075 635 1X+9.533 981，相關(guān)系數(shù)r=0.998；Fe：Y=0.107 377 4X-4.677 603，相關(guān)系數(shù)r=1.000；I：Y=5.283 440X-2.284 557，相 關(guān) 系 數(shù)r=0.999；Mn：Y=0.213 975 9X-6.926 103，相關(guān)系數(shù)r=0.999；Mo：Y=0.861 433 1X-0.787 043，相關(guān)系數(shù)r=0.999；Ni：Y=0.105 638 9X-2.390 297，相關(guān)系數(shù)r=0.995；Pb：Y=0.702 825 7X-0.851 315，相關(guān)系數(shù)r=0.989；Sr：Y=0.091 932 0X+5.086 224，相關(guān)系數(shù)r=0.999；Ti：Y=0.787 344 4X-2.186 937，相關(guān)系數(shù)r=0.966；Zn：Y=0.220 174 3X+16.684 43，相關(guān)系數(shù)r=0.972。

2.2 重復性驗證

選取消化后的定容溶液做重復性試驗，連續(xù)測試5次，然后考察目標待測元素的含量。結(jié)果顯示標準偏差RSD均小于5%，滿足指紋圖譜的標準要求。

2.3 指紋圖譜的建立及相似度分析

近年來指紋圖譜法應用較為廣泛，主要用于表征天然植物中多成分特征，能夠直觀地反映天然植物中多成分體系的整體狀況，此外還可以通過質(zhì)量評價對植物產(chǎn)地進行溯源。以元素種類為橫坐標，相對含量為縱坐標繪制指紋圖譜，如圖1。根據(jù)計算機仿真方法，采用余弦夾角測度表征指紋圖譜測度，余弦值隨夾角大小變化，夾角越小，余弦值則越接近1，說明相似度越高。通過指紋圖譜可以看出，試樣雖采自不同種植地域，但無機元素富集特征基本保持明顯的一致性，但經(jīng)過相似度分析發(fā)現(xiàn)，各樣品間還是具有較為明顯的區(qū)別。

圖1 臨澤小棗元素指紋圖譜

2.4 化學計量學分析—主成分分析

以36個臨澤小棗試樣中15種元素含量為因子變量，計算每個試樣的特征根和貢獻率，對主成分進行分析，特征根、貢獻率、累積貢獻率見表2。通過對15種元素的主成分因子進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其中Ag、Al、Au、Ba和Cr等元素貢獻率明顯，可用于評價小棗整體元素水平，且對人體生物學價值明顯。如Fe元素可以提高人體造血能力和免疫力，對神經(jīng)系統(tǒng)也有較大影響；Cr元素參與人體糖脂代謝，可增強胰島素功能；維生素B12是一種3價鈷多環(huán)系化合物，在人體內(nèi)發(fā)揮重要生理作用；Al、La含量過高則會對人體產(chǎn)生較大危害[5-6]。

表2 臨澤小棗元素主成分特征根和貢獻率

3 結(jié)論

通過指紋圖譜雖然不能確定樣品中各物質(zhì)的化學成分，但對于檢測質(zhì)量的控制效果比較顯著。從生態(tài)區(qū)域上說，甘肅張掖和甘肅酒泉為相同生態(tài)區(qū)域，通過對臨澤小棗的理化成分進行分析，其成分含量均較為接近，難以區(qū)分是否為規(guī)定區(qū)域種植，對保護地理標志產(chǎn)品的市場地位和潛在價值不利。本試驗通過對無機元素成分進行測定，對采自不同產(chǎn)區(qū)的臨澤小棗試樣建立了無機元素穩(wěn)定同位素指紋圖譜。結(jié)果表明各小棗試樣元素成分基本相同，只是含量存在一定差距，尤其是非張掖市種植臨澤小棗，其元素分布和張掖市種植存在明顯差異?；瘜W計量學分析結(jié)果顯示，Ag、Al、Au、Ba、Cr在特征主成分中具有較大貢獻值，可以作為產(chǎn)地溯源的重要參考因素。