紅外光譜與X射線光譜結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜對蒙藥禹糧土質(zhì)量控制方法的研究

朱禹奇,張 鑫,杜盼盼,劉 舒,張貴鑫,關(guān)松磊*,鄭 重*

1. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所化學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130022 2. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,吉林 長春 130118

引 言

禹糧土是一種常用的蒙藥,蒙古名為申都拉,為含鐵粘土。其外觀呈紅棕色或淺棕色,凹凸不平,塊狀集合體,不規(guī)則塊狀,氣微,味淡,嚼之無沙粒感,口味綿軟,摩擦有沙粒感或泥土感。禹糧土具有清熱涼血、消腫止痛、祛瘀生新等功效。蒙藥扎沖十三味丸可以治療偏癱,神經(jīng)系統(tǒng)疾病、骨關(guān)節(jié)疾病、膠原系統(tǒng)疾病,禹糧土是扎沖十三味丸13味藥中的一種。

質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)研究相對薄弱一直是蒙藥發(fā)展過程中一個(gè)嚴(yán)峻的問題,蒙藥由于成分檢測缺乏特征性,導(dǎo)致不同產(chǎn)地和批次的產(chǎn)品成分差異較大,嚴(yán)重影響了蒙藥的推廣應(yīng)用。光譜-質(zhì)譜聯(lián)合應(yīng)用可以對物質(zhì)成分和含量進(jìn)行分析與鑒定,是目前比較先進(jìn)的檢測手段,具有檢測覆蓋范圍廣、靈敏度高、定量時(shí)間快、所需樣品量少等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)有諸多研究報(bào)道顯示出了光譜、質(zhì)譜技術(shù)檢測在元素分析和礦物成分鑒定方面的優(yōu)勢。Jin等[1]使用XRD和透射電子顯微鏡(TEM)研究粘土礦物類型,結(jié)果表明粘土礦物主要成分為石英、鉀長石、高嶺石和伊利石。Cammilleri[2]等采用ICP-MS測定了西西里島沿海紫貽貝樣品中V、Cr、Mn、Hg、As、Cd、Sn、Sb和Pb含量,發(fā)現(xiàn)所檢查的貽貝樣品中重金屬元素的含量較低,此實(shí)驗(yàn)為西西里島沿海紫貽貝的質(zhì)量控制做出了貢獻(xiàn)。Lesniewska等[3]采用高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜 (HPLC-ICP-MS) 聯(lián)用技術(shù)測定土壤在堿性提取過程中釋放的鉻,首次證明了土壤提取物中存在中性和非極性鉻組分。Li等[4]采用XRD、FTIR、粒徑分布、透射電鏡和ICP等手段研究了硬脂酸修飾前后的羥基磷灰石,得出硬脂酸的最佳添加量約為3%。Sasaki[5]等采用XRD和FTIR對結(jié)晶的鎂-蒙脫石粉末的晶體和分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,通過ICP-MS分析鎂-蒙脫石粉末在生理鹽水中釋放的Mg2+和Si4+。本實(shí)驗(yàn)聯(lián)合傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、X射線衍射光譜(X-ray diffraction spectroscopy,XRD)以及電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)等方法探究蒙藥禹糧土的質(zhì)量控制方法,對生品禹糧土的物相和紅外共有峰進(jìn)行標(biāo)定,對生品禹糧土的主要元素及其重金屬元素進(jìn)行限量,從而達(dá)到對生品禹糧土質(zhì)量控制的目的,為后續(xù)禹糧土的質(zhì)量控制研究奠定方法學(xué)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

所有9批次(S1—S9)不同產(chǎn)地禹糧土藥材生品為吉林省內(nèi)各藥店購買或由相關(guān)單位提供,經(jīng)外觀和鐵鹽鑒別實(shí)驗(yàn)均鑒定為合格禹糧土,實(shí)驗(yàn)所用儀器與材料見表1。禹糧土樣品的來源信息見表2。

表1 儀器試劑與廠家Table 1 Instrument reagents and manufacturers

表2 禹糧土樣品的產(chǎn)地及批號(hào)Table 2 Origin and batch number of sample Yu grain soil samples

1.2 儀器檢測

處理后的禹糧土樣品分別采用FTIR、XRD、ICP-MS測定與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR的測定與分析

2.1.1 特征峰

圖1 禹糧土樣品的紅外指紋圖譜Fig.1 Infrared analysis fingerprint of Yu grain soil sample

表3 禹糧土樣品紅外共有峰(cm-1)Table 3 Common infrared peaks of Yu grain soil sample(cm-1)

2.1.2 不同產(chǎn)地和批次的紅外光譜指紋圖

以所有禹糧土樣品紅外光譜中共有峰吸光度均值為參照,計(jì)算相關(guān)系數(shù)和相似度(夾角余弦值)。見圖2和表4。

圖2 不同批次禹糧土樣品紅外指紋圖Fig.2 Infrared fingerprints of different batches of Yu grain soil samples

圖3 不同批次禹糧土樣品XRD指紋圖Fig.3 XRD fingerprints of different batches of Yu grain soil samples

表4 禹糧土樣品紅外光譜相似性分析Table 4 Similarity analysis of Yu grain soil samples infrared spectrum

由表4可知,各禹糧土樣品紅外光譜相似度均大于0.9,說明各禹糧土的組成相似,禹糧土的成分含量在不同產(chǎn)地和批次存在差異。指紋圖譜分析結(jié)果表明禹糧土共有特征峰的相似度均較好;在禹糧土紅外光譜中,其主要成分Fe—O—Fe與Si—O—Si在每個(gè)譜圖中均有呈現(xiàn),說明禹糧土在形成過程中有石英伴生,其他吸收峰的出現(xiàn)說明禹糧土中有碳酸鹽、鋁鹽和鉀鹽等礦物與其伴生。

2.2 XRD測定與分析

9批禹糧土的特征峰的2θ值、晶格間距d值、峰面積比較見表5。通過與標(biāo)準(zhǔn)卡片對照,禹糧土的主要物相為Fe2O3和SiO2,此外還含有Al4(OH)8(Si4O10)和K(Al4Si2O9)(OH)3;還有少量禹糧土含有CaCO3以及一些磷酸鹽,[Fe2O3標(biāo)準(zhǔn)卡片號(hào)為01-078-2110,SiO2標(biāo)準(zhǔn)卡片號(hào)為01-085-0457,Al4(OH)8(Si4O10)標(biāo)準(zhǔn)卡片號(hào)為01-078-2110,K(Al4Si2O9)(OH)3標(biāo)準(zhǔn)卡片號(hào)為01-070-3754],將禹糧土主要物相Fe2O3和SiO2的峰進(jìn)行標(biāo)定見圖4,如圖4所示,衍射角度2θ中24.870°、33.116°、38.436°為Fe2O3的X射線衍射峰,衍射角度2θ中20.837°、26.608°、36.512°、39.437°、40.235°、42.423°、45.759°、50.102°和54.827°為SiO2的X射線衍射峰。禹糧土的XRD譜圖的輪廓基本一致,但峰強(qiáng)度有所不同,說明不同產(chǎn)地和批次禹糧土的組成相似但各化合物含量有所不同。

圖4 禹糧土的XRD譜圖Fig.4 XRD spectrum of Yu grain soil

表5 九批禹糧土樣品的特征峰的2θ值、晶格間距d值與峰面積百分比Table 5 2θ value,lattice spacing d value and peak area percentage of characteristic peaks of nine batches of Yu grain soil samples

2.3 ICP-MS測定與分析

2.3.1 禹糧土中元素種類及含量

如表6所示,禹糧土中Fe、Al、Ga、Mg、Si、K、Mn的元素含量較高,約占禹糧土總元素含量的8%,為生品禹糧土的主要組成元素,其中Fe元素的含量最高,平均含量為56.9 mg·g-1,建議限量標(biāo)準(zhǔn),全鐵量不低于4.55%。Al平均含量為21.1 mg·g-1,Mg元素平均含量為3.1 mg·g-1,Si平均含量為258.3 μg·g-1,K平均含量為31.6 μg·g-1,Mn平均含量為10.3 μg·g-1。Zr在S1、S7、S9中未檢出,Cd、Sn、Re、Hg等在所有禹糧土樣品中均未檢出。本實(shí)驗(yàn)測定重金屬Hg、Cd未檢出,Pb、As、Cu的含量均值分別為0.31、0.38和0.35 μg·g-1。以中國藥典(通則9302)為參考,建議生品禹糧土中Pb、As、Hg、Cu和Cd元素限量不得超過50 μg·g-1。

表6 禹糧土樣品元素測定結(jié)果(單位ng·g-1)Table 6 Determination results of Yu grain soil l samples elements (unit ng·g-1)

2.3.2 聚類分析

采用IBM SPSS Statistics 25按照元素溶出度對九批禹糧土進(jìn)行聚類分析,如圖5所示,依據(jù)元素溶出度,在歐式距離5—10之間,將禹糧土樣品分為3類,將樣品S3、S5、S6、S7分為一類,將S1、S2、S4、S8分為一類,S9分為一類。在歐式距離10—15將禹糧土樣品分為二類,將樣品S3、S5、S6、S7分為一類,將 S1、S2、S4、S8、S9分為一類。聚類分析結(jié)果表明,不同產(chǎn)地禹糧土元素組成和含量存在差異,可以將河南與內(nèi)蒙古產(chǎn)地的禹糧土分為一類,山東和青海的禹糧土分為一類。

圖5 使用平均聯(lián)接的譜系圖Fig.5 Genealogy diagram using average joins

2.3.3 主成分分析

由表7可知,當(dāng)選擇公因子數(shù)為4時(shí),特征值為1.425,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為90.462%,20種元素的基本信息包含在內(nèi),符合主成分選擇原則。因此,試驗(yàn)提取4個(gè)主成分來判斷9批禹糧土中元素的分布狀況。禹糧土中元素的因子分析見表8。

表7 主成分分析特征值和總體方差描述Table 7 Principal component analysis eigenvalues and overall variance description

表8 成分得分系數(shù)Table 8 Ingredient score coefficient

從表7可得第一主成分F1、第二主成分F2、第三主成分F3、第四主成分F4因子得分模型,分別為

F1=0.307XK+0.306XSr+0.303XBe+0.293XAs+0.286XGa-0.285XV+0.284XMg+0.281XZn-0.237XNi-0.234XCr+0.228XAl-0.195XMn-0.114XCu+0.018XTi-0.177XCo+0.114XPb+0.039XSi-0.082XBa-0.203XFe-0.004XZr

F2=0.089XK+0.090XSr+0.138XBe+0.086XAs+0.134XGa+0.058XV+0.134XMg+0.179XZn+0.289XNi+0.299XCr+0.199XAl+0.224XMn+0.408XCu+0.375XTi+0.374XCo+0.325XPb+0.179XSi-0.098XBa-0.038XFe-0.161XZr

F3=0.013XK-0.007XSr-0.008XBe+0.125XAs+0.119XGa-0.019XV+0.127XMg-0.005XZn+0.082XNi+0.056XCr-0.202XAl+0.017XMn+0.117XCu+0.085XTi-0.078XCo-0.130XPb-0.547XSi+0.543XBa-0.410XFe+0.308XZr

F4=0.067XK+0.061XSr+0.058XBe+0.122XAs-0.101XGa-0.058XV+0.106XMg+0.010XZn-0.044XNi-0.055XCr-0.146XAl+0.288XMn-0.026XCu+0.002XTi-0.078XCo+0.250XPb+0.0323XSi-0.007XBa+0.163XFe+0.347XZr

運(yùn)用主成分分析法降低原始數(shù)據(jù)中的20個(gè)變量,選取4個(gè)能夠代表全部指標(biāo)的主成分為新變量,用這4個(gè)新變量來衡量不同元素在禹糧土中的分布情況,從因子得分模型可以看出,F1在XK、XSr、XBe、XAs出現(xiàn)較大荷載值,與對應(yīng)的K、Sr、Be、As存在高度的正相關(guān)性,由于F1對總方差的貢獻(xiàn)達(dá)到了48.228%,因此相對應(yīng)的K、Sr、Be、As可作為禹糧土樣品的特征元素。

3 結(jié) 論

蒙藥禹糧土雖然療效顯著,但是受地域、文化的影響,其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制、規(guī)范化方面存在諸多問題。蒙藥的研究與中醫(yī)藥研究相比較,蒙藥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)研究相對薄弱,質(zhì)量控制指標(biāo)相對單一,成分檢測缺乏特征性?，F(xiàn)行蒙藥標(biāo)準(zhǔn)中的蒙藥覆蓋范圍小、標(biāo)準(zhǔn)低,難以滿足制劑的需要。許多蒙藥只有產(chǎn)地和批號(hào)的描述,缺乏可識(shí)別和判斷的檢測指標(biāo),因此蒙藥的質(zhì)量問題是重中之重。本研究采用“光譜-質(zhì)譜-統(tǒng)計(jì)學(xué)”相結(jié)合的方法對禹糧土進(jìn)行研究,可以為其定性鑒別和元素定量提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),對于全面建立禹糧土的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)提供了良好的指標(biāo)。應(yīng)用FTIR、XRD及ICP-MS法測定9批生品禹糧土樣品的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其元素含量,并采用SPSS對禹糧土進(jìn)行主成分分分析。9批生品在波數(shù)為3 696、3 620、1 621、1 164、913、797、778、695、537和469 cm-1存在共有峰,其中797 cm-1為Fe—O—Fe伸縮振動(dòng)吸收峰,695 cm-1為Fe—O—Fe對稱伸縮振動(dòng)吸收峰,469 cm-1為Si—O—Si特征峰。禹糧土的主要物相為Fe2O3和SiO2,并伴有Al4(OH)8(Si4O10)、K(Al4Si2O9)(OH)3、CaCO3以及一些磷酸鹽等其他礦物伴生。在衍射角度2θ中24.870、33.116、38.436為Fe2O3的X射線衍射峰,衍射角度2θ中20.837、26.608、36.512、39.437、40.235、42.423、45.759、50.102和54.827為SiO2的X射線衍射峰。禹糧土的元素組成十分豐富,且不同產(chǎn)地及批次禹糧土元素含量差異較大。禹糧土中Fe元素含量最高,是重要的檢測指標(biāo),其均值為56.9 mg·g-1,建議限定生品禹糧土全鐵量不低于4.55%,重金屬元素對人體危害較大,建議生品禹糧土中Pb、As、Hg、Cu和Cd元素限量不得超過50 μg·g-1。元素聚類分析在歐式距離10—15將樣品S3、S5、S6、S7分為一類,將S1、S2、S4、S8、S9分為一類。主成分分析中提取了4個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.462%,篩選K、Sr、Be、As作為禹糧土樣品的特征元素。本實(shí)驗(yàn)對禹糧土的質(zhì)量控制和后續(xù)研究具有重要意義。