基于ICP-MS对驴奶中无机元素分布特征的相关性分析和主成分分析

（东阿阿胶股份有限公司，国家胶类中药工程技术研究中心，山东聊城 252201）

基于ICP-MS对驴奶中无机元素分布特征的相关性分析和主成分分析

黄一凡，郭尚伟，段小波，王静，郝向慧

（东阿阿胶股份有限公司，国家胶类中药工程技术研究中心，山东聊城 252201）

通过ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)对驴奶中无机元素质量浓度进行测定，探讨驴奶中无机元素间的相互关系，从无机元素角度对驴奶深层次开发提供理论依据。通过采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）对驴奶样品中18种无机元素质量浓度进行全定量测定，运用SPSS软件和灰色关联度软件对元素质量浓度测定结果进行相关性和主成分分析，分析元素之间关联度。结果表明，Be、Mg、K、V、Cr、Mn、Fe、Zn、Se、Ba、U、Co、Ni、As、Tl、Sr为驴奶中关键指标元素，找出各关键元素与其相关性强的其他元素。对驴奶中的无机元素进行质量浓度测定，可从无机元素角度对驴奶的质量进行综合评价，为驴奶资源的开发和利用提供一定的理论参考。

驴奶；无机元素；电感耦合等离子质谱法；相关分析

0 引言

驴奶不仅有较高的营养价值，其药用价值也比较广泛。《本草纲目》中记载：“驴乳热频饮之可治气郁，解小儿热毒，不生痘疹”[1]，现代研究表明驴奶中富含许多免疫活性物质和抗癌物质[2]，同时能降血糖、降血脂、延缓衰老，具有美容功效。。

驴奶营养作用不仅与含有的有机营养成分关系密切，其作用的发挥也与无机元素的种类、质量浓度及比例密切相关。目前对驴奶的研究主要集中在化学成分、保健及药理药效[3-5]等方面，对其中无机元素质量浓度测定虽有研究[6-7]，但主要采用原子吸收分光光度法对少数几种元素进行质量浓度测定，且多元素的同时检测需要多种仪器的联合使用才能实现，既费时又费力，同时驴奶中许多元素属于微量组分，传统的分析方法已难以满足测定灵敏度的要求。ICP-MS法样品消解速度快，干扰小，灵敏度高，检出限低[8]。通过采用多元素同时测定的ICP-MS法对驴奶中含有的18种无机元素进行质量浓度测定，并进行相关性分析，为驴奶的深层次开发提供理论依据。

1 实验

1.1仪器

电感耦合等离子质谱（Thermo Fisher，iCAP Qc），微波消解仪（CEM），超纯水仪（Mili-Q Plus），微量移液器（eppendorf），25 mL及100 mL容量瓶。

1.2试剂

硝酸（BV-Ⅲ级），实验室ICP-MS仪器专用级别纯化水，混合标准品IV-ICPMS-71A(10 μg/mL，In⁃organic Ventures)，混合内标溶液IV-ICPMS-71D(10 μg/mL，Inorganic Ventures，Bi、In、Li6、Sc、Tb、Y)；调谐液（Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U质量浓度为1.0 μg/L）；高纯氩气及氦气；鲜驴奶（山东聊城东阿县国家黑毛驴繁殖中心提供）。

2 方法

2.1供试品溶液的制备

精密量取各驴奶5 mL（1 ～5号驴奶分别取自5只不同驴，每个样本平行制备3个平行样，进行重复试验）置于干燥的聚四氟乙烯微波消解罐中，加入10 mL浓硝酸，盖好消解罐并将其拧紧，置入微波消解仪中按照设定好的程序进行微波消解，冷却后将同一样品的两罐溶液合并，置于通风厨内挥酸，挥至1 mL左右，冷却后将蒸发皿中液体转移到25 mL容量瓶中，消解罐用超纯水多次洗涤，定容，摇匀，即得供试品溶液。同样方法做样品空白，待测。

仪器工作条件及微波消解条件如表1和表2所示。

表1 仪器条件

表2 微波消解条件

2.2标准曲线的建立

标准溶液的配制：精密量取500 μL标准品溶液（10 μg/mL）置于10 mL容量瓶中，用2%HNO3稀释定容，作为备用母液（500 μg/L）。标准溶液配制：分别精密量取不同体积的母液进行梯度稀释配制出不同质量浓度的（500.0，200.0，100.0，20.0，10.0，5.0，1.0，0.0 μg/L）多种元素混合标准溶液。

内标溶液配制：精密吸取100 μL内标溶液（质量浓度10 μg/mL）置于100 mL容量瓶中，用体积分数为2%的HNO3溶液将其稀释至质量浓度为10 μg/L作为内标溶液。

选用KED模式条件下对各元素进行测定，各元素线性较好，各元素相关系数均大于0.99，符合2015年版中国药典的要求，方法可行，各元素回归方程如表3所示。

3 结果与分析

3.1驴奶样品中无机元素的质量浓度测定结果

取驴奶样品，按照“2.1”项下方法进行供试品的制备，并在“2.2”仪器工作条件下对各供试品进行质量浓度测定，驴奶中各无机元素的质量浓度测定结果如表4所示。

3.2化学计量学分析

3.2.1 主成分分析[9-10]

对数据进行标准化，使标准化后的数据具有可比性，并遵循正态分布（0，1）。运用SPSS19.0软件进行主成分分析，通过对数据降维，以18个无机元素为变量，对其分析结果如表5和表6所示。由表5可以得出共提取出4个主成分（主成分的特征值大于1），且总方差100.000%的贡献来自于这4个主成分，因此前4个主成分能解释驴奶中无机元素100.000%的信息。

表6中因子载荷矩阵反映主成分与相关变量的相关系数，在主成分中各元素作用不同，所表现的重要程度不同。第1主成分与Mg、K、V、Cr、Mn、Fe、Zn、Se、Ba、U高度相关（相关系数都大于0.7），第2主成分与Be、Co、Ni、As、Tl高度相关，第3主成分与Sr高度相关，由于总方差91.687%的贡献来自于前3个主成分，因此Be、Mg、K、V、Cr、Mn、Fe、Zn、Se、Ba、U、Co、Ni、As、Tl、Sr为驴奶中关键指标元素，其综合信息可以反映驴奶中无机元素的主要信息。

以各元素的质量浓度为基础，采用灰关联度法寻找元素中彼此关联度较高的元素。依据关联度大小，确定其他元素对各元素的贡献大小，以关联度大于0.9为影响较大的元素。其中，对Be元素影响较大的元素为Cu、Zn、As；对Mg元素影响较大的元素为K、Ca、Co、Cu、Sr、Tl；对K元素影响较大的元素为Ca、Fe、Co、Tl；对Ca元素影响较大的元素为Co、Cu、Sr、Tl；对Mn元素影响较大的元素为Fe；对Fe元素影响较大的元素为Se；对Co元素影响较大的元素为Tl；对Cu元素影响较大的元素为Zn、As、Sr；对Zn元素影响较大的元素为Sr。

通过元素相关矩阵得出各元素之间的相关性，相关系数大于0.7为高度相关。其中，与Be有正相关的元素为Cu、Zn，负相关的为K、Ni；与Mg有正相关的元素为Cr，负相关的为V、Mn、Fe、U；与K有正相关的元素为Fe、Ni、U，负相关的为Cr、Cu、Zn；与Ca有正相关的元素为Co、Tl，负相关的为V、Mn；与V有正相关的元素为Mn、Ba、U，负相关的为Cr、Co；与Cr有负相关的元素为Mn、Fe、Se、U；与Mn有正相关的元素为Fe、Se、Ba、U；与Fe有正相关的元素为Ni、Se、U，负相关的为Zn；与Co有正相关的元素为Tl，负相关的为As；与Ni有正相关的元素为Tl；与Cu有正相关的元素为Zn；与Zn有负相关的元素为Ba、U；与Se有负相关的元素为Sr；与Ba有正相关的元素为U；

表3 各元素线性回归方程和相关系数

表4 驴奶中各无机元素质量浓度测定结果（n=3） μg/L

表5 主成分分析初始解对原有变量总体描述

表6 主成分变量初始因子载荷矩阵

综上所述，综合灰色关联分析和相关分析，与Be关联较大的为Cu、Zn、As、K、Ni；与Mg关联较大的为K、Ca、Co、Cu、Sr、Tl、Cr、V、Mn、Fe、U；与K关联较大的为Ca、Fe、Co、Tl、Ni、U、Cr、Cu、Zn；与Ca关联较大的为Co、Cu、Sr、Tl、V、Mn；与V关联较大的为Mn、Ba、U、Cr、Co；与Cr关联较大的为Mn、Fe、Se、U；与Mn关联较大的为Fe、Se、Ba、U；与Fe关联较大的为Se、Ni、U、Zn；与Co关联较大的为Tl、As；与Ni关联较大的为Tl；与Cu关联较大的为Zn、As、Sr；与Zn关联较大的为Sr、Ba、U；与Se关联较大的为Sr；与Ba关联较大的为U。其中，具有正相关表明这些元素间具有相互协同、促进吸收的关系，负相关关系反映出相关元素具有一定程度的相互拮抗和抑制的作用。

3.3驴奶无机元素指纹谱的建立

根据无机元素质量浓度测定结果，按照无机元素原子序号的顺序绘制质量浓度分布曲线，将5个驴奶样品无机元素质量浓度分布曲线绘制在一起，为便于在同一图中同时呈现各元素，因此把质量浓度相差悬殊的元素同时扩大或缩小相同的倍数，使其数量级相同（U、V、Co、Ni、Tl扩大100倍，Mn扩大10倍，Mg缩小100倍，K缩小10 000倍，Ca缩小1 000倍，B、Sr缩小10倍），如图1所示。

5个样品的元素质量浓度分布图中基本具有相似的峰形，由于5个样品都来自同一地区国家黑毛驴繁殖中心，其为道地阿胶的产地，因此该产地驴奶有一定代表性，本实验样品数取样较少，在后续实验研究中需要增加其样本数和产地，此无机元素质量浓度分布曲线可初步与牛奶、马奶等的无机元素指纹谱进行区别。

表7 各元素之间的邓氏关联度

表8 各元素之间的相关矩阵

图1 驴奶中无机元素质量浓度分布

4 结果与讨论

本实验通过采用电感耦合等离子体质谱法对驴奶中无机元素进行研究，将无机元素作为整体，通过化学计量学中的主成分分析降维建立主成分模型，4个主成分即可全面进行综合评价。Be、Mg、K、V、Cr、Mn、Fe、Zn、Se、Ba、U、Co、Ni、As、Tl、Sr为驴奶中关键指标元素，其综合信息可以反映驴奶中无机元素的主要信息，同时建立无机元素指纹谱，为驴奶功效作用与微量元素提供理论基础。其中，通过灰色关联分析结合相关性分析找出各关键元素与其相关性强的其他元素，为探讨微量元素与驴的健康状况、驴奶的质量息息相关性具有十分重要的意义。

样品的前处理过程容易造成样品的污染和损失，样品的处理方法主要包括干法消化、湿法消解及微波消解。干法消化基体效应高，容易对元素造成污染和挥发。湿法消解繁琐、费时，其中用到强氧化性酸如高氯酸，且在敞开的空间中容易对样品造成污染。因此，实验用微波消解对样品进行快速处理，能有效的降低元素的损失，减少环境污染。

微量元素不仅是人体生长发育必需的，而且是生命活动中不可或缺的，Mn、Cu、Co等微量元素在核酸、蛋白质、酶等中行使重要的生理功能，是人体新陈代谢必需的催化剂[11]。Mn是超氧化物歧化酶的主要组成部分，能保护机体，延缓衰老[12]。驴奶样品中常量元素K、Ca、Mg元素质量浓度都比较高，K可增强肌肉韧性和心脏动力，降低血压，减少心血管疾病的产生。Ca有消炎、消肿、抗过敏、解毒等作用[13]。Mg具有舒张血管而使血压下降的作用，同时Ca、Mg对人体的生长发育和生殖起重要作用。驴奶中Sr的质量浓度较高，Sr是人体所必需的微量元素，其质量浓度影响着骨骼形成和功能[14]。Se可通过谷胱甘肽过氧化物酶，将有毒的过氧化物还原为无害的羟基化合物，使细胞不受破坏，为人体微量元素中的“抗癌之王”[15]。Cu为血红蛋白的活化剂，参与多种酶的代谢，影响能量代谢[16]。因此对驴奶中无机元素的质量浓度进行测定对于研究驴奶药效有重要意义。

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Studies on correlation analysis and principal component analysis of inorganic el⁃ements based on ICP-MS in donkey milk

HUANG Yi-fan,GUO Shang-wei,DUAN Xiao-bo,WANG Jing，HAO Xiang-hui
（Dong-E E-Jiao Co.Ltd,National Engineering Technology Research Centerfor Glue of Traditional Medicine, Liaocheng 252201,China）

Objective:To study the change rule of inorganic elements by determining the inorganic elements in donkey milk based on ICP-MS.It provides theoretical basis for deep level development in donkey milk.Methods:The contents of 18 inorganic elements in donkey milk were determined by the means of ICP-MS,correlation analysis and principal component analysis were evaluated by SPSS and gray rele⁃vance analysis softwares.Results:Be,Mg,K,V,Cr,Mn,Fe,Zn,Se,Ba,U,Co,Ni,As,Tl and Sr were key indicator elements for donkey milk,and what's more,correlated elements of key elements were determined.Conclusion:The comprehensive evaluation of inorganic elements for don⁃key milk was established fromthe perspective of inorganic elements.It provides theory reference for development and utilization of donkey milk.

donkey milk;inorganic elements;ICP-MS;correlation analysis

TS252.59

A

1001-2230（2016）11-0012-05

2016-05-16

黄一凡（1990-），女，硕士，从事中药新药及标准研究。

郭尚伟