基于元素指纹图谱的西洋参产地判别研究

王 哲，张春华，黄晓兰，吴惠勤

(1.中国科学院广州化学研究所，广东 广州 510650；2.中国广州分析测试中心，广东省分析测试技术公共实验室，广东 广州 510070；3.中国科学院大学，北京 100049 )

西洋参(PanaxquinquefoliumL.)又名西洋人参、洋参、花旗参、广东人参，为五加科植物，其味苦、性凉，入心、肺、肾经，可滋阴降火、益气生津[1]。西洋参原产于北美洲加拿大的蒙特利尔、魁北克和美国东部，20世纪80年代在我国部分地区引种成功[2]，主要分布在吉林、山东、北京和陕西等地[3]。目前，我国已经成为世界西洋参第一大消费国，同时也是第二大生产国，国内生产的西洋参除满足国内市场外，还大量出口。国内不同产地西洋参的外观差别不大，但是内部有效成分却存在较大差异，故价格也有明显差别。

目前，主要研究集中于西洋参有机成分和药理作用[4-6]，如有效成分人参皂苷、多糖、氨基酸类、挥发油等的分析。关于西洋参产地的判别也多基于这些有机成分的差异，如贾婵等[7]利用红外光谱法对不同产地的西洋参进行品质评价，但在无机成分，尤其是元素方面的研究较少。在西洋参无机元素检测方法方面，主要有电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[8]、原子吸收光谱法(AAS)[9]和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[10-12]等。ICP-MS相较于其他方法具有操作简单、检出限低、测定范围广、灵敏度高以及多元素同时分析等优点，是无机元素分析常用的方法[13]。陈军辉等[14]采用ICP-MS法测定了12个西洋参样品中18种无机元素含量，并应用主成分分析法和聚类分析法对不同产地西洋参的无机元素进行分析。周学忠等[15]采用ICP-MS法测定了西洋参的18种微量元素。

西洋参中的矿物元素受当地水、地质因素、土壤环境等因素的影响，尤其是土壤因素。土壤的质地是由不同的地层岩石背景形成的，土壤和岩石风化的母质密切相关，从而造成不同地域土壤中元素含量及比例等具有地理地质特异性[16]。西洋参在加工、储存、流通、销售等环节中，外观和内部的一些化学成分可能会发生变化，但所含有的无机元素则较为稳定，在产地判别方面有着独特的优势。近年来，元素指纹图谱技术已应用到农产品和食品的产地溯源中[17-18]。如，赵海燕等[19]采用元素指纹分析技术和多元统计方法用于小麦产地溯源；王洁等[20]探讨了矿物元素指纹分析技术对茶叶产地溯源的可行性；张先彩等[21]应用元素指纹图谱对凤凰单纵茶的产地进行判别。但目前尚未见元素指纹图谱应用于西洋参产地判别的报道。

本工作以山东威海西洋参为例，采用ICP-MS法快速测定西洋参中无机元素，以数据转化为图形的方法建立元素指纹图谱，并比较不同产地西洋参的元素指纹图谱，依据向量相似法原理判定产地之间的差异，最终判别西洋参产地是否属于山东威海地区。

1 实验部分

1.1 主要仪器与装置

7700x型ICP-MS：美国Agilent公司产品；WX-8000型微波消解仪：上海屹尧仪器科技发展有限公司产品；BX-808型多功能中药切片机：瑞安市百信制药机械有限公司产品；HX-390粉碎机：佛山市海迅电器有限公司产品；HT-300型实验电热板：由中国广州分析测试中心提供；TP-214型丹佛电子天平：美国丹佛仪器公司产品。

1.2 主要材料与试剂

39批西洋参样品：由广东跑合中药材电子商务有限公司提供，其中17批山东威海地区西洋参用于构建元素指纹图谱，其余22批西洋参用于验证元素指纹图谱产地判别的准确性。

Sc、Mo、Hg单元素标准溶液由国家钢铁材料测试中心提供；P单元素标准溶液(1 000 mg/L)， Ca、K、Mg多元素标准溶液(100 mg/L)，Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn多元素标准溶液(100 mg/L)，La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y多元素标准溶液(100 mg/L)：均由国家有色金属及电子材料分析测试中心提供；Ag、Cs、Rb、Se多元素标准溶液(100 mg/L)：安捷伦科技有限公司产品；Rh、In、Re标准溶液(1 000 mg/L，作为内标)：由国家钢铁材料测试中心提供；Ge标准溶液(1 000 mg/L，作为内标)：由国家有色金属及电子材料分析测试中心提供；HNO3(68%，UP级)：苏州晶瑞化学股份有限公司产品；超纯水(18.2 MΩ·cm)：实验室自制。

1.3 ICP-MS仪器条件

1.3.1ICP-MS工作条件 等离子气流量15.0 L/min，辅助气流量0.9 L/min，载气流量0.8 L/min，补偿气流量0.35 L/min，碰撞气流量4.3 mL/min(He模式)；雾化器温度2 ℃；高频发生器输出功率1 550 W；采样深度10 mm；蠕动泵转速0.1 r/s；采集模式为质谱图，峰形为3个点，重复采集3次。选取待测元素及同位素如下：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、107Ag、111Cd、118Sn、121Sb、133Cs、137Ba、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu、202Hg、205Tl、208Pb、209Bi。

1.3.2仪器工作曲线 将元素标准溶液配制成相应的标准工作液。用2%HNO3将Ca、K、Mg多元素标准溶液稀释成0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L；将Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn多元素标准溶液稀释成0.0、1.0、5.0、10.0、20.0、100.0、200.0、500.0 μg/L；将La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y多元素标准溶液稀释成0.0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L；将Ag、Cs、Rb、Se多元素标准溶液稀释成0.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0 μg/L；将Sc单元素标准溶液稀释成0.0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L；将Mo单元素标准溶液稀释成0.0、0.1、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L；将P单元素标准溶液稀释成0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L；将Hg单元素标准溶液稀释成0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 μg/L。在1.4.1节条件下对上述系列标准溶液进行测定，绘制标准溶液曲线。

1.4 样品前处理

将西洋参样品切片、粉碎，过60目筛，准确称量0.25 g样品于聚四氟乙烯消解管中，加入5 mL 68%HNO3，拧紧旋盖，放入微波消解仪内，采用程序升温进行消解。微波消解程序如下：2.0 MPa下于120 ℃保温3 min，2.5 MPa下于150 ℃保温3 min，3.5 MPa下于180 ℃保温25 min。待消解完全后，取出聚四氟乙烯消解管在电热板上进行赶酸，赶酸时间20 min，之后取下放置冷却至室温。消解液用超纯水转移并定容至25 mL比色管，摇匀，取比色管中溶液各稀释20倍，原液与稀释后的溶液一起保存，待ICP-MS测定。

1.5 元素指纹图谱的建立

采用ICP-MS法测定西洋参元素含量组成，按元素含量的大小进行一定的缩小或放大处理，将处理后的实验数据通过Origin软件转化为直观图形，将其作为元素指纹图谱，并以元素含量平均值建立元素标准指纹图谱。

1.6 指纹图谱相似度评价

利用SPSS20.0软件进行分析，计算元素指纹图谱与元素标准指纹图谱之间的相似度，计算原理示于式(1)：

(1)

式中：X表示N维向量(x1,x2,……,xn)；|X|为向量的模；X·Y为向量X和Y的内积；cosθ表示X和Y之间的向量夹角，cosθ越接近1说明2个向量越相似。

2 结果与讨论

2.1 方法学验证

连续测定11次2%HNO3的试剂空白溶液，以测定结果值的3倍标准偏差对应的浓度值计算检出限，各元素的线性方程、相关系数及检出限列于表1。50种元素的标准曲线具有良好的线性关系，相关系数不小于0.999 4，检出限范围为0.000 6～8.680 0 μg/L，仪器灵敏度较高。采用该方法测定国家一级标准物质黄芪(GBW10028)，平行测定6次，结果列于表2。除Zn的测定值相对标准值较低外，其余元素测量结果平均值均在标准值误差范围内，准确度较好；除Be、Na、Se、Ag和Cd外，其余元素6次测定结果的相对标准偏差均在10%以内，精密度较好。加标回收率实验结果列于表3，各元素的加标回收率在85.53%～116.27%之间，进一步验证了方法的准确度。

表1 元素的线性回归方程、相关系数及检出限Table 1 Linear equations, correlation coefficients and detection limits of elements

续表1

表2 标准物质的标准值与测定值Table 2 Standard values and measured values of certified reference material

注：*含量单位为10-2，**含量单位为10-9，没有标注的含量单位为10-6，±后的数据为不确定度，括号内数值为参考值

表3 西洋参样品的加标回收率Table 3 Spiked recoveries of American ginseng

2.2 元素结果分析

山东威海西洋参经ICP-MS测定，各元素的平均值及标准偏差列于表4。其中，K为西洋参中含量最高的元素，平均含量为13.0 g/kg，Mg、P和Ca比其他元素含量高，仅次于K元素；测定了14种人体必需微量元素中的11种，其中Fe元素含量最高，平均含量为193 mg/kg，Mn和Zn元素含量仅次于Fe元素，Cu、Ni和Cr元素含量也较高，达到mg/kg级，V、Co、Se、Mo和Sn元素含量均较低；测定了16种稀土元素，Lu元素含量低于检出限，其余元素含量均在2.68～761 μg/kg之间，其中La、Nd、Y和Pr元素含量相对较高；重金属及有害元素方面，Hg元素含量低于检出限，Pb元素平均含量为320 μg/kg，Cd元素为203 μg/kg，As元素为68 μg/kg，Cu元素为6.57 mg/kg，均符合2015年版药典规定；其他元素中，B、Na、Al、Ga、Sr和Ba元素含量较高，达到mg/kg级，其余元素含量则较低；除上述提及的Lu和Hg元素，Be、Sb、Tl、Bi元素在大部分样品中的含量均低于检出限，不予统计，实际测量的有效元素为44种。

表4 山东威海西洋参元素的平均含量及标准偏差Table 4 Average element contents and standard deviations of American ginseng in Weihai city, Shandong province

注：Mg、P、K和Ca的单位是g/kg；B、Na、Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Ba和Ce的单位是mg/kg；其他元素的单位是μg/kg；—表示未检出

2.3 山东西洋参元素指纹图谱的建立

ICP-MS只能测定元素具体含量，要想将元素数据转化为直观的指纹图谱，需要考虑不同元素含量水平的差异，如稀土元素处于痕量水平，而一些常量元素(如K)含量则要高出许多。

17批山东威海西洋参经ICP-MS测定得到一系列数据，将44种元素按含量大小分为5类：第1类是含量大于10 000 mg/kg的K元素；第2类是含量在500～10 000 mg/kg之间的元素，包括Mg、P、Ca；第3类是含量在50～500 mg/kg之间的元素，包括Na、Al、Mn、Fe、Zn、Ba；第4类是含量在5～50 mg/kg之间的元素，包括B、Ti、Ni、Cu、Ga、Sr；第5类是含量小于5 mg/kg的元素，包括Li、Sc、V、Cr、Co、As、Se、Rb、Y、Mo、Ag、Cd、Sn、Cs、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Pb。将以横坐标表示元素种类，纵坐标表示元素含量的关系曲线定义为元素指纹图谱。在构建元素指纹图谱时，首先将元素按原子序数由小到大排序，为了使该图谱更加美观和直观，根据元素含量大小的分类对元素进行缩放处理，其中K缩小10 000倍，Mg、P、Ca缩小1 000倍，Na、Al、Mn、Fe缩小100倍，B、Ti、Zn、Ga、Sr、Ba缩小10倍，绘制的元素种类与含量的关系曲线示于图1。可以看出，不同批次的西洋参在元素含量上有一定差异，但是曲线趋势大致相同，这种趋势特征可作为威海西洋参的产地特征。

图1 山东威海西洋参元素指纹图谱Fig.1 Element fingerprints of American ginseng in Weihai city, Shandong province

为了更清晰地体现这种趋势特征，同时消除一些极端样品对测定结果的影响，以17批山东西洋参的元素平均含量代表山东西洋参的标准含量，构建的元素标准指纹图谱示于图2，可以将其作为山东威海地区西洋参的特征图谱。

2.4 相似度计算

在指纹图谱检测过程中，一般将标准图谱和检测图谱之间的相似度大小作为一种质量控制的标准。我国化学和中医学界常使用指纹图谱之间向量相似法来衡量指纹图谱之间的相似程度。将指纹图谱看成多维空间内的向量，两个指纹图谱之间的相似性就可以转化为两个向量的相似性。在指纹图谱的检测过程中，通常将一组经过标准测量的图谱的平均图谱或中位图谱作为标准图谱，然后通过比较标准图谱和检测图谱的相似性大小来决定检测图谱是否合格。相似性大小临界值的确定即给出了判定规则。

根据上述原理对所建立的元素指纹图谱进行相似度评价，将17批西洋参样品看作是由元素种类及元素含量组成的空间向量，同时为了兼顾含量较高元素和含量较低元素之间的差别，根据元素分类对元素进行缩放处理，采用向量相似法由式(1)计算出17批西洋参样品的元素指纹图谱与元素标准指纹图谱的相似度，计算结果列于表5。

从表5可以看出，山东威海西洋参的元素指纹图谱与元素标准指纹图谱的相似度取值范围为0.925 3～0.995 1，即各西洋参样品之间的相似度均在0.90以上，表明同一产地西洋参的元素含量具有高度的相似性，进一步证明了所建立的西洋参元素指纹图谱的有效性和可靠性。

将山东威海西洋参的元素指纹图谱与元素标准指纹图谱的相似度最小值定义为相似度阈值，则山东威海西洋参元素标准指纹图谱的相似度阈值为0.93。在鉴别未知产地的西洋参是否属于山东时，只需计算未知产地西洋参的元素指纹图谱与山东威海地区元素标准指纹图谱的相似度，如果相似度高于0.93，则判定其产地属于山东威海，反之不属于。

表5 山东威海西洋参元素指纹图谱和元素标准指纹图谱的相似度Table 5 Similarity degrees between element fingerprints and standard element fingerprint of American ginseng in Weihai city, Shandong province

2.5 元素指纹图谱判别西洋参产地的研究

为了验证元素指纹图谱用于西洋参产地判别的可行性，选取吉林、黑龙江、辽宁、北京、加拿大和未参与绘制元素标准指纹图谱的山东西洋参共22批作为未知产地的西洋参样品，分别计算这些西洋参样品元素指纹图谱和元素标准指纹图谱的相似度，结果列于表6。可见，在22批西洋参样品中，2号样品相似度结果为0.938 7，判别其为山东西洋参，而实际是吉林西洋参，除此之外，其他产地样品均判别正确，产地判别正确率为95.5%。其中，加拿大地区的西洋参相似度计算结果为0.621 8，与所建立的山东威海西洋参元素标准指纹图谱差别较大，为了更直观地比较，将加拿大西洋参的元素含量示于图3，与山东威海西洋参元素标准图谱在Na、Ti、Mn、Fe、Cu、Ga、Rb、Sr和Pb处的峰形有明显差别，表明元素指纹图谱对判别西洋参产地具有较好的准确性。

表6 样品相似度验证结果Table 6 Similarity degree verification results of the samples

续表6

图2 山东威海西洋参元素标准指纹图谱Fig.2 Standard element fingerprint of American ginseng in Weihai city, Shandong province

图3 加拿大西洋参元素指纹图谱Fig.3 Element fingerprint of American ginseng in Canada

3 结论

本研究采用微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定西洋参中无机元素组成，并建立山东威海西洋参的元素指纹图谱，以元素含量平均值建立元素标准指纹图谱，通过向量相似法原理计算两者之间的相似度，根据相似度结果判定西洋参的产地属性。对22批未参与构建元素指纹图谱的西洋参进行产地判别，正确率为95.5%。结果表明，建立的西洋参元素指纹图谱用于判定未知样品的产地，具有较好的有效性和可靠性。但本研究仅建立山东威海西洋参的元素指纹图谱，其他产地西洋参的元素指纹图谱还有待进一步研究。