电感耦合等离子体质谱法同时测定玉米须中26种无机元素*

陈广云，金 鹏，陈小红，李 佳，金 华

（淮安市食品药品检验所，江苏 淮安223000）

玉米须为禾本科植物玉蜀黍Zea maysL.的干燥花柱和柱头，性甘味平，归肾、胃、肝、胆经，具有利尿消肿、清肝利胆之功效，主治水肿、淋证、白浊、消渴、黄疸、胆囊炎、胆石症、高血压、乳痈、乳汁不通等[1]。同时，其具有较好的保健作用，民间常用于药茶、药膳中，可作为治疗高血压、高脂血症、糖尿病的辅助药物，具有较大的药用和市场开发价值[2-4]。中药无机元素的研究包括发现中药作用机制、生物活性，寻找和开发新的药用资源，以及中药质量控制等重要方面。中药玉米须中含有丰富的钾（K）、钴（Co）、锌（Zn）、铜（Cu）、铁（Fe）等无机元素，同时含有钙（Ca）、钠（Na）、镍（Ni）、镁（Mg）、锰（Mn）、铬（Cr）等人体必需的微量元素[5-6]。故本研究中运用电感耦合等离子体-质谱（ICP-MS）法同时测定玉米须中26种无机元素[硼（B）、Na、Mg、Al、K、Ca、钛（Ti）、钒（V）、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、砷（As）、硒（Se）、锶（Sr）、钼（Mo）、镉（Cd）、锡（Sn）、锑（Sb）、钡（Ba）、汞（Hg）、铊（Tl）、铅（Pb）]含量，建立玉米须无机元素指纹图谱，并通过聚类分析及主成分分析探讨不同产地玉米须质量的相似性和差异性，为进一步开发、利用玉米须资源及评价玉米须品质提供基础。现报道如下。

1 仪器与试药

1.1 仪器

NexIon 350X型电感耦合等离子体质谱仪（美国PerkinElmer公司）；Multiwave 3000型微波消解仪（奥地利Anton Paar公司）；XS205型电子分析天平（瑞士Mettler Toledo公司，精度为十万分之一）；Milli-Q型超纯水处理系统（美国Millipore公司）。

1.2 标准物质与试药

多 元 素（25种）标 准 溶 液（100μg/mL，批 号 为18D5095），混合内标溶液（Sc，Bi，Ge，In，100μg/mL，批号为18D7287），Hg元素标准溶液（100μg/mL，批号为GNM-SHG-002-2013），金元素（Au）标准溶液（1 000μg/mL，批号为166079-1），均购自国家有色金属及电子材料分析测试中心；硝酸（优级纯，美国Merck公司）；水为自制超纯水。10批玉米须样品信息见表1，经江苏省淮安市食品药品检验所袁晓芳主任中药师鉴定为正品。样品使用前在60℃下干燥2 h，粉碎成粗粉。

表1 10批玉米须样品信息

2 方法与结果

2.1 仪器工作条件

ICP-MS仪器参数：RF功率为1 100 W；载气流量为0.90 L/min；辅助气流速为1.2 L/min；等离子气流速为15 L/min；雾化器泵速为24 r/min；扫描次数为20次；驻留时间为50 ms；积分时间为1 000 ms；扫描模式为跳峰；重复测定次数为3次；锥类型为镍锥；分析模式为氦（He）碰撞模式；内标添加方式为液体混合用三通在线添加。

内标元素：测定时，选取同位素11B，23Na，25Mg，27Al，39K，44Ca，47Ti，51V，52Cr，55Mn，57Fe以45Sc为内标元素；59Co，60Ni，59Cu，66Zn，75As，82Se以72Ge为内标元素；88Sr，95Mo，111Cd，118Sn，121Sb，138Ba以115In为内标元素；202Hg，205Tl，208Pb以209Bi为内标元素。

微波消解程序：10 min内功率升至700 W，维持5 min，再在10 min内功率升至1 400 W，维持40 min。

2.2 溶液制备

标准贮备液：精密量取多元素（25种，Hg除外）标准溶液适量，用2%硝酸溶液稀释成每1 mL含25种无机元素1μg的混合标准贮备溶液；另取Hg标准溶液适量，用2%硝酸溶液稀释成每1 mL含Hg 1μg的标准贮备溶液。

标准溶液：精密量取上述25种无机元素混合标准贮备溶液适量，加2%硝酸溶液分别制成不同质量浓度的系列混合标准溶液（其中Na，Mg，Al，K，Ca元素质量浓度分别为0，50，100，200，500，1 000 ng/mL，其余元素质量浓度为0，10，20，30，100，500 ng/mL）；精密量取上述Hg标准贮备溶液适量，加2%硝酸溶液稀释成每1 mL分别含0，0.2，0.5，1，2，5 ng的系列质量浓度标准溶液。

内标溶液：精密量取混合内标溶液和Au元素标准溶液适量，用2%硝酸溶液稀释成每1 mL分别含混合内标50 ng、Au元素200 ng的混合溶液。

供试品溶液[7]：取玉米须样品粉末0.5 g，精密称定，置微波消解罐中，加硝酸5 mL，密闭，按2.1项下工作条件设定微波消解程序进行消解。消解后的样品转移至50 mL容量瓶中，用适量超纯水洗涤消解罐3次，洗涤液并入容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀，即得。如无机元素含量较高，可用2%硝酸溶液适当稀释。同法制备空白试剂溶液。

2.3 方法学考察

线性关系考察：取2.2项下系列标准溶液，按拟订工作条件，以各个元素测量的经内标校正的信号值为纵坐标（Y）、相对应的质量浓度（X）为横坐标进行线性回归，各元素线性方程及相关系数见表2。

精密度试验：在2.2项下各元素线性范围内，分别取质量浓度为500 ng/mL的25种无机元素混合标准溶液及5 ng/mL的Hg标准溶液，按拟订工作条件重复测定6次，记录信号值。结果的RSD均小于5%（n=6），表明仪器精密度良好。

重复性试验：精密称取样品（编号S1）6份，按2.2项下方法制备供试品溶液，按拟订工件条件测定，计算含量。结果的RSD均小于5%（n=6），表明方法重复性良好，符合分析要求。

加样回收试验：精密称取样品（编号S1）6份，每份0.25 g，分别精密加入一定量的26种元素标准溶液（Na，Mg，Al，K，Ca元素加入量为50μg，Hg元素加入量为250 ng，其余元素加入量为25μg），依法制备供试品溶液，按拟订工作条件测定。结果加样回收率为84.73%～110.61%，RSD为0.32%～4.57%（n=6）。

检测限与定量限：取2%硝酸溶液，按拟订工作条件连续进样10次，以测定结果3倍的标准偏差所对应的浓度值作为各元素的检测限，10倍标准偏差所对应的浓度计算各元素的定量限。结果见表2。

2.4 样品含量测定

取上述10批玉米须样品，依法制备供试品溶液，按拟订工作条件测定含量。结果见表3。

2.5 无机元素指纹图谱的建立

根据玉米须26种无机元素含量测定结果，按照无机元素原子序号的顺序绘制含量分布曲线，将10批玉米须样品无机元素含量分布曲线绘制在一起，为便于在同一图中同时呈现各元素，把含量较高的元素同时缩小相同的倍数，使其数量级相同（Mg，Al，K，Ca，Fe含量各缩小100倍），详见图1。可见，10批样品中除个别样品无机元素指纹图谱峰形有些许差异外，其他样品具有相似的峰形，即各无机元素含量按原子序号顺序在一定程度上呈现出有规律的波浪式分布[8]。样品产地不同，含量有差异，根据这一共性可用于区别玉米须的无机元素指纹图谱与其他药材的无机元素指纹图谱[9]。

表2 26种无机元素线性关系考察结果及检测限与定量限（n=6）

表3玉米须样品中26种无机元素含量测定结果（mg/kg，n=2）

图1玉米须无机元素指纹图谱

2.6 聚类分析

采用SPSS 22.0统计学软件对10批玉米须样品中26种无机元素含量进行聚类分析，采用组间联接方法、平均Euclidean距离进行层次聚类。当平均Euclidean距离为5时，10批样品共分为四大类，结果见图2。其中，S3，S5，S9，S10聚为第一类；S7，S8聚为第二类；S1单独聚为第三类；S2，S4，S6聚为第四类。结果显示，同类间的无机元素含量结果相似度较高，不同类间的差异较大，且相同产地的玉米须样品基本可聚为一类，表明产地因素对玉米须质量有一定影响。

图2玉米须聚类分析结果

2.7 主成分分析

主成分分析是将多个指标化为少数几个综合指标的统计学方法，用少数几个综合指标反映大量原始指标的主要信息，可以起到降维、简化问题的作用[10]。剔除部分未检出元素后，将21种元素（B，Na，Mg，Al，K，Ca，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，As，Sr，Mo，Sn，Ba，Pb）的含量测定结果用SPSS 22.0统计学软件进行标准化处理，结果记为X1～X21，详见表4。将标准化的数据进行主成分分析，得到主成分特征值及贡献率（见表5）、碎石图（见图3）及未旋转因子载荷矩阵表（见表6）。

表4标准化处理结果

表5主成分特征值及贡献率

图3主成分分析碎石图

由表6可见，未旋转因子载荷矩阵是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[11]。第1主成分与Al，Ti，V，Cr，Fe，Co高度相关（相关系数均大于0.9），且第1主成分的方差贡献率达到56.73%，故可认为Al，Ti，V，Cr，Fe，Co是玉米须的特征无机元素，对玉米须质量有较大影响。

表6未旋转因子载荷矩阵

主成分特征值及贡献率是选择主成分的重要依据。由图3可见，前3个主成分的特征值均大于2，分别为11.91，3.75，2.59，对总方差的累积贡献率达86.90%，能较全面地评价玉米须样品的品质，故选择前3个成分进行分析。根据主成分的定义可知，主成分表达式中的系数应是各因子荷载所对应的特征向量。特征向量的计算公式为将表6中的数据除以各主成分相对应的特征值（λ）开平方根，便得到3个主成分中每个指标所对应的特征向量，结果见表7。主成分评价指标表达式为公式1）：

（i=1，2，3；R1，R2，R3……R21为表7中第1，2，3主成分所各自对应的特征向量值；X1，X2，X3……X21为表4中S1～S10样品经标准化处理后的结果）

计算10批玉米须样品中3个主成分的评价指标得分F1，F2，F3，由于各主成分的方差贡献率不同，因此对于各主成分的评价应以各主成分特征值λ为权重，由各主成分得分和对应权重相乘求和来构建综合评价函数，表达式为公式2）：

可计算出能基本反映原始样本信息的综合评价指标得分F值，并对F值进行排序，结果见表8。可见，S2，S4，S7和S8号样品综合得分较高，表明从无机元素角度评价，这4批样品品质较好。

3 讨论

本研究中采用ICP-MS法对玉米须中26种无机元素的含量进行测定，结果显示，玉米须中K，Mg，Al，Ca，Fe，Zn等元素含量较丰富，与文献[5-6]报道基本一致。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；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[11]；Fe在人体内主要参与氧的运输和造血过程，归肝经药含有丰富 的Fe[12]，这与玉米须归肝经一致。含量测定结果也显示，在中药玉米须含有的微量元素中Mn含量最高，而Mn具有改善动脉硬化的功效[13]。以上结果表明无机元素与玉米须的功效之间存在着较强的关联，同时也为玉米须资源的开发与利用提供了物质基础。

表7各主成分对应的特征向量

表8各主成分得分分值、综合得分分值及排序

同时，参照《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》[14]中有害元素限量（Cu≤20 mg/kg，As≤2 mg/kg，Cd≤0.3 mg/kg，Hg≤0.2 mg/kg，Pb≤5 mg/kg）。可见，S4号样品中Pb元素含量超标，这可能与当地的植物生长环境及土壤污染程度有关，提示应加强中药中重金属及有害元素的监管。

本研究中根据玉米须中26种无机元素的含量测定结果，建立了玉米须无机元素指纹图谱，并运用聚类分析与主成分分析，将无机元素作为整体，通过降维思想全面综合评价玉米须的品质，并找出了影响玉米须品质的关键指标元素。