超级微波消解-电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）检测砂仁中的8种元素

倪明龙，邱志超，薛雪

（1.广东食品药品职业学院实验实训中心，广东广州 510520）（2.广州检验检测认证集团有限公司，广东广州 511447）

砂仁是姜科豆蔻多年生草本植物，至今已有一千三百多年的食用历史，药典规定正品砂仁主要为阳春砂（Amomum villosumLour）、绿壳砂（Amomum villosumLour.var.xanthioidesT.L.Wu et Senjen）或海南砂（Amomum longiligulareT.L.Wu）的干燥成熟果实[1]，同时具有“药用”和“食用”功能，尤其是广东一带居民，煲汤文化盛行，砂仁成为最受欢迎的材料之一。以广东阳春市产阳春砂最著名，称为地道南药。砂仁，其性辛、温，归脾胃经，具有化湿开胃、温脾止泻、理气安胎等功效[2,3]。

超级微波消解技术是近几年迅猛发展的先进微波消解技术[4,5]，与传统的普通微波消解相比，一是温度和压力耐受性高，且不需人工为样品逐一装卸消解管的步骤，对于高通量检测来讲，大大降低了劳动强度；二是消解效果更加彻底，尤其是针对一些难以消解的样品，比如茶叶等；三是消解液用酸量少，降低环境污染；越来越受检测机构的欢迎，逐渐应用于食品、化妆品等行业检测。ICP-MS是成熟运用的国标规定的一种快速元素分析测定方法[6-10]。ICP-MS以高灵敏度、同时测定多种且含量差异较大的元素、配合质谱，抗干扰性强、可以实现高通量快速分析，颇受检测结构的喜爱。

食品药品中无机元素的分析，报道较多[11-16]，但是关于砂仁的元素分析，报道较少，熬慧等[17]采用石墨炉-原子吸收分光光度法测定了不同产地砂仁的铜、铅、镉含量；荀合等[18]采用ICP-AES测定了砂仁中8种重金属元素的含量，并进行了煎煮后重金属形态分析。查阅文献，用超级微波消解-ICP-MS进行砂仁中重金属检测的不多见，而且对目前市场上流通的砂仁重金属污染情况未见全面报道。中药重金属超标问题频繁报道的背景下，砂仁作为药食同源食材，非常有必要建立科学的砂仁中多元素分析方法以及对不同产区砂仁质量进行综合评价。本文通过大量实验，建立了超级微波消解-ICP-MS同时测定砂仁中8种元素（包括有害元素、微量元素）的方法，样品前处理效果好，消化后直接进样检测，测定方法准确性高，为砂仁元素分析提供了可操作性强的检测方法，并且针对不同产地的砂仁进行分析比较，为居民日常选购砂仁、政府相关部门质量安全监测提供参考意见。

1 材料与方法

1.1 实验对象

砂仁，2020年8月购买于广州清平中药材专业市场，采购回来的样品经鉴定均符合2020年版《中华人民共和国药典》[1]相关项下要求，不同产地云南、广东、海南、广西各一批次，常温保存以备使用。

1.2 仪器与试剂

Ultra CLAVE超级微波化学平台，北京莱伯泰科仪器股份有限公司；Agilent7900电感耦合等离子体质谱仪，美国安捷伦公司；Milli-Q去离子水发生器，美国密理博公司；Mettler MS204S电子分析天平，瑞士梅特勒公司；大龙 DRAGON 移液枪 10~100 μL和100~1000 μL各一支及枪头若干[20]，北京大龙兴创实验仪器有限公司；容量瓶50 mL及量筒若干。

生物成分分析标准物质大米GBW10010，中国地质科学院物理地球化学勘查研究所；丹参中重金属及微量元素成分分析标准物质GBW（E）090066，上海市计量测试技术研究院；超纯水，电阻率≥18.2 ΜΩ.cm；Sc、Ge、In、Bi内标溶液（各50 μg/L），由各元素单标储备液配制；Al单标储备溶液，国家钢铁材料测试中心；Sc、Ge、In、Bi、Cr、Ni、Cd、Sn、Hg、Pb、As单标储备溶液（浓度为1000 mg/L），国家有色金属及电子材料分析测试中心；硝酸（BV-Ⅲ级），北京化学试剂研究所；Ce、Co、Li、Mg、Ti、Y调谐液（1 μg/L），美国Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 仪器的条件

超级微波化学平台升温程序：步骤 1，温度从室温到110 ℃，升温10 min，压力为80.0 bar；步骤2，温度从110 ℃到200 ℃，升温16 min，压力120.0 bar；步骤3，温度从200 ℃到220 ℃，升温5 min，压力150.0 bar；步骤4，温度220 ℃，保持10 min，压力150.0 bar。

ICP-MS仪器参数[19]：射频功率：1550 W；测试模式为He模式，等离子体气流速：15.0 L/min；载气流速：氩气，1.0 L/min，辅助气流量0.5 L/min；雾化室温度：2 ℃；采样深度8.0 mm，采样锥孔径1.0 mm，截取锥孔径0.4 mm，采集模式为跳峰Spectrum；进液速度0.30 r/s，进液时间20 s，稳定时间20 s，重复次数3次。

1.3.2 样品前处理

用剪刀将砂仁从中轴线剪开，壳和果仁分开，分别取壳和果仁测试，测试前60 ℃干燥2 h，均匀打碎。石英消解管做容器，称取样品0.3 g左右，精确至小数点后0.0001 g，加入硝酸水溶液（1:1.25，V:V）4.5 mL，盖上盖子，注入反应釜水浴盆500 mL蒸馏水和5 mL硝酸溶液。将样品杯放到样品盘上并将整个样品盘挂到反应容器中，上升工作平台，关闭钳子，关闭泄压阀门，充进高纯氮气开始微波消解，样品消解完后取出消解管，转移到容量瓶中，用超纯水定容至50 mL，待分析，每批次样品做5次平行实验，同时做试剂消解空白实验。

1.3.3 标准曲线的配制

按照下表1中8种元素标准溶液线性范围配制，将不同元素的单元素标准溶液以 2%（体积分数）的HNO3溶液进行定容，制备成混合标准储备溶液，最后配制成含有 Al、Cr、Ni、As、Cd、Hg、Sn、Pb 标准系列工作曲线待用。

2 结果与分析

2.1 干扰及消除方法的选择

ICP-MS的干扰分为质谱干扰和非质谱干扰（基体效应）。非质谱干扰-基体效应主要有空间电荷效应、信号的抑制或增强效应、由高含量总溶解固体引起的物理效应。非质谱干扰消除方法有稀释样品、内标法、标准加入法、去除基体等。质谱干扰主要有同量异位素重叠、多原子或加合物离子、难熔氧化物离子、双电荷离子。解决办法主要通过优化仪器条件参数、选择无干扰同位素（如78 Se代替80 Se），干扰校正方程，冷等离子体技术，碰撞/反应池技术等[20]。本实验通过惰性气体氦气碰撞反应、最佳化RF（射频功率）工作功率和雾化气流速、选择合适的同位素来避免多原子离子干扰。为减少仪器信号漂移和基体干扰的影响程度，本实验选用加入混合内标元素Sc（45）、Ge(72)、In(115)、Bi(209)（浓度50 ppb）进行定量，校正补偿样品的基体效益和信号漂移来改善各待测元素的准确性和稳定性（见表1）[19]。

2.2 方法线性相关参数及检出限

各元素的线性方程、相关系数、检出限、定量限见表1，可见，8种元素线性参数均在0.9996以上（Hg为0.9935），标准曲线线性良好。重复测定样品空白溶液20次，测得各元素信号的响应值，以3倍测量值标准偏差（δ）所对应的浓度值为检出限，10倍所对应的浓度值为定量限[19,21]，因此该实验方法的检出限范围0.00025~0.25 μg/kg，定量限范围0.0008~0.83 μg/kg，符合国家标准相关要求。

表1 各元素内标元素、线性参数、检出限和定量限Table 1 Internal standard elements, linearity parameters, detection limits and quantitation limits

2.3 标准物质的方法验证

为验证本实验方法的准确性和可靠性，选择相同的实验方法对标准物质GBW10010（大米）、GBW（E）090066（丹参）进行了测定，标准物质的测定值和证书值见表2。使用万分之一天平称量标准物质大米、丹参均0.3 g，按照前面方法，做3个平行样品，实验数据用平均值±标准差来表示。结果表明标准物质的测定值均在证书要求范围内，说明该实验方法准确性和重现性较好，可以满足日常样品，包括大米、丹参文中所测元素含量测定的要求（n=3）。

表2 大米、丹参的标准值与测定值Table 2 Analytical results of rice and salvia (n=3)

2.4 样品的加标回收率和精密度

按照1.3.2样品前处理方法，称取广东产地砂仁壳0.3 g，将超级微波消解后的样品定容，采用前述方法进行元素含量的测定，然后进行加标回收率实验。参考GB/T 27404-2008《实验室质量控制规范 食品理化检测》[22]的要求，未制定最高残留限量（MRL）的元素，选择在方法测定低限、常见限量指标，选一合适点进行三水平实验；对已经制定MRL的，选择方法测定低限、MRL、选一合适点进行三水平实验。按照表3设计的三个水平加标，平行制备样品5份，实验数据见表3。本实验加标回收率范围为 85.71%~109.09%，相对标准偏差为 1.93%~8.17%，表明此检测方法具有较好的精密度和准确度，符合 GB/T 27404-2008的要求。

表3 加标回收率与精密度Table 3 Results of the recovery and precision (n=5)

2.5 不同产地砂仁样品的测定

为验证方法的可行性，利用同样的实验方法检测从广州清平中药材专业批发市场购买的4种不同产地砂仁，分别是云南、广东、海南、广西，并且将果壳和果仁分开检测，每批样品测定5个平行样。按照1.3.2所述方法进行超级微波消解，消解结束后定容进行测定，数据结果见表4。

表4 4种砂仁样品各元素含量Table 4 Contents of elements in 4 Amomum villosum samples (n=5)

通过测定结果表4可以看出，检测的7种元素，Al、Cr、As、Cd、Sn、Hg、Pb均主要分布在砂仁壳中，果仁中含量较少。根据GB 2762-2017《食品中污染物限量》[23]规定，Pb有害元素的限量标准为3 mg/kg，药典[1]中针对砂仁没有明确规定各种元素的限量值，参考其它物质（丹参、黄芪等）的限量标准As≤2 mg/kg、Cd≤0.3 mg/kg、Hg≤0.2 mg/kg、Pb≤5 mg/kg，如果作为食品原料用，其中云南、海南产地砂仁壳Pb含量分别是4.56 mg/kg、4.51 mg/kg，砂仁果仁Pb含量分别是0.08 mg/kg、0.31 mg/kg，超出国家标准，如果作为中药材用，则四种砂仁均符合国家标准，受检样品壳中Pb含量范围1.10~4.56 mg/kg，与敖慧等报道的[17]0.64~0.88 mg/kg，广东产地无明显差异，其他产地明显差异。Cd属于有害元素，四种产地的砂仁壳和果仁中最高含量为0.04 mg/kg，远远低于国家标准限量值，说明污染性较低；其中Cr是人体必需的微量元素，摄入不足可引起糖、脂代谢紊乱等，本次检测的4种砂仁壳含量范围为0.53~1.05 mg/kg，从高到低是云南>海南>广西>广东，云南产地最高含量为1.05 mg/kg，与敖慧等报道[17]的含量范围0.71~1.76 mg/kg比较接近。Ni是人体可能必需的微量元素，在砂仁壳和果仁中分布相当，分别0.42~2.06 mg/kg、0.22~2.29 mg/kg，GB 2762-2017对油脂及其制品的Ni进行限量规定（1.0 mg/kg），受检的4种砂仁，其中云南产地砂仁壳、果仁的含量分别达到了2.06 mg/kg、2.29 mg/kg，因此砂仁中Ni元素可以作为风险监测指标。Hg在四种受检样品中，果仁均未检出，壳中含量无差异，均为0.01 mg/kg，远低于国家标准规定的限量，风险较低；Al、As、Sn具有潜在毒性，但在低剂量时候，对人体有可能是有益的微量元素[19]。长期摄入含有较高浓度Al的食品会使人体形成积累性中毒，导致老年性痴呆、骨病、肾病和非缺铁性贫血等危害性疾病，该实验所检四种砂仁含量高低顺序为广西>广东>海南>云南，最低含量为437.32 mg/kg，现行有效的GB 2760-2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》[24]中硫酸铝钾（又名钾明矾）和硫酸铝铵（又名铵明矾）属于允许使用的食品添加剂，其中规定豆类制品等干制品Al的残留量≤100 mg/kg，表6可以看出，砂仁的Al含量较高，应该引起相关政府部门的重视。As在4种砂仁样品中，均低于国家相关标准，符合质检要求，与王奎等[25]报道的贵州产地砂仁1.48 mg/kg都符合药典要求。Sn只存在壳中，果仁中均未检出，GB 2762-2017只针对采用镀锡薄板容器包装的食品，婴幼儿食品≤50 mg/kg，海南产地砂仁总量最高为0.10 mg/kg，该元素风险极低。表中可以看出，Hg、Sn只分布在果壳中，且风险都较低。

3 结论

砂仁作为深受居民喜爱的药食同源食材之一，中药重金属超标问题频繁报道的背景下，砂仁作为药食同源中药材，非常有必要建立科学的砂仁元素分析方法以及对不同产区砂仁质量进行综合评价。本文建立了超级微波消解-ICP-MS法测定4种不同产地（云南、广东、海南、广西）砂仁中 Al、Cr、Ni、As、Cd、Sn、Hg、Pb共8种元素的含量测定方法，进行了方法的检出限、准确度、精密度、加标回收率实验，结果表明：本方法线性关系良好，检出限均符合国家要求，检测方法灵敏度高；采用标准物质验证，检测结果均在不确定度范围内，加标回收率为 85.71%~109.09%，相对标准偏差为 1.93%~8.17%，说明本方法具有较好的准确度和精密度，该方法适合砂仁中多元素含量的测定，为质量控制提供必要的技术支持。Hg元素的测定线性系数r为0.9935，说明ICP-MS针对复杂基质中Hg元素检测效果不是很理想，后续针对Hg的测定进一步优化研究。检测了4个产地的砂仁，除了Ni元素，其他元素均主要分布在砂仁壳中，Ni在果壳和果仁中分布相当；目前药典中并没有针对砂仁有害元素进行限量规定，参考其它中药材的规定，Cd、Hg、Sn、As低于药典限量值，Pb、Ni、Al建议纳入风险监测指标。其他元素本文没有进行检测分析，有必要纳入后续研究工作，实现更多元素的同时测定，为提高砂仁质量、保证食品药品安全，以及开拓砂仁的国际市场均具有重要的意义。