电感耦合等离子体质谱法检测药品中重金属及其他元素的研究进展

李智明,卢日刚,邓 鸣,孙 煜

(广西壮族自治区食品药品检验所,南宁 530021)

微量元素和常量元素是维持人体正常生理机能的重要物质,摄入过量、不足等都会不同程度地引起人体生理的异常,甚至发生疾病[1-3]。重金属及其他元素会通过食物链进行富集而累积于人体内,影响人体新陈代谢,当重金属及其他元素过量时会危害人体健康[4-5]。目前药品中重金属及其他元素残留安全问题的研究报道尚较为少见,但是药品中重金属及其他元素由于存在潜在毒性和可能引起的健康风险而备受企业和消费者的关注[6]。国际人用药品注册技术协调会(ICH)、欧洲药品管理会(EMA)和美国食品药品监督管理局(FDA)对元素杂质制定了新的分析和控制策略[7-8]。我国药品严格遵守ICH的指南与标准。因此,药品生产企业须在生产过程的各个环节中监控各元素含量,以确保药品制剂元素水平符合相关规定。

传统的元素检测方法有比色法[9]、紫外分光光度法[10]、原子吸收光谱法[11]、原子荧光光谱法[12]等,这些方法存在灵敏度较低、检出限高、线性动态范围窄、难以同时分析多元素等不足。而电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)可解决上述传统检测方法存在的问题[5,13],并广泛应用于环境、食品、地质、医学等众多领域[14]。为了适应新药品元素杂质的标准规定,ICP-MS可作为药品中元素含量监测的首选方法。本工作综述了近年来ICP-MS在中药材、中成药、化学药品中重金属及其他元素检测中的应用进展,介绍了药品中重金属及其他元素的源头控制及样品前处理方法,并将ICP-MS在该领域的发展进行了展望。

1 ICP-MS在药品中重金属及其他元素检测的应用

1.1 中药材

中药材是我国传统医学特有的药物[15-16],因疗效独特而被广泛应用于临床,在防治疾病、保障人民健康方面起着重要作用。中药材源于药用植物、动物和矿物,其药用部分采收后经产地初加工形成原料药材[17],具有鲜明的天然属性,由于其生长或形成时受到水质、空气、土壤等环境因素的影响,易引入重金属及其他元素[16,18]。中药材中重金属元素特别是有毒有害元素含量超标问题是当今国内外热门的话题,是影响中药走向世界的关键因素之一[19]。为保证中药材的品质,确保人民群众的用药安全,《中华人民共和国药典》(2020年版)(简称Ch P 2020)四部制定了中药中铝、铬、铁、钡元素测定的指导原则,可与中药中铅、镉、砷、汞、铜测定方法(通则2321)联合应用,明确指出多元素同时测定时首选ICP-MS。Ch P 2020一部仅对中药材中部分元素作了限量要求,但是学者们利用ICP-MS能同时测定多种元素的优势,对各类中药材中多种元素进行了探索性研究。

胡晓等[20]采用ICP-MS测定不同产地灵芝孢子粉中5种重金属的含量,结果表明不同产地灵芝孢子粉之间的重金属含量无显著性差异,并指出ICP-MS可以用于灵芝孢子粉乃至中药饮片和中成药中重金属测定及质量标准研究。鱼腥草被誉为“中药中的广谱抗生素”,具有极高的食用及药用价值,为了考察其中各重金属及其他元素的含量,李雅萌等[21]采用ICP-MS测定鱼腥草中14种元素的含量。结果表明,该方法具有良好的精密度和准确度,回收率为97.6%～103.8%,各元素的线性相关系数均大于0.999 7,同时发现鱼腥草中铜、砷、铅、汞、镉的含量均低于国家标准限量值,为进一步研究和开发鱼腥草药食用价值以及起草鱼腥草质量标准提供了依据。彭亮等[22]应用ICP-MS同时测定陕西不同产地野生茜草中9种重金属元素的含量,通过数据结果进行元素质量分数差异性分析、各元素之间相关性分析以及主成分分析。结果表明:茜草药材中重金属元素含量存在差异性,其中《中华人民共和国药典》(2015年版)(简称Ch P 2015)规定限量的5种重金属含量均在相应标准限量范围内;主成分分析将所有样品分为3类,不同元素之间存在一定的相关性。此研究结果能为制定陕西产茜草药材重金属元素标准提供依据,也可为其饮片生产和临床用药安全提供参考。楚浩等[23]采用动能歧视(KED)模式消除多原子离子干扰,内标法克服基体效应干扰,ICP-MS同时测定玉叶金花中16种重金属元素的含量。结果显示,玉叶金花中存在少量的钒、铬、镍等元素,含有丰富的锰、铁、锌、锶等人体必需微量元素。由此可知,玉叶金花的药理作用和其微量元素生理作用有着一定的关系。朱仁愿等[24]利用ICP-MS同时测定白石脂药材中27种元素的含量,结果显示铝是白石脂药材中含量最高的元素,13种微量元素可作为白石脂药材的特征元素。

除了全定量分析,ICP-MS还可以进行半定量分析,可快速筛查样品中含有哪些元素。吴文辉等[25]建立了箭叶淫羊藿中重金属元素的ICP-MS快速筛查方法,对其进行半定量全质量扫描并采集,分析箭叶淫羊藿中元素的种类,为制定其重金属元素质量控制标准提供参考。

1.2 中成药

中成药是根据处方以中药材为原料配制加工成不同剂型的中药制剂[26-27],具有性质稳定、疗效确切、毒副作用相对较小、存贮方便、可随身携带、免煎煮、无异味和少刺激等优点。中成药一般直接服用或注射入体内,如补益类药疗程较长,长期用药有重金属及有害元素蓄积的风险[28]。中成药的重金属及其他元素污染风险主要集中在原料环节与工艺环节,Ch P 2020四部通则0102注射剂中规定了中药注射剂中铅、镉、砷、汞、铜每日最大使用量分别不得超过12,3,6,2,150μg,但是其他中药制剂没有明确限量规定。因此,专家学者们进一步采用高效灵敏的ICP-MS探索中成药中重金属及其他元素的含量。

范桂强等[29]采用ICP-MS测定六味颈康胶囊中5种重金属元素的含量,根据其生产工艺配方计算,制剂甘草及白芍中5种重金属均未超出药典相应限量标准,但其余中药材均无限量判定标准。我国中成药生产量较大,建议制定出相应重金属等元素的限量标准。汪建君等[30]采用ICP-MS内标法测定清火栀麦片及胶囊中25种元素的残留量,测定结果参考美国药典(USP)、欧洲药典(EP)的相关限量要求,发现存在铅和砷超出拟定限量的药品,暴露出药品存在一定的安全隐患。为了更好地控制中成药质量,建议逐步扩充中药材目标元素种类,并参考国际相关限量标准,制定合理限量。郑明等[31]参考Ch P 2020中药有害残留物限量制定指导原则和世界卫生组织(WHO)给出的每日可接受摄入量,估算半夏糖浆中铅、镉、砷、汞、铬的最大限量理论值,通过ICP-MS同时测定半夏糖浆中6种重金属元素的含量,测定结果表明半夏糖浆中各元素在最大限量理论值内,总体风险较小。聂黎行等[32]为了解牛黄清胃丸中重金属及有害元素整体残留情况,采用ICP-MS对5种元素进行测定,测定结果按照危害识别、危害特征描述、暴露评估和风险描述的程序进行风险评估,并制定了该品种中5种元素的残留限量。结果发现牛黄清胃丸中重金属及有害元素的总危害指数大于1,提示其存在一定健康风险。该研究首次提出了评估中成药中重金属及有害元素风险的一般步骤,为中成药风险评估和限量制定提供了参考。张春华等[33]将5种中药注射液的样品用2%(体积分数)硝酸溶液稀释后,采用ICP-MS测定其中铜、砷、镉、铅和汞的含量,并进行了方法学验证。结果显示,各元素含量均小于Ch P 2015限量值,说明其安全风险较小。张丹等[34]采用ICP-MS测定柴胡注射液中18种重金属及有害元素的含量,结果表明相关元素的检出量均符合Ch P 2020、USP及ICH Q3D中限量规定。该方法灵敏度高、快速、准确,为柴胡注射液质量标准完善提供了科学依据,也为中药注射剂质量控制提供了参考。

1.3 化学药

化学药是用化学合成方法制成或从天然产物提取而成的[35],包括有机化学药品、无机化学药品和生物制品。化学原料药合成过程中所使用的各种原料、设备等都可能引入重金属及其他元素[36],制剂过程中各种辅料、混合容器以及包衣材料也是重金属及其他元素的来源,甚至与药品直接接触的包材都会带来污染。Ch P 2020四部收载了335种药用辅料,二部收载了化学原料药与化学药制剂共2 712种,其中有些品种如二氧化钛、葡萄糖亚铁等,规定了重金属总量或者个别元素的限量,其测定方法大部分采用化学反应比色法,与标准溶液比较即可;少部分如滑石粉、葡萄糖酸钙氯化钠注射液等,经前处理后采用原子吸收分光光度法测定各元素的含量。为了监控药用辅料、化学原料药及化学药制剂中多种元素的含量,ICP-MS是比较合适的方法,但是目前研究报道较少。

王也牧[37]以ICP-MS建立测定辅酶Q10原料及制剂中22种元素杂质的分析方法,研究了辅酶Q10合成过程及其药用辅料、制剂过程有可能引入的金属杂质。结果表明:7批原料药中同时含22种元素杂质的较少;个别企业生产的辅酶Q10胶囊中铅含量较高;其中一个企业生产的辅酶Q10胶囊中铝元素含量均偏高,考察其生产所用辅料滑石粉和二氧化硅中铝的含量,可推测出其铝含量偏高是由这两种辅料导致的;铅和铝的含量虽然均符合ICH Q3D元素杂质指导原则以及USP、Ch P 2015的限量要求,但是长期用药仍然对人体健康不利。靳贵英[38]采用ICP-MS测定药用辅料β-环糊精中7种重金属元素的含量,考察其在生产加工和仓储运输等各环节受到的重金属污染。结果显示,砷和铅的含量高于其他元素,可能和淀粉的蓄积性有关,但均在限量范围内,对于植物性来源的原辅料,建议对元素污染严重区域进行监控。钟振华等[39]采用ICPMS测定盐酸氯哌丁原料药中13种重金属元素的含量,结果表明:此方法线性相关性良好,灵敏度高、准确度好,适用于盐酸氯哌丁原料药中痕量重金属元素的检测分析;同时发现各元素含量均在安全限量范围内,样品批次间的测定结果均无显著性差异,表明企业生产盐酸氯哌丁原料工艺较为稳定。刘晟等[40]采用ICP-MS测定盐酸黄酮哌酯片中5种重金属元素的含量,结果显示5种元素的含量均符合相关限量要求,表明该药品生产质量稳定、可控。为逐步与国际接轨,建议建立同时准确测定西药制剂中多种重金属元素的方法,并对药品进行有针对性考察,可为企业工艺改进和行政监管提供数据支持。刘晟[41]采用ICP-MS测定硫酸氨基葡萄糖片、胶囊和颗粒剂中5种重金属的含量,探索其在原辅料和制剂过程中可能引入的重金属污染,测定结果显示各元素含量均能满足Ch P 2015、USP和ICH的限量要求,为其他化学药制剂风险监控提供参考方法。

2 药品中重金属及其他元素的源头控制

控制药品中重金属及其他元素的含量是保证药品质量安全的重要研究内容之一,根据ICH Q3 D的指导原则,从源头控制元素含量是做好此项工作的重要途径,而选用ICP-MS作为检测工具是关键。

中药材来源于药用植物、动物和矿物,药用植物则需监测种植的水源、空气、土壤中重金属元素的含量,甚至施加的化肥等也要监测;药用动物则需监测其饮用水、食物中重金属及其他元素的含量,只要进入动物体内的物质都应进行监测;最终再测定采摘后成品的元素含量,若制成药用饮片或者进行炮制后的还需再次检测。药用辅料和原料药需监测其生产工艺所用的原料、试剂、催化剂、每一步中间体、最终成品等所含重金属及其他元素的含量。药品制剂则需监测所有的原辅料、经过容器或手工处理的每一步中间体、最终包装好的成品中重金属及其他元素的含量。监测方法则是采用ICP-MS测定需监测样品中ICH Q3D指导原则规定的24种元素的含量[8],或其他生产过程中明显会引入的元素,掌握监测样品的各元素含量,若出现元素含量变化较大,则启动倒查机制,找出源头,剔除或者避免元素污染源,从而控制药品中元素的含量,使之达到ICH Q3D指导原则的要求。

药品中重金属及其他元素的源头控制工作任务繁重,需要中药材种植商和各药品原辅料生产企业和药品制剂生产企业共同参与,自觉进行药品生产各个环节的元素监测,同时药品监督管理部门进行有效监督。源头控制药品重金属及其他元素的含量,最终目的是控制药品制剂最终成品的重金属及其他元素的含量。

3 样品前处理方法

样品要采用ICP-MS进行元素分析,前提条件是将样品转变为无机溶液,使其中的元素游离出来。有些样品本身就是水溶液,可以直接上机测定,如饮用水;有些样品如复方氯化钠注射液[42],元素含量较高,经适当稀释后可直接进样测定;有些样品通过合适的溶剂溶解即可上机测定[43];有些样品则需进行消解处理。

常见的样品消解方法有湿法消解和干灰化法。湿法消解一般采用酸液在加热条件下破坏样品中的有机物或还原性物质,常用酸解体系有硝酸、盐酸、硫酸、高氯酸、氢氟酸、过氧化氢溶液等,按加热方式主要分为电热板法[24]、高压密闭消解法[21]、微波消解法[22]。电热板法属于敞开式消解方式,设备成本较低,普通实验室比较适用,但易造成挥发性元素损失,不适合易挥发的汞元素等的测定;采用高压密闭消解法时,高压密闭环境有利于难溶解物质的消解,也能减少挥发性元素的损失;微波消解法是目前较理想的消解方法,其结合微波和密闭高压消解于一体,具有可灵活控制温度的程序,同时消耗样品和试剂少,消解彻底,可避免污染和损失,准确度和精密度好[44];干灰化法是利用高温除去样品中的有机质,剩余灰分用酸溶解作为样品溶液,但也不适用于易挥发损失元素的测定。李杰等[45]用干灰化法和微波消解法对大马士革玫瑰花进行消解,采用ICPMS测定其中20种元素的含量,结果发现,采用干灰化法时有些元素的回收率偏低,质控样验证试验中测定值与参考值偏差较大,而采用微波消解法时各元素的回收率均较好,质控样验证试验中测定值与参考值基本一致,建议优先选用微波消解法进行样品前处理。无论采用何种前处理方法,都应同时进行样品空白试验,监测所用试剂、器皿等中元素的含量,本底值不能太高,还应该进行样品加标回收试验,确保方法的准确度和可行性。

4 结语与展望

ICP-MS是快速精确测定元素含量的有力分析工具,在开展药品元素检测工作中能起到关键性作用,对控制药品质量具有极其重要的意义[46]。ICPMS分析方法与传统的元素检测方法相比,线性范围宽、灵敏度高,在测定准确度和专属性等方面均有很大优势,而且能同时测定多种元素,可以实现半定量分析,可快速筛查样品中元素的种类并定量分析。目前ICP-MS相当成熟,相关仪器能与高效液相色谱仪联用进行元素形态分析[47],也可以与飞行时间质谱仪联用以提高精密度[48],与电热蒸发器联用以实现固体直接进样,具有更高的灵敏度[49],与毛细管电泳仪联用可以实现多维分离和高通量分析[50]等。随着科学技术的不断进步,它在测定药品中元素方面将发挥更大的作用[51]。

Ch P 2020仅对中药材中部分重金属及其他元素、化学原料药的重金属总量作了限量要求,不涉及制剂。我国已经加入ICH,以后新上市的药品许可申报元素含量必须满足ICH Q3D的要求,这是我国创新药走向国际市场的硬性指标。为了与国际接轨,无论是中药材、中药饮片、药用辅料、原料药以及药品制剂,都有必要建立ICP-MS同时测定多种元素含量的分析方法,作出相应的风险评估,按要求严格控制其中重金属元素的含量,确保人民群众的用药安全。有目的地研究药品制剂各元素含量,为药品监管部门提供数据支持,并逐步建立各种药品制剂的元素限量要求,这是目前的发展趋势。