西洋参中稀土元素的测定及其在产地溯源中的应用

张春华， 陈春桃， 陈 亮， 韩必恺， 李子宜， 吴惠勤， 黄晓兰

(广东省科学院测试分析研究所（中国广州分析测试中心） 广东省化学测量与应急检测技术重点实验室广东省中药质量安全工程技术研究中心，广东 广州 510070)

0 引 言

西洋参为五加科人参属多年生草本植物西洋参(Panax quinquefoliumL.)干燥的根[1]，是药食两用的一味名贵药材，原产于北美洲加拿大和美国，20世纪80年代以来在我国引种成功，主要分布在吉林、山东、北京和陕西等地[2]。进口西洋参价格比国产西洋参昂贵，一些不法商人由于利益驱使，市场上以国产西洋参假冒为进口西洋参的问题经常发生。所以，建立西洋参的产地鉴定方法对规范西洋参药材市场、保护消费者和生产者的权益具有重要的意义。

电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）因操作简单、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，已经成为元素分析的常用方法[3-5]。植物生长与土壤的成分有直接的关系，植物的稀土元素组成与其生长的土壤相关，所以稀土元素和/或稳定同位素结合成分分析、聚类分析、线性判别分析等被应用于如大米[6]、植物油[7]、茶叶[8]、红酒[9]、胡萝卜[10]、大桃[11]等食品的产地溯源研究。基于矿物元素鉴别西洋参产地方面，王哲等[12]采用ICP-MS测定了西洋参中50种矿物元素，建立了山东产西洋参的矿物元素指纹图谱，可用于鉴别是否为山东产西洋参；侯皓然等[13]测定了西洋参28种矿物元素，筛选出Y、Fe和Ni元素作为判别西洋参产地的判别分析模型指标，用于鉴别中国东北、美国和加拿大产西洋参；陈军辉等[14]采用ICP-MS法测定了8个吉林产西洋参和4个其他产地西洋参样品中18个无机元素含量，并应用主成分分析法和聚类分析法对不同产地的西洋参无机元素进行分析。但是，未见利用稀土元素来建立判别模型，鉴别西洋参产地的报道。

本研究中，收集了山东、吉林、美国和加拿大产西洋参共计38个样品，建立了西洋参中15种稀土元素的方法，采用IBM SPSS 20软件对测试数据进行方差分析、聚类分析和判别分析。山东产西洋参中稀土元素含量明显高于其他三个产地，聚类分析表明山东产西洋参被归为一类，吉林、美国和加拿大产地西洋参被归为一类。经逐步判别分析，筛选出 Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu 11个元素作为有效指标，建立了判别模型，可区分山东、吉林和国外（美国和加拿大）产西洋参，初始验证正确率为100%，交叉验证总体正确率为86.8%。建立的判别模型可以区分国产和进口西洋参，满足日常打击西洋参产地造假的需要。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

不同产地西洋参样品：山东（18个，编号SD01～SD18）、吉林（12个，编号 JL01～JL12）、美国（5个，编号 MG01～MG05）、加拿大（3个，编号JND01～JND03），由广东跑合中药材电子商务有限公司提供和药店购买。所有西洋参样品60℃烘2小时，剪成颗粒，用中药粉碎机粉碎，过二号筛，用样品袋装好后，保存于干燥器中。

La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y 多元素标准溶液（100 μg/mL）购自国家有色金属及电子材料分析测试中心；Rh、Re单元素标准溶液（1 000 μg/mL）：购自国家钢铁材料测试中心；ICP-MS 储备调谐溶液（含 Ce、Co、Li、Tl、Y，10 mg/L），购自安捷伦科技有限公司。生物成分分析标准物质GBW10027（GSB-18 人参），购自国家标准物质网。

HNO3（68%，UP级）：苏州晶瑞化学股份有限公司；超纯水：实验室自制。

1.2 仪器与设备

Agilent 7700x ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪（美国安捷伦公司）；WX-8000型微波消解仪和G-160型赶酸器（上海屹尧仪器科技发展有限公司）；TP-214型丹佛电子天平（美国丹佛仪器公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 内标溶液和标准溶液配制

内标溶液的配制：精密移取Rh和Re标准溶液（1 000 μg/mL）适量，用2%硝酸溶液稀释，配制成质量浓度为0.5 mg/L的混合内标溶液。

标准溶液配制：精密移取稀土混合标准溶液（100 μg/mL）适量，用2%硝酸溶液逐级稀释，配制成各稀土元素质量浓度为 0，0.5，1，5，10，50 μg/L的系列标准工作溶液。

1.3.2 样品制备

取西洋参粉末0.5 g于聚四氟乙烯消解管中，加入5 mL浓硝酸，放置30 min后，放入微波消解仪中消解，按表1程序消解完全后，冷却、于赶酸器中120 ℃赶酸约20 min，消解液转移到25 mL比色管中，消解管用少量超纯水清洗3次，合并清洗液，并用超纯水定容到刻度。同时，除不加样品外按上述步骤进行消解制备全流程空白。

表1 微波消解程序

1.3.3 ICP-MS仪器工作条件

采用1 μg/L调谐液，优化仪器工作条件，使仪器的质量轴、灵敏度、氧化物产率和双电荷产率满足实验要求，优化后仪器工作条件见表2。监测质量数分别为：89Y、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu、103Rh、185Re。

表2 ICP-MS仪器工作条件

1.4 数据处理

采用IBM SPSS 20软件对测试数据进行方差分析、聚类分析和判别分析。

2 结果与讨论

2.1 方法学验证

2.1.1 线性、检出限和定量限

直接分析标准溶液，以各稀土元素的每秒计数（CPS）与内标元素的每秒计数（CPS）的比值（y）对每个标准溶液对应的浓度 (x) 作回归曲线，得到各元素的标准曲线，线性方程、线性范围和相关系数（见表3）。由表3可知，15种稀土元素线性相关系数为0.999 7～1.000 0，均大于0.999，说明线性相关良好。

表3 15种稀土元素的线性、检出限和定量限

以连续分析11次标准空白溶液得到各稀土元素的 CPS，计算 11次 CPS的标准偏差 (SD)。以3 SD/S(S为灵敏度) 为仪器检出限，按取样量为0.5 g，定容体积为25 mL，计算方法的检出限。以10 SD/S为仪器定量限，按取样量为0.5 g，定容体积为25 mL，计算方法的定量限。方法的检出限和定量限结果见表3。

2.1.2 方法准确度和精密度

取某一西洋参样品5份，分别加入250 μg/kg的15种稀土混合标准溶液，按上述测定方法消解和测定加标样品中稀土元素含量，计算回收率和精密度，结果见表4，15种稀土元素的回收率为92.9%～105.9%，精密度RSD为3.5%～6.6%，回收率和精密度RSD结果良好。

表4 方法的回收率和精密度（n=5）

2.1.3 标准物质考察

按上述测定方法，测定了6份生物成分标准物质GBW10027（GSB-18 人参），验证稀土元素含量测定的准确性，结果见表5。15种稀土元素含量均在标准值内，再次验证测试方法的准确性。

表5 标准物质（GBW10027）证书值及检测结果(n=6)

2.2 不同产地西洋参稀土元素含量

采用建立的ICP-MS方法测定了山东、吉林、美国和加拿大4个产地合计38批次西洋参中稀土元素含量，其平均含量结果见表6，因收集到的美国和加拿大产西洋参样品量较少，将美国和加拿大产西洋参合并统计。在所有西洋参样品中，15种稀土元素均有检出，其分布规律与自然界中稀土元素丰度分布遵循偶数规则一样，含量变化呈现锯齿形曲线。山东产西洋参中的各稀土元素含量明显高于吉林和美国、加拿大产西洋参，同时，采用SPSS 20的单因素方差分析可知，山东产西洋参中15种稀土与其他产地存在显著性差异（P＜0.05），吉林与美国和加拿大产西洋参中 Y、Ce、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 元素也存在显著性差异（P＜0.05）。

表6 不同产地西洋参稀土元素的平均含量

2.3 不同产地稀土元素的聚类分析

采用SPSS20统计分析软件对西洋参样品中稀土元素进行了系统聚类分析，聚类方法为组之间的链接，测区间为平方Euclidean距离，数据无标准化，得到样品平均链接（组间）的谱系图（图1），样品在欧氏距离为10处被分为2类，第一类包括了全部18个山东产西洋参样品，第二类包括了吉林、美国和加拿大产西洋参样品。聚类分析能够将山东产西洋参与其他3个产地西洋参区别开来，但是吉林、美国和加拿大产西洋参无法分开，这可能是因为山东产西洋参中15种稀土元素含量均比其他三个产地的高。因此，仅仅通过西洋参中15种稀土元素的聚类分析，无法应用于不同产地西洋参的产地溯源。

图1 样品平均链接（组间）的谱系图

2.4 不同产地稀土元素的判别分析

为解决国产西洋参冒充进口西洋参的造假问题，采用SPSS20分析软件中的判别分析，探讨利用西洋参中稀土元素含量差异来区分国内西洋参与美国和加拿大的可行性。因收集到的美国和加拿大产西洋参样品量较少，将美国和加拿大产西洋参归为一类（即为国外西洋参）。在判别分析中，选择Fisher、未标准化为函数系数参数，先验概率选择根据组大小计算。经逐步判别分析，从15种稀土元素中筛选出的鉴别不同产地西洋参的有效指标为11个元素（Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu），建立了2个典型判别函数（函数1的方差贡献率为80.2%，函数2的方差贡献率为19.8%，函数中元素含量单位均为μg/kg）如下：

采用典型判别函数1和典型判别函数2的得分作散点图（图2），从图2可以直观地看出山东、吉林、国外（美国+加拿大）产西洋参按各自的产地明显分为3类，说明所选的稀土元素可用于西洋参的产地鉴别。此外，不同产地的西洋参样品又有其各自的分布特征，吉林产西洋参分布较集中，山东和国外产西洋参围绕各自组质心分布相对较分散。

图2 典型判别函数分散点

通过典型判别函数1和典型判别函数2得到各产地西洋参判别函数如下：

为了验证判别分析模型的准确性，采用判别分析对三个产地的西洋参进行产地识别的结果见表7。初始验证中38个西洋参样品全部被正确归类，总体正确率为100%；交叉验证中18个山东产西洋参有2个被归为吉林、1个归为国外，其他15个样品正确归类为山东，12个吉林样品被全部正确归类，8个国外样品有2个被归类为吉林，其他6个样品归为国外，交叉验证总体正确率为86.8%。综合初始验证和交叉验证的结果，该判别分析模型的准确度较好，可用于山东、吉林和国外（美国和加拿大）产西洋参的产地溯源。对于未知产地西洋参样品，按建立的方法测定15种稀土元素含量，将含量数据同模型样品一起导入SPSS20统计分析软件，按上述判别分析进行数据分析后即可得到未知样品的产地信息。

表7 判别分析初始验证和交叉验证结果1)-3)

3 结束语

建立了ICP-MS测定西洋参中15种稀土元素（La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y）的方法，并测定了山东、吉林、美国和加拿大4个产地38批次西洋参中15种稀土元素，采用方差分析、聚类分析和判别分析对数据统计分析。经逐步判别分析，筛选出 Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu 11个元素作为有效指标，建立了判别分析模型，能有效区分山东、吉林和国外（美国和加拿大）产西洋参，初始验证正确率为100%，交叉验证总体正确率为86.8%。建立的判别分析模型可以区分国产和进口西洋参，满足日常打击西洋参产地造假的需要。