基于粉末X射线衍射和电子自旋共振技术对全蝎的检测

项太平，张 进，路大勇，刘巧丽

(吉林化工学院 材料科学与工程研究中心，吉林 吉林 132022)

全蝎原名“蠍”，钳蝎科动物东亚钳蝎(Buthus martensii Karsch)，始载于宋代《开宝本草》，《本草纲目》列于虫部第40卷[1].春末至秋初捕捉，除去泥沙，置沸水或沸盐水中，煮至全身僵硬，捞出，置通风处，阴干.其味辛、性平、有毒，归肝经，具有熄风镇痉、通络止痛、攻毒散结之功效[1-2].临床多用于治疗惊风、抽搐痉挛、瘰疬等[3].迄今为止，已发现近2 000种[3]，分属16科210属.目前，国内已记录的全蝎共53种，分属5科12属，省份分布于山东、山西、河南等地[3-4]，其养殖技术成熟，野生资源丰富，储量巨大.

近年来，众多学者主要研究全蝎的化学成分和药理作用[5-6].研究发现，Cu、Mn、Ca等为人体必需的有益微量元素，也是临床防病、治病基础物质的重要组成元素[7]，然而，在全蝎质量安全控制方面缺乏有效方法[8].2006～2010年，吕扬等人尝试用粉末X射线衍射(powder X-ray diffraction，PXRD)法对动物类中药材全蝎的PXRD Fourier图谱进行了鉴定[9-10]，但未涉及全蝎质量安全控制和过渡金属元素检测.2015年版的《中国药典》一部中给出了全蝎的性状、显微鉴别、浸出物和黄曲霉毒，但该标准不足以全面反映全蝎质量[11].因此，为了系统评价全蝎质量特性，本文建立了一种对全蝎中明矾、盐类成分鉴定的新型检测方法.

PXRD和电子自旋共振(electron spin resonance，ESR)技术是一种在材料科学领域广泛应用、简单快捷、针对晶体的无损检测技术[12-14].本研究基于PXRD以及ESR技术联用建立的一种对全蝎中明矾、硫酸盐等无机盐以及Fe3+、Cu2+和Mn2+过渡金属离子进行无损检测的新方法，并采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP)对Mn2+的来源和含量进行验证.PXRD和ESR技术在动物类中药质量控制研究方面具有广阔的应用前景，为我国中药材微量元素的研究提供参考.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

10种全蝎在市面上随机采购，其信息详见表1；用于PXRD鉴定和量化评价所用的化学试剂信息详见表2.

表1 全蝎样品信息

表2 化学试剂信息

DX-2700型X射线衍射仪(丹东浩元仪器有限公司)；A300-10/12型X波段电子自旋共振波谱仪(德国Bruker公司)；AR-1140型电子分析天平(美国OHAUS公司)；HYT498LA型电子防潮柜(盐城欧莱克电子设备有限公司)；FW80型微型高速万能试样粉碎机(北京中兴伟业仪器有限公司)；TG16-WS型台式高速离心机(湖南湘仪实验室仪器开发有限公司)；MS-M-S10型10通道磁力搅拌器(上海励海实业有限公司)；DHG-9145A型电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司).

1.2 实验过程

从每种全蝎样品中随机取出3只样品，依次用粉碎机粉碎，过100目筛制成细粉；分别取2～3 g，并为每只设3个平行对比实验.从每种全蝎样品中随机再抽取3只全蝎，制成细粉，在磁力搅拌器中搅拌30 min，溶解盐分；将搅拌好的溶液转移到离心管中，放入台式离心机中实验3次，每次5 min；缓慢倒出管中液体，将余下的全蝎粉末置于电热鼓风干燥箱(65 ℃)中烘干24 h；取样进行测试.为防止样品受潮，上述所有细粉均保存于电子防潮柜，湿度1%，储存温度设定为18 ℃.

2 结果与讨论

2.1 全蝎粉末的PXRD谱图分析

2.1.1 全蝎的PXRD鉴定

目前市售全蝎的炮制方法主要有以下几种：冻杀干燥法、盐制法、流通蒸汽法、远红外辐射干燥法、酒制法和枯矾制法[1].由于加工工艺不同，所制取的全蝎粉末成分含量也不同.将制备好的全蝎粉末进行PXRD测试，为保证数据的非偶然性，对每种样品进行了平行实验测试.图1显示10种全蝎粉末样品的室温PXRD谱，该图显示，各品种全蝎样品的衍射峰位置和相对强度极其相似.每组平行实验抽取任一数据进行成分分析，发现：(1)每种全蝎的PXRD谱是其所含各种成分的衍射峰叠加后所形成的衍射图谱，这些高强度衍射峰来源于无机盐晶体(图2).同时，不同产地样品的衍射峰强度有明显差异，其中，S2、S8、S9、S10样品的无机盐衍射峰强度远大于其余样品，说明这几种样品中的无机盐含量比其余样品中的高；(2)全蝎粉末在20°附近具有较宽的弥散峰且强度较弱，这是因为全蝎中含有大量的非晶态蛋白质成分，蛋白质没有特定的晶面间距，其原子间距(C—C、C—O或C—H键)分布在一定的尺寸区间，依据布拉格方程2dsinθ=nλ，每一个晶粒内部的原子排列是短程有序的[14].说明在全蝎中含有结晶性良好的有机分子晶体或无机晶态物质.

2θ/°

以S10全蝎样品为代表，图2给出了其与NaCl、硫酸钠、明矾和石英的PXRD对比谱图.S10的PXRD谱图主要由4个系列衍射峰构成，见图2(a)：(1)高强度的NaCl和硫酸钠衍射峰，揭示炮制加工过程中加入了相当量的盐分且全蝎体内也存在部分无机盐，见图2(b)～(c)；(2)少量的明矾(KAl(SO4)2·12H2O)，见图2(d)；(3)石英(SiO2)衍射峰意味着少量沙存在于S10全蝎中，在S1～S9样品中也发现少量SiO2的存在，见图2(e).

2θ/°

2.1.2 全蝎中无机盐的PXRD检测及来源讨论

10种炮制全蝎的PXRD谱见图3.

2θ/°

全蝎在炮制加工时须经过多层环节，一些不良厂家正是利用其中的工序恶意掺杂，通过增重的方法试图牟取暴利.将10种溶解实验后烘干的全蝎研磨成粉末，进行PXRD测试，发现在20°附近显示出非晶态弥散峰，且强度很弱(图3).

PXRD谱见图4.

2θ/°

图4(a)给出了溶解实验后烘干的全蝎样品S10的PXRD谱，比对发现这些衍射峰来源于六方相SiO2(PDF 97-001-6333)和Na2SO4(PDF 97-000-2895).溶解实验后烘干的全蝎显示的晶态衍射峰，源于其体内的非水溶性物质，见图4(a).通过PXRD谱模拟，全蝎被鉴定为具有菱方结构的Mg0.1Ca0.9CO3(PDF 71-1663)成分，与生物体内常常具有正交结构的CaCO3文石不相同[13]，见图4(d).全蝎体内的非水溶性物质中含有六方相二氧化硅(SiO2)，即是沙形成的.结合图2对比分析可知，溶解实验后烘干的全蝎体内可能含有部分泥沙和无机盐Na2SO4.

这一现象表明：(1)全蝎被浸泡后大量的NaCl溶于水，因此NaCl晶体衍射峰几乎完全消失.说明全蝎自身不含NaCl或者含量极少难以被PXRD手段检测到；(2)Na2SO4来源于全蝎自身；(3)结合图3和图4可以认为全蝎体内有少量泥沙存在；(4)明矾为水溶性物质，经过溶解实验后大量的明矾被溶解，但存在少量明矾未被溶解，溶解前后实验对比(图2(a)与图4(a))证实明矾为炮制加工过程加入的.

上述PXRD实验比较分析再次证明全蝎中的大量盐分NaCl是炮制过程中带入的，而Na2SO4为全蝎自身含有的无机盐.

2.1.3 全蝎中氯化钠、明矾和SiO2含量的PXRD检测

表3给出了10种市售全蝎中盐分、明矾以及SiO2的含量.通过数据分析：(1)S2、S8、S9、S10样品中的NaCl含量(9.47～12.23 g/100 g)高于其余样品中NaCl含量(2.37～7.50 g/100 g)，S2、S8、S9、S10为盐制全蝎.全蝎药用含盐量应不超过20%，S1～S10均满足要求，但《中国药典》并未给出全蝎炮制时使用NaCl的用量[15].(2)S1～S10样品中明矾含量为3.73～11.27 g/100 g，其中S1和S6样品明矾含量较高(10.60～11.27 g/100 g).文献报道加入适量的明矾有助于凝固蛋白、燥湿收敛、防腐抑菌，保护全蝎毒性蛋白成分，并防止其变质，但如果后续工序未冲洗干净，容易导致铝残留在全蝎中，长期服用容易引起多种疾病[10].

表3 由PXRD法确定的全蝎中氯化钠、明矾和沙含量(×10-2)

一些不良加工厂家主要利用炮制加工过程中增重的方法，例如：外加矾煮、盐水泡、腹内加填空物等，更有甚者在加工前，将活蝎断食，几天后加鸡蛋、淀粉、水泥、铁粉等混合饲料喂饱，然后加工成全蝎，这样加工成的产品比常规加工的重量约重30%～50%[8].

2.2 全蝎粉末的ESR谱图分析

2.2.1 全蝎中过渡金属离子鉴定

全蝎体内含有14种微量元素，其中，Cu、Mn、Fe、Zn含量较高，Cu、Mn、Ca、Fe等是人体必需的有益微量元素.这些微量元素结合成有机成分或作为离子游离于生物体内，PXRD技术无法对其进行检测.利用电子自旋共振(ESR)技术鉴定全蝎体内的微量元素.

图5为10种全蝎的ESR谱.

H/G

该图显示10种全蝎样品在H=1 500 G和H=3 500 G磁场附近有明显信号，经计算，H=1 500 G磁场附近信号g=4.3，为Fe3+[16-17]，H=3 500 G磁场附近信号较为复杂需进一步分析.观察图5发现S2、S8、S9、S10样品在H=3 500 G磁场附近疑似存在Mn2+(3d5)的特征六线信号[13]，图6可以清晰看到这几个样品中确实存在Mn2+的特征六线信号，并且还存在其他离子信号，但由于信号较为复杂，无法辨别出其他离子信号的种类.

H/G

S1、S3、S4、S5、S6、S7样品未检测出Mn2+信号，结合图1的PXRD结果推断，由于S2、S8、S9、S10样品中的NaCl含量较高，Mn2+含量随之增大，因而进行ESR测试时检测到了较强的Mn2+信号，而其余样品中的NaCl含量较低，Mn2+含量较少信号太弱，在现有实验条件下无法被检测到.

2.2.2 全蝎中过渡金属离子来源分析

图7为10种炮制全蝎的ESR谱.

H/G

图8为炮制全蝎S2～S6的ESR谱.

将溶解实验后烘干的全蝎研磨成细粉进行ESR测试，发现所有样品的谱图形状一致，信号出现位置相近.图8给出了以S2、S3、S5、S6样品为代表的ESR谱，发现两个信号：(1)H=1 500 G磁场附近g=4.3弱的宽Fe3+信号[16]仍然存在，说明该信号起源于全蝎自身；(2)另一个g=2.17对称信号起源于Cu2+(3d9)的ESR响应[18].结合图1和图7可以看出S2、S8、S9、S10样品经过溶解实验后Mn2+的六线信号完全消失，而PXRD测试证实浸泡后NaCl被除去，这也证实了Mn2+的ESR信号与NaCl含量有关的猜测.

H/G

2.2.3 全蝎中过渡金属Mn2+检测验证

为验证Mn2+来源于食盐，将S2和S3泡制后的水溶液进行ICP测试，分析得出，S2和S3泡制后的水溶液中Mn离子浓度达到了ppb级，分别为55.60 ppb和26.27 ppb.图9给出两种不同规格食盐的ESR谱，观察发现R5、R6和R7在H=3 500 G磁场附近存在Mn2+(3d5)特征六线信号.由此可以得出结论：(1)食盐中存在Mn2+；(2)全蝎中的Mn2+来源于食盐，而非全蝎自身；(3)纯度为分析纯级别的NaCl虽然纯度较高，但其杂质中存在Mn2+.

H/G

3 结 论

PXRD技术对随机采购的10种市售全蝎进行质量控制初探，以氯化钠(R1)在2θ=31.72°、明矾(R2)在2θ=20.50°和石英(R4)在2θ=26.64°附近的PXRD主峰强度确定全蝎中这些物质的含量.PXRD实验证实：S2、S8、S9、S10样品为盐制全蝎，含盐量较高(9.47～12.23 g/100 g)；10种全蝎中含沙量为2.38～4.40 g/100 g；所有全蝎均添加明矾(3.73～11.27 g/100 g)，其中S1和S5样品明矾含量较高(10.6～11.27 g/100 g)；溶解实验进一步证实全蝎体内没有任何种类的有机分子晶体，仅存在非晶态的有机成分；全蝎被鉴定为具有菱方结构的Mg0.1Ca0.9CO3无机物；无机盐Na2SO4是全蝎自身含有的，而NaCl是炮制过程中带入的.此外，为探索全蝎体内微量元素与无机盐的关联，采用电子自旋共振(ESR)和电感耦合等离子发射光谱(ICP)技术进行探索，ESR和ICP技术证实：全蝎中的Mn2+来源于食盐，而非全蝎自身；溶解实验后烘干的全蝎存在Fe3+和Cu2+，即Fe3+和Cu2+是全蝎体自身含有的金属离子.

粉末X射线衍射(PXRD)能够对全蝎质量安全进行控制，电子自旋共振(ESR)技术可检测出全蝎中的微量元素和过渡金属元素.可见，PXRD和ESR技术的联合应用，可建立一种无损检测技术，该技术可完善对动物类中药材的研究.