电感耦合等离子体质谱法快速检测秦艽中重金属含量的方法研究

张慧斌，杜 娟，杨 立，宋胜梅

(1山西省检验检测中心药品检验技术研究所，太原 030031；2山西大学环境科学研究所；*通讯作者,E-mail:smsong@sxu.edu.cn)

秦艽目前是国家三级保护药材[1]，2020年版《中国药典》中亦收录了4种可以用做药物的正品秦艽[2]。近些年来，随着秦艽药用价值的开发，市场上商品秦艽来源复杂多样，质量良莠不齐。因此，很有必要开展秦艽的安全性评价。

2020年版《中国药典》中将铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铜(Cu)纳入重金属行列中，并将这些元素定性为有害元素。这种元素被统称为“五毒”[3]，对人体危害非常大[4]。目前有多种分析检测方法可用于重金属及有害元素的检测，包括比色法、紫外分光光度法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)等[5]。其中，电感耦合等离子体质谱法目前是痕量分析领域最先进的方法，它结合了质谱高灵敏度、可同时分析多种元素的优点与电感耦合等离子体较高离子化能力的特性[6]，检出限低，可实现元素快速、准确分析。王佳翰等[7]对比了电感耦合等离子体质谱法和石墨炉原子吸收光谱法在用于化探样品中的金含量测定时的差异，结果证明电感耦合等离子体质谱法测定化探样品中金含量的结果可靠性略优于石墨炉原子吸收光谱法。

本文利用电感耦合等离子体质谱法开展了秦艽中铅、镉、砷、汞、铜5种重金属含量检测方法的研究，并测定了3批野生品和3批栽培品中重金属含量。由于在2020年出版的《中国药典》(一部)“秦艽”[2]项下暂时没有5种重金属及有害元素的限量要求，所以本研究参考药典根茎类中药的相关指标来评价其安全性。

1 材料与方法

1.1 实验试剂、仪器和材料

实验试剂：65%硝酸为EMSURE®分析级，购自德国默克生命科学-默克化工技术(上海)有限公司；所用水为去离子水(电阻率≥18 MΩ·cm)。

主要实验仪器：电子天平(型号：AR224CN)购自美国奥豪斯国际贸易(上海)有限公司；微波消解仪(型号：Mars 6)购自美国CEM公司；赶酸仪(型号：EHD-24)购自北京东方科创公司；电感耦合等离子体质谱仪(型号：iCAP Qc)购自赛默飞世尔科技公司。

标准品：共有5种单元素标准溶液，分别为铅(批号：196020-5)、镉(批号：203006-2)、砷(批号：198007-7)、汞(批号：199021-2)、铜(批号：191039-3)，浓度均为1 000 μg/ml，来源均为国家有色金属及电子材料分析测试中心；铟(In)内标元素储备液(名称：Internal Standard Mix 1-SCP-IS7；批号：S190802006；浓度为10 μg/ml)购自加拿大SCP SCIENCE公司；铼(Re)内标元素储备液(名称：铼单元素标准溶液；批号：216007；浓度为1 000 μg/ml)购自国家有色金属及电子材料分析测试中心。

质控品：使用的与基体类似的芹菜生物成分分析标准物质GBW10048(GSB-26)来自于地球物理地球化学勘查研究所IGGE。

样品：3批野生品和3批栽培品信息见表1。

表1 3批野生品和3批栽培品信息表Table 1 Information of three batches of wild samples and three batches of cultivated samples

1.2 各种溶液的配制

1.2.1 Pb、Cd、As、Cu四种元素测定用供试品溶液制备 供试品四分法，粉碎，过三号筛。取0.3 g，精密称定，置于微波消解罐中，再通过瓶口分离器精密加入7 ml硝酸，放置过夜进行预消解，然后在微波消解仪上进行消解(0 ℃→120 ℃保持5 min，120 ℃→150 ℃保持15 min，150 ℃→180 ℃保持5 min，180 ℃→185 ℃保持20 min)，消解完全后，待消解液冷却至60 ℃以下，从微波消解仪中小心取出消解罐，放冷，而后缓慢打开罐盖排气，并用少量去离子水冲洗消解罐内盖，之后将微波消解罐放在赶酸仪内125 ℃赶酸至近干。赶酸结束，待消解罐放冷后，将罐内消化液转移至50 ml容量瓶中，并用少量去离子水洗涤消解罐2次，将洗涤液转移至容量瓶中并用去离子水定容至刻度，混匀备用。

任务结束后，由于他的表现突出，获得到航空部门、师农业科领导的认可。回单位五天后，他接到上级通知，担任六连连长一职。从此又开始了新的历史征程。

取质控样品0.3 g，精密称定，与供试品溶液同法制备即得质控样品溶液。

除不添加样品外，与供试品溶液同法制备即得空白对照溶液。

1.2.2 Hg元素测定用供试品溶液制备 供试品四分法，粉碎，过三号筛。取0.3 g，精密称定，置于微波消解罐中，再通过瓶口分离器精密加入7 ml硝酸，放置过夜进行预消解，然后在微波消解仪上进行消解(0 ℃→120 ℃保持5 min，120 ℃→150 ℃保持15 min，150 ℃→180 ℃保持5 min，180 ℃→185 ℃保持20 min)，消解完全后，待消解液冷却至60 ℃以下，同1.2.1的方法将消解罐放在赶酸仪内，于100 ℃加热30 min，放冷，用少量去离子水洗涤消解罐2次，然后转移洗涤液，通过去离子水将其定容到50 ml，定容完成之后将其摇匀便得到Hg元素供试品溶液。

取质控样品0.3 g，精密称定，与供试品溶液同法制备即得质控样品溶液。

除不添加样品外，与供试品溶液同法制备即得空白对照溶液。

1.2.3 配制内标和对照品溶液 精密吸取适量Pb、Cd、As、Cu 4种单元素标准溶液，配制成4种元素混合对照工作液，其中4种元素浓度均为500 ng/ml。

分别精密吸取上述4种元素混合对照工作液0.1，0.5，1，3，5 ml，用2%硝酸溶液稀释至50 ml，得到1，5，10，30，50 ng/ml的4种元素混合对照工作系列溶液。

精密吸取适量汞单元素标准溶液，配制成20 ng/ml的Hg元素对照工作液。再精密吸取5个体积的汞元素溶液，分别为0.25，1.25，2.5，3.75，5 ml，之后再用2%硝酸溶液将其稀释至50 ml，得到0.1，0.5，1，1.5，2 ng/ml的Hg元素对照工作系列溶液。

1.3 等离子体、质谱条件及测定方法

本研究利用电感耦合等离子体质谱仪来检测待测溶液中5种重金属元素的含量，电感耦合等离子体质谱仪启动时的相关数据见表2。

表2 电感耦合等离子体质谱仪工作参数Table 2 Parameters for ICP-MS

上机测定时，选取5种元素的同位素以及In和Re元素的内标同位素，分别是63Cu、75As、111Cd、202Hg、208Pb、115In、185Re。其中，选择115In当做63Cu、75As、111Cd、202Hg的内标，选择185Re当做208Pb的内标。在分析的过程中，进样管要一直放置在内标工作溶液中，按照浓度由低到高的顺序，把样品管依次放置到各个对照组中，开始测定浓度，并以测量值为纵坐标，浓度为横坐标，绘制标准曲线；然后将样品管依次插入空白对照溶液和供试品溶液中进行测定。

2 方法与结果

2.1 方法学考察

2.1.1 线性关系考察 按上述4种元素混合对照工作系列溶液、Hg元素对照工作系列溶液、内标工作溶液制备法制备相应对照品溶液和内标工作溶液，上机测定，考察其线性。以响应值为纵坐标(Y)，样品浓度为横坐标(ρ)，进行线性回归，5种元素回归方程分别为：Y=159 121.550 8ρ+31 395.012 6(Pb，n=5，r=0.999 4)，Y=7 510.837 7ρ+39.641 9(Cd，n=5，r=0.999 3)，Y=1 394.125 7ρ+2 043.298 6(As，n=5，r=0.999 4)，Y=21 865.059 5ρ+12 282.982 1(Cu，n=5，r=0.999 2)，Y=129 451.447 0ρ+169.958 5(Hg，n=5，r=0.995 7)。结果表明，5种元素的线性相关系数r远超0.99，具备较好的线性关系。

2.1.2 精密度试验 分别取50 ng/ml 4种元素混合对照工作溶液与2 ng/ml的Hg元素对照工作溶液，分别连续进样6次，上机测定。结果显示，5种元素同一份对照品溶液，连续进样6次，RSD小于10%(见表3)，表明本方法精密度良好。

表3 五种元素对照工作溶液精密度试验结果Table 3 The precision test results of five elements in the control working solution

2.1.3 加样回收率试验 采用加标回收的方式，选取同一供试品(栽培粗茎秦艽Z1)，在0.3 g秦艽样品中加入不同体积的对照品溶液，按照供试品溶液制备方法进行样品的消解及赶酸，制备低、中、高三水平的加标回收样品，计算得到相应的回收率，考察准确性。结果可知，实验低浓度水平平均回收率最小值为81.40%，最大值为104.67%；中浓度水平平均回收率最小值为86.60%，最大值为121.78%；高浓度水平平均回收率最小值为87.53%，最大值为124.40%(见表4)。低、中、高三水平(n=3)各自的相对标准偏差范围分别为：1.28%～8.77%，0.75%～6.55%，0.80%～10.31%。各个浓度的数据表明，实验回收率良好，准确性较高。5种元素中，Hg元素各个水平回收率相对较低，且高浓度水平回收率波动最大，可能是由于未使用金元素作为溶液中汞离子稳定剂，可能存在Hg析出的情况。

表4 三水平加标样品中5种元素回收率结果Table 4 Recovery test results of five elements in three-level spiked samples

(续表4)

2.1.4 重复性试验 按照上述供试品溶液制备及测定方法，对同一供试品(栽培粗茎秦艽Z1)6份样品进行平行实验，依法测定。结果显示，供试品中5种元素含量的RSD值均小于8%(见表5)，表明该方法重复性良好。

表5 五种元素重复性试验结果Table 5 The repeatability test results of five elements

2.1.5 检出限试验 连续11次进样空白对照组开展检出限试验，试验结果见表6。Pb,Cd,As,Cu,Hg 5种重金属的检出限分别为0.011 2，0.418×10-3，0.032 5，0.021 2，0.065 9×10-3mg/kg。参照2020年版《中国药典》(一部)甘草、葛根等根茎类药材的相关规定，5种重金属及有害元素的限量分别为：铅不得过5 mg/kg；镉不得过1 mg/kg；砷不得过2 mg/kg；汞不得过0.2 mg/kg；铜不得过20 mg/kg[2]。由此可知，该方法检出限达到灵敏度要求，可用于5种重金属及有害元素的检测。

表6 五种元素检出限试验结果Table 6 The detection limits test results of five elements

2.2 秦艽样品中重金属及有害元素污染物的测定

对3份野生品和3份栽培品及质控样品进行重金属及有害元素污染物检测，最终测定结果见表7。在2020年出版的《中国药典》(一部)“秦艽”[2]项下暂时没有5种重金属及有害元素的限量要求，参考药典“甘草”[2]、“葛根”[2]项下的相关指标，对试验样品进行初步评价：野生品和栽培品铅、镉、砷、汞、铜的含量均在限量以下，品质良好。

表7 秦艽样品和质控样品中5种元素含量测定结果Table 7 Contents of five elements in Gentianae macrophyllae Radix samples and quality control sample

本次实验选择了与秦艽样品基体类似的芹菜作为质控样品，并检测其中铅、镉、砷、汞、铜5种元素的含量，质控品5种元素含量的参考值为：Pb(2.7±0.7)mg/kg；Cd(0.092±0.006)mg/kg；As(0.39±0.08)mg/kg；Cu(8.2±0.4)mg/kg；Hg(14.6±2.4)μg/kg。由表7测定结果可知，质控品5种元素的检测结果均在参考值范围内，表明该方法实验过程科学，检测结果可靠。

3 讨论

首先，本研究利用微波消解法进行秦艽样品的消解，简单、便捷、安全性相对较高。微波消解法既降低了使用湿法消解等传统消解手段的时间成本，又避免了湿法消解等传统消解过程中开放式环境导致的试剂人为污染，还杜绝了排气过程造成的元素泄露和损失[8]。

其次，赶酸温度与时间也需要结合消解所用酸的沸点、待测元素挥发性质和后续测定来加以选择。赶酸主要是为了降低消解液中的酸浓度，使其酸浓度达到与标准溶液酸度接近，一方面在上机分析时达到一个较理想的环境，另一方面也是为了增加仪器的使用寿命。比如电感耦合等离子体质谱仪适宜的进样酸浓度最好不要超过10%，但也要尽可能减少待测元素的损失。本方法选用氧化性强、安全性相对较高的硝酸对根茎类秦艽样品进行消解处理，对于不易挥发的铅、镉、砷、铜元素，后续赶酸采用125 ℃赶至近干；对于易挥发的汞元素，选择100 ℃加热30 min的赶酸方式。

影响秦艽质量的因素有很多，主要包括基原、种植栽培方式与生长年限等主要因素和储藏运输、加工炮制等次要因素。本研究选取了来自甘肃、内蒙古的秦艽野生品和来自云南、内蒙古的秦艽栽培品，利用微波消解结合电感耦合等离子体质谱法检测秦艽饮片中的5种重金属元素含量，实验结果表明3批野生品和3批栽培品中5种重金属元素含量呈现的趋势为Cu>Pb>Hg，野生品中As>Cd，栽培品中Cd>As。由于品种不同、产地生长环境重金属污染情况不同以及生长年限不同，因而不同样品5种重金属元素含量差异较大。另外，本研究采集的样量少，覆盖面小，对于不同秦艽品种中5种重金属元素含量的变化趋势不同及含量差异较大的具体原因仍需进一步探究。

从以上实验数据分析结果中可以看出，本方法的专属性、线性、准确性、重复性、检出限试验结果都符合中国药典(2020年版)四部9101分析方法验证指导原则[9]的相关要求，表明微波消解法结合电感耦合等离子体质谱法简单、快捷，检测结果可靠，适用于秦艽中铅、镉、砷、汞、铜5种重金属及有害元素的检测，具有很高的实际应用价值，可以为秦艽资源的开发利用和安全评价提供科学依据。