基于ICP 实验技术构建皖西北道地中药材金属元素指纹图谱及应用

徐华杰，刘壮壮，牛肖肖，严仲一，王彦阳，郝扶影，刘昭第

（阜阳师范大学 化学与材料工程学院，安徽阜阳 236037）

1.引言

中药是世界传统医学的重要组成部分，更是中华民族的瑰宝，但中药成分复杂，如何建立品质和疗效评价方法将具有重要的研究意义[1-3]。但中药材中金属元素种类极为丰富，不仅含有铜、铁、锌、镁、钙、钾、钠等多种人体所必须的金属元素，同时中草药中重金属含量超标将威胁身体健康，因此金属元素的含量将是影响中药材品质的重要因素[4-6]。而中药金属指纹图谱可以较为全面地反映中药及其制剂中金属元素的种类与数量，实现对药品质量进行整体描述和评价，也可以进一步开展谱效研究，将元素分布、中药质量与药效结合起来，有助于阐明中药作用机理[7-9]。因此，借助现代分析测试技术，构建中药材金属元素指纹图谱，将为中药现代化发展提供重要的基础数据[10,11]。

由于中药材中大多金属元素含量较低，对分析检测的灵敏度和精确度的要求很高，常规的分析方法根本满足不了检测的需要[12-15]。电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）和质谱法（ICP-MS）是以电感耦合等离子炬为激发光源的一类新型分析技术，是近年来发展起来的一种强有力的微量、痕量元素检测工具，具有操作简单、分析速度快、检出限低、动态范围宽、多元素同时检测等多种优势[16-20]。借用该检测技术进行主成分分析，建立判别模型，可以实现品质及品种鉴定、营养评价以及产地溯源等研究工作[21-22]。

本方法所构建的皖西北道地药材金属元素指纹图谱，通过结合微波消解前处理手段，基于电感耦合等离子发射光谱（ICP-AES）和质谱法（ICPMS）测试技术，首先研究建立皖西北道地药材桔梗、白术、白芷、灵芝、白芍、薄荷、白芝、丹皮、穿心莲、急性子、决明子、宣木瓜、茯苓、蒲公英、丹参等中药材中金属元素的检测新方法，本研究测试过程中，ICP-AES 用于检测含量相对较高的金属元素，而ICP-MS 用于检测微量金属元素。随后，依据检测结果优化数据与图形转化规则，构建金属元素指纹图谱，并开发了金属元素指纹图谱库。该数据库的建立将为皖西北道地中药材溯源、质量监控及新药研发提供重要的数据支撑。

2 皖西北道地药材金属元素指纹图谱数据获取

2.1 指纹图谱数据获取所需材料及仪器

中药材桔梗、白术、白芷、灵芝、白芍、薄荷、白芝、丹皮、穿心莲、急性子、决明子、宣木瓜、茯苓、蒲公英、丹参均购于亳州中药材市场，双氧水、浓硝酸（优级纯）均购于国药集团化学试剂有限公司，实验超纯水（实验室自制）。标准金属离子及内标元素储备液购于国家有色金属及电子材料分析测试中心，黄芪标准物质购于地球物理地球化学勘察研究所。实验过程中使用的所有玻璃容器使用前需用25%HNO3溶液浸泡12 h 以上，然后用超纯水清洗干净并烘干后再使用。

Optima 8000 型电感耦合等离子体原子发射光谱仪（美国Perkin Elmer 公司），Agilent 7800 型电感耦合等离子体质谱仪（美国Agilent 公司），海能TANK 微波消解仪（济南海能仪器股份有限公司），粉碎机（江苏杰瑞尔电器有限公司），FA1004电子天平（上海越平科学仪器有限公司），DZKK50B 真空干燥箱（合肥华德利科学器材有限公司）。

2.2 中药材前处理程序

将中药材置于干燥箱中80℃干燥2 h，用高速粉碎机粉碎，过80 目筛后装入食品级密封袋。准确称量0.5 g（精确至0.0001 g）各中药材5 份，放入消解罐中，加入5 mL 浓硝酸和2 mL 双氧水（均为优化后），按照表1 设置好消解程序进行消解，消解结束后将消解罐敞口放入恒温加热仪中，在146 ℃条件下打开罐盖放置在通风橱中除去多余的酸，45 min 后冷却至常温，转移并定容于50 mL 容量瓶中，贴好标签，并做好空白实验。

表1 微波消解程序

2.3 溶液配制方法

将所购得的标准储备液用10 %的硝酸逐级稀释，Be、Ba、Al、Co、As、Cd、Bi 等混合标准液按照0.01、0.1、0.5、1、5、10 μg/mL 梯度进行配制，Hf、Ir、Pd、B、Pt、Ge、Re、Au、Nb、Mo 等混合标准液按0.001、0.01、0.05、0.1、0.5、1 μg/mL 梯度进行配制，Pr、La、Eu、Ce、Sm、Nd 等混合标准液按0.0001、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 μg/mL 梯度进行配制。内标溶液:由Ge 单元素标准溶液(1 000 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心；Rh、In、Re 单元素标准溶液(1 000 μg/mL，国家钢铁材料测试中心)混合稀释而成。测定时选取73Ge为52Cr、55Mn、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、75As 的内标，115In为114Cd 的内标，209Bi 为208Pb、202Hg 的内标。常量金属和微量金属分别用ICP-AES 和ICP-MS 检测。

2.4 仪器工作参数

ICP-AES 和ICP-MS 的工作参数如表2 和表3 所示。

表2 ICP-AES 工作参数

表3 ICP-MS 工作参数

3.皖西北道地药材金属元素指纹图谱的构建

3.1 指纹图谱的构建原则

物质的组成都是以元素为基础的，对中药材来说，其药效及道地性也能从元素特征反映出来。因此，金属元素指纹图谱可以较为全面地反映中药材元素的种类与含量，可以实现对药品质量进行整体描述和评价。本研究中依据ICP-AES和ICP-MS 对皖西北中药材金属元素测试结果，建立中药材的元素指纹图谱，为进一步实现了中药成分的准确比对、检索和验证提供了数据支撑。金属元素指纹图谱的建立，是通过数据转换为图形的方式将元素数据转换为元素指纹图谱，具体操作原则为：1）将元素按原子序数大小排序；2）将元素含量大于100 mg/kg 的元素缩小100倍，元素含量为10～100 mg/kg 的元素缩小10倍；3）使用Excel 软件绘制出表示元素种类跟其含量大小的关系曲线，曲线采用平滑线连接；3)含量太低的元素，采用局部放大图表示。如图1 和图2 是以白术、白芍为例绘制的金属元素指纹图谱。

图1 中药材白术的金属元素指纹图谱

图2 中药材白芍的金属元素指纹图谱

3.2 指纹图谱的功能

所开发的皖西北中药材金属元素指纹图谱数据库系统主要包括中药材金属元素含量检索查询及图谱数据库两部分。表4 展示了指纹图谱数据库的系统结构，在使用过程中可以灵活的进行删除、添加和更新图谱数据，在指纹图谱数据库中检索或查找中药材名称，并且本方法对复杂的算法进行了简化，该金属元素指纹图谱数据库系统可以实现功能概括如下：检索中药材金属元素含量；输入某一种或多种金属元素含量即可检索匹配中药材种类；结合金属含量，对未知成分药材进行匹配；检索获得对应的中药材金属元素指纹图谱等功能，其中图3 为该数据库的金属元素含量检索查询功能。

图3 中药材金属元素指纹图谱数据库的检索界面

表4 金属元素指纹图谱数据库检索系统结构

4 皖西北道地药材金属元素指纹图谱的应用评价

4.1 仪器对各金属元素测试结果评价

获得准确的实验样品测试结果是谱图构建的基础，本方法用优化后的微波消解条件进行消解，获得的消解液用ICP-AES 和ICP-MS 连续对空白标准溶液测定10 次，对各种元素进行测定，对同一样品进行10 次平行测定，将各元素测定值的3倍标准偏差作为检出限，结果表明ICP-AES 和ICP-MS 测定的各元素的检出限均能满足检测要求。同时，也对国家标准物质黄芪中金属元素的含量进行了分析测定。将标准物质黄芪6 份以同样的方法进行消解，测得元素的含量值与参考值的差别均在合理范围内，相对标准偏差(RSD)都在10%以下，说明所使用的仪器精密度符合要求。两种仪器准确度也采用已知浓度的实际样品和加标回收进行判断，如以薄荷为例（表5），测定结果表明，加标回收率在97.02%～110.93%之间，表明该方法可以准确对金属元素进行测定。

表5 薄荷中63 种金属元素方法回收率

表5 薄荷中63 种金属元素方法回收率（续）

4.2 一测多评模式融入指纹图谱

指纹图谱技术能够全面展现中药材成分的特点，但在实际使用过程中，存在难以阐明中药主要成分的相互关系，限制其对指纹图谱数据的进一步定量分析。基于中药材内在金属元素成分的复杂性，本技术采用一测多评模式，从多指标、多角度进行图谱评价更符合中药多组分、多功效的特征（图4）。通过测定中药材金属元素成分的含量，依据相对校正因子进一步验证、评价待测成分含量，并控制校正值与实测值符合定量方法学要求，获得多指标结合评价控制体系，从而解决成分复杂的中药材测试难题。因此，对皖西北中药材金属元素指纹图谱结合一测多评模式，能确保指纹图谱的真实性、准确性和广泛性。

图4 构建一测多评模式指纹图谱的研究思路

5 结论

本方法结合微波消解前处理手段，采用ICPAES 和ICP-MS 分析技术，分别对15 种皖西北道地药材中60 多种金属元素进行检测，依据检测结果可知，药材种类不同，各金属元素分布差异显著，结合数据转换为图形的方法，融入一测多评模式，开发出了皖西北道地中药材金属元素指纹图谱库，该数据库将为中药产品的真伪、产地及质量评价提供重要的数据支撑，也将有效推动和促进皖西北中药农业的产业化发挥积极的作用。