临泽小枣元素指纹图谱结合化学计量学对元素富集规律的研究

于喆源

（甘肃省张掖市质量检验检测研究院，甘肃张掖 734000）

枣原产于中国，广泛分布于海拔1 700 m以下的山区、丘陵、平原等地。枣富含多种营养元素，具有较高的经济价值、食用价值和园林价值，是我国重要的果树资源[1]。有报道称，世界上近99%的枣都产自于中国，同时占据了全球100%的枣产品国际贸易市场，具有较大的市场发展潜力，近年来已成为我国果树发展的热点[2]。自古以来临泽小枣都享有盛名，因主产地在甘肃省张掖市临泽县而得名，据《临泽县志》记载距今已有1 400多年的种植栽培历史。2008年经过国家质量监督检验检疫总局的评定，原国家质检总局批准，将临泽小枣纳入到国家地理标志产品保护名录。

研究表明，枣中富含多种无机元素，可以和人体内的有机物形成配位键，承担着多种多样的功能[3]。对临泽小枣中所含无机元素的种类与含量进行测定，可以为进一步开发其品牌价值提供一定理论基础。同时，植物体内元素富集量与生长环境有着密切关系，通过对临泽小枣中多元素的测定，结合化学计量学模型建立，可以为临泽小枣产地溯源提供一定的方法依据，从而拓宽临泽小枣市场潜力。本研究采用电感耦合等离子质谱仪（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）对临泽小枣中所含无机元素含量进行测定[4]，以临泽小枣中含有的15种元素的稳定同位素含量为指标，建立无机元素指纹图谱，并采用化学计量学方法对指纹图谱信息进行化学模式识别，确定临泽小枣内所含无机元素的累积规律，研究数据可以为评价临泽小枣无机元素富集情况以及对临泽小枣产地溯源提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

浓硝酸（优级纯，成都市科隆化学品有限公司）；纯净水，元素标准溶液均来自国家有色金属及电子材料分析测试中心。

小枣样品（S1～S28)来自甘肃省张掖市临泽县各产区，小枣样品（S29～S31)来自甘肃酒泉市引种区域，小枣样品S32～S36)来自甘肃省张掖市甘州区沙井产区。经甘肃张掖市质量检验检测研究院药品检验中心鉴定为鼠李科植物枣（Ziziphus jujubaMill.）的干燥成熟果实，采集后阴凉处自然晾干，放入自封袋保存备用。

1.2 仪器与设备

电感耦合等离子质谱仪（ICP 2030），日本岛津公司；超纯水机（Q-GardA2），默克密理博；万分之一电子天平（GL224i-1SCN），赛多利斯；微波消解仪（Mars6），美国CEM公司。

1.3 实验方法

1.3.1 试样的制备

用天平称取0.4 g临泽小枣样品粉末，置于洁净干燥的聚四氟乙烯消解罐中；量取5 mL浓硝酸加入，轻轻振荡消解罐，使内部物质混合均匀；将消解罐放置在微波消解仪内，根据表1中设定好的时间与温度进行升温消解；消解完成后进行冷却，待溶液温度降至室温时加入少量纯水润洗；转移至25 mL容量瓶中定容，试样制备完成。采用同样的方法完成所有试样的制备。

表1 微波消解参数设定

1.3.2 标准溶液的制备

采用2% HNO3配制各种元素的标准工作液。其中Ag、Au、I、Mo、Ni、Ti和W元素浓度梯度为0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1、10.00μg·L-1、25.00μg·L-1和50.00 μg·L-1；Ba、Cu、Fe、Sr、Zn元素浓度梯度为0 μg·L-1、1 μg·L-1、5 μg·L-1、10 μg·L-1、20 μg·L-1、100 μg·L-1、200 μg·L-1、500 μg·L-1和1 000 μg·L-1；Pb元素浓度梯度为0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1、10.00 μg·L-1和25.00 μg·L-1；Al、Mn元素浓度梯度为0 μg·L-1、1 μg·L-1、5 μg·L-1、10 μg·L-1、20 μg·L-1、100 μg·L-1和200 μg·L-1；Cr、V元 素 浓 度 梯 度 为0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1和10.00 μg·L-1。

1.3.3 测试仪器的设定

通过控制软件调节功率为1 200 W；通过计算机控制辅助气、等离子气和载气流量，等离子气流量调节为8 L·min-1，辅助气流量调节为1.1 L·min-1，载气体积流量调节为0.7 L·min-1；采样深度控制在5 mm，碰撞池气体调节为6 mL·min-1；常规分析灵敏度设定为115In＞40 000 cps。方法选择：采用碰撞模式，池气体6 mL·min-1，池电压-21 V，能量过滤器7.0 V；采用内标法测定，内标溶液 Bi、Ge、Sc、Rh、Re以及In用于监测基质效应。每个试样测定3次，然后取其平均值。

1.3.4 标准曲线的绘制

根据试验要求确定标准液浓度，然后分别配制15种元素的标准液，并按要求完成标准液采集，求出各种标准溶液的光密度。纵轴（Y）为标准溶液的光密度，横轴（X）为标准溶液的浓度，根据测定数据绘制标准曲线。

2 结果与分析

2.1 标准曲线

15种元素的回归方程及相关系数如下。

Ag：Y=0.461 504 9X+0.307 744 4，相关系数r=0.999；Al：Y=4.660 200X-5.080 299，相关系数r=0.998；Au：Y=3.444 022X+0.046 973 9，相关系数r=0.996；Ba：Y=0.309 287 3X+1.034 200，相关系数r=1.000；Cr：Y=0.130 992 2X-0.702 560 6，相 关 系 数r=0.998；Cu：Y=0.075 635 1X+9.533 981，相关系数r=0.998；Fe：Y=0.107 377 4X-4.677 603，相关系数r=1.000；I：Y=5.283 440X-2.284 557，相 关 系 数r=0.999；Mn：Y=0.213 975 9X-6.926 103，相关系数r=0.999；Mo：Y=0.861 433 1X-0.787 043，相关系数r=0.999；Ni：Y=0.105 638 9X-2.390 297，相关系数r=0.995；Pb：Y=0.702 825 7X-0.851 315，相关系数r=0.989；Sr：Y=0.091 932 0X+5.086 224，相关系数r=0.999；Ti：Y=0.787 344 4X-2.186 937，相关系数r=0.966；Zn：Y=0.220 174 3X+16.684 43，相关系数r=0.972。

2.2 重复性验证

选取消化后的定容溶液做重复性试验，连续测试5次，然后考察目标待测元素的含量。结果显示标准偏差RSD均小于5%，满足指纹图谱的标准要求。

2.3 指纹图谱的建立及相似度分析

近年来指纹图谱法应用较为广泛，主要用于表征天然植物中多成分特征，能够直观地反映天然植物中多成分体系的整体状况，此外还可以通过质量评价对植物产地进行溯源。以元素种类为横坐标，相对含量为纵坐标绘制指纹图谱，如图1。根据计算机仿真方法，采用余弦夹角测度表征指纹图谱测度，余弦值随夹角大小变化，夹角越小，余弦值则越接近1，说明相似度越高。通过指纹图谱可以看出，试样虽采自不同种植地域，但无机元素富集特征基本保持明显的一致性，但经过相似度分析发现，各样品间还是具有较为明显的区别。

图1 临泽小枣元素指纹图谱

2.4 化学计量学分析—主成分分析

以36个临泽小枣试样中15种元素含量为因子变量，计算每个试样的特征根和贡献率，对主成分进行分析，特征根、贡献率、累积贡献率见表2。通过对15种元素的主成分因子进行统计，发现其中Ag、Al、Au、Ba和Cr等元素贡献率明显，可用于评价小枣整体元素水平，且对人体生物学价值明显。如Fe元素可以提高人体造血能力和免疫力，对神经系统也有较大影响；Cr元素参与人体糖脂代谢，可增强胰岛素功能；维生素B12是一种3价钴多环系化合物，在人体内发挥重要生理作用；Al、La含量过高则会对人体产生较大危害[5-6]。

表2 临泽小枣元素主成分特征根和贡献率

3 结论

通过指纹图谱虽然不能确定样品中各物质的化学成分，但对于检测质量的控制效果比较显著。从生态区域上说，甘肃张掖和甘肃酒泉为相同生态区域，通过对临泽小枣的理化成分进行分析，其成分含量均较为接近，难以区分是否为规定区域种植，对保护地理标志产品的市场地位和潜在价值不利。本试验通过对无机元素成分进行测定，对采自不同产区的临泽小枣试样建立了无机元素稳定同位素指纹图谱。结果表明各小枣试样元素成分基本相同，只是含量存在一定差距，尤其是非张掖市种植临泽小枣，其元素分布和张掖市种植存在明显差异。化学计量学分析结果显示，Ag、Al、Au、Ba、Cr在特征主成分中具有较大贡献值，可以作为产地溯源的重要参考因素。