ICP-MS法测定不同产地红参中9种无机元素

刘慧香,李启艳,刘春霖,高天阳,胡文岳,谢强胜

(山东省食品药品检验研究院,国家药品监督管理局化妆品原料质量控制重点实验室,山东 济南 250101)

红参为五加科植物人参(PanaxginsengC.A.Mey.)的栽培品经蒸制后的干燥根及根茎,秋季采挖、洗净、蒸制、干燥后所得[1]。根据产地的不同,红参主要分为中国红参、韩国红参和日本红参等,其中中国红参主产于中国东北地区。红参的质量受产地土壤、水分、光照、生长年限及采收后处理加工方法等影响。红参性温、味甘微苦,具有大补元气、复脉固脱、益气摄血功能,主治体虚欲脱、肢冷脉微、气不摄血、崩漏下血。红参作为一味药食同源的名贵药材,被开发到多个领域,如用来制备中成药或补益类保健食品。

红参富含皂苷类成分[2-4]、挥发油类成分[5]、蛋白质、多糖[6-7],此外也含有丰富的无机元素[8],如铁、锌、铜、钴、锰、镍等。从1995年红参作为单独品种载入《中国药典》,就开始有红参中无机元素的研究。吴锦忠等[9]对鲜人参和红参中19种无机元素(包括Fe、Mn、Cu、Pb、Cd等)进行比较分析,表明红参和人参各元素含量差异较大。郭金芝等[10]采用ICP-MS法对四年生和五年生红参中Mn、Cu、Zn、Ba、Co、Fe、Ni、Cd 8种微量元素进行测定,表明五年生红参各元素含量略高于四年生红参。关于红参元素报道以对人体有益元素为主,对其有害元素报道较少。中药中残留的重金属及有害元素问题,已是中药行业十分关注的问题之一。对于红参这样的药食同源补益类药材,若重金属及有害元素超标,将会产生重金属及有害元素的蓄积,进而危害人类健康。因此对红参中重金属及有害元素的控制是十分必要的。

本试验拟采用微波消解法-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术测定样品中Fe、Mn、Zn、Cu、Se、Pb、As、Hg和Cd 9种元素含量,考察不同产地红参各元素含量差异,为制订相关元素限量标准提供实验依据,为红参的安全应用提供参考。

1 仪器与试药

1.1 仪器 Perkin Elmer NexION2000电感耦合等离子体-质谱仪(美国Perkin Elmer公司);CEM MARS Xpress 微波消解仪(美国CEM公司);Mettler Toledo Ms电子天平(德国Mettler公司);Milli-Q IQ7000 超纯水仪(美国Millipore公司)。

1.2 试药 Zn、Cu、Pb、As、Hg、Cd标准溶液(1 000 mg·mL-1,中国计量科学研究院);Fe、Se标准溶液(1 000 mg·mL-1,国家有色金属及电子材料分析测试中心);Mn、Ge、In、Bi标准溶液(1 000 mg·mL-1,Inorganic Ventures);调谐液为Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U 的混合标准溶液 (1 mg·L-1,美国PE公司);硝酸(UP级,苏州晶瑞化学股份有限公司);过氧化氢(GR级,国药集团化学试剂有限公司);水为超纯水;工业高纯氩气(济南德洋特种气体有限公司)。

28批红参为相关课题收集的样品,均经山东中医药大学田景振教授鉴定为五加科植物人参(PanaxginsengC.A.Mey.)经蒸制后的干燥根,详细信息见表1。

表1 样品信息

2 方法与结果

2.1 溶液配制

2.1.1 多元素对照品溶液制备 精密量取Fe、Mn、Zn、Cu、Se、Pb、As、Cd单元素标准液适量,用5%硝酸溶液稀释制成每升对照液含Mn、Zn、Cu元素量均为10、50、100、300、500 mg,含Se、Pb、As、Cd元素量均为1.0、5.0、10、30、50 mg,含Fe元素100、500、1 000、3 000、5 000 mg。

2.1.2 Hg元素对照品溶液制备 精密量取Hg元素标准液适量,用5%硝酸溶液稀释制成每升对照液含Hg元素0.10、0.50、1.0、1.5、2.0 mg。

2.1.3 内标溶液制备 精密量取Ge、In、Bi标准溶液适量,用5%硝酸溶液配制制成每升含Ge、In、Bi 100 mg的混合内标溶液,其中208Pb、202Hg以209Bi作为内标,111Cd以115In作为内标,56Fe、55Mn、66Zn、63Cu、82Se、75As以74Ge作为内标。

2.1.4 供试品溶液制备 取供试品于60 ℃干燥2 h,粉碎成粗粉,精密称定适量,至微波消解仪专用的聚四氟乙烯消解管中,加硝酸7.0 mL静置浸泡过夜,加30%的过氧化氢2.0 mL,振摇使样品充分浸没。在温度可调的电加热器中100 ℃加热30 min,放冷,移入微波消解仪,按照微波消解仪标准操作步骤进行消解(消解条件见表2)。冷却后取出,缓慢打开罐盖排气,用少量水冲洗内盖,将消解罐放在控温电热板上,于100 ℃加热10 min,以驱除多余氮氧化物,用水转移并定容至25 mL塑料容量瓶中,摇匀待测,根据实际测定浓度进行相应稀释,同时做空白试验。

表2 微波消解程序

2.2 仪器测定条件 ICP-MS工作参数 RF功率 1150 W;冷却气流量 15 L·min-1;辅助气流量 1.0 L·min-1;雾化气流量 0.85 L·min-1;十字交叉雾化器;采样锥孔径1.0 mm;截取锥孔径 0.8 mm;扫描方式 单点跳峰;重复次数 3;样品提升速度 0.5 mL·min-1;进样冲洗时间 20 s;驻留时间 50 ms。

2.3 线性及范围 按“2.2”项下对标准系列溶液进行测定,以各元素的浓度为横坐标,待测元素与所选内标元素响应信号值的比值为纵坐标,绘制标准曲线,线性结果见表3。结果表明,Fe在0～5 000 mg·L-1、Mn、Zn、Cu在0～500 mg·L-1、Se、Pb、As、Cd在0～50 mg·L-1、Hg在0～2.0 mg·L-1范围内线性关系均良好。

表3 各元素线性关系和检出限

2.4 检出限 重复测定空白样品溶液10次,根据IUPAC规则以3倍标准偏差所对应的质量浓度作为各元素的方法检出限。由试验结果可知检出限范围为0.003～0.36 mg·kg-1,能满足待测无机元素分析需求,结果见表3。

2.5 精密度试验 分别取9种元素的混合标准溶液连续测定6次,计算其RSD值,9种元素的RSD在0.9%～6.1%之间,表明该方法精密度良好。

2.6 回收率试验 选取空白样品分别配制低、中、高3个浓度水平的基质加标样品,平行配制3份,Fe的加入量分别为7.5、50、100 mg;Mn、Zn、Cu 3个水平加入量均为0.75、5.0、10.0 mg;Se、Pb、As、Cd 3个水平加入量均为0.075、0.50、1.00 mg;Hg的加入量分别为3.00、20.0、40.0 ng。照“2.1.4”项下对基质加标样品进行处理,并进行测定,标准曲线法进行定量,计算各元素的回收率,结果见表4,各待测元素回收率范围均在80%～120%,表明该方法对9种元素均有较好的回收率,符合分析要求。

表4 各元素的回收率结果

2.7 样品测定 在方法学考察基础上,对样品进行测定,结果见表5,由表可知,源自韩国、日本和中国东北地区的红参均富含微量元素Fe、Mn和Zn,且含量高低趋势一致,即Fe>Mn>Zn,这与文献报道“补气药中Fe、Mn、Zn含量较高”[11]保持一致。高丽红参Fe、Mn、Zn的平均含量分别为106.30、71.27、13.01 mg·kg-1,日本红参Fe、Mn、Zn的平均含量分别为147.07、47.10、17.54 mg·kg-1,中国不同产地红参Fe、Mn、Zn的平均含量范围分别为109.53～139.22、39.00～87.82、14.62～22.62 mg·kg-1。通过比较不同产地各元素含量差异可知,高丽红参Mn含量较高,高于日本红参和大部分中国红参,而Fe和Zn的含量最低;日本红参Fe含量最高,Mn和Zn含量较低;中国不同产地红参各元素含量存在一定差异,其中吉林通化红参Mn和Zn含量在所有样本中含量最高,Fe含量在中国红参中含量最高。我国不同产地红参Fe和Zn的平均含量变化范围较小,其最高值与最低值的比值分别为1.27和1.55,不同产地Mn平均含量变化范围稍大,其最高值与最低值的比值为2.25。各产地红参中有益微量元素Se含量很低,且含量变化较小,其平均含量范围为0.040～0.044 mg·kg-1。

表5 不同产地红参各元素含量

不同产地红参中有害元素Pb、As、Hg、Cd和Cu的含量也存在一定差异。高丽红参Pb和Cd含量较高,其平均含量分别为0.357和0.152 mg·kg-1,日本和中国红参Pb和Cd含量相对较低。所有红参样本中As和Hg含量较低,其最大值均不超过0.035和0.049 mg·kg-1。不同产地红参中Cu含量差异较小,其平均含量范围为6.92～10.22 mg·kg-1,且最大值不超过11.28 mg·kg-1。Cu在有害元素中占比较高,这可能与药材自身富集Cu元素[12]、生长地土壤类型等有关。

2.8 聚类分析 采用SPSS 22.0统计软件组间平均连接法进行分层聚类分析,测度选用欧氏距离平方,结果见图1,在平方欧式距离15处可将28批红参聚为两大类,HSGL01、HSGL02、HSRB03、HSJL14、HSJL15、HSJL22聚为一类,其余22批样品聚为一类。表明两类红参中9种无机元素的含有量特征存在明显的差异。每一类样品中取各元素含量平均值,以元素名称为横坐标,以各元素含量的平均值为纵坐标,绘制元素含量分布曲线(见图2)。可知两类样品的元素含量分布曲线存在差异,如Mn、Pb、Hg、Cd处走势具一定差异。其中第一类样品Mn、Pb、Hg、Cd含量较高,为部分产自中国、日本和韩国的红参。

图1 28批样品聚类树状图

图2 两类红参中9种无机元素含量分布曲线

3 结论

本研究建立了同时测定红参中9种无机元素的ICP-MS法。通过对28批不同产地红参中9种元素含量测定发现,红参含有丰富的对人体有益的元素Fe、Mn和Zn,且含量变化趋势大体一致,即Fe>Mn>Zn,Se元素含量较低,有害元素Pb、As、Hg、Cd和Cu含量均符合《中国药典》限量要求,表明红参有害元素污染程度低,安全性较好,这可能与人参的规范化种植及炮制中受器具污染较小有关。通过对28批样品进行聚类分析发现,不同产地红参Fe、Zn、Cu、Se和As元素含量差异性均较小,Mn、Pb、Hg和Cd元素含量差异性较大。这可能与产地纬度、土壤类型及其加工工艺有关。

本文建立的方法具有操作简单、多元素同时测定、准确性高、灵敏度好的优点,为完善红参的质量标准及产地溯源等提供一定的数据支撑,也为其他药材的无机元素测定提供了参考。

4 讨论

本研究表明,不同产地红参中均含有丰富的微量元素Fe、Mn和Zn。Fe作为血红蛋白的重要构成,用以维持正常的供血功能,还利用其催化特性参与肝脏解毒、维持淋巴细胞数量等过程,从而发挥免疫调节功能。Mn可维持正常的糖代谢和脂肪代谢,还可抑制自由基的产生,从而发挥抗氧化功能。Zn促进人体生长发育,有助于提高免疫力。红参具有补元气、补脾肺、生津安神的作用,其药性更温,具有火大、劲足、功效强的特点。从保健角度讲,红参则是气血不足且偏阳虚者的补益佳品,久服可增强免疫力、调整内分泌系统。可推测红参补气、增强免疫力等功效与上述微量元素相关,其量效关系及作用机理有待进一步研究。

《中国药典》2020年版(四部)“9302中药有害残留物限量制定指导原则”项下规定:植物类药材及饮片铅≤5 mg·kg-1,镉≤1 mg·kg-1,砷≤2 mg·kg-1,汞≤0.2 mg·kg-1,铜≤20 mg·kg-1。《地理标志产品 吉林长白山人参》(GB/T 19506-2009)[13]对红参有害元素限量做如下规定:Pb≤0.50 mg·kg-1,As≤2.00 mg·kg-1,Hg≤0.10 mg·kg-1,Cd≤0.50 mg·kg-1,Cu≤20.0 mg·kg-1。《韩国药典》(KP X)“红参”项下规定:Pb≤5 mg·kg-1,As≤3 mg·kg-1,Hg≤0.2 mg·kg-1,Cd≤0.3 mg·kg-1。《日本药典》(JP XVII)“红参”项下规定:Pb≤15 mg·kg-1,As≤2 mg·kg-1。各国之间红参重金属标准存在一定差别,且侧重点有所不同。参照上述标准,发现2号高丽红参Pb含量超出GB/T 19506-2009的规定限值,含有量为标准规定值的1.2倍,但符合《韩国药典》的相关规定,其余27批样品Pb、As、Hg、Cd和Cu含量均符合上述标准规定。表明红参重金属及有害元素污染程度低,安全性相对较好,这可能与人参的规范化种植及炮制中受器具污染较小有关。

本研究仅测定了红参中的9种元素,未能对其他无机元素进行含量考察,在进一步的研究中应增加无机元素的测定种类,从而更全面地评价红参的无机元素分布。