ICP-MS法测定不同产地五味子中17种微量元素

王 奇 ,陈丽娜,赵博雅,董晓雅,时东方,刘春明

(长春师范大学中心实验室,吉林 长春 130032)

五味子,俗称山花椒、药五味等,始载于《神农百草经》,列为上品[1]。根据产地不同,将主产于东北地区的木兰科多年生木质藤本植物五味子习称为“北五味子”,将产于西南地区及长江流域以南各省的华中五味子称为“南五味子”[2]。据李时珍《本草纲目》所记载“五味子今分南北,南产者色红,北产者色黑,入药必用北产者乃良”[3],故研究对象为北五味子,其具有益气补肾、敛阴滋阴、生津敛汗、宁心安神等功效,临床常用于治疗风寒犯肺、肝肾亏虚、气血不足等病症[4]。

微量元素在人体内含量低于0.01%,但在维持生命和正常生理机能方面有着极为重要的作用[5]。五味子作为传统中药材,其药理作用与微量元素的含量关系密切,而土壤中元素含量对五味子中元素含量影响较为明显[6]。目前有关五味子的研究多集中在用药规律[7]、栽培技术[8],或关于五味子甲素[9]、五味子乙素[10]、五味子醇甲[11]等木脂素类成分以及五味子多糖[12]等化学成分的相关研究,针对微量元素的分析较少,且大多仅测定了元素的含量[13-15],甚少从化学计量学角度进行分析。查阅文献不难发现,不同产地的同种药材,元素含量存在一定的差异[16-17]。中药材的这种差异是由海拔、温度、日照、土壤成分、雨水等环境因素和药材自身吸收转移环境因素的共同作用[18]。为更加全面评价五味子品质,本研究对吉林省10个产地的五味子样品中17种微量元素含量进行分析,并采用主成分分析、聚类分析等方法分析不同产地五味子中微量元素含量的差异,探讨不同产地五味子中微量元素分布特点及规律,为五味子的道地性研究提供数据依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

优级纯浓硝酸购买于安谱实验科技股份有限公司(上海);Be、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Sr、Cd、Ba混合标准溶液(100 μg/mL)、Mo、Se单元素标准溶液(100 μg/mL)、Sc、Rh、Cs混合标准内标溶液(10 μg/mL)购买于北方伟业计量技术研究院(北京);Zr元素标准溶液(1 000 μg/mL)购买于国家有色金属及电子材料分析测试中心(北京)。

Multiwave PRO微波消解仪(德国Anton Paar公司);ICAP TQ电感耦合等离子体质谱仪(美国Thermo Fisher Scientific公司);Milli-Q Integral 3实验室纯水制备系统(美国Millipor公司);MSE224S-CE电子天平(0.1 mg)(德国Sartorius公司)。

1.2 样品采集及处理

五味子干燥成熟果实购买自吉林省长白县、敦化市、松江河镇、泉阳镇、万良镇、露水河镇、二道白河镇、松树镇、通化市、汪清县,共计97批样品。

样品经烘箱60℃烘干后,粉碎,过3号筛,混匀后标号装入自封袋于4℃冰箱保存。

1.3 元素含量测定方法

取适量五味子果实,60℃烘干至恒重,粉碎机粉碎,装入密封袋中,低温避光保存。

精准称量0.10 g样品粉末于消解罐中,加入2.0 mL优级纯浓硝酸后置于微波消解仪内消解。待消解结束后转移至50 mL容量瓶中,超纯水定容,过滤待测。ICP-MS以等离子体RF功率1 550 W,载气流速0.8 L/min,雾化器流速1.5 L/min,辅助气流1.5 L/min,冷却气流20 L/min,分析时间0.6 s,测量次数3次等条件进行测定。

1.4 数据统计与分析

本实验利用Excel 2010进行数据统计分析,采用SPSS 25.0软件对数据进行主成分分析和聚类分析。采用Bigemap GIS Office、ArcMap 10.8软件绘制样品采样点示意图。

2 结果与讨论

2.1 微量元素含量分析

五味子中元素含量如表1所示,根据2020版《中华人民共和国药典》(四部)的规定:药材及饮片中铅含量不得过5 mg/kg,镉不得过1 mg/kg,砷不得过2 mg/kg,铜不得过20 mg/kg。结果表明,部分五味子中Cd和Pb元素有较少检出,松树、通化、万良和泉阳产地无Cd元素检出,松江河和泉阳产地无Pb元素检出;As和Cu元素各产地均有检出。将重金属元素含量与限量标准作比较发现,五味子中重金属元素含量均低于限量标准,无超标现象。

不同产地五味子中各微量元素的含量存在一定的差异。五味子中Mn元素含量较高,不同产地平均含量为58.59 mg/kg。其中长白产区的含量较为接近,平均含量为58.75 mg/kg;产自通化市五味子样品中含量最高,为220.57 mg/kg,其次是Cu、Ni、Ba、Cr、Sr,这6种元素含量均大于1 mg/kg,Be、Ga、Zr、Mo、Cd的含量较低,几乎未检出。

表1 不同五味子中元素含量测定结果(n = 3)

2.2 指纹图谱的建立

根据五味子中微量元素含量的测定结果,取不同产地五味子中微量元素量的均值,按照元素原子序数的顺序绘制元素指纹图谱(图1)。由图1可见,不同产地样品中各元素含量不完全相同,Mn、Ni元素的含量差异较大,白河产地Mn元素含量均值最高。从整体上看,五味子样品中元素含量呈现一定的规律性分布,可见不同产地五味子药材微量元素指纹图谱具有较强的特征性与一致性,可作为鉴定五味子药材的参考依据。

图1 微量元素指纹图谱

2.3 五味子中微量元素相关性分析

五味子中元素相关性分析结果见表2,Li与Cu、Ga,Be与Mn,V与Mo、Cd、Ba,Cr与Ga,Ga与Se、Cd,Sr与Ba呈显著正相关(P<0.05),Li与Be、V、Cr、Mn、Ni,Be与V、Cr、Ni、Ga、Mo、Cd,V与Cr、Mn、Ni、Ga,Cr与Ni,Mn与Ni、Ga、Ba,Co与As,Ni与Mo、Cd,Cu与Se、Sr,Ga与Mo,Se与Sr,Sr与Zr,Mo与Cd,Cd与Pb呈极显著正相关(P<0.01)。表明这些元素具有较好的协同作用,在五味子中可以相互促进富集吸收。Se与Li、Ni呈显著负相关(P<0.05),表明五味子中Se与Li、Ni之间具有一定的拮抗、抑制吸收的作用。

表2 五味子中元素含量相关性分析

2.4 主成分分析

采用SPSS 25.0软件对10个产地五味子中元素含量进行主成分分析,分析不同产地五味子中微量元素含量的差异。由表3和图2可知,前5个主成分的特征值均大于1,且累积方差贡献率达到89.33%,能够反映大部分信息,故选择前5个成分进行主成分分析。

表3 各主成分特征值、贡献率及累积贡献率

图2 主成分分析碎石图

由表4可知,V、Be、Ni、Mo、Ga、Cd、Cr、Se、Sr和Li在第一主成分上有较高载荷,说明第一主成分主要反映了这些元素的信息;Co、Se、Sr、Li和Ba在第二主成分上有较高载荷;Co、Ba、Zr、Pb和As在第三主成分上有较高载荷;Co、As、Cu和Mn在第四主成分上有较高载荷;Cr、Cu和Mn在第五主成分上有较高载荷。故提取这5个主成分可以基本反映本实验测量的所有微量元素的信息,因此决定用这5个新变量来代替原来的17个变量。将得到的特征向量标准化后可得出如下5个主成分表达式见表5。

表4 主成分载荷矩阵

表5 主成分表达式

根据主成分表达式、主成分特征值计算综合得分,并按得分大小对不同产地进行排序,如表6所示,综合得分由高到低排名顺序为松江河、敦化、长白、汪清、通化、泉阳、松树、万良、露水河、白河。说明松江河产地的五味子品质较优。

表6 主成分得分、综合得分和排序

2.5 聚类分析

采用SPSS 25.0软件,通过系统聚类的方法对10个不同产地的五味子中微量元素的含量进行聚类分析(使用瓦尔德联接的谱系图重新标度的距离聚类组合),结果见图3。97批样品主要被分为六大类,结合主成分分析结果,综合排序排名靠前的松江河、敦化聚为第五大类;排名中等的长白、汪清、泉阳聚为第一类;排名靠后的通化、松树、万良、露水河、白河聚为第二类;白河1、泉阳5、万良7聚为第三类;通化7单独聚为第四类;第六类包括样品的产地较为杂乱,综合排名为中上等。由此表明,聚类分析结果与主成分分析结果基本一致。

图3 不同产地五味子的聚类分析图

3 讨论

不同产地五味子元素含量结果显示,五味子中含量较高的元素为Mn、Cu、Ni、Ba,且Mn元素含量最高,是其他元素的10倍以上。分析原因可能是与土壤中Mn元素含量较高有关。五味子根植于土壤,可通过根从土壤中吸收富集元素,随后转移到果实中。因此可对五味子根际土壤中Mn元素含量进行测定,并分析Mn元素转移规律以验证猜测。

微量元素与中药材的药性关系密切,一般温热药中Mn元素含量较高,而药理研究结果表明五味子性温,故本研究结果与文献结果相一致。Mn是所有生物生长健康必需的营养元素,具有抗氧化、抗衰老的作用,可催化人体内超氧化物歧化酶的表达,人体内各种氧化还原过程均有Mn的参与。文献显示,五味子具有抗氧化等药理作用,这表明五味子的这种作用可能与Mn元素相关,值得深入研究。

本研究通过ICP-MS法测定吉林省10个不同产地共计97批五味子的微量元素含量,采用主成分分析和聚类分析方法分析了不同元素的主要贡献及五味子产地的区分,为五味子质量评价、开发利用提供了科学依据和数据支持。