宿州产香茶菜无机元素指纹图谱研究及安全性评价*

余秀萍，汪正宇，李变变，崔 灿

（安徽省宿州市食品药品检验检测中心，安徽 宿州 234000）

香茶菜为唇形科植物香茶菜Rabdosia amethystoides（Benth.）Hara 的干燥地上部分［1］，有清热解毒、抗菌消炎、调节免疫等功效，主产于安徽、贵州、广西、江西、浙江、台湾、湖北等［2-4］。香茶菜在安徽省宿州市已有20 多年人工种植历史和6 000 余亩药材示范种植基地。目前，以香茶菜入药的制剂主要有胃复春片、人参香茶片、抗癌平丸等［5］。中药材中的所有元素（包括无机元素及微量元素）均与其药效有紧密关系［6-7］。香茶菜中含有多种无机元素，有人体必需的微量元素［如铜（Cu）］，还有如铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）等对人体有害的元素，过量摄入有害元素会对肾脏、肝脏、肺脏等造成危害，引发各种身体病变甚至癌症［8-10］。建立中药材元素指纹图谱可反映药材中元素的特异性和差异性［11］。综合多种元素的分析，对中药材药用效能的进一步开发具有重要意义。基于此，本研究中采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法测定香茶菜中19 种无机元素的含量，考察其特征，绘制相应指纹图谱，并评价各批次样品间的相似度；采用主成分分析法评估样品的批间差异，并对As，Cd，Hg，Pb，Cu 5 种元素进行安全性评价，从元素层面为香茶菜的质量评价提供依据。现报道如下。

1 仪器与试药

1.1 仪器

ICAP - MS 型电感耦合等离子体质谱仪（美国Thermo Fisher Scientific 公司）；MARS 6 型微波消解仪（美国CEM 公司）；Sartorius BSA124S 型电子天平（德国Sartorius公司，精度为0.1 mg）。

1.2 试药

混合元素标准溶液［含硼（B）、钠（Na）、铝（Al）、钛（Ti）、铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、镍（Ni）、Cu、锌（Zn）、砷（As）、钼（Mo）、Cd、钡（Ba）、Hg、Pb、镁（Mg）、钾（K）、钙（Ca）各100 μg/mL］，混合内标溶液［含铋（Bi）、铟（In）、钪（Sc）各100 μg/mL］，K、Ca、金（Au）单元素标准溶液（1 000，1 000，100 μg/mL），均购自国家有色金属及电子材料分析测试中心；硝酸、过氧化氢均为优级纯，水为去离子水。香茶菜样品13 批（均采自安徽省宿州市，样品信息见表1），经安徽中医药大学刘守金教授和杨青山教授鉴定为正品。

表1 样品信息Tab.1 Information of samples

2 方法与结果

2.1 试验条件

测量模式：KED碰撞池模式；气体流速：载气（氩气）0.8 L/min；碰撞气（氦气）4.0 mL/ min，辅助气（氩气）0.4 L/min，等离子体气15 L/min；泵速：40 r/min。

2.2 溶液制备

混合标准系列溶液：精密移取混合元素标准溶液适量，加入混合内标溶液，用2%硝酸稀释并定容，得17种待测元素（除K 和Ca 外）质量浓度分别为0.5，1.0，5.0，10，50，100，500 ng/ mL 和1.0，5.0，10.0，50.0 μg/ mL，内标元素质量浓度为1 μg/mL 的混合标准系列溶液。由于样品中K 和Ca 含量较大，又在标准系列溶液中加入两者的单元素标准溶液，最终K和Ca的质量浓度为25，50，250，500 ng/mL和2，5，10，20，50，100，200 μg/mL。11B，23Na，24Mg，27Al，39K，44Ca，48Ti，52Cr，55Mn，57Fe 的检测以45Sc 为内标，60Ni，63Cu，66Zn，75As，95Mo，111Cd，137Ba以115In为内标，202Hg和208Pb以209Bi为内标。

供试品溶液与空白溶液：取样品粉末（过3号筛）约0.3 g，精密称定，置微波消解罐中，加浓硝酸10.0 mL，充分混匀，静置过夜。预消解完成后，放入微波消解仪消解（程序见表2）。冷却，取出，缓慢拧松罐盖，将消解罐放入赶酸器中，缓慢加热至红棕色蒸气挥尽，关闭赶酸器，取出，冷却至室温，置50 mL 容量瓶中，加入0.5 mL混合内标溶液（100 μg/mL），再加入Au单元素标准溶液（1 μg/mL）200 μL，用2%硝酸定容，混匀，作为供试品溶液。不取样品，同供试品溶液制备方法制备空白溶液。

表2 微波消解仪工作参数Tab.2 Operating parameter of microwave digestion instrument

2.3 方法学考察

线性关系考察：取2.2 项下混合标准系列溶液适量，按2.1 项下试验条件进样测定，以待测元素的质量浓度（X，ng/ mL 或μg/ mL）为横坐标、仪器响应值（Y）为纵坐标进行线性回归。取空白溶液测定1 次，记录仪器响应值并计算检测限。结果见表3。可见，19种元素在相应质量浓度范围内与各自仪器响应值线性关系良好，r均大于0.998。

表3 方法学考察结果Tab.3 Results of methodological investigation

精密度试验：取同一混合标准系列溶液（100 ng/mL）适量，按2.1 项下试验条件连续进样测定6 次，记录仪器响应值并计算各元素含量。结果的RSD为1.37%～3.18%（n= 6），均小于5%，表明仪器精密度良好。详见表3。

重复性试验：取样品（编号Q6）约0.3 g，精密称定，共6份，按2.2 项下方法制备供试品溶液，按2.1 项下试验条件进样测定，记录仪器响应值，并计算各元素含量。结果的RSD为1.25%～3.49%（n=6），均小于5%，表明方法重复性良好。详见表3。

加样回收试验：取已知含量的香茶菜样品（编号Q6）适量，各6 份，每份约0.15 g，精密称定，分别加入As，Cd，Hg各0.1 μg；Cr，Ni，Mo，Pb各1.0 μg；B，Ti，Mn，Cu，Zn，Ba各10.0 μg；Na，Al，Fe各50.0 μg；Mg 300 μg；K，Ca 各3 000 μg。按2.2 项下方法制备供试品溶液，按2.1 项下试验条件进样测定，记录仪器响应值，并计算加样回收率。结果19 种元素的平均加样回收率为92.46%～102.26%，RSD为1.06%～3.19%（n= 6），均小于5%。详见表3。

2.4 含量测定

取13 批样品，各2 份，分别按2.2 项下方法制备供试品溶液和空白溶液，按2.1 项下试验条件进样测定，记录仪器响应值，并计算含量。结果见表4。可见，19 种无机元素整体含量差异较大，Ni，As，Mo，Cd，Hg，Pb等有害元素含量较低，K，Ca，Mg，Fe，Na，Al 等人体必需元素含量较高；尤其人体常量元素K 和Ca 含量均大于10 000 mg/kg。

表4 样品中无机元素含量（mg/kg，n=2）Tab.4 Content of inorganic elements in samples（mg / kg，n = 2）

2.5 指纹图谱建立及相似度评价

采用Origin Pro 2021 软件绘制无机元素指纹图谱。由于不同批次样品中所含的无机元素含量差异较大，因此采用相对含量生成指纹图谱，将含量较大的元素缩小相同倍数，将含量较小的元素扩大相同倍数，使所有元素相对含量在同一数量级。以元素种类为横坐标、相对含量为纵坐标绘制指纹图谱（见图1）。分别以含量的X和M值为对照数据，生成香茶菜无机元素对照指纹图谱，采用夹角余弦法计算13 批样品与对照指纹图谱的相似度（分别记为A，B），结果见表5。可见，13 批样品无机元素指纹图谱与对照图谱的相似度均大于0.920（余弦值越接近1，相似度就越高），表明相似度较好。13 批香茶菜样品中，有10 批的X值指纹图谱相似度优于其M值指纹图谱，故最终决定用X指纹图谱作为香茶菜无机元素对照指纹图谱（见图2）。

图1 13批样品中19种无机元素指纹图谱Fig.1 Fingerprint of 19 inorganic elements in 13 batches of samples

图2 样品中19种无机元素对照指纹图谱Fig.2 Reference fingerprint of 19 inorganic elements in samples

表5 相似度分析结果Tab.5 Results of similarity analysis

2.6 主成分分析

采用SPSS 27.0 统计学软件对13 批样品进行主成分分析，特征值及方差贡献率见表6，以特征值大于1为提取条件，提取了7 个主成分，累积方差贡献率达92.871%。主成分1-7 的主要影响因子分别为Fe、Mn、Zn，Ni，Na，Al、K，Mo，As，B。

表6 主成分分析特征值及方差贡献率Tab.6 Eigenvalues and variance contribution rates of principal component analysis

2.7 安全性评价

单因子污染指数法：以公式Pi=Ci/Si计算i 元素（As，Cd，Hg，Pb，Cu）的污染指数（Pi），式中，Ci为元素i的测量值，Si为元素i 的限量标准值。Pi≤0.7 为优良，> 0.7～1.0 为安全，< 1.0～2.0 为轻污染，> 2.0～3.0 为中污染，> 3.0 为重污染。限量标准值根据2020年版《中国药典（四部）》重金属及有害元素一致性限量指导值［12］：As，Cd，Hg，Pb，Cu 分别不得过2，1，0.2，5，20 mg/ kg。结果见表7。可见，13 批样品单项污染指数（除Q4样品的Pb外）均小于0.7。

表7 13批样品中5种元素污染评价结果Tab.7 Results of pollution evaluation of five elements in 13 batches of samples

内梅罗综合指数法：计算公式为P综=，其中，P综为样品有害元素污染综合指数（≤0.7 为安全级，> 0.7～1.0 为警戒线，> 1.0～2.0 为轻度污染，>2.0～3.0 为中度污染，>3.0 为重度污染），Pmax和Pave分别为样品中有害元素污染物单因子指数的最大值和平均值。结果见表7。结果显示，13批样品中有12批的评价结果为安全级。

3 讨论

3.1 前处理方法选择

预试验中考察了湿法消解、干灰化法消解及微波消解3种前处理方法对元素含量结果的影响，发现湿法消解温度不易控制，实验人员因素对结果影响较大；干灰化法消解由于马弗炉温度高，易造成易挥发元素的损失，且灰化不完全或溶解不完全均会导致测定结果偏低。因此，本研究中选取微波消解法作为样品的消解方式。

3.2 赶酸温度选择

本研究所测香茶菜19 种无机元素中As 和Hg 为易挥发元素［13-14］，为避免赶酸温度过高导致其损失，预试验中考察了不同赶酸温度对结果的影响。发现温度较低时，赶酸时间较长；而赶酸温度较高时，某些易挥发元素含量明显偏低。综合考虑元素损失和节省赶酸时间，赶酸温度宜控制在120～130 ℃。

3.3 进样酸度条件优化

仪器进样时的酸度环境对测定结果也有一定影响，故预试验中分别考察了体积分数为0（纯水），1%，2%，3%，5%的硝酸溶液为稀释剂制备混合标准溶液（质量浓度为50.0 ng/mL）的效果。结果表明，硝酸溶液体积分数大于2%时，标准溶液回收率趋于最大且稳定，为满足试验要求并节约成本，同时为避免酸度过大对仪器造成损坏和浪费，选择在2%的硝酸体系中测定。

3.4 仪器干扰消除

ICP - MS 分析法测定过程中会存在基体、记忆效应、物理、质谱等方面干扰［15-17］。基体干扰主要为仪器的空间电荷效应和在采样锥与截取锥之间的物理变化导致，可通过内标校正、控制样品盐分、延长样品冲洗时间、清洗锥体和稀释样品消除。记忆效应是由于上一个样品在进样系统内壁上过量分析物挥发引起的，可采用2%硝酸溶液冲洗加以消除。物理干扰可通过多次清洗雾化室、进样锥及进样管路消除，同时可增加测样时管路冲洗时间。质谱干扰可通过选择合适的同位素离子及仪器校正消除，同时加入内标校正仪器漂移及KED碰撞池模式消除干扰［18-20］。

3.5 指纹图谱无机元素选择

全元素半定量测定中发现，香茶菜药材中含有60多种无机元素，部分元素含量较低，结合该药材功效及无机元素在人体内的生理作用，除去含量特别低的元素，本研究中选择了19种元素生成香茶菜无机元素指纹图谱。其中Na，Mg，K，Ca是人体必需常量元素，Fe，Mo，Ni，Cr，Cu，Sn为人体必需微量元素，香茶菜所含无机元素是其药用功效不可或缺的物质基础，若要探明香茶菜中无机元素与药效成分的关系，还需后续进一步研究。

3.6 方法评价

本研究中建立了对19种无机元素进行定量分析的ICP-MS 法，并建立了其指纹图谱，可用于从无机元素层面评价香茶菜药材的质量和均一性，也为其在元素层面的质量控制提供了参考。