ICP - MS法同时测定马蹄金中20种无机元素的质量分数

Simultaneous determination of mass fractions of 20 inorganic elements in Dirchondramicrantha Ulb. by ICP-MS

摘要

采用电感耦合等离子体质谱法（ICP - MS）测定马蹄金中20种无机元素的质量分数，并评价Hg、Pb、Cd、As、Cu的安全性.所有无机元素的线性关系良好（r ≥ 0.998 239），方法学考察实验的相对标准偏差（RSD）均小于5%，加样回收率均在89.26% ～ 110.08%，对应的RSD均小于5%；23批样品除Sn元素未被检出外，其余19种元素均检出，其中Fe、Mn、Al、Mg、Na质量分数普遍较高，Fe高达2 446.87 mg/kg；参照2020年版《中国药典》对中药材有害元素的限量规定，除Hg未超标外，Pb、Cd、As、Cu均有不同程度超标；单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价结果表明，仅3批安全级别，5批警戒线级别，其余批次污染程度不同.ICP - MS法能快速准确测定马蹄金中20种元素质量分数，可为其安全开发利用和质量控制提供参考.

Abstract

The mass fractions of 20 inorganic elements in Dichondra micrantha Ulb.were determined using Inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP - MS）， and the safety of Hg， Pb， Cd， As， and Cu was evaluated. The linear relationships of all inorganic elements were excellent （r ≥ 0.998 239）. The relative standard deviation （RSD） of the methodological validation experiments was less than 5%， and the recovery rates for spiked samples ranged from 89.26% to 110.08%， with corresponding RSDs also being less than 5%. Except for Sn， which was not detected， the remaining 19 elements were detected in all 23 batches of samples. Among these， the mass fractions of Fe， Mn， Al， Mg， and Na were generally high， with Fe reaching as high as 2 446.87 mg/kg. According to the 2020 edition of the Chinese Pharmacopoeia regulations on the permissible limits of harmful elements in medicinal materials， Pb， Cd， As， and Cu exceeded the limits to varying degrees， with theexception of Hg. The evaluation results using the single - factor pollution index method and the Nemerow comprehensive pollution index method indicated that only 3 batches were classified as safe， 5 batches were at the warning level， and the pollution levels of the remaining batches varied. The ICP - MS method can rapidly and accurately determine the mass fractions of 20 elements in Dichondra micrantha Ulb.， providing valuable reference data for its safe development， utilization， and quality control.

关键词

马蹄金 / 电感耦合等离子体质谱法 / 无机元素 / 污染指数

Key words

Dichondra micrantha Ulb. / ICP - MS / inorganic element / pollution index

马蹄金俗称黄疸草、小金钱草等，为旋花科植物马蹄金（Dirchondra.micrantha Ulb.）的全草，是广西特色药材之一，收录于《广西壮族自治区壮药质量标准》第一卷（2008年版）.其有清热解毒，利湿通淋，散瘀消肿之效，民间多用于治疗急性黄疸、痢疾、膀胱结石、跌打损伤等症^［1］.目前药理研究表明，马蹄金主要含有有机酸、黄酮及微量元素等成分，具有镇痛抗炎、保肝降酶、抗菌等药理作用^［2］.

目前关于马蹄金的研究多集中在有机化学成分，甚少研究无机元素方面，仅贺祝英等^［3］采用原子吸收光谱法测定马蹄金中Zn、Mn、Cu、Co、Ni、Sr、Fe、Li、Rb等10种元素，仇佩虹等^［4］采用电感耦合等离子体发射光谱法测定马蹄金中Fe、Ca、Mg、Cu、Zn、Mn、Ni等7种元素，且未见采用电感耦合等离子体质谱法（ICP - MS）法测定马蹄金中无机元素的研究.有研究^［5-13］表明，无机元素种类和质量分数影响中药药性，相互拮抗、协同作用影响药效.重金属及有害元素降解难、代谢慢，过量摄入会严重损害人体脏腑功能^［14-15］.目前无机元素的检测方法有原子吸收光谱法^［16-17］、电感耦合等离子体质谱法^［18-19］、原子荧光法^［20-22］等，其中ICP - MS法具有应用广泛，检测周期短，准确度高等优势.鉴于此，本研究建立ICP - MS法同时测定马蹄金中20种无机元素（Hg、Pb、Sn、Cd、Mo、Sr、Se、As、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Ti、Fe、Mn、Al、Mg、Na）的质量分数，分析马蹄金中无机元素分布特点，并参照2020年版《中国药典》（四部）关于药用植物重金属质量分数限度规定，结合重金属污染评价进行安全评价，以期为马蹄金质量控制标准的建立及后期安全开发利用提供参考.

1 仪器与材料

1.1 仪器

NexION350X型电感耦合等离子体质谱仪（ICP - MS）（美国Perkin Elmer公司）；MARS - 6型微波消解仪（美国CEM公司）；BHW - 09C型赶酸仪（上海博通化学科技有限公司）；XS205DU型十万分之一电子分析天平（瑞士梅特勒 - 托利多公司）；GWB - 2E型超纯水仪（北京普析通用仪器有限责任公司）.

1.2 材料

待测元素：Hg、Pb、Sn、Cd、Mo、Sr、Se、As、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Ti、Mn、Na单元素标准液均购自国家有色金属及电子材料分析测试中心，质量浓度均为1 000 μg/mL，批号依次为233028 - 1、233027 - 1、221018 - 3、229019 - 8、221053 - 1、21C038 - 1、221052 - 3、231010 - 6、221010 - 4、22A005 - 7、213025 - 6、221029 - 2、221011、21B040 - 2、221045、221028 - 6、21C008 - 8；Fe、Al、Mg单元素标准液均购自国家钢铁材料测试中心钢铁研究院，质量浓度均为1 000 μg/mL，批号依次为16050673、16051773、16041272.

内标元素：Ge、In、Bi、Sc单元素标准液均购自国家有色金属及电子材料分析测试中心，质量浓度均为1 000 μg/mL，批号依次为233103、232026、231017-2、239028.

试剂：65%硝酸（优级纯，德国默克公司）；水为自制超纯水.

1.3 样品采集

马蹄金样品共23批，样品编号依次为S1 ~ S23；采收地点依次为贵港市港南区、贵港市港北区、贺州市富川县、桂林市雁山区、桂林市临桂区、桂林市灵川县、玉林市福绵区、玉林市北流市、玉林市博白县、柳州市鹿寨县、柳州市柳北区、柳州市柳城县、柳州市柳江区1、柳州市柳江区2、南宁市江南区1、南宁市江南区2、南宁市武鸣区1、南宁市武鸣区2、南宁市宾阳县、南宁市上林县、来宾市金秀县、桂林市兴安县、河池市都安县；采收时间依次为2021 - 07、2021 - 07、2021 - 08、2021 - 09、2021 - 10、2021 - 11、2021 - 12、2021 - 12、2021 - 12、2022 - 01、2022 - 01、2022 - 01、2022 - 01、2022 - 01、2022 - 01、2022 - 01、2022 - 03、2022 - 03、2022 - 03、2022 - 03、2022 - 03、2022 - 03、2022 - 03；均由广西医科大学朱丹教授鉴定，植物来源均为旋花科植物马蹄金.样品洗净除去其它杂质，干燥处理.

2 方法与结果

2.1 ICP - MS工作条件

射频功率：1 600 W；等离子气流量：15.0 L/min；雾化室温度：2 ℃；测定模式：KED碰撞模式；碰撞气体：氦气；碰撞气流量：4 mL/min；辅助气流量：1.2 L/min；雾化气流量：0.92 L/min；重复次数：3；扫描20次；扫描模式：跳峰模式.

2.2 标准溶液的制备

2.2.1 混合内标溶液的制备

精密吸取Ge、In、Bi、Sc单元素标准溶液各1.00 mL分别置100 mL容量瓶中，加水定容稀释制成质量浓度均为10 μg/mL的单元素内标储备溶液，再分别精密吸取上述储备液6.0、0.5、0.4和2.0 mL置于100 mL容量瓶中，加水定容稀释至Ge元素质量浓度为600 ng/mL、In元素质量浓度为50 ng/mL、Bi元素质量浓度为40 ng/mL、Sc元素质量浓度为200 ng/mL的混合内标溶液.其中，Pb、Hg以Bi作为内标；Sn、Cd、Mo、Sr以In作为内标；Se、As、Zn、Cu、Ni以Ge作为内标；Co、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Al、Mg、Na以Sc作为内标.

2.2.2 混合标准溶液的制备

分别精密吸取相应的元素标准溶液适量，用质量分数为5%硝酸稀释，制成Hg元素质量浓度为0、0.25、0.5、1、2、5、10 ng/mL的标准系列溶液.Pb、Sn、Cd、Mo、Sr、Se、As、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Ti元素质量浓度均分别为0、5、10、20、50、100、200 ng/mL的标准系列溶液，Fe、Mn、Al、Mg、Na元素质量浓度均分别为0、50、100、200、500、1 000、2 000 ng/mL的标准系列溶液.

2.2.3 供试品溶液的制备

精密称取粉碎成粗粉的马蹄金样品约0.2 g（准确至0.001 g），置于聚四氟乙烯消解罐中，加入8 mL浓硝酸，混匀，放置赶酸仪100 ℃预消解30 min，冷却后盖好盖子并旋紧，按微波消解消解程序（20 min升温至180 ℃，保持20 min，再经20 min降至80 ℃）进行消解.待消解结束后，冷却至60 ℃以下取出，缓慢打开罐盖排气，用少量超纯水冲洗内盖，将消解罐置于赶酸仪（100 ℃）缓慢加热至红棕色气体挥尽，冷却至室温，将消解液转移至50 mL容量瓶.用超纯水少量多次洗涤消解罐，洗涤液合并于量瓶并用超纯水定容至刻度，混匀，得到供试品溶液.同法同时制备空白溶液.

2.3 方法学考察

2.3.1 线性关系考察及检出限

取各元素的标准系列溶液，按“2.1”项下方法测定，以待测元素的质量浓度为横坐标，待测元素与内标元素的信号响应值比值为纵坐标，进行线性回归计算，得到各待测元素线性回归方程.以11次空白溶液测定值计算仪器检出浓度，按“2.2.3”项下方法计算各待测元素的检出限，结果见表1.

2.3.2 精密度试验

取混合元素标准溶液适量，按“2.1”项下方法连续测定6次，记录各元素信号响应值.结果各元素信号响应值的相对标准偏差（RSD）为0.1% ～ 3.2%，表明仪器精密度良好.

2.3.3 重复性试验

取编号为S1的同一批马蹄金样品6份，按“2.3.3”项下方法制备供试品溶液，按“2.1”项下方法测定，记录各元素信号响应值.结果各元素信号响应值的RSD为0.4% ～ 4.6%，表明该方法重复性良好.

2.3.4 稳定性

取编号为S1的同一批马蹄金样品，按“2.3.3”项下方法制备供试品溶液，分别于室温下放置0、4、6、8、12 h时按“2.1”项下方法测定，记录各元素信号响应值.结果各元素信号响应值的RSD为0.2% ～ 2.9%，表明供试品溶液在12 h内稳定性良好.

2.3.5 加标回收试验

取编号为S1的马蹄金样品粉末约0.10 g，共9份，按低、中、高3个添加水平加入各元素标准溶液适量，按“2.3.3”项下方法制备供试品溶液，再按“2.1”项下方法测定，计算样品中各元素的回收率，结果见表2.

2.4 样品测定

取23批马蹄金粉末0.20 g，精密称定，按“2.1”项下方法制备供试品溶液，按“2.2”项下方法测定，计算样品中各无机元素的质量分数，结果见表3.

2.5 重金属及有害元素（Hg、Pb、Cd、As、Cu）污染评价

参照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：Hg ≤ 0.2 mg/kg，Pb ≤ 5 mg/kg，Cd ≤ 1 mg/kg，As ≤ 2 mg/kg，Cu ≤ 20 mg/kg，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行评价.单因子污染指数和内梅罗综合污染指数分别见公式（1） ~ （2）.

P_i=C_{i/Si .（1）}

P_n =｛（P_max²+P_ave²）/2｝^1/2.（2）

式中，P_i 为污染物i的单因子指数，C_i 为污染物i的实测值，S_i 为污染物i的评价标准值； P_n 为综合污染指数；P_max 为所有污染物单因子指数中的最大值；P_ave为所有污染物单因子指数的平均值.污染程度分级标准：P_n ≤ 0.70，安全；0.70 < P_n ≤ 1.00，警戒线；1.00 < P_n ≤ 2.00，轻度污染；2.00 <P_n ≤ 3.00，中度污染；P_n > 3.00，重度污染，P_n 越大，受污染程度越重^［23］.结果见表4.

3 讨论

23批马蹄金中20种无机元素的质量分数显示，Sn元素均未被检出，其他元素检出率100%，其中Hg质量分数低于0.1 mg/kg；Pb、Cd、Mo、Sr、Se、As、Zn、Cu、Ni、Co、Cr、V、Ti质量分数范围为0.1 ～ 100 mg/kg；Fe、Mn、Al、Mg、Na质量分数均大于100 mg/kg，甚至Fe元素高达2 446.87 mg/kg、Mn元素高达2 275.29 mg/kg，整体质量分数明显高于其他元素.这说明广西不同区域的马蹄金的无机元素组成基本一致，但各批次各元素质量分数具有一定的差异性，而Sn元素均未检出，可能是药材自身遗传特性造成的.

参照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：Hg ≤ 0.2 mg/kg，Pb ≤ 5 mg/kg，Cd ≤ 1 mg/kg，As ≤ 2 mg/kg，Cu ≤ 20 mg/kg.23批马蹄金样品中，有害重金属元素Hg、Pb、Cd、As、Cu均有检出，但未超出药典限量指导值.Pb、Cd、As、Cu质量分数共有17批次超标（超标率74%），这可能是药材产地土壤、水质等环境因素的影响以及化肥、农药的不合理使用造成的.因此，种植过程中注意监控产地土壤、水质中的重金属残留，同时控制化肥、农药的用量，尽量选择有机肥和生物防治手段，以降低重金属污染风险.单一比较Pb、Cd、As、Cu元素质量分数，Cd超标最严重，其次是As、Pb、Cu.23批次马蹄金样品中，3批次Pb质量分数超标（超标率13%）；13批次Cd质量分数超标（超标率57%）；6批次As质量分数超标（超标率26%）；1批次Cu质量分数超标（超标率4.3%）.排放“工业三废”以及使用化肥农药等，使得一定数量的Cd进入环境，造成环境污染加剧，是中药材重金属及有害元素污染的主要因素^［24］，而全草类药物对Cd的富集能力较强^［25］，这可能是本次样品Cd超标最为严重的原因.

采用单因子污染指数法和内梅罗综合指数法对马蹄金样品中的Hg、Pb、Cd、As、Cu进行安全性评价，23批样品中只有3批达到安全级别，5批处于警戒线级别，13批处于轻度污染水平，2批处于中度污染.其中Cd和As的平均单因子污染指数均大于1，其余3种金属元素均小于1，表明Cd和As是马蹄金药材重金属污染的主要因素.马蹄金在重金属及有害元素方面的整体安全性较差，存在一定安全风险，需引起重视.中药材重金属污染源于产地土壤、水质、大气以及化肥、农药的影响.因此，建议在种植过程中严格监控土壤和水质中的重金属污染，并及时进行治理和修复，以减少污染风险.同时，建议相关部门加强对马蹄金重金属及有害元素的监测，并制定相应的限量标准，确保用药安全.

4 结语

采用微波消解结合ICP - MS技术，对马蹄金中20种无机元素进行测定，该方法快速，稳定，准确度高，可用于马蹄金中20种元素质量分数的测定.结果表明，马蹄金元素种类组成基本一致，但部分马蹄金样品有重金属污染问题，存在安全风险.建议加强马蹄金的种植管理和质量控制，以保障其质量和后期开发利用的安全性.

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基金资助

广西壮族自治区中医药管理局自筹科研课题(GXZYZ20210118)