微波等離子體發射光譜法同時測定特色南藥中多種元素

楊 熙,潘佳釧,雷永乾,周巧麗,郭鵬然

(中國廣州分析測試中心 廣東省分析測試技術公共實驗室，廣東 廣州 510070)

微波等離子體發射光譜法同時測定特色南藥中多種元素

楊 熙,潘佳釧,雷永乾,周巧麗,郭鵬然*

(中國廣州分析測試中心 廣東省分析測試技術公共實驗室，廣東 廣州 510070)

特色南藥樣品利用硝酸微波消解后，在優化的還原劑濃度下，采用多模式樣品導入系統和微波等離子體原子發射光譜法(MP-AES)對樣品溶液中Al，As，Hg，Ca，Cu，Cr，Pb，Zn等17種元素進行同時分析，考察了其在特色南藥材中的含量。結果表明，MP-AES對目標元素有較好的檢出限，2種標準物質的分析結果與ICP-MS分析結果及標準值一致，其中可蒸氣發生元素(As，Hg，Sb和Se等)未檢出。方法對金屬元素的檢出限為0.05～0.53 μg/g，對于氫化物可蒸氣發生元素和Fe的檢出限為0.93～5.40 μg/g。通過該方法進行測定，發現南藥樣品中Cd和Cu含量低于中國藥典的限值，而Cr和Pb含量明顯高于歐洲草藥材的限值，As和Hg需優化方法降低檢出限后方可用于樣品質量控制。本方法檢出限較低，線性范圍較寬，分析結果準確、快速，可進行多元素同時分析，能滿足對南藥材中多種元素的分析要求。

微波等離子體原子發射光譜儀；蒸氣發生；南藥；元素

南藥是指生長在長江以南的熱帶、亞熱帶地區，傳統指廣東、廣西、福建南部、臺灣、云南等地區所產的地道藥材[1]。南藥是中藥的重要組成部分,有資料可查的南藥有121 種之多[2]，如陽春砂、巴戟天、檳榔、益智、高良姜、佛手、八角、肉桂等。中藥中的微量元素與藥性、藥效乃至毒副作用關系密切，尤其是中藥的必需微量元素(如Ca，Fe，Mn，Zn等)和有毒微量元素(如Pb，Cd，Hg，As等)。近年來對藥材中重金屬含量的檢測發現，部分南藥中重金屬含量超標[3]，影響了南藥材的質量。

目前，中草藥中金屬元素含量的分析方法主要有原子吸收光譜法、石墨爐原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)及電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)等。其中原子吸收光譜法使用最廣泛，但其原子化效率不高，樣品用量大，檢出限較高，不能同時進行多元素的測定[4]；石墨爐原子吸收光譜法的樣品消耗少，且靈敏度高，但石墨管價格昂貴，精密度較差，干擾較多，也不能進行多元素的同時測定[5]。原子熒光光譜法的譜線簡單、靈敏度高、檢出限低，目前應用較廣泛的是氫化物發生原子熒光光譜法(HG-AFS)[6]，但只能進行可蒸氣發生元素分析；電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)和電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)的檢出限低、干擾小、線性寬，可用于多種金屬元素的同時測定[7-8]，但儀器較貴，分析成本較高[9]。

從20世紀80年代開始，微波等離子體原子發射光譜法在樣品中Al，As，Hg，Cd，Cu，Fe，Pb，Zn等的分析中逐漸得到應用[10-13]。但由于其發射功率低、光源溫度低、元素分析靈敏度弱，且采用較為昂貴的He或Ar作為工作氣體，限制了其在分析領域的進一步應用。本文采用具有微波導波技術的微波等離子體發射光譜儀(MP-AES)，將磁場與電場的能量高效聚集到等離子體激發環境中，實現了高效率的激發與能量耦合[14]，同時直接采用空氣與氮氣運行，對硝酸微波消解的特色南藥中As，Hg，Sb，Se，Al，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，Fe，K，Mn，Ni，Sr，Pb，Zn等元素同時分析，并考察了南藥材中重金屬的富集狀況[15]，這對南藥質量的管理和毒物污染控制具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 儀器及工作條件

Agilent 4100 MP-AES微波等離子體發射光譜儀，工作條件：多模式樣品導入系統(MSIS)霧化室；惰性One Neb霧化器，霧化器壓力80～180 kPa；積分時間 3 s(可蒸氣發生元素5 s)；樣品提升時間10 s，穩定時間8 s；5通道蠕動泵；背景校正Auto方式。Anton Paar MULTIWAVE 3000 微波消解系統。Milli-Q超純水處理系統(美國Millipore公司)。ZN-08小型粉碎機(北京興時利和科技發展有限公司)。

圖1 MSIS多模式分析示意圖

MSIS(多模式樣品導入系統)既可作為As，Hg，Sb和Se等元素蒸氣發生反應的裝置，同時也可作為常規分析元素(Al，Ca，Cd，Cu，Cr，Co，Fe，K，Mn，Ni，Sr，Pb，Zn)的霧化室，無需單獨配置氫化物發生器，可在原子光譜中實現一次進樣，同時進行常規金屬元素及 As，Hg，Sb和Se等可蒸氣發生元素的分析[14]。圖1為MSIS系統進行多模式分析示意圖[16]。

1.2 試劑與標準溶液

硝酸、過氧化氫(優級純，廣州化學試劑廠)；硼氫化鈉(優級純，成都格雷西亞化學技術有限公司)；桃葉GBW 08501國家標準物質(中國科學院環境化學院) 和茶樹葉GBW 08513國家標準物質(中國科學院生態環境研究中心)；Zn，Fe，Cu，Mn，Cr，Co，Ni，Se，Sr，As，Cd，Hg，Pb，Sb，K，Ca，Al標準溶液(國家鋼鐵材料測試中心)，所用水均為18.2 MΩ·cm的去離子水。

1.3 樣品消解

實驗所用砂仁(SR)、八角(BJ)、佛手(FS)、高良姜(GLJ)、巴戟天(BJT)等南藥購自廣州市面藥店。藥材樣品平鋪于大蒸發皿上，放入60 ℃烘箱中烘24 h后，用粉碎機進行粉碎。

分別準確稱取(0.500 0±0.005 0) g各種藥材樣品和標準物質樣品，置于微波消解罐中，加入5 mL硝酸、1 mL過氧化氫過夜放置進行冷消解后，密封并置于微波爐內，采用P-program 功率程序模式進行消解，消解完畢后取出消解罐，冷卻，將樣品轉移至玻璃小燒杯中，在80 ℃電熱板上蒸至小體積，定容至10 mL，利用MP-AES標準曲線法測定消解液中元素濃度。同時做流程空白。

1.4 實際樣品的測定

根據樣品特點以及測定元素的要求優化儀器參數條件，采用標準曲線法進行樣品的測定，各元素的分析譜線見表1。

2 結果與討論

2.1 還原劑濃度的優化

圖2 NaBH4濃度對信號強度的影響

NaBH4可與樣品溶液中的As，Sb，Se等形成氫化物蒸氣，并可還原溶液中Hg形成汞蒸氣，使這些元素以蒸氣發生的方式導入微波等離子體中。利用標準溶液稀釋配成濃度為2 μg/mL的As，Hg，Sb和Se可蒸氣發生元素混合溶液。在2% HNO3載流液濃度下，考察不同NaBH4濃度對蒸氣發生元素信號強度的影響，確定最優的還原劑濃度。對于2% HNO3濃度的高純水，由于在還原劑濃度為0.5%的情況下，各元素的信號強度非常低(As,Hg,Sb和Se信號強度分別為0,351,180和14)，故考察了NaBH4還原劑濃度在1.0%，1.5%，2.0%，2.5%時可蒸氣發生元素的信號強度變化，結果見圖2。隨著還原劑濃度的增加，Hg和Se的信號強度逐漸降低，As的信號強度無明顯變化，而Sb的信號強度在還原劑濃度為2.0%以上時明顯下降。因此，選擇還原劑NaBH4的濃度為1.0%。

2.2 方法檢出限

選取與樣品同一基體的消化空白溶液，在最優還原劑濃度條件下，重復測量10次計算標準偏差(SD)，以3倍標準偏差所對應的濃度為儀器檢出限。將儀器檢出限根據樣品消解的稱樣量和定容體積計算方法檢出限(MDL)，結果見表1。方法對蒸氣發生元素(As，Hg，Se和Sb)和Fe的檢出限較高，為0.93～5.40 μg/g；對其它元素的檢出限在0.05～0.53 μg/g之間。

表1 各元素的分析譜線、方法檢出限、標準曲線方程及相關系數

Y：the line intensity;X:element concentration (μg/g)

2.3 標準曲線

將17種元素的標準儲備液配制成一系列濃度梯度的混合標準工作溶液，溶液介質為2%硝酸溶液。在選定的儀器操作條件下對標液進行測試，化學工作站自動繪制工作曲線(見表1)。元素Al，Zn的標準曲線濃度為0，0.1，0.2，0.5，1.0 μg/mL；K的標準曲線濃度為0，2，5，10，20 μg/mL；其它元素的標準曲線濃度為0，0.2，0.5，1.0，2.0 μg/mL。其線性相關系數在0.999 1～1.000 0之間。

2.4 方法的準確性

為驗證本方法對南藥藥材樣品的分析準確度與MP-AES儀器的分析性能，采用國家標準物質GBW 08501和GBW 08513消解后測定，分析結果見表2。結果表明，對于高含量元素Ca，K和Fe，MP-AES與ICP-OES分析結果一致，且與標準值相符合。對于較高含量的Al，Cu，Sr，Zn和較低含量的Co，Cr，Ni，Pb，MP-AES的分析結果與ICP-MS分析結果及標準值均一致。然而對于Mn元素，MP-AES與ICP-MS的分析結果雖然一致，但高于GBW08051標準值，而低于GBW08513標準值。對于痕量Cd，MP-AES無法像ICP-MS獲得滿意的分析結果。

表2 茶樹葉和桃葉標準物質中元素含量的分析結果

*unit：mg/g

表3 特色南藥樣品元素含量數據

*(mg/g);#(As+Hg+Cu+Pb+Cd+Cr);-：under detection limit

為縮短樣品處理過程，本方法中樣品介質為消解的硝酸體系，由于消解最后未置換為稀鹽酸介質體系，從而影響了還原劑對元素的蒸氣發生效率，造成As，Hg，Sb和Se的檢出限升高，因而MP-AES對樣品中痕量的As，Hg，Sb和Se均未檢出。后續研究將在樣品消解程序中改變樣品的介質體系，以提高蒸氣發生元素的檢測靈敏度。

總體而言，MP-AES雖然不及ICP-MS的檢測性能，但仍顯示出較好的分析性能，且可同時檢測As，Hg等蒸氣發生元素與Cu，Pb，Zn和Fe等金屬元素。

2.5 實際樣品的分析

在優化條件下對市售砂仁、佛手、高良姜、八角和巴戟天等特色南藥樣品進行分析，結果見表3。結果顯示，不同南藥中的金屬元素含量差異較大：巴戟天中Al，Ca，Sr和Cd的含量明顯高于其它藥材，K，Cr和Ni的含量較低；高良姜中Fe，Mn和Cr的含量明顯高于其它藥材，Ca，Cu和Ni的含量較低；砂仁中Cu，Pb和Zn的含量較高，Al含量較低；八角中Cu和Ni的含量明顯較其它藥材高，Pb和Sr的含量較低；而佛手中Ca和Sr的含量稍高，Al，Cd，Mn和Ni的含量較低。幾種南藥中As，Hg，Sb和Se均未檢出。

上述南藥樣品的檢測中，Cd和Cu含量均低于中國藥典(2010版)中的限值(As≤2 μg/g，Cd≤0.3 μg/g，Cu≤20 μg/g，Hg≤0.2 μg/g)，而As和Hg由于方法檢出限較高而無法確定超標與否，后續實驗中將嘗試改變分析溶液介質體系以降低As和Hg的檢出限；砂仁和巴戟天中Pb含量高于歐洲和香港的中藥材限值(Pb≤5 μg/g)；值得注意的是，幾種南藥中Cr含量均明顯高于加拿大草藥材中的限值(Cr≤0.2 μg/g)，可能是產地土壤中Cr含量較高所致。其它重金屬因缺少限定標準而無法評價是否超標。

3 結 論

利用MP-AES對砂仁等幾種特色南藥樣品中的多種元素進行了分析。以1.0% NaBH4為還原劑，對微波消解的南藥樣品和標準物質植物樣品進行測定，通過與ICP-OES/MS分析結果和標準物質的標準值比較，發現本方法具有檢出限低、線性范圍寬、結果準確、無需昂貴運行氣體等特點，且可同時測定樣品中微量的可蒸氣發生元素(As，Hg，Sb和Se)。對幾種特色南藥的分析結果表明，樣品中Cr含量超標。除As和Hg外，本方法的分析能力可滿足部分重金屬的限定標準要求。

[1] Xiao W,Liu Y,Xiao P G.Mod.Chin.Med.(肖偉,劉勇,肖培根.中國現代中藥),2012,14(3):60-61.

[2] Xu H H,Ding P,Liu J M.J.GuangzhouUniv.Tradit.Chin.Med.(徐鴻華,丁平,劉軍民.廣州中醫藥大學學報),2004,21(5):349-351.

[3] Zhang J Q,Fu N G,Lai W Y，Le D J,Liu M S.ChinaJ.Chin.Mater.Med.(張俊清,符乃光,賴偉勇,勒德軍,劉明生.中國中藥雜志),2006,31(12):1018-1019.

[4] Yang L L,Yuan C G,Zhang Y X,Gao Y,Zhang D Q,Sun H W.Spectrosc.SpectralAnal.(楊莉麗,苑春剛,張艷欣,高英,張德強,孫漢文.光譜學與光譜分析),2002,22(6):1045-1047.

[5] Ting A,Chow Y,Tan W.J.Tradit.Chin.Med.,2013,33(1):119-124.

[6] Wang C,Guo P R,Chen H T,Ou H.J.Instrum.Anal.(王暢,郭鵬然,陳杭亭,區紅.分析測試學報),2009,28(4):501-508.

[7] Yan X D,Chapman R L,Wu Z Q.Phytochem.Anal.,2011,22(3):189-198.

[8] Harris E S J,Cao S G,Littlefield B A,Craycroft J A,Scholten R,Kaptchuk T,Fu Y L,Wang W Q,Liu Y,Chen H B,Zhao Z Z,Clardy J,Woolf A D,Eisenberg D M.Sci.TotalEnviron.,2011,409(20):4297-4305.

[9] Wu C H,Ouyang K,Chen Y H,Zhang Z X.J.Environ.Chem.(吳春華,歐陽昆,陳玉紅,張之旭.環境化學),2011,30(11):1967-1969.

[10] Jin Q H,Zhu C,Border M W,Hieftje G M.Spectrochim.ActaB,1991,46(3):417-430.

[11] Madrid Y,Wu M,Jin Q H,Hieftje G M.Anal.Chim.Acta,1993,277(1):1-8.

[12] Zhang J S,Li L H,Lu Y B.J.Instrum.Anal.(張金生,李麗華,盧瑩冰.分析測試學報),2006,25(1):30-33.

[13] Yuan X L,Zhang H Q,Cui Z F,Ti Z L,Jin Q H.J.Instrum.Anal.(袁湘林,張寒琦,崔振峰,提召玲,金欽漢.分析測試學報),1997,16(4):1-4.

[14] Ouyang K,Wu C H,Zhang L,Chen Y H,Zhang Z X.J.Environ.Chem.(歐陽昆,吳春華,張蘭,陳玉紅,張之旭.環境化學),2011,30(12):2112-2114.

[15] Miao E M,Zhang Y H,Wang S,Shi H L,Chen Z Y,Yang G Y.J.Instrum.Anal.(繆恩銘,張艷紅,王森,施紅林,陳章玉,楊光宇.分析測試學報),2007,26(8):184-186.

[16] Wu C H,Zhao Y,Ma L,Ouyang K,Chen Y H,Gan X,Zhang Z X.J.Environ.Chem.(吳春華,趙洋,馬琳,歐陽昆,陳玉紅,甘鑫,張之旭.環境化學),2012,31(1):126-129.

Simultaneous Determination of Multiple Elements in Characteristic South China Herbal Medicine by Microwave Plasma Atomic Emission Spectrometry

YANG Xi,PAN Jia-chuan,LEI Yong-qian,ZHOU Qiao-li,GUO Peng-ran*

(Guangdong Provincial Public Laboratory of Analysis and Testing Technology,China National Analytical Center(Guangzhou),Guangzhou 510070,China)

Characteristic south China herbal medicine samples were digested by microwave system with nitric acid,and 17 kinds of elements,such as Al,As,Hg,Ca,Cu,Cr,Pb and Zn,etc in the digestion solutions were simultaneously analyzed by microwave plasma atomic emission spectrometry(MP-AES) with multi-mode sample introduction system(MSIS) under the optimized reductant concentration,to investigate the contents of these elements in south herbal medicines.Result showed that MP-AES had good detection limits for metal elements,and the analytical results of elements in two kinds of standard material were consistent with the analytical results of ICP-MS and the standard values,except for As,Hg,Sb and Se that were undetected.The detection limits of the method were 0.05-0.53 μg/g for the metal elements,and 0.93-5.40 μg/g for elements that could generate the vapor with hydride.In these south China herbal medicine samples,concentrations of Cd and Cu were below the limit values of Chinese Pharmacopoeia,contents of Cr and Pb exceeded the limits of European herbs,but the detection limits of As and Hg needed to decrease for quality control of herbs.The method could meet the analysis requirements of some elements in the south China herbal medicine because of its low detection limit,wide linear range,accuracy,rapid analysis and simultaneous multi-element analysis.

MP-AES;vapor generation;South China herbal medicine;elements

2014-10-09;

2014-10-30

國家自然科學基金(21307120);廣東省科技計劃項目(2012B061800043)

10.3969/j.issn.1004-4957.2015.02.018

O657.3；O611

A

1004-4957(2015)02-0227-05

*通訊作者：郭鵬然，博士，副研究員，研究方向：原子光譜分析技術,Tel：020-37656885-823，E-mail：prguo@fenxi.com.cn