ICP-MS同時測定不同產地制草烏藥材中6種重金屬的含量及聚類分析

胡國輝，譚麗盈，梁文能

0 引言

草烏為毛茛科植物北烏頭AconitumkusnezoffliReichb.的干燥塊根，通常在秋季莖葉枯萎時候采挖，除去須根和泥沙，干燥后備用。草烏性辛，苦、熱，有大毒，故臨床使用多為其炮制品，具有除濕祛風、溫經止痛等作用，主要用于治療由風寒濕痹引起的關節疼痛、心腹冷痛等癥狀[1-3]。草烏在本草十八反中有“半簍貝蘞及攻烏”之說，因此，在使用中應注意其配伍禁忌。草烏中的主要成分為雙酯型生物堿，烏頭堿、次烏頭堿、新烏頭堿是其止痛麻醉的主要活性成分[4-5]，目前已有草烏中揮發油含量及有機農藥殘留測定的報道[6-7]，而重金屬中，只有鉛、鎘、砷、汞4種元素測定的相關研究[8]，未見同時測定6種重金屬的報道。重金屬是指一類對人類身體有害的金屬元素，會影響中藥藥效。近年來，由于環境污染，造成對土壤的重金屬等污染，從而影響了各種中藥材的生長和質量[9-10]，而草烏藥材使用的是其干燥塊莖部，其污染更直接。由于重金屬在人體內易于累積，難以排除，且在人體易于和酶蛋白結合，使蛋白質失去活性，進而損傷人體組織細胞，同時會破壞人體的免疫系統和損傷器官[11]，如果服用含有重金屬污染超標的藥材，不僅起不到治療藥效，甚至會給身體帶來一定的傷害，因此，有必要對草烏藥材中有害重金屬進行定量。

目前，對中藥材的重金屬測定主要有試管比色法、原子吸收光譜法[12]、原子熒光光譜法[13]、ICP-OES[14]法、ICP-MS[15-16]法等。各種方法均有其各自的特點和使用范圍，《中國藥典》2015年版四部收載的為原子吸收光譜法和ICP-MS法，電感耦合等離子體法因其具有較高靈敏度和檢出限，是目前公認的同時測定多種痕量元素的常用方法，因此，廣泛用于食品、藥品、環境等各個行業。故本文參考2015年版《中國藥典》四部重金屬指導原則和相關文獻[17]，建立ICP-MS同時測定草烏藥材中6種有害重金屬元素的含量，并采用聚類分析對其結果進行質量評價，從而為保證其臨床用藥安全提供依據。

1 儀器與試藥

1.1 儀器 Agilent7500A型電感耦合等離子體質譜儀(美國安捷倫公司)；MARS6微波消解儀(美國培安儀器有限公司)；Sartorius BP210S電子分析天平(德國賽多利斯有限公司)。

1.2 標準物質與試藥 Pb、Cd、As、Cu、Cr等多元素標準溶液(1 000 μg/ml)，批號：GNM-M251678-2016；內標溶液 Bi、Ge、Sc、In等元素的標準溶液(1 000 μg/ml)，批號：GSB 04-1719-2004，Au單元素標準溶液(1 000 μg/ml)，批號：GSB 04-1715-2004，均購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心，Hg單元素標準溶液(1 000 μg/ml)，批號：GBW08617，購自中國計量科學研究院；KED調諧液(美國Agilent公司)；65%優級硝酸購自美國Merck股份兩合公司，水為超純水(美國Millipore公司)，容量瓶和移液管均為聚乙烯塑料瓶(德國布蘭德公司)，12批草烏藥材來自6個產地，均購自廣州清平中藥材市場。所購藥材均經梁文能副主任中藥師鑒定，為毛茛科植物北烏頭AconitumkusnezoffliReichb.的干燥塊根。見表1。

2 方法與結果

2.1 ICP-MS工作條件 ICP-MS儀器參數：RF發射功率1 300 W，霧化氣流速0.87 L/min；輔助氣體流量1.0 L/min；冷卻氣體流量18.0 L/min；采樣深度7.2 mm，樣品提升速率1.0 L/min，液氬壓力0.6 mPa；脈沖電壓850 V；樣品沖洗時間40 s；延遲16 s；數據采集模式全定量方式；讀數時間3 s，每個樣品測定3次。測定時選取同位素208Pb和202Hg以209Bi做內標物，114Cd以115In做內標物質，52Cr以47Sc做內標物，63Cu、75As以Ge做內標物質。

表1 12批不同產地草烏藥材樣品的來源

2.2 溶液的制備

2.2.1 標準儲備溶液的制備 分別精密吸取“1.2”項下的Pb、Cd、As、Cu、Cr的多元素標準溶液1 ml以及Hg單元素標準溶液1 ml置同一100 ml量瓶中，用2%硝酸稀釋至刻度，搖勻，作為對照品混合溶液(每1 ml分別含Pb、Cd、As、Cu、Hg、Cr 10 μg)。

2.2.2 標準溶液的制備 精密量取“2.2.1”項下的混合標準儲備液適量，用2%硝酸分別稀釋制成每1 ml中含Pb 5、10、20、30、40 ng，Cd 0.5、1、2、3、4 ng，Cr 5、10、15、20、30 ng，Cu 0.04、0.2、0.4、0.6、0.8 μg，As 2、6、10、16、20 ng，Hg 2、6、10、14、18 ng的系列標準溶液，同時取2%硝酸作為標準品的空白溶液。

2.2.3 內標溶液的制備 精密量取“1.2”項下的Sc、Bi、Ge和In單元素標準溶液1 ml置100 ml量瓶中，用超純水稀釋至刻度，搖勻作為內標溶液的儲備溶液，精密吸取上述內標溶液的儲備溶液1 ml置100 ml量瓶中，用超純水稀釋至刻度，作為內標混合溶液(每1 ml分別含Sc、Bi、Ge、In 0.1 μg)。

2.2.4 供試品溶液的制備 取四川成都產的制草烏藥材，粉碎，過二號篩，粉末備用，精密稱取上述粉末0.5 g，置聚四氟乙烯微波消解罐中，加入硝酸10 ml，混勻，浸泡過夜，然后置于微波消解儀中，按表2中微波消解程序進行消解。消解完成后，用趕酸器將消解液揮發至約1～2 ml時，用水少量多次轉移至50 ml聚四氟乙烯容量瓶中，加入Au單元素標準溶液(1 μg/ml) 200 μl，加水稀釋定容至刻度，搖勻，作為供試品溶液，同時制備樣品空白溶液。

表2 微波消解儀工作條件

2.3 線性關系考察 取“2.2.2”項下混合標準系列溶液，按照“2.1”項下的ICP-MS儀器工作條件進行測定，采用“2.2.3”項下0.1 μg/ml的內標溶液作為校正，依次將進樣管插入各個混合標準系列溶液中測定，內標管插入內標溶液中，以各個元素測量的信號值為縱坐標Y，相對應的濃度(ng/ml)為橫坐標X，進行線性回歸。結果各元素線性方程及相關系數等參數見表3。

表3 線性方程及相關參數

2.4 精密度試驗 在“2.2.2”項下的各元素線性范圍內，分別取各個元素的低、中、高3種不同濃度的混合標準系列溶液，按“2.1”項下的儀器條件進行測定，每種濃度重復測定6次，記錄信號值，結果顯示，RSD均在5%之內，表明該儀器的精密度良好。見表4。

表4 精密度試驗結果(%)

2.5 重復性試驗 精密稱取四川成都產的制草烏藥材粉末0.5 g，同時制備6份樣品，按“2.2.4”項下的供試品溶液方法制備，按照“2.1”項下條件進行測定，分別計算6種元素的含量，結果Pb、Cd、Cr、Cu、Hg、As的平均含量為0.240 5、0.028 7、0.289 6、2.825 0、0.041 5、0.135 2 mg/kg，RSD分別為4.02%、4.86%、3.23%、1.22%、1.79%、2.65%，表明樣品的重復性良好。

2.6 穩定性試驗 精密稱取四川成都產的制草烏藥材粉末0.5 g，按“2.2.4”項下的供試品溶液制備方法制備，按照“2.1”項下的儀器條件分別于0、1、2、4、8、12、16、20、24 h進樣測定，記錄各元素的信號值。結果Pb、Cd、Cr、Cu、Hg、As各元素RSD值分別為4.15%、3.26%、2.78%、1.16%、2.56%、2.68%。結果表明，該供試品溶液在24 h內穩定性良好。

2.7 加樣回收率試驗 精密稱取已知含量四川成都產的制草烏藥材粉末0.25 g，置聚四氟乙烯消解罐內，同時制備6份樣，另取“2.2.1”項下的多元素混合標準和Hg單元素標準溶液，用水稀釋成每1 ml含Pb、Cr、As各0.1 μg/L，Cd、Hg各0.01 μg/L，Cu 1 μg/L的混合標準溶液，作為加標溶液，分別向上述6份樣品中加入加標溶液各1 ml，然后按“2.2.4”項下的供試品溶液制備，同時做樣品空白，按“2.1”項下的儀器工作條件進行測定，分別計算各元素加樣回收率，測定結果見表5。

2.8 樣品測定 取上述12個不同產地的制草烏藥材，按“2.2.4”項下的供試品溶液制備方法制備，同法制備空白溶液，按“2.1”項下的儀器條件進行測定，測定結果見表6。

2.9 聚類分析實驗 對上述12個不同產地的制草烏藥材中6種重金屬含量的結果，采用SPSS 20.0統計軟件對其進行聚類分析，采用組間聯接方法，平均Euclidean距離，進行層次聚類，結果當平均Euclidean距離為5時，12批樣品共分為四大類，見圖1，其中S2號(吉林長春)、S9號(安徽合肥)為第1類；S10號(河南信陽)、S12號(河北保定)為第2類；S6號(內蒙古赤峰)為第3類；S8號(山東臨沂)、S11號(貴州銅仁)、S5號(湖南婁底)、S7號(新疆伊犁)、S3號(陜西漢中)、S4號(陜西商洛)、S1號(四川成都)為第4類，聚類結果顯示同一類之間的重金屬含量結果相似度較高，不同類之間差異較大，因此，可以初步判斷不同產地制草烏藥材中重金屬含量的差異。

表5 加樣回收率試驗結果

表6 不同產地制草烏藥材測定結果(mg/kg)

注：“ND”表示未檢出

圖1 制草烏藥材中6種重金屬系統聚類分析結果

3 討論

3.1 消解酸體系的選擇 首先將制草烏藥材進行粉碎，過二號篩備用，分別采用HNO3、HNO3-HCl(9∶1)、HNO3-H2O2(8∶2)、HNO3-HF(9∶1)等體系進行消解樣品。結果顯示，上述4種體系的酸都可以把制草烏藥材消解完全，且消解液均為澄清透明無殘渣。但是考慮到使用的酸體系越復雜，對實驗的測定干擾就越大，而且在ICP-MS測定中酸體系越多，引入的元素就越多，越會影響測定結果的準確性。采用HNO3-HCl(8∶2)作為消解液時，會引入Cl，Cl與Ar形成40Ar35Cl而干擾75As的測定，如果采用HNO3-HF(9∶1)體系，會引入HF。在趕酸過程中，如果HF趕酸不徹底，會對儀器的霧化室、通透鏡、采樣錐和炬管產生一定的腐蝕作用，進而影響儀器的使用壽命。實驗中發現，如果采用HF，需要在趕酸近干時，多次少量加水進行趕酸，從而保證HF徹底揮發，最后綜合考慮并參考2015年版《中國藥典》四部重金屬的指導原則，采用HNO3作為制草烏藥材的消解體系。由于所測重金屬元素為痕量物質，因此，實驗所用的移液管和容量瓶均為聚乙烯塑料材質，使用前需用20%硝酸溶液浸泡過夜，減少污染，從而保證數據的準確性。

3.2 供試品的制備 本研究發現，汞元素的回收率較低，基本為50%～60%，通過多次實驗發現，在供試品制備的過程中，趕酸溫度影響很大。如果超過140 ℃進行趕酸，汞元素會揮發掉，影響結果的準確性，如果在80 ℃以下趕酸，回收率基本可以在80%以上。因此，實驗中，趕酸需要溫度較低，從而保證汞元素的測定。汞具有強的吸附性，極易附著在儀器的采樣錐、樣品管和矩管上，影響其他元素的測定，因此，在樣品中要加入一定的Au元素標準溶液。由于汞可以與金形成金汞齊，使其溶解，減少儀器污染，從而保證測定結果的準確性。

3.3 ICP-MS的優點 ICP-MS在測定重金屬時具有較高的靈敏度和準確性，在測定中為了使儀器的靈敏度最高，減少相互之間的干擾，補償基體效應，依據質量數相近，電離電位相近的原則選擇47Sc作為Cr、209Bi作為202Hg和208Pb、72Ge作為64Cu和75As、115In作為114Cd元素的內標溶液，結果發現可以減少元素直接的干擾，保證結果的準確性，同時采用ICP-MS同時測定多種元素，具有分析速度快、靈敏度高、一次進樣測定多個元素的優勢，從而縮短實驗時間，提高實驗效率，因此，本實驗采用ICP-MS法同時測定12批不同產地的制草烏藥材中6種重金屬元素，解決了原子吸收、原子熒光光譜等儀器對重金屬元素逐個分析的現狀，大大提高了工作效率。

3.4 結果的判定 目前2015年版《中國藥典》僅對西洋參、黃芪、枸杞子等部分藥材的重金屬做了限度要求，其余大部分藥材中重金屬尚未制定標準，參考《中國藥典》部分藥材的規定以及《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》對重金屬的規定為鉛≤5 mg/kg，鎘≤0.3 mg/kg，鉻≤2 mg/kg，銅≤20 mg/kg，汞≤0.2 mg/kg，砷≤2 mg/kg。實驗通過對不同產地的12批制草烏藥材中6種重金屬的測定，發現12批不同產地的制草烏藥材中，鉛、鉻和銅的合格率為100%，沒有超標現象。河南信陽產地草烏藥材中鎘、汞和砷均有超標現象。河北保定僅有砷元素超標，總體質量比較良好，超標的原因可能是由于當地長期施用工業磷肥中的鎘和砷造成的，以及與當地的植物生長的土壤環境有關，應引起當地監管部門的注意。為了防止重金屬污染，必須從源頭做起，如在具有優良GAP的產地進行種植和栽培，嚴格控制藥材生長的環境、化肥等，從而保證藥材的安全性和有效性。建議制草烏藥材的質量標準中增加重金屬的檢查項目。

4 小結

從本文所建立的方法來看，制草烏中仍然有可能出現重金屬超標的現象，而且不同產地的制草烏藥材中6種重金屬含量差異較大，有的產地會有多種元素同時超標的現象，因此，需要提高藥材的質量標準來保證臨床用藥的安全性和有效性。本文建立的方法操作簡單，快速，準確，可以為完善制草烏藥材的質量標準提供一定的依據。