基于化學計量學的不同產地香附中14種無機元素的含量比較

許娜 王世宇 李文兵 傅超美 陳胡蘭 盧君蓉

摘 要 目的：建立香附藥材中無機元素的含量測定方法，并比較不同產地香附中14種無機元素的含量，為該藥材質量控制和優質資源開發提供理論基礎。方法：采用微波消解法對樣品進行處理，再采用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）法測定香附藥材中Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Pb的含量，運用SPSS 23.0軟件對數據進行主成分分析和聚類分析。結果：不同產地香附藥材中上述14種無機元素的平均含量依次為168.62、753.71、6 938.33、24.31、14.69、197.77、0.60、2.43、26.89、0.21、0.06、5.64、0.05、0.32 mg/kg。主成分分析結果顯示，前4個主成分的累計方差貢獻率為86.203%，可以反映原始數據的大部分信息;山東、江西、山西、湖北、云南所產香附的無機元素含量綜合得分排在前5位。聚類分析結果顯示，9個產地樣品共聚為5類，呈現出按產區聚類的特點;從無機元素角度分析，華東、華中、華北、西南產區香附的質量優于華南產區樣品。結論：香附藥材中富含Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr等人體必需元素，含有少量Ni、As、Se、Cd、Pb元素;不同產地香附藥材無機元素的含量差異與所在地理片區具有相關性。

關鍵詞 香附;產地;微波消解法;電感耦合等離子體質譜法;無機元素;含量;主成分分析;聚類分析

中圖分類號 R284.1 文獻標志碼 A 文章編號 1001-0408（2021）03-0289-06

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2021.03.07

ABSTRACT? ?OBJECTIVE： To establish the method for the content determination of inorganic elements in Cyperus rotundus， and to compare the contents of 14 kinds of inorganic elements in C. rotundus from different producing areas， and to provide theoretical basis for its quality control and high quality resources development. METHODS： The samples were processed by microwave digestion， and ICP-MS method was used to determine the contents of Na， Mg， K， Ca， Mn， Fe， Ni， Cu， Zn， As， Se， Sr， Cd and Pb. SPSS 23.0 software were used for principal component analysis （PCA） and cluster analysis. RESULTS： The average contents of above 14 kinds of inorganic elements in C. rotundus from different producing areas were 168.62， 753.71， 6 938.33， 24.31， 14.69， 197.77， 0.60， 2.43， 26.89， 0.21， 0.06， 5.64， 0.05， 0.32 mg/kg， respectively. The results of PCA showed that the cumulative variance contribution rate of the first four principal components was 86.203%， which could reflect most of the information of the original data. C. rotundus from Shandong， Jiangxi， Shanxi， Hubei and Yunnan ranked the top five places in terms of comprehensive score of inorganic element contents. The results of cluster analysis showed that the samples from 9 producing areas were clustered into 5 categories， showing the characteristics of clustering by producing area. From the perspective of inorganic elements， the quality of C. rotundus from East China， Central China， North China and Southwest China was better than that from South China. CONCLUSIONS： Essential trace elements like Na， Mg， K， Ca， Mn， Fe， Cu， Zn， Sr are rich in C. rotundus， and there are small amounts of Ni， As， Se， Cd， Pb elements in it. The contents difference of inorganic elements in C. rotundus from different origins may related to the geographical area it belongs to.

KEYWORDS? ?Cyperus rotundus; Origins; Microwave digestion method; ICP-MS; Inorganic elements; Contents; Principal conponent analysis; Cluster analysis

香附為莎草科植物莎草Cyperus rotundus L.的干燥根莖，具有疏肝解郁、理氣寬中、調經止痛之功效，臨床上常用于治療肝郁氣滯、胸脅脹痛、疝氣疼痛、乳房脹痛等癥[1]。現代研究表明，香附具有抑制子宮平滑肌收縮[2-3]、解熱鎮痛[4]、抗炎[5]、抗抑郁[6]、降血糖、降血脂[7-8]等多種藥理作用。目前對香附藥材的質量控制及其藥理藥效作用機制的研究多集中在香附中的有機化合物上，尚未見關于香附中無機元素的研究。無機元素對機體的生理機能調控具有重要的作用，藥材當中所含的無機元素對表征藥材質量及其功效具有潛在的重要意義[9-11]。本研究通過測定不同產地香附藥材中無機元素的含量，并對其進行主成分分析和聚類分析，旨在為香附的質量控制和優質資源開發提供理論基礎。

1 材料

1.1 主要儀器

本研究所用的主要儀器有：7700X型電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）儀（美國Agilent公司）、 MDS-8G型微波消解儀（上海新儀微波化學科技有限公司）、BP- 211D型萬分之一電子天平（德國Sartorius公司）等。

1.2 主要藥品與試劑

本研究所用的主要試劑有：Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Pb單元素標準溶液（國家標準物質研究中心，質量濃度均為1 000 μg/mL），27種元素混合標準溶液（美國Agilent公司，含Ag、Al、As、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cs、Cu、Fe、Ga、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Rb、Se、Sr、Ti、U、V、Zn各10 μg/mL），標準調諧液（美國Agilent公司，含Ce、Co、Li、Mg、Ti、Y各1 000? ? μg/mL），硝酸（優級純，成都市科龍化工試劑廠），去離子水。

不同產地（詳見表1）的香附藥材均購自成都荷花池中藥材專業市場，均經成都中醫藥大學藥學院盧先明教授鑒定為莎草科植物莎草C. rotundus L.的干燥根莖。

2 方法與結果

2.1 ICP-MS條件

射頻功率為1 550 W;采樣深度為10 mm;等離子氣流量為15.0 L/min;載氣流速為0.90 L/min;霧化室溫度為2 ℃;碰撞模式為He模式，He氣流量為4.5 mL/min;蠕動泵轉速為0.10 r/s;測量點數/峰為3;數據采樣模式為跳峰采集，重復采集3次[12]。

2.2 微波消解條件

采用程序升溫法進行微波消解：0～10 min，從室溫升至120 ℃;11～15 min，從120 ℃升至150 ℃;16～20 min，從150 ℃升至180 ℃。

2.3 標準品溶液的制備

分別精密量取Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Pb單元素標準溶液適量，置于同一50 mL量瓶內，用10%硝酸溶液稀釋制成每1 mL含上述14種元素分別為20、200、500、10、10、50、2、10、5、0.5、0.5、1、1、1 μg的混合標準品貯備溶液。精密量取該貯備溶液1、2.5、5、10 mL，分別置于50 mL量瓶內，用10%硝酸溶液稀釋制成系列混合標準品溶液。

2.4 供試品溶液和空白溶液的制備

將香附藥材于60 ℃干燥2 h，粉碎成粗粉;取約0.5 g，精密稱定，置聚四氟乙烯（PTFE）微波消解罐中，加硝酸10 mL，按“2.2”項下消解條件進行消解;待消解完全后取出，冷卻至室溫，將消解液轉入50 mL量瓶中，加水定容，搖勻，即得供試品溶液。取硝酸10 mL置于微波消解罐中，按上述供試品溶液制備方法同法制得空白溶液[13]。

2.5 線性關系及檢出限考察

精密移取“2.3”項下的混合標準品貯備液、系列混合標準品溶液和“2.4”項下空白溶液，按“2.1”項下條件進樣測定，計算峰面積。以標準品的質量濃度（x）為橫坐標、峰面積（y）為縱坐標繪制標準曲線，求得線性回歸方程，詳見表2。由表2結果可知，各元素的R2均不小于0.999 0，表明該方法線性關系良好。

另取“2.4”項下空白溶液同法測定10次，以連續測定空白溶液響應值的3倍標準偏差（SD）所對應的待測元素質量濃度作為檢出限，結果見表2。

2.6 精密度試驗

精密量取“2.3”項下混合標準品貯備溶液5 mL，置于50 mL量瓶中，用10%硝酸溶液稀釋，按“2.1”項下條件進樣測定，連續進樣6次，記錄峰面積。結果，各元素峰面積的RSD為0.73%～2.37%（均小于3%），表明儀器精密度良好。

2.7 重復性試驗

取香附樣品（樣品編號S1）粉末0.5 g，平行6份，分別按“2.4”項下方法制得供試品溶液，再按“2.1”項下條件進樣測定，記錄峰面積，采用標準曲線法計算樣品含量。結果，各元素含量的RSD為1.34%～3.85%（均小于5%，n=6），表明該方法重復性良好。

2.8 穩定性試驗

取香附樣品（樣品編號S1）粉末0.5 g，按“2.4”項下方法制得供試品溶液后，分別于室溫下放置0、1、2、4、8、16、24 h時按“2.1”項下條件進樣測定，記錄峰面積。結果，各元素峰面積的RSD為1.15%～2.76%（均小于3%，n=7），表明供試品溶液在室溫下放置24 h穩定性良好。

2.9 加樣回收率試驗

取已知含量的香附樣品（樣品編號S1）粉末0.25 g，平行6份，精密稱定，再精密加入“2.3”項下混合標準品貯備溶液，按“2.4”項下方法制得供試品溶液，然后按“2.1”項下條件進樣測定，記錄峰面積，采用標準曲線法計算樣品中各元素含量，并計算加樣回收率。結果，各元素的平均加樣回收率為91.26%～111.57%，RSD為0.65%～2.47%（均小于3%，n=6），表明該方法準確度良好。

2.10 樣品含量測定

取11批香附樣品粉末，分別按“2.4”項下方法制得供試品溶液。取供試品溶液適量，按“2.1”項下條件進樣測定，記錄峰面積，采用標準曲線法計算樣品中各元素含量（平行3份，取均值），結果詳見表3、圖1。

由表3和圖1可知，11批香附藥材中均含有Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Pb等14種無機元素，其平均含量分別為168.62、753.71、6 938.33、24.31、14.69、197.77、0.60、2.43、26.89、0.21、0.06、5.64、0.05、0.32 mg/kg，其中K、Mg、Fe、Na 4種元素含量較高;重金屬元素Cu、Cd、Pb、As、Hg（由于Hg在樣品中含量太低未被檢測到，故本文未對其進行分析）的含量均在2020年版《中國藥典》規定的5種重金屬元素限量范圍之內（Cu≤20 mg/kg、Cd≤1 mg/kg、Pb≤5 mg/kg、As≤2 mg/kg、Hg≤0.2 mg/kg）[13]。

2.11 主成分分析

以不同產地香附藥材中所含的14種無機元素含量為變量，采用SPSS 23.0軟件進行主成分分析，以特征值大于1為提取標準，旨在考察無機元素含量與產地間的關系，結果詳見表4、圖2。由表4和圖2可知，前4種主成分的累計方差貢獻率為86.203%，說明提取的前4種主成分可以反映原始色譜峰的大部分信息，可用于評價香附藥材的質量。

采用SPSS 23.0軟件對數據進行因子分析，得旋轉成分矩陣，詳見表5。由表5可知，Sr、Cu、Na、Mg元素的含量在第1主成分的載荷值較高，說明這4個元素信息由第1主成分反映;Se、Ni、Fe、Cd元素的含量在第2主成分的載荷值較高，說明這4個元素信息由第2主成分反映;K、Ca、Mn元素的含量在第3主成分的載荷值較高，說明這3個元素信息由第3主成分反映;As、Zn、Pb元素的含量在第4主成分的載荷值較高，說明這3個元素信息由第4主成分反映。

以各成分因子得分乘以對應的特征值算術平方根即為各主成分得分（F1、F2、F3、F4）。以各主成分得分的方差貢獻率占累積方差貢獻率的比例作為權重，計算綜合得分（F），公式為：F=（35.991F1+25.439F2+14.975F3+9.798F4）/86.203。結果顯示，不同產地香附藥材所含無機元素含量的綜合得分排序為S2>S5>S8>S4>S6>S11>S7>S1>S10>S3>S9，即山東、江西、山西、湖北、云南所產香附的無機元素含量的綜合得分排在前5位。其中，山東所產香附在主成分1和主成分2上的得分均顯著高于其他產地樣品，山西所產香附在主成分3上的得分顯著高于其他產地樣品，四川所產香附在主成分4上的得分顯著高于其他產地樣品，詳見表6。

2.12 聚類分析

為進一步探究各產地間香附藥材所含無機元素是否有更多的內在聯系與規律，筆者采用SPSS 23.0軟件對不同產地香附藥材所含的14種無機元素含量進行聚類分析。通過對原始數據的標準化處理，采用K-均值聚類法，設置最大迭代次數為10、聚類數為5，結果見表7。

由表7可知，9個產地的香附藥材共聚為5類——華南產區（廣西、廣東和海南）所產香附聚為一類;西南產區（云南和四川）所產香附聚為一類;華中產區（湖北和江西）所產香附聚為一類;華北產區（山西）所產香附單獨聚為一類;華東產區（山東）所產香附單獨聚為一類。不同產地香附藥材中的無機元素呈現一定的產區聚類特點，這可能與不同產區自然環境中土壤、水質、氣候等因素存在差異有關。

3 討論

3.1 無機元素的測定和分析方法的確定

相比原子吸收光譜法和原子發射光譜法，ICP-MS法具有可同時測定多個元素、靈敏度高、分析速度快等優點[14-15]，因而備受分析工作者青睞。在本研究前期試驗中，筆者采用半定量法（SQ）掃描香附藥材中所含元素種類及相對含量，結果表明，香附藥材主要含有14種無機元素，其含量范圍為0.02～6 031.52 mg/kg。在此基礎上，本研究采用定量分析法對不同產地香附藥材中14種無機元素的含量進行了測定。

本文所采用的主成分分析和聚類分析的方法較適合于多變量復雜情形的分析，有助于為不同元素的主要貢獻及藥材產地的區分提供借鑒。

3.2 無機元素的測定結果分析

不同產地香附藥材中14種無機元素的含量測定結果顯示，香附藥材中富含Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr等人體必需的微量元素，含有少量Ni、As、Se、Cd、Pb元素，不同元素含量高低排序為K>Mg>Fe>Na>Zn>Ca>Mn>Sr>Cu>Ni>Pb>As>Se>Cd;不同產地香附藥材中所含5種重金屬元素含量均在2020年版《中國藥典》規定的限量范圍之內（未檢出Hg），未發現重金屬超標問題。從無機元素角度綜合考慮，山東、江西、山西、湖北、云南、四川等華東、華中、華北、西南產區香附的質量優于兩廣、海南等華南產區樣品。有關土壤、氣候、水質等因素與香附藥材所含無機元素的種類和含量的潛在聯系還需進一步挖掘。

3.3 無機元素與香附防病治病的相關性分析

香附素有“婦科之要藥”的美譽，對調節氣血功能失調所致的肝郁氣滯、胸脅脹痛、乳房脹痛等具有顯著療效[16-17]。Fe、Zn、Cu、Se等無機元素是人體必需的微量元素，能參與人體內多種酶、輔酶、維生素、激素及核酸的形成，可影響機體免疫、遺傳、內分泌、感染、生長發育等（如鐵元素與生物催化、呼吸鏈傳遞電子等相關;Zn、Cu、Se參與酶的合成[18-19]），與人體健康具有密切的聯系，其攝入量不足或過多都會引起相應的疾病。研究表明，中藥防治疾病的作用與其所含某些微量元素的含量多少密切相關，如使用富含鐵元素的補血中藥當歸、熟地治療缺鐵性貧血，使用富含鋅元素的補腎健脾類中藥太子參治療血中低鋅的慢性腎功能衰竭[20];解表類中藥常富含鐵元素，在防治呼吸道感染的治療中，鐵的補給有利于各種含鐵酶的修復和正常運轉，從而提高機體免疫力[21]，等等。本試驗所測定的14種微量元素中，Cu、Ca、Mn、Ni等元素具有體內催化作用，Zn、Se等元素具有增強機體免疫功能、提高機體抗病力的作用[22-24]。特別值得一提的是，本試驗所得含量排前4位的微量元素K、Mg、Fe、Na中，Fe元素是人體血液輸送與交換所必需的，也是許多氧化還原體系不可或缺的一種元素，為中藥發揮補氣、補血功效的重要元素之一[25-26];K、Mg、Na元素有助于保護機體心血管系統[27-29]，這些對于香附功效的發揮均具有重要的參考意義。

綜上所述，香附藥材中富含Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr等人體必需元素，含有少量Ni、As、Se、Cd、Pb元素;不同產地香附藥材中無機元素的含量差異與所在地理片區具有相關性。本研究結論可為進一步加強香附藥材質量控制和闡述其藥效作用機制提供參考。本課題組將對香附所含無機元素與其質量、功效的相關性展開進一步研究，以便于從無機元素的角度揭示其疏肝解郁、理氣寬中、調經止痛功效之科學內涵。

參考文獻

[ 1 ] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典：一部[S]. 2020年版.北京：中國醫藥科技出版社，2020：270.

[ 2 ] 丁平，田友清，陳國勝.香附油滴丸抗痛經作用研究[J].中藥新藥與臨床藥理，2015，26（1）：57-60.

[ 3 ] 郭慧玲，董能峰，胡律江，等.基于成分敲出策略辨識四制香附抗痛經的主要效應成分[J].中國實驗方劑學雜志，2017，23（8）：266-270.

[ 4 ] 鄧遠輝，劉瑜彬，羅淑文，等. α-香附酮的分離及其解熱鎮痛作用研究[J].中藥新藥與臨床藥理，2012，23（6）：620-623.

[ 5 ] 郭慧玲，王進誠，胡律江，等.香附不同炮制品的抗炎鎮痛作用比較[J].江西中醫藥大學學報，2017，29（1）：74-75、83.

[ 6 ] 賈紅梅，唐策，劉歡，等.基于網絡藥理學的香附抗抑郁作用機制研究[J].藥物評價研究，2019，42（2）：49-55.

[ 7 ] 羅嘉，黃佳.香附總黃酮對糖尿病大鼠血糖血脂及抗氧化活性的影響[J].解剖學研究，2017，39（6）：437-440、456.

[ 8 ] SINGH P，KHOSA R，MISHRA G，et al. Antidiabetic activity of ethanolic extract of Cyperus rotundus rhrhizomes in streptozotocin-induced diabetic mice[J]. J Pharm Bioallied Sci，2015，7（4）：289-292.

[ 9 ] 陳宏降，羅益遠，劉佳楠，等. ICP-MS分析魚腥草不同部位中無機元素差異[J].中國新藥雜志，2019，28（22）：2769-2775.

[10] 張穎，張振凌，楊佳寧，等.地黃不同炮制品中無機元素的ICP-OES法測定[J].時珍國醫國藥，2019，30（6）：1358- 1361.

[11] 顧志榮，薛春苗，曹俊嶺，等.鎖陽無機元素產地分布規律[J].中成藥，2020，42（8）：2101-2107.

[12] 陳佳，喬菲，金紅宇，等. ICP-MS法測定馬錢子中重金屬及有害元素含量的不確定度評定[J].藥物分析雜志，2013，33（12）：2176-2182.

[13] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典：四部[S]. 2020年版.北京：中國醫藥科技出版社，2020：43、520.

[14] 李蓉蓉，張俊杰，李昆，等. ICP-MS法分析腦震寧顆粒無機元素組成[J].中草藥，2019，50（10）：2347-2354.

[15] 鐘凌云，潘亮亮，馬冰潔，等. ICP-MS法測定10個產地葛根中6種重金屬[J].中成藥，2014，36（6）：1264-1267.

[16] 季寧平，周莉江，嚴鑫，等.醋制香附不同提取部位對肝郁血瘀模型大鼠的的影響[J].中藥與臨床，2017，8（2）：57- 60.

[17] 周莉江，嚴鑫，季寧平，等.醋制香附不同提取部位對肝郁型胃腸功能紊亂大鼠胃腸運動的影響[J].中藥材，2016，39（1）：174-177.

[18] 盧君蓉，李文兵，楊嵌，等.電感耦合等離子體質譜法測定不同批次良附丸中17種無機元素的含量[J].中國醫院藥學雜志，2017，37（23）：2340-2342、2409.

[19] 牛蕓民，楊天林.若干重要微量金屬元素的生物化學功能及其與人體健康的關系[J].微量元素與健康研究，2014，32（2）：78-80.

[20] 傅永懷.微量元素與健康[M].北京：中國醫藥科技出版社，1997：415.

[21] 安生梅，周長會.解表類中草藥中微量元素的主成分分析[J].甘肅聯合大學學報（自然科學版），2013，27（2）：59-61.

[22] 李潔，陳俊秀，農蕊瑜，等.電感耦合等離子體質譜法測定云南市售大米中4種有益元素[J].食品安全質量檢測學報，2021，12（1）：303-308.

[23] 賈秦亮，白重陽，段美婷，等.免疫性不孕患者全血Cu、Zn、Se水平及與炎性因子相關性研究[J].現代生物醫學進展，2020，20（21）：4117-4120、4181.

[24] 鄭明，金情政，王也，等. ICP-MS法分析衢枳殼中的無機元素[J].華西藥學雜志，2020，35（5）：527-532.

[25] 劉媛，李敏，陳驍鵬.基于熱圖和聚類分析的毛冬青18種無機元素間的相關性研究[J].天然產物研究與開發，2020，32（7）：1111-1117、1227.

[26] 肖小麗，王曉琴，黃秀麗，等.電感耦合等離子體質譜法分析靈芝孢子油中的微量元素含量[J].現代食品科技，2017，33（8）：282-288.

[27] 姜濤，姚藝新，劉子禎，等.貴州不同產地前胡24種無機元素評價分析[J].亞太傳統醫藥，2020，16（8）：68-74.

[28] 歐金梅，王瑞，程慶兵，等. ICP-MS法測定不同產地烏梅無機元素含量[J].中草藥，2020，51（2）：482-489.

[29] 李莉，李德坤，鞠愛春. HPLC-ELSD法測定注射用益氣復脈（凍干）中鈉元素[J].藥物評價研究，2018，41（3）：489-492.

（收稿日期：2020-09-02 修回日期：2021-01-18）

（編輯：胡曉霖）