ICP-MS測定不同產地藜麥中27種無機元素

張國香，胡秋霞*，李剛

山西省科技資源與大型儀器開放共享中心（太原 030000）

藜麥為一年生莧科藜亞科植物，原產于南美洲安第斯山脈高海拔山區，具有一定的耐寒、耐旱、耐鹽性，與大多數谷類作物相比，藜麥更是雜糧中的珍品，有“谷物之母”的美譽，是聯合國糧農組織推薦的唯一的全谷全營養完全蛋白堿性食物[1-4]。藜麥具有豐富的營養價值，特別是含有全面的蛋白質、氨基酸、礦物質、維生素及酚類化合物，除能滿足人體所必需的營養物質外，還具有顯著的抗氧化、抗癌、降血壓等多種藥理作用。近年來，藜麥成為食品和醫藥行業廣泛關注的研究對象[5-7]。我國對藜麥的研究仍處在育種、栽培和初加工、生物活性等方面[8]，然而植物的生長環境不同所吸收的成分有所差異，導致其品質也有所差異，無機元素是植物生長發育、產量和品質構成的重要因素，如同中藥無機元素的種類、含量影響中藥品質和療效[9-11]。所以不同產地的藜麥中無機元素種類和含量可能存在差異。因此，研究不同產地藜麥無機元素、揭示產地對藜麥品質的影響，為評價藜麥質量提供依據。指紋圖譜技術是基于中藥或農作物的固有品質特性，能夠反映其內部特征的圖譜，對中藥材或糧食質量控制具有整體性、系統性、特征性和穩定性，成為中藥（糧食）質量控制和評價的熱點之一[12]。

關于藜麥無機元素指紋圖譜方面的研究鮮見報道。研究采用ICP-MS法測定藜麥中27種無機元素，建立多產地共19批次藜麥樣品的無機元素指紋圖譜，并結合系統聚類分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）等方法對數據進行深入挖掘和分析，進行藜麥質量分析和評價，以期為全面控制藜麥質量提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

標準物質小麥GBW 10010a（GSB-2a，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究院）；藜麥樣品來自山西、青海、甘肅等地（均為白藜麥），見表1。

表1 藜麥樣品信息

多元素混合標準儲備液（美國安捷倫公司）：含有K、Na、Ca、Mg、Fe（1 000 μg/mL），Sr（100 μg/mL），Ag、Mo、As、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Se、Th、Tl、U、V、Zn（10 μg/mL）。P單元素標準溶液和Hg單元素標準溶液（1 000 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心）；內標元素標準儲備液Li、Sc、Ge、Y、Rh、In、Re、Bi（10 μg/mL，美國南卡羅來納州o2si公司）；濃硝酸（優級純，成都市科龍化工試劑廠）；實驗室用水均為超純水。

1.2 儀器與設備

Perkin Elmer NexTON 300X ICP-MS電感耦合等離子體質譜儀（美國，PerkinElmer公司）；DigiBlock ED54電熱消解儀（Lab Tech公司）。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

將干燥后的藜麥粉碎過0.25 mm（69目）篩，精密稱取藜麥粉0.500 0 g，置于50 mL消解管中，加5 mL濃硝酸，搖勻浸泡過夜，置于電熱消解儀上，升溫至120 ℃保持1 h，打開蓋子趕酸至近干，冷卻至室溫，用1%硝酸溶液定容到50 mL，搖勻，得到待測溶液。在相同條件下處理標準物質和樣品空白，每個樣品1式3份。

1.3.2 ICP-MS測定條件

電感耦合等離子體質譜儀工作條件設定：射頻功率1 100 W，等離子體氣流速度15.0 L/min，霧化氣流速1.0 L/min，輔助氣流速1.0 L/min，每個樣品重復3次。

1.3.3 準確度和精密度

通過生物成分標準物質GBW 10010a（GSB-2a小麥）驗證元素含量的準確性（表3）。結果顯示，該生物成分標準物質中不含Be和U，Hg、Th和Tl的含量低，扣除空白后未檢出，其他元素含量基本與參考值相符。對標準物質中不含或只給出參考值的元素進行加標回收試驗，平均回收率為85%～110%，經用國家標準物質小麥對比分析證實該方法準確性良好，可滿足藜麥樣品中無機元素測定要求。

取混合標準溶液，在1.3.2的條件下連續測定6次，計算得到27種元素的SRSD為0.15%～0.98%，表明精密度良好。

表2 標準物質中27種元素質量分數

1.4 數據處理

采用Origin 8.0繪制無機元素指紋圖譜，通過統計分析軟件SPSS 22.0對19批藜麥樣品進行聚類分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 藜麥樣品無機元素含量

不同產地藜麥樣品中的27種無機元素含量測定結果見表3。結果表明，藜麥中27種無機元素含量差別較大，不同產地藜麥樣品中均含有大量人體必需元素K、P、Ca、Mg等，其中：K元素的含量最高（平均值為7 647 μg/g）；其次含量較高的元素依次為P、Mg、Ca；不同產地藜麥中還含有Fe、Mo、Co等微量元素。

表3 藜麥中無機元素含量

為了更直觀表達不同地區藜麥中各無機元素的含量高低，繪制Heatmaps圖（圖1）。由于Be、Ag、Sb、Hg、TI、Th、U在多個產地藜麥中低于檢出限，因此在繪制Heatmaps圖時，將這些數據剔除。由表3及圖1可見，同一元素在不同產地之間的含量差異較大，如K元素含量，玻利維亞-3含量最低，最低值為3 647 μg/g，青海海西含量最高，可達10 460 μg/g。有害元素含量均未超過其限量。

圖1 藜麥樣品中無機元素含量熱圖分析

2.2 無機元素指紋圖譜的建立

ICP-MS測定的元素含量為一組獨立的離散數據，建立無機元素指紋圖譜需要將元素含量轉化為圖形。剔除未檢出的元素，將其余元素種類為橫坐標，其對應含量為縱坐標，繪制無機元素指紋圖譜（圖2）。由于藜麥中27種無機元素含量差別較大，為了便于繪制指紋圖譜，參考文獻[13]，將含量懸殊的元素同時擴大或縮小至統一數量級（K、P、Mg縮小1 000倍，Ca縮小100倍，V、Cr、Co、As、Se、Cd、Pd擴大100倍，Ni、Mo、Ba擴大10倍），采用Origin 8.0軟繪制無機元素指紋圖譜。由圖2可見，藜麥元素指紋圖譜的峰形與走勢基本一致，但清楚可見部分樣品的峰形存在特異性且相對含量差異明顯，所建立的無機元素指紋圖譜可直觀顯示出不同產地間的差異信息。

圖2 藜麥的無機元素指紋圖譜

2.3 聚類分析

聚類分析是根據樣本的相似度進行歸類的，在中藥應用較多。試驗數據導入SPSS 22.0軟件，采用組間連接法，選用歐氏距離對19批樣品進行系統聚類分析（見圖3）。結果表明，聚類分析可將藜麥大致分成三類。第1類：S1、S2、S3、S6、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S19。第2類：S4、S5、S7、S18。第3類：S14、S15、S16、S17。結合表1藜麥樣品產地信息可知：第1類樣品來自我國山西、青海、云南和內蒙；第2類樣品來自我國甘肅、寧夏和新疆；第3類樣品分別來自于秘魯和玻利維亞。由此說明，藜麥的產地對其質量影響較大，導致不同樣品之間差異性的原因可能與其土壤、氣候和水質等因素有關。因為種植氣候、土壤、地理空間不同，作物的生長狀況就會出現一定差異，土壤中微量元素與水分也有一定差異，導致植物吸收的營養成分也大不相同[14-15]，所以不同產地的藜麥質量也存在一定差異。

圖3 藜麥無機元素的聚類分析

2.4 主成分分析

剔除未檢出的元素，采用SPSS 22.0軟件將20種元素含量進行主成分分析，得到各主成分特征值、貢獻率和累計貢獻率（表4）。前5個主成分初始特征值（分別為6.716，3.169，2.552，1.929和1.656）均大于1且累計貢獻率大于80.106%，說明前5個主成分可以解釋，對前5個主成分因子進行分析，第1主成分因子負荷量較大的是Mg、P、Fe，第2主成分因子負荷量較大的是Se、Cd，第3主成分因子負荷量較大的是V，第4主成分因子負荷量較大的是Mn、Ba，第5主成分因子負荷量較大的是Co。因此可初步認為Mg、P、Fe、Se、Cd、Mn、Ba、Co是影響藜麥無機元素組成的特征元素。

表4 主成分初始特征值和貢獻率

3 結論

采用ICP-MS法測定多產地藜麥中27種無機元素的含量，建立各產地藜麥的無機元素指紋圖譜，并通過聚類分析、主成分分析方法對其元素分布規律進行研究。

有機成分是藜麥質量控制和評價的重要指標，無機元素主要從常量元素進行分析，而對其他無機元素并未足夠重視。使用PCA發現了藜麥的特征元素為Mg、P、Fe、Se、Cd、Mn、Ba、Co。此外，基于19批樣品的20種元素建立的無機元素圖譜顯示無機元素含量差異明顯，推測其原因可能與種植環境有關，為后續藜麥的質量評價提供參考依據。