基于粉末X射線衍射和電子自旋共振技術對全蝎的檢測

項太平，張 進，路大勇，劉巧麗

(吉林化工學院 材料科學與工程研究中心，吉林 吉林 132022)

全蝎原名“蠍”，鉗蝎科動物東亞鉗蝎(Buthus martensii Karsch)，始載于宋代《開寶本草》，《本草綱目》列于蟲部第40卷[1].春末至秋初捕捉，除去泥沙，置沸水或沸鹽水中，煮至全身僵硬，撈出，置通風處，陰干.其味辛、性平、有毒，歸肝經，具有熄風鎮痙、通絡止痛、攻毒散結之功效[1-2].臨床多用于治療驚風、抽搐痙攣、瘰疬等[3].迄今為止，已發現近2 000種[3]，分屬16科210屬.目前，國內已記錄的全蝎共53種，分屬5科12屬，省份分布于山東、山西、河南等地[3-4]，其養殖技術成熟，野生資源豐富，儲量巨大.

近年來，眾多學者主要研究全蝎的化學成分和藥理作用[5-6].研究發現，Cu、Mn、Ca等為人體必需的有益微量元素，也是臨床防病、治病基礎物質的重要組成元素[7]，然而，在全蝎質量安全控制方面缺乏有效方法[8].2006～2010年，呂揚等人嘗試用粉末X射線衍射(powder X-ray diffraction，PXRD)法對動物類中藥材全蝎的PXRD Fourier圖譜進行了鑒定[9-10]，但未涉及全蝎質量安全控制和過渡金屬元素檢測.2015年版的《中國藥典》一部中給出了全蝎的性狀、顯微鑒別、浸出物和黃曲霉毒，但該標準不足以全面反映全蝎質量[11].因此，為了系統評價全蝎質量特性，本文建立了一種對全蝎中明礬、鹽類成分鑒定的新型檢測方法.

PXRD和電子自旋共振(electron spin resonance，ESR)技術是一種在材料科學領域廣泛應用、簡單快捷、針對晶體的無損檢測技術[12-14].本研究基于PXRD以及ESR技術聯用建立的一種對全蝎中明礬、硫酸鹽等無機鹽以及Fe3+、Cu2+和Mn2+過渡金屬離子進行無損檢測的新方法，并采用電感耦合等離子體發射光譜(ICP)對Mn2+的來源和含量進行驗證.PXRD和ESR技術在動物類中藥質量控制研究方面具有廣闊的應用前景，為我國中藥材微量元素的研究提供參考.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

10種全蝎在市面上隨機采購，其信息詳見表1；用于PXRD鑒定和量化評價所用的化學試劑信息詳見表2.

表1 全蝎樣品信息

表2 化學試劑信息

DX-2700型X射線衍射儀(丹東浩元儀器有限公司)；A300-10/12型X波段電子自旋共振波譜儀(德國Bruker公司)；AR-1140型電子分析天平(美國OHAUS公司)；HYT498LA型電子防潮柜(鹽城歐萊克電子設備有限公司)；FW80型微型高速萬能試樣粉碎機(北京中興偉業儀器有限公司)；TG16-WS型臺式高速離心機(湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司)；MS-M-S10型10通道磁力攪拌器(上海勵海實業有限公司)；DHG-9145A型電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司).

1.2 實驗過程

從每種全蝎樣品中隨機取出3只樣品，依次用粉碎機粉碎，過100目篩制成細粉；分別取2～3 g，并為每只設3個平行對比實驗.從每種全蝎樣品中隨機再抽取3只全蝎，制成細粉，在磁力攪拌器中攪拌30 min，溶解鹽分；將攪拌好的溶液轉移到離心管中，放入臺式離心機中實驗3次，每次5 min；緩慢倒出管中液體，將余下的全蝎粉末置于電熱鼓風干燥箱(65 ℃)中烘干24 h；取樣進行測試.為防止樣品受潮，上述所有細粉均保存于電子防潮柜，濕度1%，儲存溫度設定為18 ℃.

2 結果與討論

2.1 全蝎粉末的PXRD譜圖分析

2.1.1 全蝎的PXRD鑒定

目前市售全蝎的炮制方法主要有以下幾種：凍殺干燥法、鹽制法、流通蒸汽法、遠紅外輻射干燥法、酒制法和枯礬制法[1].由于加工工藝不同，所制取的全蝎粉末成分含量也不同.將制備好的全蝎粉末進行PXRD測試，為保證數據的非偶然性，對每種樣品進行了平行實驗測試.圖1顯示10種全蝎粉末樣品的室溫PXRD譜，該圖顯示，各品種全蝎樣品的衍射峰位置和相對強度極其相似.每組平行實驗抽取任一數據進行成分分析，發現：(1)每種全蝎的PXRD譜是其所含各種成分的衍射峰疊加后所形成的衍射圖譜，這些高強度衍射峰來源于無機鹽晶體(圖2).同時，不同產地樣品的衍射峰強度有明顯差異，其中，S2、S8、S9、S10樣品的無機鹽衍射峰強度遠大于其余樣品，說明這幾種樣品中的無機鹽含量比其余樣品中的高；(2)全蝎粉末在20°附近具有較寬的彌散峰且強度較弱，這是因為全蝎中含有大量的非晶態蛋白質成分，蛋白質沒有特定的晶面間距，其原子間距(C—C、C—O或C—H鍵)分布在一定的尺寸區間，依據布拉格方程2dsinθ=nλ，每一個晶粒內部的原子排列是短程有序的[14].說明在全蝎中含有結晶性良好的有機分子晶體或無機晶態物質.

2θ/°

以S10全蝎樣品為代表，圖2給出了其與NaCl、硫酸鈉、明礬和石英的PXRD對比譜圖.S10的PXRD譜圖主要由4個系列衍射峰構成，見圖2(a)：(1)高強度的NaCl和硫酸鈉衍射峰，揭示炮制加工過程中加入了相當量的鹽分且全蝎體內也存在部分無機鹽，見圖2(b)～(c)；(2)少量的明礬(KAl(SO4)2·12H2O)，見圖2(d)；(3)石英(SiO2)衍射峰意味著少量沙存在于S10全蝎中，在S1～S9樣品中也發現少量SiO2的存在，見圖2(e).

2θ/°

2.1.2 全蝎中無機鹽的PXRD檢測及來源討論

10種炮制全蝎的PXRD譜見圖3.

2θ/°

全蝎在炮制加工時須經過多層環節，一些不良廠家正是利用其中的工序惡意摻雜，通過增重的方法試圖牟取暴利.將10種溶解實驗后烘干的全蝎研磨成粉末，進行PXRD測試，發現在20°附近顯示出非晶態彌散峰，且強度很弱(圖3).

PXRD譜見圖4.

2θ/°

圖4(a)給出了溶解實驗后烘干的全蝎樣品S10的PXRD譜，比對發現這些衍射峰來源于六方相SiO2(PDF 97-001-6333)和Na2SO4(PDF 97-000-2895).溶解實驗后烘干的全蝎顯示的晶態衍射峰，源于其體內的非水溶性物質，見圖4(a).通過PXRD譜模擬，全蝎被鑒定為具有菱方結構的Mg0.1Ca0.9CO3(PDF 71-1663)成分，與生物體內常常具有正交結構的CaCO3文石不相同[13]，見圖4(d).全蝎體內的非水溶性物質中含有六方相二氧化硅(SiO2)，即是沙形成的.結合圖2對比分析可知，溶解實驗后烘干的全蝎體內可能含有部分泥沙和無機鹽Na2SO4.

這一現象表明：(1)全蝎被浸泡后大量的NaCl溶于水，因此NaCl晶體衍射峰幾乎完全消失.說明全蝎自身不含NaCl或者含量極少難以被PXRD手段檢測到；(2)Na2SO4來源于全蝎自身；(3)結合圖3和圖4可以認為全蝎體內有少量泥沙存在；(4)明礬為水溶性物質，經過溶解實驗后大量的明礬被溶解，但存在少量明礬未被溶解，溶解前后實驗對比(圖2(a)與圖4(a))證實明礬為炮制加工過程加入的.

上述PXRD實驗比較分析再次證明全蝎中的大量鹽分NaCl是炮制過程中帶入的，而Na2SO4為全蝎自身含有的無機鹽.

2.1.3 全蝎中氯化鈉、明礬和SiO2含量的PXRD檢測

表3給出了10種市售全蝎中鹽分、明礬以及SiO2的含量.通過數據分析：(1)S2、S8、S9、S10樣品中的NaCl含量(9.47～12.23 g/100 g)高于其余樣品中NaCl含量(2.37～7.50 g/100 g)，S2、S8、S9、S10為鹽制全蝎.全蝎藥用含鹽量應不超過20%，S1～S10均滿足要求，但《中國藥典》并未給出全蝎炮制時使用NaCl的用量[15].(2)S1～S10樣品中明礬含量為3.73～11.27 g/100 g，其中S1和S6樣品明礬含量較高(10.60～11.27 g/100 g).文獻報道加入適量的明礬有助于凝固蛋白、燥濕收斂、防腐抑菌，保護全蝎毒性蛋白成分，并防止其變質，但如果后續工序未沖洗干凈，容易導致鋁殘留在全蝎中，長期服用容易引起多種疾病[10].

表3 由PXRD法確定的全蝎中氯化鈉、明礬和沙含量(×10-2)

一些不良加工廠家主要利用炮制加工過程中增重的方法，例如：外加礬煮、鹽水泡、腹內加填空物等，更有甚者在加工前，將活蝎斷食，幾天后加雞蛋、淀粉、水泥、鐵粉等混合飼料喂飽，然后加工成全蝎，這樣加工成的產品比常規加工的重量約重30%～50%[8].

2.2 全蝎粉末的ESR譜圖分析

2.2.1 全蝎中過渡金屬離子鑒定

全蝎體內含有14種微量元素，其中，Cu、Mn、Fe、Zn含量較高，Cu、Mn、Ca、Fe等是人體必需的有益微量元素.這些微量元素結合成有機成分或作為離子游離于生物體內，PXRD技術無法對其進行檢測.利用電子自旋共振(ESR)技術鑒定全蝎體內的微量元素.

圖5為10種全蝎的ESR譜.

H/G

該圖顯示10種全蝎樣品在H=1 500 G和H=3 500 G磁場附近有明顯信號，經計算，H=1 500 G磁場附近信號g=4.3，為Fe3+[16-17]，H=3 500 G磁場附近信號較為復雜需進一步分析.觀察圖5發現S2、S8、S9、S10樣品在H=3 500 G磁場附近疑似存在Mn2+(3d5)的特征六線信號[13]，圖6可以清晰看到這幾個樣品中確實存在Mn2+的特征六線信號，并且還存在其他離子信號，但由于信號較為復雜，無法辨別出其他離子信號的種類.

H/G

S1、S3、S4、S5、S6、S7樣品未檢測出Mn2+信號，結合圖1的PXRD結果推斷，由于S2、S8、S9、S10樣品中的NaCl含量較高，Mn2+含量隨之增大，因而進行ESR測試時檢測到了較強的Mn2+信號，而其余樣品中的NaCl含量較低，Mn2+含量較少信號太弱，在現有實驗條件下無法被檢測到.

2.2.2 全蝎中過渡金屬離子來源分析

圖7為10種炮制全蝎的ESR譜.

H/G

圖8為炮制全蝎S2～S6的ESR譜.

將溶解實驗后烘干的全蝎研磨成細粉進行ESR測試，發現所有樣品的譜圖形狀一致，信號出現位置相近.圖8給出了以S2、S3、S5、S6樣品為代表的ESR譜，發現兩個信號：(1)H=1 500 G磁場附近g=4.3弱的寬Fe3+信號[16]仍然存在，說明該信號起源于全蝎自身；(2)另一個g=2.17對稱信號起源于Cu2+(3d9)的ESR響應[18].結合圖1和圖7可以看出S2、S8、S9、S10樣品經過溶解實驗后Mn2+的六線信號完全消失，而PXRD測試證實浸泡后NaCl被除去，這也證實了Mn2+的ESR信號與NaCl含量有關的猜測.

H/G

2.2.3 全蝎中過渡金屬Mn2+檢測驗證

為驗證Mn2+來源于食鹽，將S2和S3泡制后的水溶液進行ICP測試，分析得出，S2和S3泡制后的水溶液中Mn離子濃度達到了ppb級，分別為55.60 ppb和26.27 ppb.圖9給出兩種不同規格食鹽的ESR譜，觀察發現R5、R6和R7在H=3 500 G磁場附近存在Mn2+(3d5)特征六線信號.由此可以得出結論：(1)食鹽中存在Mn2+；(2)全蝎中的Mn2+來源于食鹽，而非全蝎自身；(3)純度為分析純級別的NaCl雖然純度較高，但其雜質中存在Mn2+.

H/G

3 結 論

PXRD技術對隨機采購的10種市售全蝎進行質量控制初探，以氯化鈉(R1)在2θ=31.72°、明礬(R2)在2θ=20.50°和石英(R4)在2θ=26.64°附近的PXRD主峰強度確定全蝎中這些物質的含量.PXRD實驗證實：S2、S8、S9、S10樣品為鹽制全蝎，含鹽量較高(9.47～12.23 g/100 g)；10種全蝎中含沙量為2.38～4.40 g/100 g；所有全蝎均添加明礬(3.73～11.27 g/100 g)，其中S1和S5樣品明礬含量較高(10.6～11.27 g/100 g)；溶解實驗進一步證實全蝎體內沒有任何種類的有機分子晶體，僅存在非晶態的有機成分；全蝎被鑒定為具有菱方結構的Mg0.1Ca0.9CO3無機物；無機鹽Na2SO4是全蝎自身含有的，而NaCl是炮制過程中帶入的.此外，為探索全蝎體內微量元素與無機鹽的關聯，采用電子自旋共振(ESR)和電感耦合等離子發射光譜(ICP)技術進行探索，ESR和ICP技術證實：全蝎中的Mn2+來源于食鹽，而非全蝎自身；溶解實驗后烘干的全蝎存在Fe3+和Cu2+，即Fe3+和Cu2+是全蝎體自身含有的金屬離子.

粉末X射線衍射(PXRD)能夠對全蝎質量安全進行控制，電子自旋共振(ESR)技術可檢測出全蝎中的微量元素和過渡金屬元素.可見，PXRD和ESR技術的聯合應用，可建立一種無損檢測技術，該技術可完善對動物類中藥材的研究.