臨澤小棗元素指紋圖譜結合化學計量學對元素富集規律的研究

于喆源

（甘肅省張掖市質量檢驗檢測研究院，甘肅張掖 734000）

棗原產于中國，廣泛分布于海拔1 700 m以下的山區、丘陵、平原等地。棗富含多種營養元素，具有較高的經濟價值、食用價值和園林價值，是我國重要的果樹資源[1]。有報道稱，世界上近99%的棗都產自于中國，同時占據了全球100%的棗產品國際貿易市場，具有較大的市場發展潛力，近年來已成為我國果樹發展的熱點[2]。自古以來臨澤小棗都享有盛名，因主產地在甘肅省張掖市臨澤縣而得名，據《臨澤縣志》記載距今已有1 400多年的種植栽培歷史。2008年經過國家質量監督檢驗檢疫總局的評定，原國家質檢總局批準，將臨澤小棗納入到國家地理標志產品保護名錄。

研究表明，棗中富含多種無機元素，可以和人體內的有機物形成配位鍵，承擔著多種多樣的功能[3]。對臨澤小棗中所含無機元素的種類與含量進行測定，可以為進一步開發其品牌價值提供一定理論基礎。同時，植物體內元素富集量與生長環境有著密切關系，通過對臨澤小棗中多元素的測定，結合化學計量學模型建立，可以為臨澤小棗產地溯源提供一定的方法依據，從而拓寬臨澤小棗市場潛力。本研究采用電感耦合等離子質譜儀（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）對臨澤小棗中所含無機元素含量進行測定[4]，以臨澤小棗中含有的15種元素的穩定同位素含量為指標，建立無機元素指紋圖譜，并采用化學計量學方法對指紋圖譜信息進行化學模式識別，確定臨澤小棗內所含無機元素的累積規律，研究數據可以為評價臨澤小棗無機元素富集情況以及對臨澤小棗產地溯源提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

濃硝酸（優級純，成都市科隆化學品有限公司）；純凈水，元素標準溶液均來自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

小棗樣品（S1～S28)來自甘肅省張掖市臨澤縣各產區，小棗樣品（S29～S31)來自甘肅酒泉市引種區域，小棗樣品S32～S36)來自甘肅省張掖市甘州區沙井產區。經甘肅張掖市質量檢驗檢測研究院藥品檢驗中心鑒定為鼠李科植物棗（Ziziphus jujubaMill.）的干燥成熟果實，采集后陰涼處自然晾干，放入自封袋保存備用。

1.2 儀器與設備

電感耦合等離子質譜儀（ICP 2030），日本島津公司；超純水機（Q-GardA2），默克密理博；萬分之一電子天平（GL224i-1SCN），賽多利斯；微波消解儀（Mars6），美國CEM公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 試樣的制備

用天平稱取0.4 g臨澤小棗樣品粉末，置于潔凈干燥的聚四氟乙烯消解罐中；量取5 mL濃硝酸加入，輕輕振蕩消解罐，使內部物質混合均勻；將消解罐放置在微波消解儀內，根據表1中設定好的時間與溫度進行升溫消解；消解完成后進行冷卻，待溶液溫度降至室溫時加入少量純水潤洗；轉移至25 mL容量瓶中定容，試樣制備完成。采用同樣的方法完成所有試樣的制備。

表1 微波消解參數設定

1.3.2 標準溶液的制備

采用2% HNO3配制各種元素的標準工作液。其中Ag、Au、I、Mo、Ni、Ti和W元素濃度梯度為0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1、10.00μg·L-1、25.00μg·L-1和50.00 μg·L-1；Ba、Cu、Fe、Sr、Zn元素濃度梯度為0 μg·L-1、1 μg·L-1、5 μg·L-1、10 μg·L-1、20 μg·L-1、100 μg·L-1、200 μg·L-1、500 μg·L-1和1 000 μg·L-1；Pb元素濃度梯度為0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1、10.00 μg·L-1和25.00 μg·L-1；Al、Mn元素濃度梯度為0 μg·L-1、1 μg·L-1、5 μg·L-1、10 μg·L-1、20 μg·L-1、100 μg·L-1和200 μg·L-1；Cr、V元 素 濃 度 梯 度 為0 μg·L-1、0.05 μg·L-1、0.25 μg·L-1、0.50 μg·L-1、1.00 μg·L-1、5.00 μg·L-1和10.00 μg·L-1。

1.3.3 測試儀器的設定

通過控制軟件調節功率為1 200 W；通過計算機控制輔助氣、等離子氣和載氣流量，等離子氣流量調節為8 L·min-1，輔助氣流量調節為1.1 L·min-1，載氣體積流量調節為0.7 L·min-1；采樣深度控制在5 mm，碰撞池氣體調節為6 mL·min-1；常規分析靈敏度設定為115In＞40 000 cps。方法選擇：采用碰撞模式，池氣體6 mL·min-1，池電壓-21 V，能量過濾器7.0 V；采用內標法測定，內標溶液 Bi、Ge、Sc、Rh、Re以及In用于監測基質效應。每個試樣測定3次，然后取其平均值。

1.3.4 標準曲線的繪制

根據試驗要求確定標準液濃度，然后分別配制15種元素的標準液，并按要求完成標準液采集，求出各種標準溶液的光密度。縱軸（Y）為標準溶液的光密度，橫軸（X）為標準溶液的濃度，根據測定數據繪制標準曲線。

2 結果與分析

2.1 標準曲線

15種元素的回歸方程及相關系數如下。

Ag：Y=0.461 504 9X+0.307 744 4，相關系數r=0.999；Al：Y=4.660 200X-5.080 299，相關系數r=0.998；Au：Y=3.444 022X+0.046 973 9，相關系數r=0.996；Ba：Y=0.309 287 3X+1.034 200，相關系數r=1.000；Cr：Y=0.130 992 2X-0.702 560 6，相 關 系 數r=0.998；Cu：Y=0.075 635 1X+9.533 981，相關系數r=0.998；Fe：Y=0.107 377 4X-4.677 603，相關系數r=1.000；I：Y=5.283 440X-2.284 557，相 關 系 數r=0.999；Mn：Y=0.213 975 9X-6.926 103，相關系數r=0.999；Mo：Y=0.861 433 1X-0.787 043，相關系數r=0.999；Ni：Y=0.105 638 9X-2.390 297，相關系數r=0.995；Pb：Y=0.702 825 7X-0.851 315，相關系數r=0.989；Sr：Y=0.091 932 0X+5.086 224，相關系數r=0.999；Ti：Y=0.787 344 4X-2.186 937，相關系數r=0.966；Zn：Y=0.220 174 3X+16.684 43，相關系數r=0.972。

2.2 重復性驗證

選取消化后的定容溶液做重復性試驗，連續測試5次，然后考察目標待測元素的含量。結果顯示標準偏差RSD均小于5%，滿足指紋圖譜的標準要求。

2.3 指紋圖譜的建立及相似度分析

近年來指紋圖譜法應用較為廣泛，主要用于表征天然植物中多成分特征，能夠直觀地反映天然植物中多成分體系的整體狀況，此外還可以通過質量評價對植物產地進行溯源。以元素種類為橫坐標，相對含量為縱坐標繪制指紋圖譜，如圖1。根據計算機仿真方法，采用余弦夾角測度表征指紋圖譜測度，余弦值隨夾角大小變化，夾角越小，余弦值則越接近1，說明相似度越高。通過指紋圖譜可以看出，試樣雖采自不同種植地域，但無機元素富集特征基本保持明顯的一致性，但經過相似度分析發現，各樣品間還是具有較為明顯的區別。

圖1 臨澤小棗元素指紋圖譜

2.4 化學計量學分析—主成分分析

以36個臨澤小棗試樣中15種元素含量為因子變量，計算每個試樣的特征根和貢獻率，對主成分進行分析，特征根、貢獻率、累積貢獻率見表2。通過對15種元素的主成分因子進行統計，發現其中Ag、Al、Au、Ba和Cr等元素貢獻率明顯，可用于評價小棗整體元素水平，且對人體生物學價值明顯。如Fe元素可以提高人體造血能力和免疫力，對神經系統也有較大影響；Cr元素參與人體糖脂代謝，可增強胰島素功能；維生素B12是一種3價鈷多環系化合物，在人體內發揮重要生理作用；Al、La含量過高則會對人體產生較大危害[5-6]。

表2 臨澤小棗元素主成分特征根和貢獻率

3 結論

通過指紋圖譜雖然不能確定樣品中各物質的化學成分，但對于檢測質量的控制效果比較顯著。從生態區域上說，甘肅張掖和甘肅酒泉為相同生態區域，通過對臨澤小棗的理化成分進行分析，其成分含量均較為接近，難以區分是否為規定區域種植，對保護地理標志產品的市場地位和潛在價值不利。本試驗通過對無機元素成分進行測定，對采自不同產區的臨澤小棗試樣建立了無機元素穩定同位素指紋圖譜。結果表明各小棗試樣元素成分基本相同，只是含量存在一定差距，尤其是非張掖市種植臨澤小棗，其元素分布和張掖市種植存在明顯差異?；瘜W計量學分析結果顯示，Ag、Al、Au、Ba、Cr在特征主成分中具有較大貢獻值，可以作為產地溯源的重要參考因素。