超級微波消解-電感耦合等離子體質譜法-電子稀釋EDR技術同時測定蒼術中的常量和微量元素

【摘要】目的：建立超級微波消解-電感耦合等離子體質譜法-電子稀釋EDR技術，實現中藥材蒼術中的常量和微量元素含量的同時測定。方法：超級微波消解的高效消解效率結合HNO3-H2O2-HF酸消解體系消解樣品，利用電感耦合等離子體質譜法-電子稀釋EDR技術進行常量和微量元素的同時檢測。對所建立的方法進行測量范圍、線性關系、檢出限等方法學驗證。結果：不同元素在質量濃度0～20.0μg·mL-1范圍內線性關系良好，相關系數為0.999412～0.999996，檢出限均小于0.15 mg·kg-1，定量限均小于0.5 mg·kg-1，樣品的精密度為0.56%～0.97%，重復性為0.85%～1.43%，回收率為89.25%～109.71%，均表明方法的準確度和正確度高，樣品的穩定性測試表明樣品在48 h內具有良好的穩定性。結論：本方法準確、簡便、高效，適合批量植物根、莖、葉類樣品，特別是中藥材樣品的元素含量測定，能夠實現不同含量元素同時快速測定，為科學高效地評價中藥材中常量、微量元素含量提供數據參考。

【關鍵詞】超級微波；電感耦合等離子體質譜法；電子稀釋EDR；元素；蒼術；中藥材

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.06.001

【基金項目】江蘇省市場監督管理局重點科研項目（KJ2022046）；江蘇省市場監督管理局技術能力提升項目（NL2023047）。

Simultaneous Determination of Macro and Trace Elements in Atractylodes by Super Microwave Digestion-ICP-MS-Electron Dilution-EDR Technology

ZHOU Wenmei， YANG Ying， LI Yawei， LU Yang， GONG Yanyan， ZHOU Xiang*

（Lianyungang Testing Center for Food and Drug Control， Lianyungang 222006， China）

Abstract： Objective： To establish a super microwave digestion inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS） electron dilution EDR technique for simultaneous determination of constant and trace element contents in traditional Chinese medicine Atractylodes macrocephala. Methods： The high digestion efficiency of super microwave digestion was combined with the HNO3-H2O2-HF acid digestion system to digest samples of Atractylodes， and ICP-MS-electron dilution-EDR technology was used to detect major and trace ements simultaneously. Conduct methodological verification on the measurement range， linear relationship， detection limit， etc. of the established method. Results： The different elements have a good linear relationship in the mass concentration 0～20.0μg·mL-1， the correlation coefficient is 0.999412～0.999996， the detection limits are less than 0.15 mg·kg-1， and the quantitation limits are less than 0.5 mg·kg-1， the precision of the samples are 0.56%～0.97%， the repeatability of the method are 0.85%～1.43%， and the recovery rate are 89.25%～109.71%， all indicating that the accuracy and correctness of this method are high. The stability test of the sample shows that the sample have good internal stability within 48 hours. Conclusion： This method is accurate， simple and efficient， and is suitable for the determination of element content in plant roots， stems and leaves， especially Chinese herbal medicine samples. It can achieve simultaneous and rapid determination of elements with different contents， and provide data reference for the scientific and efficient evaluation of the content of major and trace elements in Chinese herbal medicines.

Keywords： super microwave； inductively coupled plasma mass spectrometry； electron dilution-EDR； elements； atractylodes； traditional chinese medicinal materials.

0引言

蒼術為菊科蒼術屬的植物，有北蒼術、茅蒼術和關蒼術之分[1]。北蒼術和茅蒼術為菊科蒼術屬植物，均為常用藥材，具有悠久的臨床用藥歷史。中藥材北蒼術為植物北蒼術的干燥根莖，其香氣清淡，味辛、苦。中藥材茅蒼術為植物茅蒼術的干燥根莖，其氣香特異，味辛、苦。北蒼術和茅蒼術均以燥濕健脾、祛風散寒為主要功效，用于治療脘腹脹滿、風濕痹病和風寒感冒等病癥[2-3]。蒼術活性成分主要集中在倍半萜類及聚乙烯炔類中，為蒼術素、茅術醇、β-桉葉醇等[4]。有研究表明，中藥中微量元素的含量是中藥質量非常重要的基礎數據，無機元素的檢測不容忽視[5]。中藥材里的無機元素可補充和調節人體機能，且含量對藥效影響較大。植物性中藥樣品中常量元素對藥效發揮也具有協同作用，但Pb、Cd、As、Cr等有毒有害元素超過耐受攝入量會對人的器官造成不同程度的傷害，引發不同的疾病[6]。因此，同時測定中藥樣品中的多種元素是非常有意義的工作。

王玉璽等[7]早在1990年就對野生和栽培茅蒼術中的32種元素進行了分析，并比較其中必需元素及有害元素相關情況。為提高檢測效率，同時測定常量元素和微量元素成為植物性樣品的檢測的關鍵。多元素同時檢測的儀器一般為電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）和電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）。樣品消解后，痕量元素采用ICP-MS分析；高含量元素采用ICP-OES分析或將樣品二次稀釋（可采取手動溶液稀釋、自動進樣器稀釋、氣體HMI稀釋）后，再采用ICP-MS測定[8]。但無論哪種方法，每個樣品至少需要測定兩次，并繪制兩條標準曲線，中間的樣品稀釋過程不僅操作煩瑣，其過程還會導致樣品污染或產生一定的稀釋誤差。

電子稀釋EDR技術的應用解決了這一難題。電子稀釋-EDR技術的實質是通過降低高濃度元素離子進入檢測器的數量，抑制檢測器信號，在達到電子稀釋效果的同時實現了擴展動態線性范圍（Extend dynamic linear range，EDR）這兩種功能，因此被叫作電子稀釋EDR技術[9-10]。

三重四極桿ICP-MS的三個四極桿分別為：第一重離子偏轉器（Quadrupole Ion Deflector，QID），主要用于分離未電離物質與離子；第二重通用池（Universal Cell Technology，UCT），又稱動態反應池（Dynamic reaction cell，DRC）、碰撞反應池（Collision Reaction Cell，CRC）；第三重質量分析器，即信號檢測器，主要作用是將單原子的離子依次分離并進行檢測。其中第二重的通用池有兩個功能，一是質量過濾功能，一般用于碰撞反應，主要是分離多原子離子干擾物，防止干擾單原子離子；二是可調節帶寬，通過調節UCT的電壓參數（Rpa）來調節其帶寬，實現調節任意質量數離子進入主四級桿的通量，達到抑制高含量元素信號的目的，同時還不影響未達到需要調節質量數離子的低含量元素，從而實現高低含量元素的同時分析。采用電子稀釋EDR技術分析樣品的優點是高、低含量的元素可同時分析，在高的線性范圍內以低離子通過量來分析高濃度的元素，不會因信號飽和無法顯示具體檢測數據，也不會因過多的離子數而污染檢測器。此技術已逐漸應用在食品、藥品注射液、大氣環境、放射化學與核化學等領域。本實驗采用ICP-MS法和電子稀釋EDR技術同時測定中藥材蒼術中的常量及微量元素的含量，為中藥材元素檢測的研究提供新的方向。

超級微波消解作為一種采用反應釜一體承壓消解技術，具有耐高溫和耐高壓的特點，樣品消解更徹底，操作簡便，消解效率高，消解過程酸用量少，在土壤、特種工程塑料、洗化類化妝品、中藥材、食品等各類樣品的元素分析檢測中廣泛應用[11～19]。

本實驗硝酸（HNO3）用量只有2.5 mL，為促進植物的根、莖、葉類更完全消解，加入1 mL的氫氟酸（HF），其他類消解反應的硝酸使用量均大于5 mL，甚至有的用到10 mL。因此，超級微波消解是一種環境友好型的高效快速消解方式。

1儀器與試藥

1.1儀器

NexION 350X電感耦合等離子質譜儀（美國珀金埃爾默公司），Multiwave7000超級微波消解儀（奧地利安東帕公司），石墨消解儀（博通，BWH-09A），Milli-Q超純水系統（美國密理博公司），LS220A電子天平（上海精科天美儀器有限公司）。

1.2試藥

25種多元素混合標準溶液（Inorganic Ventures公司，批號為P2-MEB678634，各元素質量濃度定制為：Ca、K、Mg、Na，2000.00μg·mL-1；Al、Fe，500.00μg·mL-1；Sr，100.00μg·mL-1；B、Ba、Cu、Mn、Ti、Zn，50.00μg·mL-1；As、Cd、Co、Cr、Ni、Pb、Se、Tl、V，5.00μg·mL-1；Mo、Sb、Sn，0.50μg·mL-1；汞單元素標準溶液（北京北方偉業計量技術研究院，批號：BWB2336-2016，質量濃度為1000μg·mL-1）；金單元素標準溶液（國家有色金屬及電子材料分析測試中心，批號：GSB 04-1715-2004，質量濃度為1000μg·mL-1）；內標元素鍺、銠、鉍單元素標準溶液（國家有色金屬及電子材料分析測試中心，批號分別為GSB 04-1728-2004、GSB 04-1746-2004、GSB 04-1719-2004，質量濃度均為1000μg·mL-1）；硝酸（HNO3，電子級，批號：Z0353941532，默克）；過氧化氫（H2O2，優級純，國藥），氫氟酸（HF，電子級，國藥）；超純水為Milli-Q超純水系統自制。蒼術原料藥材（來源：安徽亳州，批號：181214，經連云港市食品藥品檢驗檢測中心主任中藥師鑒定為蒼術）。

2方法

2.1ICP-MS儀器條件

射頻功率為1.1 kW；載氣為氬氣，流速為15.00 L·min-1；檢測器電壓為12.50 V，模擬電壓為2000 V，脈沖電壓為1200 V；輔助氣（Ar）流量為1.20 L·min-1；霧化室溫度為2℃；霧化器流速為0.86 L·min-1；碰撞氣為氦氣，流量為0.25 mL·min-1；檢測模式為KED碰撞模式；數據采樣模式為跳鋒采集，采樣深度為10 mm；重復3次。

超級微波消解程序：超級微波消解儀充入氮氣后啟動，初始壓力40 bar，冷卻溫度80℃，壓力釋放速率：10 bar·min-1，20 min升至250℃，保持10 min后開始降溫，溫度降至80℃以下，可打開儀器取出消解樣品。

2.2溶液的制備

2.2.1標準貯備液的制備

精密量取25種多元素標準溶液1 mL，用（5+95）硝酸溶液定容至100 mL，搖勻，所有元素的質量濃度稀釋100倍，作為混合標準品貯備液。量取1 mL金元素標準溶液，用（5+95）硝酸溶液稀釋至500 mL，配制成2%的Au溶液作為汞的穩定劑及測試汞后的清洗劑。精密量取汞元素標準溶液0.1 mL，用2%的Au溶液定容至100 mL，配制成質量濃度為1μg·mL-1的汞貯備液。

2.2.2系列標準溶液的制備

精密量取2.2.1中混合標準品貯備液適量，用（5+95）硝酸溶液逐級稀釋制成每1 mL含Pb元素0、1、5、10、30、50 ng的系列混合溶液，其他元素依據母液質量濃度大小等同倍數稀釋。精密量取2.2.1中汞標準貯備液，用2%的金溶液制成每1 mL含Hg元素0、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 ng的系列溶液。

2.2.3內標溶液的制備

精密量取質量濃度為1000μg·mL-1的鍺、銠、鉍單元素標準溶液適量，用（5+95）硝酸溶液逐級稀釋制成質量濃度為5μg·mL-1的內標貯備液。各取0.25 mL三種內標貯備液混合于50 mL容量瓶中，（5+95）硝酸溶液定容至刻度，三種內標使用液質量濃度為50 ng·mL-1。

2.2.4供試品溶液及空白溶液的制備

蒼術樣品在60°C的烘箱中干燥12 h，將干燥后的蒼術樣品進行簡單的選擇分離，通過電子攪拌器研磨，過篩，并將最終粉末保存在聚乙烯塑料袋中，避免金屬元素的污染。

稱取干燥過篩后的蒼術粉末約0.25 g，置于PFA消解管內，加硝酸2.5 mL緩慢搖均，預消解5 min后遂滴加入0.1 mL H2O2，控制加入H2O2的速度，防止反應過快。待反應結束后，向消解管內加入1 mL HF，將反應管置于超級微波消解儀反應支架內，并連同反應支架一同置于反應腔內（反應腔內預先加入5 mL硝酸和150 mL純水），按“2.1”消解程序，充入普通氮氣后開始消解。消解完成后將消解管置于石墨消解儀上，在80℃趕酸至約1 mL后，先向消解管內加入少量超純水，再將溶液轉移至25 mL容量瓶中，用超純水洗滌3次消解管，洗液合并于量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，即得供試品溶液。空白溶液除不加試劑外，同法制得。

2.3方法學考察

2.3.1線性與線性范圍

取系列標準溶液，按照“2.1”項下條件檢測，以（5+95）硝酸溶液為空白，以各元素質量濃度為橫坐標，各元素的響應值與相應內標元素響應值的比值為縱坐標，繪制標準曲線。各元素的線性方程關系數在0.999412～0.999996，均滿足r>0.999，說明各元素線性關系良好。線性范圍低濃度結果見表1。

2.3.2檢出限（LOD）與定量限（LOQ）

按“2.1”項下實驗條件測定空白溶液11次，以空白溶液響應值的3倍標準偏差所對應的質量濃度為方法檢出限，空白溶液響應值的10倍標準偏差所對應的質量濃度為方法定量限。各元素的檢出限和定量限結果見表1。

2.3.3精密度

取“2.2.2”項下的線性溶液第4個標準曲線點，連續進樣7次，利用標準曲線計算7次濃度的RSD，得各元素的RSD在0.56%～0.97%（n=7），表明儀器的精密度良好。

2.3.4重復性

按“2.2.4”項下制備供試品溶液7份，分別進樣后，按標準曲線計算各含量，得RSD為0.85%～1.43%（n=7），表明該方法重復性良好。

2.3.5穩定性

取同一供試品溶液和標準曲線溶液，按照“2.1”項下的試驗條件，分別于0、24、48 h進行測定，計算待測元素的質量濃度。幾種有代表性的常量和微量元素的結果質量濃度分別為，鉀：80.821、79.589、78.935μg·mL-1，鎂：20.301、19.735、19.872μg·mL-1，鈉：11.211、10.981、11.106μg·mL-1，鉛：4.516、4.457、4.430 ng·mL-1，砷：17.056、17.312、16.902 ng·mL-1，鎘：5.353、5.275、5.408 ng·mL-1，RSD分別1.20%、1.48%、1.04%、 0.98%、1.21%、1.25%（n=3）。結果表明供試品溶液在24 h內具有較好的穩定性。

2.3.6回收率

精密稱取同一批供試品，共7份，分別精密加入混合標準品原液0.02、0.05、0.1 mL，按“2.2.4”項方法制備7份供試品溶液，再按“2.1”項下條件檢測，計算各元素的含量、加標回收率及RSD。平均回收率為89.25%～109.71%，RSD的范圍為0.9%～3.1%（n=7），表明方法的回收率良好，實驗準確度高，可以滿足測定要求。

3結果與討論

3.1樣品測定結果

按“2.1”項下實驗方法和條件測定蒼術樣品中各元素的含量。測定結果顯示，蒼術中Na、Mg、Al、K、Ca、Fe共6種元素的含量較高，其中含量最高的Ca元素為14401.39 mg·kg-1，與文獻報道的相一致；B、Ti、Mn、Zn、Sr、Ba幾種元素的含量稍低，Ni、Cu元素的含量較低，V、Cr、Co、As、Se、Mo、Cd、Sn、Sb、Hg、Tl、Pb等元素含量最低。

3.2討論

3.2.1HNO3-H2O2-HF消解體系的建立

消解試樣中加入2.5 mL硝酸搖均預消解5 min后，緩慢逐滴加入0.1 mL H2O2，樣品反應較劇烈。為防止反應泡沫溢出反應管，造成反應損失，影響檢測結果，應待每滴H2O2反應完全后再繼續滴加（可稍搖晃反應管，使管內消解反應更均勻快速，防止因局部反應不均勻導致試樣噴出）。H2O2的加入進一步促進樣品的溶解，HNO3-H2O2超級微波消解基本能將各類不含硅酸鹽的樣品溶解完全。

植物類樣品，特別是植物的根、莖、葉，因含有極少量的硅酸鹽類物質，溶解結束后會有部分白色絮狀不溶物，此為硅酸鹽類或其與元素形成的不溶物。因其量少，且顏色不易辨別，在定容后肉眼極難看得見，直接進入ICP-MS檢測，會使得霧化器倍壓過高，導致進樣不均勻，樣品檢測結果平行性變差。可選擇濾膜或濾紙過濾后檢測，但是這種操作存在一定的帶入污染的風險，同時也有一定的損失，不能精確測定樣品中元素的含量。本實驗在HNO3-H2O2反應后加入HF，再進行超級微波消解，HF對植物樣品中含有的硅酸鹽起到消解作用。實驗可根據植物不同部位（根、莖、葉、果實、花等）含有硅酸鹽物質不同來調整HF的加入量。

HNO3-H2O2-HF消解體系能夠有效地消解蒼術樣品，既促進元素測定的科學準確性，又避免了在測定時因微小的硅酸鹽類未消解物質堵塞ICP-MS的霧化器，進而影響檢測的霧化效率。此消解體系的建立對研究中藥材中的各元素含量提供了方法思路。

3.2.2通用池UCT電壓值（Rpa）的選擇

植物樣品中K、Na、Ca、Mg、Al、Fe等元素含量較高，部分樣品中的Cu、Mn、Ti、Sr等的含量也較高。標準曲線最高點的質量濃度也需要適當增大。與微量元素同時測定這些高含量元素時，為了防止高含量K、Na、Ca、Mg等所形成的高質量濃度離子流造成檢測器信號飽和，本實驗優化了UCT的四級桿電壓參數Rpa值。不同Rpa值的各高含量元素信號受不同程度抑制，進而實現高低含量元素的同時分析。

圖1為各元素Rpa的優化圖（A為較高含量元素K、Na、Mg、Al的Rpa優化圖，B為稍低含量元素Ti、Sr、Ba的Rpa優化圖）。從圖中可看出在Rpa約為0.015時各元素離子降幅漸緩且均接近低值。在此基礎上，Rpa的優化可結合不同元素的離子化效率、不同儀器型號檢測器性能、不同檢測對象中元素含量等情況進行綜合考慮，最終各元素的Rpa優化值見表2。

3.3內標元素的穩定性

考察了實驗過程中三種不同內標元素的含量變化，如圖2所示，三種不同內標元素在標準曲線階段的前十幾個點內維持在100%左右，在檢出限、定量限測定過程中增高至110%左右。隨著實驗的進行，內標含量變化比較明顯，但保持在80%以上。結果表明，實驗所選內標元素能比較直觀地體現樣品中不同基體的變化、酸度變化等。

4結束語

本論文采用超級微波消解-電感耦合等離子體質譜法-電子稀釋EDR技術同時測定蒼術中的常量和微量元素含量，并對不同條件進行優化。實驗結果表明，本方法具有良好的線性關系，檢出限、定量限均小于國家標準要求，檢測方法敏度高；精密度、重復性、穩定性和加標回收實驗表明，此方法具有良好的精密度、重復性、穩定性和準確度。本實驗對同一樣品中的高、低含量不同元素進行了同步測定，結果準確可靠，這表明本方法可實現植物類樣品快速高通量檢測。本研究不僅為中藥材中常見常量和微量元素含量的科學、高效檢測與評價提供了寶貴的數據參考，還開辟了新的檢測思路。

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【作者簡介】

周文梅，女，1983年出生，高級工程師，碩士，主要研究方向為食品藥品及材料的檢驗檢測和分析。

通信作者：周翔，男，1972年出生，高級工程師，學士，研究方向為微生物促進植物重金屬蓄積及弱毒化，874871597@qq.com。

（編輯：李鈺雙）