微波等離子體發(fā)射光譜法同時(shí)測定特色南藥中多種元素

楊 熙,潘佳釧,雷永乾,周巧麗,郭鵬然

(中國廣州分析測試中心 廣東省分析測試技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070)

微波等離子體發(fā)射光譜法同時(shí)測定特色南藥中多種元素

楊 熙,潘佳釧,雷永乾,周巧麗,郭鵬然*

(中國廣州分析測試中心 廣東省分析測試技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070)

特色南藥樣品利用硝酸微波消解后，在優(yōu)化的還原劑濃度下，采用多模式樣品導(dǎo)入系統(tǒng)和微波等離子體原子發(fā)射光譜法(MP-AES)對(duì)樣品溶液中Al，As，Hg，Ca，Cu，Cr，Pb，Zn等17種元素進(jìn)行同時(shí)分析，考察了其在特色南藥材中的含量。結(jié)果表明，MP-AES對(duì)目標(biāo)元素有較好的檢出限，2種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的分析結(jié)果與ICP-MS分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值一致，其中可蒸氣發(fā)生元素(As，Hg，Sb和Se等)未檢出。方法對(duì)金屬元素的檢出限為0.05～0.53 μg/g，對(duì)于氫化物可蒸氣發(fā)生元素和Fe的檢出限為0.93～5.40 μg/g。通過該方法進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)南藥樣品中Cd和Cu含量低于中國藥典的限值，而Cr和Pb含量明顯高于歐洲草藥材的限值，As和Hg需優(yōu)化方法降低檢出限后方可用于樣品質(zhì)量控制。本方法檢出限較低，線性范圍較寬，分析結(jié)果準(zhǔn)確、快速，可進(jìn)行多元素同時(shí)分析，能滿足對(duì)南藥材中多種元素的分析要求。

微波等離子體原子發(fā)射光譜儀；蒸氣發(fā)生；南藥；元素

南藥是指生長在長江以南的熱帶、亞熱帶地區(qū)，傳統(tǒng)指廣東、廣西、福建南部、臺(tái)灣、云南等地區(qū)所產(chǎn)的地道藥材[1]。南藥是中藥的重要組成部分,有資料可查的南藥有121 種之多[2]，如陽春砂、巴戟天、檳榔、益智、高良姜、佛手、八角、肉桂等。中藥中的微量元素與藥性、藥效乃至毒副作用關(guān)系密切，尤其是中藥的必需微量元素(如Ca，F(xiàn)e，Mn，Zn等)和有毒微量元素(如Pb，Cd，Hg，As等)。近年來對(duì)藥材中重金屬含量的檢測發(fā)現(xiàn)，部分南藥中重金屬含量超標(biāo)[3]，影響了南藥材的質(zhì)量。

目前，中草藥中金屬元素含量的分析方法主要有原子吸收光譜法、石墨爐原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)及電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等。其中原子吸收光譜法使用最廣泛，但其原子化效率不高，樣品用量大，檢出限較高，不能同時(shí)進(jìn)行多元素的測定[4]；石墨爐原子吸收光譜法的樣品消耗少，且靈敏度高，但石墨管價(jià)格昂貴，精密度較差，干擾較多，也不能進(jìn)行多元素的同時(shí)測定[5]。原子熒光光譜法的譜線簡單、靈敏度高、檢出限低，目前應(yīng)用較廣泛的是氫化物發(fā)生原子熒光光譜法(HG-AFS)[6]，但只能進(jìn)行可蒸氣發(fā)生元素分析；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)的檢出限低、干擾小、線性寬，可用于多種金屬元素的同時(shí)測定[7-8]，但儀器較貴，分析成本較高[9]。

從20世紀(jì)80年代開始，微波等離子體原子發(fā)射光譜法在樣品中Al，As，Hg，Cd，Cu，F(xiàn)e，Pb，Zn等的分析中逐漸得到應(yīng)用[10-13]。但由于其發(fā)射功率低、光源溫度低、元素分析靈敏度弱，且采用較為昂貴的He或Ar作為工作氣體，限制了其在分析領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。本文采用具有微波導(dǎo)波技術(shù)的微波等離子體發(fā)射光譜儀(MP-AES)，將磁場與電場的能量高效聚集到等離子體激發(fā)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了高效率的激發(fā)與能量耦合[14]，同時(shí)直接采用空氣與氮?dú)膺\(yùn)行，對(duì)硝酸微波消解的特色南藥中As，Hg，Sb，Se，Al，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，F(xiàn)e，K，Mn，Ni，Sr，Pb，Zn等元素同時(shí)分析，并考察了南藥材中重金屬的富集狀況[15]，這對(duì)南藥質(zhì)量的管理和毒物污染控制具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及工作條件

Agilent 4100 MP-AES微波等離子體發(fā)射光譜儀，工作條件：多模式樣品導(dǎo)入系統(tǒng)(MSIS)霧化室；惰性O(shè)ne Neb霧化器，霧化器壓力80～180 kPa；積分時(shí)間 3 s(可蒸氣發(fā)生元素5 s)；樣品提升時(shí)間10 s，穩(wěn)定時(shí)間8 s；5通道蠕動(dòng)泵；背景校正Auto方式。Anton Paar MULTIWAVE 3000 微波消解系統(tǒng)。Milli-Q超純水處理系統(tǒng)(美國Millipore公司)。ZN-08小型粉碎機(jī)(北京興時(shí)利和科技發(fā)展有限公司)。

圖1 MSIS多模式分析示意圖

MSIS(多模式樣品導(dǎo)入系統(tǒng))既可作為As，Hg，Sb和Se等元素蒸氣發(fā)生反應(yīng)的裝置，同時(shí)也可作為常規(guī)分析元素(Al，Ca，Cd，Cu，Cr，Co，F(xiàn)e，K，Mn，Ni，Sr，Pb，Zn)的霧化室，無需單獨(dú)配置氫化物發(fā)生器，可在原子光譜中實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)樣，同時(shí)進(jìn)行常規(guī)金屬元素及 As，Hg，Sb和Se等可蒸氣發(fā)生元素的分析[14]。圖1為MSIS系統(tǒng)進(jìn)行多模式分析示意圖[16]。

1.2 試劑與標(biāo)準(zhǔn)溶液

硝酸、過氧化氫(優(yōu)級(jí)純，廣州化學(xué)試劑廠)；硼氫化鈉(優(yōu)級(jí)純，成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司)；桃葉GBW 08501國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(中國科學(xué)院環(huán)境化學(xué)院) 和茶樹葉GBW 08513國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心)；Zn，F(xiàn)e，Cu，Mn，Cr，Co，Ni，Se，Sr，As，Cd，Hg，Pb，Sb，K，Ca，Al標(biāo)準(zhǔn)溶液(國家鋼鐵材料測試中心)，所用水均為18.2 MΩ·cm的去離子水。

1.3 樣品消解

實(shí)驗(yàn)所用砂仁(SR)、八角(BJ)、佛手(FS)、高良姜(GLJ)、巴戟天(BJT)等南藥購自廣州市面藥店。藥材樣品平鋪于大蒸發(fā)皿上，放入60 ℃烘箱中烘24 h后，用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。

分別準(zhǔn)確稱取(0.500 0±0.005 0) g各種藥材樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品，置于微波消解罐中，加入5 mL硝酸、1 mL過氧化氫過夜放置進(jìn)行冷消解后，密封并置于微波爐內(nèi)，采用P-program 功率程序模式進(jìn)行消解，消解完畢后取出消解罐，冷卻，將樣品轉(zhuǎn)移至玻璃小燒杯中，在80 ℃電熱板上蒸至小體積，定容至10 mL，利用MP-AES標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定消解液中元素濃度。同時(shí)做流程空白。

1.4 實(shí)際樣品的測定

根據(jù)樣品特點(diǎn)以及測定元素的要求優(yōu)化儀器參數(shù)條件，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行樣品的測定，各元素的分析譜線見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 還原劑濃度的優(yōu)化

圖2 NaBH4濃度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響

NaBH4可與樣品溶液中的As，Sb，Se等形成氫化物蒸氣，并可還原溶液中Hg形成汞蒸氣，使這些元素以蒸氣發(fā)生的方式導(dǎo)入微波等離子體中。利用標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋配成濃度為2 μg/mL的As，Hg，Sb和Se可蒸氣發(fā)生元素混合溶液。在2% HNO3載流液濃度下，考察不同NaBH4濃度對(duì)蒸氣發(fā)生元素信號(hào)強(qiáng)度的影響，確定最優(yōu)的還原劑濃度。對(duì)于2% HNO3濃度的高純水，由于在還原劑濃度為0.5%的情況下，各元素的信號(hào)強(qiáng)度非常低(As,Hg,Sb和Se信號(hào)強(qiáng)度分別為0,351,180和14)，故考察了NaBH4還原劑濃度在1.0%，1.5%，2.0%，2.5%時(shí)可蒸氣發(fā)生元素的信號(hào)強(qiáng)度變化，結(jié)果見圖2。隨著還原劑濃度的增加，Hg和Se的信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低，As的信號(hào)強(qiáng)度無明顯變化，而Sb的信號(hào)強(qiáng)度在還原劑濃度為2.0%以上時(shí)明顯下降。因此，選擇還原劑NaBH4的濃度為1.0%。

2.2 方法檢出限

選取與樣品同一基體的消化空白溶液，在最優(yōu)還原劑濃度條件下，重復(fù)測量10次計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)的濃度為儀器檢出限。將儀器檢出限根據(jù)樣品消解的稱樣量和定容體積計(jì)算方法檢出限(MDL)，結(jié)果見表1。方法對(duì)蒸氣發(fā)生元素(As，Hg，Se和Sb)和Fe的檢出限較高，為0.93～5.40 μg/g；對(duì)其它元素的檢出限在0.05～0.53 μg/g之間。

表1 各元素的分析譜線、方法檢出限、標(biāo)準(zhǔn)曲線方程及相關(guān)系數(shù)

Y：the line intensity;X:element concentration (μg/g)

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

將17種元素的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液配制成一系列濃度梯度的混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，溶液介質(zhì)為2%硝酸溶液。在選定的儀器操作條件下對(duì)標(biāo)液進(jìn)行測試，化學(xué)工作站自動(dòng)繪制工作曲線(見表1)。元素Al，Zn的標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度為0，0.1，0.2，0.5，1.0 μg/mL；K的標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度為0，2，5，10，20 μg/mL；其它元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度為0，0.2，0.5，1.0，2.0 μg/mL。其線性相關(guān)系數(shù)在0.999 1～1.000 0之間。

2.4 方法的準(zhǔn)確性

為驗(yàn)證本方法對(duì)南藥藥材樣品的分析準(zhǔn)確度與MP-AES儀器的分析性能，采用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 08501和GBW 08513消解后測定，分析結(jié)果見表2。結(jié)果表明，對(duì)于高含量元素Ca，K和Fe，MP-AES與ICP-OES分析結(jié)果一致，且與標(biāo)準(zhǔn)值相符合。對(duì)于較高含量的Al，Cu，Sr，Zn和較低含量的Co，Cr，Ni，Pb，MP-AES的分析結(jié)果與ICP-MS分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值均一致。然而對(duì)于Mn元素，MP-AES與ICP-MS的分析結(jié)果雖然一致，但高于GBW08051標(biāo)準(zhǔn)值，而低于GBW08513標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于痕量Cd，MP-AES無法像ICP-MS獲得滿意的分析結(jié)果。

表2 茶樹葉和桃葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中元素含量的分析結(jié)果

*unit：mg/g

表3 特色南藥樣品元素含量數(shù)據(jù)

*(mg/g);#(As+Hg+Cu+Pb+Cd+Cr);-：under detection limit

為縮短樣品處理過程，本方法中樣品介質(zhì)為消解的硝酸體系，由于消解最后未置換為稀鹽酸介質(zhì)體系，從而影響了還原劑對(duì)元素的蒸氣發(fā)生效率，造成As，Hg，Sb和Se的檢出限升高，因而MP-AES對(duì)樣品中痕量的As，Hg，Sb和Se均未檢出。后續(xù)研究將在樣品消解程序中改變樣品的介質(zhì)體系，以提高蒸氣發(fā)生元素的檢測靈敏度。

總體而言，MP-AES雖然不及ICP-MS的檢測性能，但仍顯示出較好的分析性能，且可同時(shí)檢測As，Hg等蒸氣發(fā)生元素與Cu，Pb，Zn和Fe等金屬元素。

2.5 實(shí)際樣品的分析

在優(yōu)化條件下對(duì)市售砂仁、佛手、高良姜、八角和巴戟天等特色南藥樣品進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，不同南藥中的金屬元素含量差異較大：巴戟天中Al，Ca，Sr和Cd的含量明顯高于其它藥材，K，Cr和Ni的含量較低；高良姜中Fe，Mn和Cr的含量明顯高于其它藥材，Ca，Cu和Ni的含量較低；砂仁中Cu，Pb和Zn的含量較高，Al含量較低；八角中Cu和Ni的含量明顯較其它藥材高，Pb和Sr的含量較低；而佛手中Ca和Sr的含量稍高，Al，Cd，Mn和Ni的含量較低。幾種南藥中As，Hg，Sb和Se均未檢出。

上述南藥樣品的檢測中，Cd和Cu含量均低于中國藥典(2010版)中的限值(As≤2 μg/g，Cd≤0.3 μg/g，Cu≤20 μg/g，Hg≤0.2 μg/g)，而As和Hg由于方法檢出限較高而無法確定超標(biāo)與否，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將嘗試改變分析溶液介質(zhì)體系以降低As和Hg的檢出限；砂仁和巴戟天中Pb含量高于歐洲和香港的中藥材限值(Pb≤5 μg/g)；值得注意的是，幾種南藥中Cr含量均明顯高于加拿大草藥材中的限值(Cr≤0.2 μg/g)，可能是產(chǎn)地土壤中Cr含量較高所致。其它重金屬因缺少限定標(biāo)準(zhǔn)而無法評(píng)價(jià)是否超標(biāo)。

3 結(jié) 論

利用MP-AES對(duì)砂仁等幾種特色南藥樣品中的多種元素進(jìn)行了分析。以1.0% NaBH4為還原劑，對(duì)微波消解的南藥樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)植物樣品進(jìn)行測定，通過與ICP-OES/MS分析結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值比較，發(fā)現(xiàn)本方法具有檢出限低、線性范圍寬、結(jié)果準(zhǔn)確、無需昂貴運(yùn)行氣體等特點(diǎn)，且可同時(shí)測定樣品中微量的可蒸氣發(fā)生元素(As，Hg，Sb和Se)。對(duì)幾種特色南藥的分析結(jié)果表明，樣品中Cr含量超標(biāo)。除As和Hg外，本方法的分析能力可滿足部分重金屬的限定標(biāo)準(zhǔn)要求。

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Simultaneous Determination of Multiple Elements in Characteristic South China Herbal Medicine by Microwave Plasma Atomic Emission Spectrometry

YANG Xi,PAN Jia-chuan,LEI Yong-qian,ZHOU Qiao-li,GUO Peng-ran*

(Guangdong Provincial Public Laboratory of Analysis and Testing Technology,China National Analytical Center(Guangzhou),Guangzhou 510070,China)

Characteristic south China herbal medicine samples were digested by microwave system with nitric acid,and 17 kinds of elements,such as Al,As,Hg,Ca,Cu,Cr,Pb and Zn,etc in the digestion solutions were simultaneously analyzed by microwave plasma atomic emission spectrometry(MP-AES) with multi-mode sample introduction system(MSIS) under the optimized reductant concentration,to investigate the contents of these elements in south herbal medicines.Result showed that MP-AES had good detection limits for metal elements,and the analytical results of elements in two kinds of standard material were consistent with the analytical results of ICP-MS and the standard values,except for As,Hg,Sb and Se that were undetected.The detection limits of the method were 0.05-0.53 μg/g for the metal elements,and 0.93-5.40 μg/g for elements that could generate the vapor with hydride.In these south China herbal medicine samples,concentrations of Cd and Cu were below the limit values of Chinese Pharmacopoeia,contents of Cr and Pb exceeded the limits of European herbs,but the detection limits of As and Hg needed to decrease for quality control of herbs.The method could meet the analysis requirements of some elements in the south China herbal medicine because of its low detection limit,wide linear range,accuracy,rapid analysis and simultaneous multi-element analysis.

MP-AES;vapor generation;South China herbal medicine;elements

2014-10-09;

2014-10-30

國家自然科學(xué)基金(21307120);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012B061800043)

10.3969/j.issn.1004-4957.2015.02.018

O657.3；O611

A

1004-4957(2015)02-0227-05

*通訊作者：郭鵬然，博士，副研究員，研究方向：原子光譜分析技術(shù),Tel：020-37656885-823，E-mail：prguo@fenxi.com.cn