西洋參中稀土元素的測定及其在產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

張春華， 陳春桃， 陳 亮， 韓必愷， 李子宜， 吳惠勤， 黃曉蘭

(廣東省科學(xué)院測試分析研究所（中國廣州分析測試中心） 廣東省化學(xué)測量與應(yīng)急檢測技術(shù)重點(diǎn)實驗室廣東省中藥質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510070)

0 引 言

西洋參為五加科人參屬多年生草本植物西洋參(Panax quinquefoliumL.)干燥的根[1]，是藥食兩用的一味名貴藥材，原產(chǎn)于北美洲加拿大和美國，20世紀(jì)80年代以來在我國引種成功，主要分布在吉林、山東、北京和陜西等地[2]。進(jìn)口西洋參價格比國產(chǎn)西洋參昂貴，一些不法商人由于利益驅(qū)使，市場上以國產(chǎn)西洋參假冒為進(jìn)口西洋參的問題經(jīng)常發(fā)生。所以，建立西洋參的產(chǎn)地鑒定方法對規(guī)范西洋參藥材市場、保護(hù)消費(fèi)者和生產(chǎn)者的權(quán)益具有重要的意義。

電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）因操作簡單、檢出限低、測定范圍廣、靈敏度高以及多元素同時分析等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為元素分析的常用方法[3-5]。植物生長與土壤的成分有直接的關(guān)系，植物的稀土元素組成與其生長的土壤相關(guān)，所以稀土元素和/或穩(wěn)定同位素結(jié)合成分分析、聚類分析、線性判別分析等被應(yīng)用于如大米[6]、植物油[7]、茶葉[8]、紅酒[9]、胡蘿卜[10]、大桃[11]等食品的產(chǎn)地溯源研究?；诘V物元素鑒別西洋參產(chǎn)地方面，王哲等[12]采用ICP-MS測定了西洋參中50種礦物元素，建立了山東產(chǎn)西洋參的礦物元素指紋圖譜，可用于鑒別是否為山東產(chǎn)西洋參；侯皓然等[13]測定了西洋參28種礦物元素，篩選出Y、Fe和Ni元素作為判別西洋參產(chǎn)地的判別分析模型指標(biāo)，用于鑒別中國東北、美國和加拿大產(chǎn)西洋參；陳軍輝等[14]采用ICP-MS法測定了8個吉林產(chǎn)西洋參和4個其他產(chǎn)地西洋參樣品中18個無機(jī)元素含量，并應(yīng)用主成分分析法和聚類分析法對不同產(chǎn)地的西洋參無機(jī)元素進(jìn)行分析。但是，未見利用稀土元素來建立判別模型，鑒別西洋參產(chǎn)地的報道。

本研究中，收集了山東、吉林、美國和加拿大產(chǎn)西洋參共計38個樣品，建立了西洋參中15種稀土元素的方法，采用IBM SPSS 20軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、聚類分析和判別分析。山東產(chǎn)西洋參中稀土元素含量明顯高于其他三個產(chǎn)地，聚類分析表明山東產(chǎn)西洋參被歸為一類，吉林、美國和加拿大產(chǎn)地西洋參被歸為一類。經(jīng)逐步判別分析，篩選出 Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu 11個元素作為有效指標(biāo)，建立了判別模型，可區(qū)分山東、吉林和國外（美國和加拿大）產(chǎn)西洋參，初始驗證正確率為100%，交叉驗證總體正確率為86.8%。建立的判別模型可以區(qū)分國產(chǎn)和進(jìn)口西洋參，滿足日常打擊西洋參產(chǎn)地造假的需要。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

不同產(chǎn)地西洋參樣品：山東（18個，編號SD01～SD18）、吉林（12個，編號 JL01～JL12）、美國（5個，編號 MG01～MG05）、加拿大（3個，編號JND01～JND03），由廣東跑合中藥材電子商務(wù)有限公司提供和藥店購買。所有西洋參樣品60℃烘2小時，剪成顆粒，用中藥粉碎機(jī)粉碎，過二號篩，用樣品袋裝好后，保存于干燥器中。

La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y 多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 μg/mL）購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心；Rh、Re單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL）：購自國家鋼鐵材料測試中心；ICP-MS 儲備調(diào)諧溶液（含 Ce、Co、Li、Tl、Y，10 mg/L），購自安捷倫科技有限公司。生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10027（GSB-18 人參），購自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)。

HNO3（68%，UP級）：蘇州晶瑞化學(xué)股份有限公司；超純水：實驗室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

Agilent 7700x ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國安捷倫公司）；WX-8000型微波消解儀和G-160型趕酸器（上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司）；TP-214型丹佛電子天平（美國丹佛儀器公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 內(nèi)標(biāo)溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

內(nèi)標(biāo)溶液的配制：精密移取Rh和Re標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL）適量，用2%硝酸溶液稀釋，配制成質(zhì)量濃度為0.5 mg/L的混合內(nèi)標(biāo)溶液。

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制：精密移取稀土混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 μg/mL）適量，用2%硝酸溶液逐級稀釋，配制成各稀土元素質(zhì)量濃度為 0，0.5，1，5，10，50 μg/L的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.3.2 樣品制備

取西洋參粉末0.5 g于聚四氟乙烯消解管中，加入5 mL濃硝酸，放置30 min后，放入微波消解儀中消解，按表1程序消解完全后，冷卻、于趕酸器中120 ℃趕酸約20 min，消解液轉(zhuǎn)移到25 mL比色管中，消解管用少量超純水清洗3次，合并清洗液，并用超純水定容到刻度。同時，除不加樣品外按上述步驟進(jìn)行消解制備全流程空白。

表1 微波消解程序

1.3.3 ICP-MS儀器工作條件

采用1 μg/L調(diào)諧液，優(yōu)化儀器工作條件，使儀器的質(zhì)量軸、靈敏度、氧化物產(chǎn)率和雙電荷產(chǎn)率滿足實驗要求，優(yōu)化后儀器工作條件見表2。監(jiān)測質(zhì)量數(shù)分別為：89Y、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu、103Rh、185Re。

表2 ICP-MS儀器工作條件

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS 20軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、聚類分析和判別分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法學(xué)驗證

2.1.1 線性、檢出限和定量限

直接分析標(biāo)準(zhǔn)溶液，以各稀土元素的每秒計數(shù)（CPS）與內(nèi)標(biāo)元素的每秒計數(shù)（CPS）的比值（y）對每個標(biāo)準(zhǔn)溶液對應(yīng)的濃度 (x) 作回歸曲線，得到各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性方程、線性范圍和相關(guān)系數(shù)（見表3）。由表3可知，15種稀土元素線性相關(guān)系數(shù)為0.999 7～1.000 0，均大于0.999，說明線性相關(guān)良好。

表3 15種稀土元素的線性、檢出限和定量限

以連續(xù)分析11次標(biāo)準(zhǔn)空白溶液得到各稀土元素的 CPS，計算 11次 CPS的標(biāo)準(zhǔn)偏差 (SD)。以3 SD/S(S為靈敏度) 為儀器檢出限，按取樣量為0.5 g，定容體積為25 mL，計算方法的檢出限。以10 SD/S為儀器定量限，按取樣量為0.5 g，定容體積為25 mL，計算方法的定量限。方法的檢出限和定量限結(jié)果見表3。

2.1.2 方法準(zhǔn)確度和精密度

取某一西洋參樣品5份，分別加入250 μg/kg的15種稀土混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，按上述測定方法消解和測定加標(biāo)樣品中稀土元素含量，計算回收率和精密度，結(jié)果見表4，15種稀土元素的回收率為92.9%～105.9%，精密度RSD為3.5%～6.6%，回收率和精密度RSD結(jié)果良好。

表4 方法的回收率和精密度（n=5）

2.1.3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)考察

按上述測定方法，測定了6份生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10027（GSB-18 人參），驗證稀土元素含量測定的準(zhǔn)確性，結(jié)果見表5。15種稀土元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，再次驗證測試方法的準(zhǔn)確性。

表5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW10027）證書值及檢測結(jié)果(n=6)

2.2 不同產(chǎn)地西洋參稀土元素含量

采用建立的ICP-MS方法測定了山東、吉林、美國和加拿大4個產(chǎn)地合計38批次西洋參中稀土元素含量，其平均含量結(jié)果見表6，因收集到的美國和加拿大產(chǎn)西洋參樣品量較少，將美國和加拿大產(chǎn)西洋參合并統(tǒng)計。在所有西洋參樣品中，15種稀土元素均有檢出，其分布規(guī)律與自然界中稀土元素豐度分布遵循偶數(shù)規(guī)則一樣，含量變化呈現(xiàn)鋸齒形曲線。山東產(chǎn)西洋參中的各稀土元素含量明顯高于吉林和美國、加拿大產(chǎn)西洋參，同時，采用SPSS 20的單因素方差分析可知，山東產(chǎn)西洋參中15種稀土與其他產(chǎn)地存在顯著性差異（P＜0.05），吉林與美國和加拿大產(chǎn)西洋參中 Y、Ce、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 元素也存在顯著性差異（P＜0.05）。

表6 不同產(chǎn)地西洋參稀土元素的平均含量

2.3 不同產(chǎn)地稀土元素的聚類分析

采用SPSS20統(tǒng)計分析軟件對西洋參樣品中稀土元素進(jìn)行了系統(tǒng)聚類分析，聚類方法為組之間的鏈接，測區(qū)間為平方Euclidean距離，數(shù)據(jù)無標(biāo)準(zhǔn)化，得到樣品平均鏈接（組間）的譜系圖（圖1），樣品在歐氏距離為10處被分為2類，第一類包括了全部18個山東產(chǎn)西洋參樣品，第二類包括了吉林、美國和加拿大產(chǎn)西洋參樣品。聚類分析能夠?qū)⑸綎|產(chǎn)西洋參與其他3個產(chǎn)地西洋參區(qū)別開來，但是吉林、美國和加拿大產(chǎn)西洋參無法分開，這可能是因為山東產(chǎn)西洋參中15種稀土元素含量均比其他三個產(chǎn)地的高。因此，僅僅通過西洋參中15種稀土元素的聚類分析，無法應(yīng)用于不同產(chǎn)地西洋參的產(chǎn)地溯源。

圖1 樣品平均鏈接（組間）的譜系圖

2.4 不同產(chǎn)地稀土元素的判別分析

為解決國產(chǎn)西洋參冒充進(jìn)口西洋參的造假問題，采用SPSS20分析軟件中的判別分析，探討利用西洋參中稀土元素含量差異來區(qū)分國內(nèi)西洋參與美國和加拿大的可行性。因收集到的美國和加拿大產(chǎn)西洋參樣品量較少，將美國和加拿大產(chǎn)西洋參歸為一類（即為國外西洋參）。在判別分析中，選擇Fisher、未標(biāo)準(zhǔn)化為函數(shù)系數(shù)參數(shù)，先驗概率選擇根據(jù)組大小計算。經(jīng)逐步判別分析，從15種稀土元素中篩選出的鑒別不同產(chǎn)地西洋參的有效指標(biāo)為11個元素（Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu），建立了2個典型判別函數(shù)（函數(shù)1的方差貢獻(xiàn)率為80.2%，函數(shù)2的方差貢獻(xiàn)率為19.8%，函數(shù)中元素含量單位均為μg/kg）如下：

采用典型判別函數(shù)1和典型判別函數(shù)2的得分作散點(diǎn)圖（圖2），從圖2可以直觀地看出山東、吉林、國外（美國+加拿大）產(chǎn)西洋參按各自的產(chǎn)地明顯分為3類，說明所選的稀土元素可用于西洋參的產(chǎn)地鑒別。此外，不同產(chǎn)地的西洋參樣品又有其各自的分布特征，吉林產(chǎn)西洋參分布較集中，山東和國外產(chǎn)西洋參圍繞各自組質(zhì)心分布相對較分散。

圖2 典型判別函數(shù)分散點(diǎn)

通過典型判別函數(shù)1和典型判別函數(shù)2得到各產(chǎn)地西洋參判別函數(shù)如下：

為了驗證判別分析模型的準(zhǔn)確性，采用判別分析對三個產(chǎn)地的西洋參進(jìn)行產(chǎn)地識別的結(jié)果見表7。初始驗證中38個西洋參樣品全部被正確歸類，總體正確率為100%；交叉驗證中18個山東產(chǎn)西洋參有2個被歸為吉林、1個歸為國外，其他15個樣品正確歸類為山東，12個吉林樣品被全部正確歸類，8個國外樣品有2個被歸類為吉林，其他6個樣品歸為國外，交叉驗證總體正確率為86.8%。綜合初始驗證和交叉驗證的結(jié)果，該判別分析模型的準(zhǔn)確度較好，可用于山東、吉林和國外（美國和加拿大）產(chǎn)西洋參的產(chǎn)地溯源。對于未知產(chǎn)地西洋參樣品，按建立的方法測定15種稀土元素含量，將含量數(shù)據(jù)同模型樣品一起導(dǎo)入SPSS20統(tǒng)計分析軟件，按上述判別分析進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后即可得到未知樣品的產(chǎn)地信息。

表7 判別分析初始驗證和交叉驗證結(jié)果1)-3)

3 結(jié)束語

建立了ICP-MS測定西洋參中15種稀土元素（La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y）的方法，并測定了山東、吉林、美國和加拿大4個產(chǎn)地38批次西洋參中15種稀土元素，采用方差分析、聚類分析和判別分析對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。經(jīng)逐步判別分析，篩選出 Y、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Lu 11個元素作為有效指標(biāo)，建立了判別分析模型，能有效區(qū)分山東、吉林和國外（美國和加拿大）產(chǎn)西洋參，初始驗證正確率為100%，交叉驗證總體正確率為86.8%。建立的判別分析模型可以區(qū)分國產(chǎn)和進(jìn)口西洋參，滿足日常打擊西洋參產(chǎn)地造假的需要。