ICP-MS測定不同產(chǎn)地藜麥中27種無機(jī)元素

張國香，胡秋霞*，李剛

山西省科技資源與大型儀器開放共享中心（太原 030000）

藜麥為一年生莧科藜亞科植物，原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈高海拔山區(qū)，具有一定的耐寒、耐旱、耐鹽性，與大多數(shù)谷類作物相比，藜麥更是雜糧中的珍品，有“谷物之母”的美譽(yù)，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的唯一的全谷全營養(yǎng)完全蛋白堿性食物[1-4]。藜麥具有豐富的營養(yǎng)價值，特別是含有全面的蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)、維生素及酚類化合物，除能滿足人體所必需的營養(yǎng)物質(zhì)外，還具有顯著的抗氧化、抗癌、降血壓等多種藥理作用。近年來，藜麥成為食品和醫(yī)藥行業(yè)廣泛關(guān)注的研究對象[5-7]。我國對藜麥的研究仍處在育種、栽培和初加工、生物活性等方面[8]，然而植物的生長環(huán)境不同所吸收的成分有所差異，導(dǎo)致其品質(zhì)也有所差異，無機(jī)元素是植物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)構(gòu)成的重要因素，如同中藥無機(jī)元素的種類、含量影響中藥品質(zhì)和療效[9-11]。所以不同產(chǎn)地的藜麥中無機(jī)元素種類和含量可能存在差異。因此，研究不同產(chǎn)地藜麥無機(jī)元素、揭示產(chǎn)地對藜麥品質(zhì)的影響，為評價藜麥質(zhì)量提供依據(jù)。指紋圖譜技術(shù)是基于中藥或農(nóng)作物的固有品質(zhì)特性，能夠反映其內(nèi)部特征的圖譜，對中藥材或糧食質(zhì)量控制具有整體性、系統(tǒng)性、特征性和穩(wěn)定性，成為中藥（糧食）質(zhì)量控制和評價的熱點之一[12]。

關(guān)于藜麥無機(jī)元素指紋圖譜方面的研究鮮見報道。研究采用ICP-MS法測定藜麥中27種無機(jī)元素，建立多產(chǎn)地共19批次藜麥樣品的無機(jī)元素指紋圖譜，并結(jié)合系統(tǒng)聚類分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和分析，進(jìn)行藜麥質(zhì)量分析和評價，以期為全面控制藜麥質(zhì)量提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)小麥GBW 10010a（GSB-2a，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究院）；藜麥樣品來自山西、青海、甘肅等地（均為白藜麥），見表1。

表1 藜麥樣品信息

多元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液（美國安捷倫公司）：含有K、Na、Ca、Mg、Fe（1 000 μg/mL），Sr（100 μg/mL），Ag、Mo、As、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Se、Th、Tl、U、V、Zn（10 μg/mL）。P單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液和Hg單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心）；內(nèi)標(biāo)元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液Li、Sc、Ge、Y、Rh、In、Re、Bi（10 μg/mL，美國南卡羅來納州o2si公司）；濃硝酸（優(yōu)級純，成都市科龍化工試劑廠）；實驗室用水均為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

Perkin Elmer NexTON 300X ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國，PerkinElmer公司）；DigiBlock ED54電熱消解儀（Lab Tech公司）。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

將干燥后的藜麥粉碎過0.25 mm（69目）篩，精密稱取藜麥粉0.500 0 g，置于50 mL消解管中，加5 mL濃硝酸，搖勻浸泡過夜，置于電熱消解儀上，升溫至120 ℃保持1 h，打開蓋子趕酸至近干，冷卻至室溫，用1%硝酸溶液定容到50 mL，搖勻，得到待測溶液。在相同條件下處理標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品空白，每個樣品1式3份。

1.3.2 ICP-MS測定條件

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作條件設(shè)定：射頻功率1 100 W，等離子體氣流速度15.0 L/min，霧化氣流速1.0 L/min，輔助氣流速1.0 L/min，每個樣品重復(fù)3次。

1.3.3 準(zhǔn)確度和精密度

通過生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 10010a（GSB-2a小麥）驗證元素含量的準(zhǔn)確性（表3）。結(jié)果顯示，該生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中不含Be和U，Hg、Th和Tl的含量低，扣除空白后未檢出，其他元素含量基本與參考值相符。對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中不含或只給出參考值的元素進(jìn)行加標(biāo)回收試驗，平均回收率為85%～110%，經(jīng)用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)小麥對比分析證實該方法準(zhǔn)確性良好，可滿足藜麥樣品中無機(jī)元素測定要求。

取混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在1.3.2的條件下連續(xù)測定6次，計算得到27種元素的SRSD為0.15%～0.98%，表明精密度良好。

表2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中27種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0繪制無機(jī)元素指紋圖譜，通過統(tǒng)計分析軟件SPSS 22.0對19批藜麥樣品進(jìn)行聚類分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 藜麥樣品無機(jī)元素含量

不同產(chǎn)地藜麥樣品中的27種無機(jī)元素含量測定結(jié)果見表3。結(jié)果表明，藜麥中27種無機(jī)元素含量差別較大，不同產(chǎn)地藜麥樣品中均含有大量人體必需元素K、P、Ca、Mg等，其中：K元素的含量最高（平均值為7 647 μg/g）；其次含量較高的元素依次為P、Mg、Ca；不同產(chǎn)地藜麥中還含有Fe、Mo、Co等微量元素。

表3 藜麥中無機(jī)元素含量

為了更直觀表達(dá)不同地區(qū)藜麥中各無機(jī)元素的含量高低，繪制Heatmaps圖（圖1）。由于Be、Ag、Sb、Hg、TI、Th、U在多個產(chǎn)地藜麥中低于檢出限，因此在繪制Heatmaps圖時，將這些數(shù)據(jù)剔除。由表3及圖1可見，同一元素在不同產(chǎn)地之間的含量差異較大，如K元素含量，玻利維亞-3含量最低，最低值為3 647 μg/g，青海海西含量最高，可達(dá)10 460 μg/g。有害元素含量均未超過其限量。

圖1 藜麥樣品中無機(jī)元素含量熱圖分析

2.2 無機(jī)元素指紋圖譜的建立

ICP-MS測定的元素含量為一組獨立的離散數(shù)據(jù)，建立無機(jī)元素指紋圖譜需要將元素含量轉(zhuǎn)化為圖形。剔除未檢出的元素，將其余元素種類為橫坐標(biāo)，其對應(yīng)含量為縱坐標(biāo)，繪制無機(jī)元素指紋圖譜（圖2）。由于藜麥中27種無機(jī)元素含量差別較大，為了便于繪制指紋圖譜，參考文獻(xiàn)[13]，將含量懸殊的元素同時擴(kuò)大或縮小至統(tǒng)一數(shù)量級（K、P、Mg縮小1 000倍，Ca縮小100倍，V、Cr、Co、As、Se、Cd、Pd擴(kuò)大100倍，Ni、Mo、Ba擴(kuò)大10倍），采用Origin 8.0軟繪制無機(jī)元素指紋圖譜。由圖2可見，藜麥元素指紋圖譜的峰形與走勢基本一致，但清楚可見部分樣品的峰形存在特異性且相對含量差異明顯，所建立的無機(jī)元素指紋圖譜可直觀顯示出不同產(chǎn)地間的差異信息。

圖2 藜麥的無機(jī)元素指紋圖譜

2.3 聚類分析

聚類分析是根據(jù)樣本的相似度進(jìn)行歸類的，在中藥應(yīng)用較多。試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 22.0軟件，采用組間連接法，選用歐氏距離對19批樣品進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析（見圖3）。結(jié)果表明，聚類分析可將藜麥大致分成三類。第1類：S1、S2、S3、S6、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S19。第2類：S4、S5、S7、S18。第3類：S14、S15、S16、S17。結(jié)合表1藜麥樣品產(chǎn)地信息可知：第1類樣品來自我國山西、青海、云南和內(nèi)蒙；第2類樣品來自我國甘肅、寧夏和新疆；第3類樣品分別來自于秘魯和玻利維亞。由此說明，藜麥的產(chǎn)地對其質(zhì)量影響較大，導(dǎo)致不同樣品之間差異性的原因可能與其土壤、氣候和水質(zhì)等因素有關(guān)。因為種植氣候、土壤、地理空間不同，作物的生長狀況就會出現(xiàn)一定差異，土壤中微量元素與水分也有一定差異，導(dǎo)致植物吸收的營養(yǎng)成分也大不相同[14-15]，所以不同產(chǎn)地的藜麥質(zhì)量也存在一定差異。

圖3 藜麥無機(jī)元素的聚類分析

2.4 主成分分析

剔除未檢出的元素，采用SPSS 22.0軟件將20種元素含量進(jìn)行主成分分析，得到各主成分特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率（表4）。前5個主成分初始特征值（分別為6.716，3.169，2.552，1.929和1.656）均大于1且累計貢獻(xiàn)率大于80.106%，說明前5個主成分可以解釋，對前5個主成分因子進(jìn)行分析，第1主成分因子負(fù)荷量較大的是Mg、P、Fe，第2主成分因子負(fù)荷量較大的是Se、Cd，第3主成分因子負(fù)荷量較大的是V，第4主成分因子負(fù)荷量較大的是Mn、Ba，第5主成分因子負(fù)荷量較大的是Co。因此可初步認(rèn)為Mg、P、Fe、Se、Cd、Mn、Ba、Co是影響藜麥無機(jī)元素組成的特征元素。

表4 主成分初始特征值和貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

采用ICP-MS法測定多產(chǎn)地藜麥中27種無機(jī)元素的含量，建立各產(chǎn)地藜麥的無機(jī)元素指紋圖譜，并通過聚類分析、主成分分析方法對其元素分布規(guī)律進(jìn)行研究。

有機(jī)成分是藜麥質(zhì)量控制和評價的重要指標(biāo)，無機(jī)元素主要從常量元素進(jìn)行分析，而對其他無機(jī)元素并未足夠重視。使用PCA發(fā)現(xiàn)了藜麥的特征元素為Mg、P、Fe、Se、Cd、Mn、Ba、Co。此外，基于19批樣品的20種元素建立的無機(jī)元素圖譜顯示無機(jī)元素含量差異明顯，推測其原因可能與種植環(huán)境有關(guān)，為后續(xù)藜麥的質(zhì)量評價提供參考依據(jù)。