基于粉末X射線衍射和電子自旋共振技術(shù)對(duì)全蝎的檢測(cè)

項(xiàng)太平，張 進(jìn)，路大勇，劉巧麗

(吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程研究中心，吉林 吉林 132022)

全蝎原名“蠍”，鉗蝎科動(dòng)物東亞鉗蝎(Buthus martensii Karsch)，始載于宋代《開(kāi)寶本草》，《本草綱目》列于蟲(chóng)部第40卷[1].春末至秋初捕捉，除去泥沙，置沸水或沸鹽水中，煮至全身僵硬，撈出，置通風(fēng)處，陰干.其味辛、性平、有毒，歸肝經(jīng)，具有熄風(fēng)鎮(zhèn)痙、通絡(luò)止痛、攻毒散結(jié)之功效[1-2].臨床多用于治療驚風(fēng)、抽搐痙攣、瘰疬等[3].迄今為止，已發(fā)現(xiàn)近2 000種[3]，分屬16科210屬.目前，國(guó)內(nèi)已記錄的全蝎共53種，分屬5科12屬，省份分布于山東、山西、河南等地[3-4]，其養(yǎng)殖技術(shù)成熟，野生資源豐富，儲(chǔ)量巨大.

近年來(lái)，眾多學(xué)者主要研究全蝎的化學(xué)成分和藥理作用[5-6].研究發(fā)現(xiàn)，Cu、Mn、Ca等為人體必需的有益微量元素，也是臨床防病、治病基礎(chǔ)物質(zhì)的重要組成元素[7]，然而，在全蝎質(zhì)量安全控制方面缺乏有效方法[8].2006～2010年，呂揚(yáng)等人嘗試用粉末X射線衍射(powder X-ray diffraction，PXRD)法對(duì)動(dòng)物類中藥材全蝎的PXRD Fourier圖譜進(jìn)行了鑒定[9-10]，但未涉及全蝎質(zhì)量安全控制和過(guò)渡金屬元素檢測(cè).2015年版的《中國(guó)藥典》一部中給出了全蝎的性狀、顯微鑒別、浸出物和黃曲霉毒，但該標(biāo)準(zhǔn)不足以全面反映全蝎質(zhì)量[11].因此，為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)全蝎質(zhì)量特性，本文建立了一種對(duì)全蝎中明礬、鹽類成分鑒定的新型檢測(cè)方法.

PXRD和電子自旋共振(electron spin resonance，ESR)技術(shù)是一種在材料科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用、簡(jiǎn)單快捷、針對(duì)晶體的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[12-14].本研究基于PXRD以及ESR技術(shù)聯(lián)用建立的一種對(duì)全蝎中明礬、硫酸鹽等無(wú)機(jī)鹽以及Fe3+、Cu2+和Mn2+過(guò)渡金屬離子進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的新方法，并采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)對(duì)Mn2+的來(lái)源和含量進(jìn)行驗(yàn)證.PXRD和ESR技術(shù)在動(dòng)物類中藥質(zhì)量控制研究方面具有廣闊的應(yīng)用前景，為我國(guó)中藥材微量元素的研究提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

10種全蝎在市面上隨機(jī)采購(gòu)，其信息詳見(jiàn)表1；用于PXRD鑒定和量化評(píng)價(jià)所用的化學(xué)試劑信息詳見(jiàn)表2.

表1 全蝎樣品信息

表2 化學(xué)試劑信息

DX-2700型X射線衍射儀(丹東浩元儀器有限公司)；A300-10/12型X波段電子自旋共振波譜儀(德國(guó)Bruker公司)；AR-1140型電子分析天平(美國(guó)OHAUS公司)；HYT498LA型電子防潮柜(鹽城歐萊克電子設(shè)備有限公司)；FW80型微型高速萬(wàn)能試樣粉碎機(jī)(北京中興偉業(yè)儀器有限公司)；TG16-WS型臺(tái)式高速離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司)；MS-M-S10型10通道磁力攪拌器(上海勵(lì)海實(shí)業(yè)有限公司)；DHG-9145A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

從每種全蝎樣品中隨機(jī)取出3只樣品，依次用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)100目篩制成細(xì)粉；分別取2～3 g，并為每只設(shè)3個(gè)平行對(duì)比實(shí)驗(yàn).從每種全蝎樣品中隨機(jī)再抽取3只全蝎，制成細(xì)粉，在磁力攪拌器中攪拌30 min，溶解鹽分；將攪拌好的溶液轉(zhuǎn)移到離心管中，放入臺(tái)式離心機(jī)中實(shí)驗(yàn)3次，每次5 min；緩慢倒出管中液體，將余下的全蝎粉末置于電熱鼓風(fēng)干燥箱(65 ℃)中烘干24 h；取樣進(jìn)行測(cè)試.為防止樣品受潮，上述所有細(xì)粉均保存于電子防潮柜，濕度1%，儲(chǔ)存溫度設(shè)定為18 ℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 全蝎粉末的PXRD譜圖分析

2.1.1 全蝎的PXRD鑒定

目前市售全蝎的炮制方法主要有以下幾種：凍殺干燥法、鹽制法、流通蒸汽法、遠(yuǎn)紅外輻射干燥法、酒制法和枯礬制法[1].由于加工工藝不同，所制取的全蝎粉末成分含量也不同.將制備好的全蝎粉末進(jìn)行PXRD測(cè)試，為保證數(shù)據(jù)的非偶然性，對(duì)每種樣品進(jìn)行了平行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.圖1顯示10種全蝎粉末樣品的室溫PXRD譜，該圖顯示，各品種全蝎樣品的衍射峰位置和相對(duì)強(qiáng)度極其相似.每組平行實(shí)驗(yàn)抽取任一數(shù)據(jù)進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)：(1)每種全蝎的PXRD譜是其所含各種成分的衍射峰疊加后所形成的衍射圖譜，這些高強(qiáng)度衍射峰來(lái)源于無(wú)機(jī)鹽晶體(圖2).同時(shí)，不同產(chǎn)地樣品的衍射峰強(qiáng)度有明顯差異，其中，S2、S8、S9、S10樣品的無(wú)機(jī)鹽衍射峰強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其余樣品，說(shuō)明這幾種樣品中的無(wú)機(jī)鹽含量比其余樣品中的高；(2)全蝎粉末在20°附近具有較寬的彌散峰且強(qiáng)度較弱，這是因?yàn)槿泻写罅康姆蔷B(tài)蛋白質(zhì)成分，蛋白質(zhì)沒(méi)有特定的晶面間距，其原子間距(C—C、C—O或C—H鍵)分布在一定的尺寸區(qū)間，依據(jù)布拉格方程2dsinθ=nλ，每一個(gè)晶粒內(nèi)部的原子排列是短程有序的[14].說(shuō)明在全蝎中含有結(jié)晶性良好的有機(jī)分子晶體或無(wú)機(jī)晶態(tài)物質(zhì).

2θ/°

以S10全蝎樣品為代表，圖2給出了其與NaCl、硫酸鈉、明礬和石英的PXRD對(duì)比譜圖.S10的PXRD譜圖主要由4個(gè)系列衍射峰構(gòu)成，見(jiàn)圖2(a)：(1)高強(qiáng)度的NaCl和硫酸鈉衍射峰，揭示炮制加工過(guò)程中加入了相當(dāng)量的鹽分且全蝎體內(nèi)也存在部分無(wú)機(jī)鹽，見(jiàn)圖2(b)～(c)；(2)少量的明礬(KAl(SO4)2·12H2O)，見(jiàn)圖2(d)；(3)石英(SiO2)衍射峰意味著少量沙存在于S10全蝎中，在S1～S9樣品中也發(fā)現(xiàn)少量SiO2的存在，見(jiàn)圖2(e).

2θ/°

2.1.2 全蝎中無(wú)機(jī)鹽的PXRD檢測(cè)及來(lái)源討論

10種炮制全蝎的PXRD譜見(jiàn)圖3.

2θ/°

全蝎在炮制加工時(shí)須經(jīng)過(guò)多層環(huán)節(jié)，一些不良廠家正是利用其中的工序惡意摻雜，通過(guò)增重的方法試圖牟取暴利.將10種溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎研磨成粉末，進(jìn)行PXRD測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在20°附近顯示出非晶態(tài)彌散峰，且強(qiáng)度很弱(圖3).

PXRD譜見(jiàn)圖4.

2θ/°

圖4(a)給出了溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎樣品S10的PXRD譜，比對(duì)發(fā)現(xiàn)這些衍射峰來(lái)源于六方相SiO2(PDF 97-001-6333)和Na2SO4(PDF 97-000-2895).溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎顯示的晶態(tài)衍射峰，源于其體內(nèi)的非水溶性物質(zhì)，見(jiàn)圖4(a).通過(guò)PXRD譜模擬，全蝎被鑒定為具有菱方結(jié)構(gòu)的Mg0.1Ca0.9CO3(PDF 71-1663)成分，與生物體內(nèi)常常具有正交結(jié)構(gòu)的CaCO3文石不相同[13]，見(jiàn)圖4(d).全蝎體內(nèi)的非水溶性物質(zhì)中含有六方相二氧化硅(SiO2)，即是沙形成的.結(jié)合圖2對(duì)比分析可知，溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎體內(nèi)可能含有部分泥沙和無(wú)機(jī)鹽Na2SO4.

這一現(xiàn)象表明：(1)全蝎被浸泡后大量的NaCl溶于水，因此NaCl晶體衍射峰幾乎完全消失.說(shuō)明全蝎自身不含NaCl或者含量極少難以被PXRD手段檢測(cè)到；(2)Na2SO4來(lái)源于全蝎自身；(3)結(jié)合圖3和圖4可以認(rèn)為全蝎體內(nèi)有少量泥沙存在；(4)明礬為水溶性物質(zhì)，經(jīng)過(guò)溶解實(shí)驗(yàn)后大量的明礬被溶解，但存在少量明礬未被溶解，溶解前后實(shí)驗(yàn)對(duì)比(圖2(a)與圖4(a))證實(shí)明礬為炮制加工過(guò)程加入的.

上述PXRD實(shí)驗(yàn)比較分析再次證明全蝎中的大量鹽分NaCl是炮制過(guò)程中帶入的，而Na2SO4為全蝎自身含有的無(wú)機(jī)鹽.

2.1.3 全蝎中氯化鈉、明礬和SiO2含量的PXRD檢測(cè)

表3給出了10種市售全蝎中鹽分、明礬以及SiO2的含量.通過(guò)數(shù)據(jù)分析：(1)S2、S8、S9、S10樣品中的NaCl含量(9.47～12.23 g/100 g)高于其余樣品中NaCl含量(2.37～7.50 g/100 g)，S2、S8、S9、S10為鹽制全蝎.全蝎藥用含鹽量應(yīng)不超過(guò)20%，S1～S10均滿足要求，但《中國(guó)藥典》并未給出全蝎炮制時(shí)使用NaCl的用量[15].(2)S1～S10樣品中明礬含量為3.73～11.27 g/100 g，其中S1和S6樣品明礬含量較高(10.60～11.27 g/100 g).文獻(xiàn)報(bào)道加入適量的明礬有助于凝固蛋白、燥濕收斂、防腐抑菌，保護(hù)全蝎毒性蛋白成分，并防止其變質(zhì)，但如果后續(xù)工序未沖洗干凈，容易導(dǎo)致鋁殘留在全蝎中，長(zhǎng)期服用容易引起多種疾病[10].

表3 由PXRD法確定的全蝎中氯化鈉、明礬和沙含量(×10-2)

一些不良加工廠家主要利用炮制加工過(guò)程中增重的方法，例如：外加礬煮、鹽水泡、腹內(nèi)加填空物等，更有甚者在加工前，將活蝎斷食，幾天后加雞蛋、淀粉、水泥、鐵粉等混合飼料喂飽，然后加工成全蝎，這樣加工成的產(chǎn)品比常規(guī)加工的重量約重30%～50%[8].

2.2 全蝎粉末的ESR譜圖分析

2.2.1 全蝎中過(guò)渡金屬離子鑒定

全蝎體內(nèi)含有14種微量元素，其中，Cu、Mn、Fe、Zn含量較高，Cu、Mn、Ca、Fe等是人體必需的有益微量元素.這些微量元素結(jié)合成有機(jī)成分或作為離子游離于生物體內(nèi)，PXRD技術(shù)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè).利用電子自旋共振(ESR)技術(shù)鑒定全蝎體內(nèi)的微量元素.

圖5為10種全蝎的ESR譜.

H/G

該圖顯示10種全蝎樣品在H=1 500 G和H=3 500 G磁場(chǎng)附近有明顯信號(hào)，經(jīng)計(jì)算，H=1 500 G磁場(chǎng)附近信號(hào)g=4.3，為Fe3+[16-17]，H=3 500 G磁場(chǎng)附近信號(hào)較為復(fù)雜需進(jìn)一步分析.觀察圖5發(fā)現(xiàn)S2、S8、S9、S10樣品在H=3 500 G磁場(chǎng)附近疑似存在Mn2+(3d5)的特征六線信號(hào)[13]，圖6可以清晰看到這幾個(gè)樣品中確實(shí)存在Mn2+的特征六線信號(hào)，并且還存在其他離子信號(hào)，但由于信號(hào)較為復(fù)雜，無(wú)法辨別出其他離子信號(hào)的種類.

H/G

S1、S3、S4、S5、S6、S7樣品未檢測(cè)出Mn2+信號(hào)，結(jié)合圖1的PXRD結(jié)果推斷，由于S2、S8、S9、S10樣品中的NaCl含量較高，Mn2+含量隨之增大，因而進(jìn)行ESR測(cè)試時(shí)檢測(cè)到了較強(qiáng)的Mn2+信號(hào)，而其余樣品中的NaCl含量較低，Mn2+含量較少信號(hào)太弱，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下無(wú)法被檢測(cè)到.

2.2.2 全蝎中過(guò)渡金屬離子來(lái)源分析

圖7為10種炮制全蝎的ESR譜.

H/G

圖8為炮制全蝎S2～S6的ESR譜.

將溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎研磨成細(xì)粉進(jìn)行ESR測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所有樣品的譜圖形狀一致，信號(hào)出現(xiàn)位置相近.圖8給出了以S2、S3、S5、S6樣品為代表的ESR譜，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)：(1)H=1 500 G磁場(chǎng)附近g=4.3弱的寬Fe3+信號(hào)[16]仍然存在，說(shuō)明該信號(hào)起源于全蝎自身；(2)另一個(gè)g=2.17對(duì)稱信號(hào)起源于Cu2+(3d9)的ESR響應(yīng)[18].結(jié)合圖1和圖7可以看出S2、S8、S9、S10樣品經(jīng)過(guò)溶解實(shí)驗(yàn)后Mn2+的六線信號(hào)完全消失，而PXRD測(cè)試證實(shí)浸泡后NaCl被除去，這也證實(shí)了Mn2+的ESR信號(hào)與NaCl含量有關(guān)的猜測(cè).

H/G

2.2.3 全蝎中過(guò)渡金屬M(fèi)n2+檢測(cè)驗(yàn)證

為驗(yàn)證Mn2+來(lái)源于食鹽，將S2和S3泡制后的水溶液進(jìn)行ICP測(cè)試，分析得出，S2和S3泡制后的水溶液中Mn離子濃度達(dá)到了ppb級(jí)，分別為55.60 ppb和26.27 ppb.圖9給出兩種不同規(guī)格食鹽的ESR譜，觀察發(fā)現(xiàn)R5、R6和R7在H=3 500 G磁場(chǎng)附近存在Mn2+(3d5)特征六線信號(hào).由此可以得出結(jié)論：(1)食鹽中存在Mn2+；(2)全蝎中的Mn2+來(lái)源于食鹽，而非全蝎自身；(3)純度為分析純級(jí)別的NaCl雖然純度較高，但其雜質(zhì)中存在Mn2+.

H/G

3 結(jié) 論

PXRD技術(shù)對(duì)隨機(jī)采購(gòu)的10種市售全蝎進(jìn)行質(zhì)量控制初探，以氯化鈉(R1)在2θ=31.72°、明礬(R2)在2θ=20.50°和石英(R4)在2θ=26.64°附近的PXRD主峰強(qiáng)度確定全蝎中這些物質(zhì)的含量.PXRD實(shí)驗(yàn)證實(shí)：S2、S8、S9、S10樣品為鹽制全蝎，含鹽量較高(9.47～12.23 g/100 g)；10種全蝎中含沙量為2.38～4.40 g/100 g；所有全蝎均添加明礬(3.73～11.27 g/100 g)，其中S1和S5樣品明礬含量較高(10.6～11.27 g/100 g)；溶解實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)全蝎體內(nèi)沒(méi)有任何種類的有機(jī)分子晶體，僅存在非晶態(tài)的有機(jī)成分；全蝎被鑒定為具有菱方結(jié)構(gòu)的Mg0.1Ca0.9CO3無(wú)機(jī)物；無(wú)機(jī)鹽Na2SO4是全蝎自身含有的，而NaCl是炮制過(guò)程中帶入的.此外，為探索全蝎體內(nèi)微量元素與無(wú)機(jī)鹽的關(guān)聯(lián)，采用電子自旋共振(ESR)和電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP)技術(shù)進(jìn)行探索，ESR和ICP技術(shù)證實(shí)：全蝎中的Mn2+來(lái)源于食鹽，而非全蝎自身；溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎存在Fe3+和Cu2+，即Fe3+和Cu2+是全蝎體自身含有的金屬離子.

粉末X射線衍射(PXRD)能夠?qū)θ|(zhì)量安全進(jìn)行控制，電子自旋共振(ESR)技術(shù)可檢測(cè)出全蝎中的微量元素和過(guò)渡金屬元素.可見(jiàn)，PXRD和ESR技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，可建立一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可完善對(duì)動(dòng)物類中藥材的研究.