引用本文
李超, 崔占虎, 黄显章, 张重义. 不同产地艾叶35种矿物元素的分析与评价[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(5): 1350-1354.
LI Chao, CUI Zhan-hu, HUANG Xian-zhang, ZHANG Zhong-yi. Analysis and Evaluation of 35 Mineral Elements in Artemisia Argyi From Five Different Areas in Four Provinces in China [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(5): 1350-1354.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)05-1350-05  
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不同产地艾叶35种矿物元素的分析与评价
李超1, 崔占虎2, 黄显章1,*, 张重义2
1.南阳理工学院, 河南 南阳 473000
2.福建农林大学, 福建 福州 350002
*通讯作者 e-mail: hxzgreat@163.com

作者简介: 李超, 1987年生, 南阳理工学院讲师 e-mail: lichaotcm@126.com

收稿日期: 2020-03-04 修订日期: 2020-06-11
基金: 国家自然科学基金项目(81803661)资助
摘要

矿物元素的种类和含量是中药材质量评价的重要指标, 与中药材的生长发育、 药用物质的形成以及临床疗效的发挥密切相关。 中药材矿物元素的分布因产地间气候、 土壤、 水文等生态因子不同而凸显的质量特征和作用规律是值得探索的问题。 以4个省份5个主产区的75份艾叶样品为实验材料, 利用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)和电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)法测定Ca, K, Mg, Na, Fe, Sn, Be, As, Al, V, Sc, Cr, Mn, Co, Bi, Ga, Ni, La, Mo, Ag, Hg, Cu, Nb, Zn, Ge, Se, Tl, Cd, Sb, Ba, Y, Ti, Pb, Zr和Sr等元素的含量, 并采用方差分析、 主成分分析、 因子分析等计量学方法进行统计与评价。 结果表明: (1)所建立的分析方法线性关系良好, 加标回收率高, 具有较高的准确度和精密度。 (2)35种矿物元素中有33种矿物元素的含量在不同产地间存在显著差异( p<0.05)。 (3)以35种矿物元素的含量为变量, 共提取7个主成分, 累计方差贡献率达82.75%, 主成分得分图显示不同产地艾叶样品的分布相对集中, 具备分类和评价的条件。 (4)选择前7个因子对艾叶进行综合评价, 评价函数为 F=0.449 1 F1+0.118 0 F2+0.097 2 F3+0.055 5 F4+0.042 5 F5+0.034 5 F6+0.030 7 F7, 通过计算总因子得分值 F可知, 河北安国的祁艾与湖北蕲春的蕲艾排在前列, 表明从矿物元素角度考虑, 以上2个产地的艾叶品质较好。 研究建立了不同产地艾叶中矿物元素的准确高效分析方法及评价体系, 为艾叶的质量控制及标准建立提供科学依据, 也为其他药材的等同性研究提有益参考。

关键词: 艾叶; 矿物元素; 化学计量学; 质量评价
中图分类号:R282.2 文献标志码:A
Analysis and Evaluation of 35 Mineral Elements in Artemisia Argyi From Five Different Areas in Four Provinces in China
LI Chao1, CUI Zhan-hu2, HUANG Xian-zhang1,*, ZHANG Zhong-yi2
1. Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473000, China
2. Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China
*Corresponding author
Abstract

The types and contents of mineral elements in medicinal plants are closely associated with their growth environment and pertinent development process. Meanwhile, they are also closely related to the product of medicinal substances and their clinical effects. Therefore, they are important indicators for the quality evaluation of Chinese medicinal materials, and it is worth exploring on the relationship of the characteristics regarding elements with the different environmental factors, such as climate, soil, hydrology and so on. In this study, the concentrations of 35 elements in Ca, K, Mg, Na, Fe, Sn, Be, As, Al, V, Sc, Cr, Mn, Co, Bi, Ga, Ni, La, Mo, Ag, Hg, Cu, Nb, Zn, Ge, Se, Tl, Cd, Sb, Ba, Y, Ti, Pb, Zr and Sr were determined by inductively coupled plasma-mass spectrometry and inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry techniques, and analyzed using multivariate statistical methods including variance analysis, principal component analysis and factor analysis. The results showed that the method had good selectivity, accuracy, within-day precision, recovery and linearity in their established ranges, respectively. There was a significant difference for 33 elements out of 35 in A. argyi from different locations ( p>0.05). According to the results of PCA, 7 principal components with a cumulative contribution rate of 82.75% were extracted from 35 elements for further analysis. Also, the distribution of A. argyi samples from different locations were relatively concentrated and was feasible for classification and evaluation. The comprehensive evaluation function for the 7 selected elements was F=0.449 1 F1+0.118 F2+0.097 2 F3+0.055 5 F4+0.042 5 F5+0.034 5 F6+0.030 7 F7. By calculating the scores of comprehensive factors, the total values of Qi ai (Qichun, Hubei province) and Bei ai (Anguo, Hebei province) are on top 2. The study established an accurate and efficient analytical method and comprehensive evaluation system for the mineral elements in A. argyi from different ecological areas, provide a scientific basis for quality control of beneficial supplements in A. argyi, and may be valuable for the similar studies for other medicinal species.

Keyword: Artemisia argyi; Mineral elements; Chemometrics; Quality evaluation
引言

艾Artemisa argyi Levl.et Vant.为北温带地区特有的菊科蒿属植物, 尤其在中国、 日本、 韩国等国家, 艾叶作为药用植物和食用植物的使用历史悠久。 在我国, 艾叶作为一种常用的传统中药材, 其性温, 味苦、 辛, 归肝、 脾、 肾经, 具有散寒止痛、 温经止血、 理气安胎等功效[1, 2, 3]。 艾叶既可外洗, 也可内服, 以其为原料制成的艾绒是中医临床施灸的主要材料, 理疗效果显著。 历代本草已明确提出的艾叶道地产地有“ 四明” 、 “ 复道” 、 “ 蕲州” 、 “ 祁州” 等地, 即现在的浙江宁波 “ 海艾” 、 河南安阳 “ 北艾” 、 湖北蕲春 “ 蕲艾” 和河北安国 “ 祁艾” 。 现如今, 宛艾持续快速发展, 产业规模居全国之首。 因此, 开展以上产区艾叶矿物元素的研究能够涵盖我国目前艾叶主产区的整体情况, 具有重要的现实意义。

目前, 国内、 外学者对艾叶的研究主要集中在化学成分及药理作用[4, 5, 6, 7], 而矿物元素方面的研究却少有报道。 现代研究表明, 中药材的品质和疗效不仅与有机成分有关, 也与矿物元素的种类和含量有密切联系[8, 9], 矿物元素对药效发挥的协同作用不容忽视。 本研究采用ICP-MS法和ICP-AES法对不同主产区艾叶中35种矿物元素进行测定, 并采用多种计量学方法进行分析和评价, 其结果可为艾叶品质评价及资源的综合开发利用提供科学依据和数据支撑。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

ICAP-6300型ICP-AES仪(美国Thermo Electron公司); Thermo X Series-Ⅱ 型ICP-MS仪(美国Thermo Fisher Scientific公司); Mars-5微波消解系统(美国CEM公司); 多元素标准溶液(美国Spex公司); 优级纯硝酸(德国 Merk 公司)。

1.2 样品处理

艾叶样品于2019年5月— 6月在河南省南阳市和安阳市、 湖北省黄冈市、 浙江省宁波市以及河北省保定市等地采集, 经南阳理工学院黄显章副教授鉴定为菊科蒿属草本植物艾Artemisia argyi levl.et Vant.。 将不同产地的艾叶样品去杂、 挑选、 干燥、 剪碎并混匀后备用。

1.3 仪器及参数

ICP-MS主要工作参数: RF功率为1 200 W, 雾化器压力为1.0 bar, 辅助气(氩气)流量为0.7 L· min-1, 等离子气流量为13 L· min-1, 蠕动泵转速(r· min-1)为分析(30)+冲洗(70); ICP-AES主要工作参数: RF功率为1 150 W, 蠕动泵转速为50 r· min-1, 辅助气流量为0.50 L· min-1, 雾化器气体流量为0.7 L· min-1。

1.4 样品消解及测定

准确称取预处理后的艾叶样品约0.4 g于消解内罐, 加浓HNO3 5 mL浸泡过夜, 160 ℃保持6 h, 冷却, 加热赶酸至近干, 移入25 mL容量瓶中, 合并洗液, 用1% HNO3定容, 混匀备用, 同时做试剂空白试验, 上机测定。

1.5 数据分析

采用SPSS 19.0和SIMCA-p 12.0软件对测定数据进行多元分析。

2 结果与讨论
2.1 工作曲线

用1% HNO3介质配制不同浓度梯度的混标溶液, 以标准品质量浓度为横坐标(X), 离子数为纵坐标(Y), 绘制标准曲线。 结果表明, 各待测元素线性关系良好, 线性范围及定量限均符合分析要求(见表1)。

表1 35种元素的定量限及线性回归方程 Table 1 The LOQ and linear regression equations of 35 elements
2.2 方法学考察

精密度试验中, 取各标准溶液进样6次并测定, RSD值显示均小于2.28%, 即精密度良好; 稳定性试验中, 取同一供试品溶液, 每隔1 h测定(6次), RSD值显示均小于2.72%, 即6 h内稳定性良好; 重复性试验中, 取同一供试品溶液6份, 测定后RSD值显示均小于3.06%, 即重复性较好; 加样回收率试验中, 取已测定的样品0.4 g(5份), 测定后 RSD值显示均值在98.66%~102.17%之间。

2.3 不同产地艾叶矿物元素分析

分别测定蕲艾、 宛艾、 海艾、 祁艾及北艾中35种矿物元素的含量, 并进行方差分析和多重比较, 分析结果详见表2。

表2 测定结果及差异分析 Table 2 Determination results and variance analysis

从表2可以看出, 不同产地艾叶样品中35种矿物元素均被有效检出, 且产地间元素含量差异显著。 元素质量分数整体呈现出K> Ca> Mg> Al> Fe> Mn> Na> Zn> Cu> Ti> Ba> Sr> Cr> V> Pb> Ni> La> Zr> As> Y> Cd> Co> Mo> Ga> Sc> Sn> Nb> Bi> Be> Tl> Sb> Hg> Ge> Ag> Se的规律, 数量级在10-6~102 g· kg-1之间。 方差分析和多重比较结果表明, 蕲艾与宛艾在Mg, Sn和Hg等10种元素的含量差异上达到显著水平(p< 0.05); 蕲艾与海艾在Ca, As和Al等21种元素的含量差异上达到显著水平; 蕲艾与祁艾在Na, Fe和Ti等12种元素的含量差异上达到显著水平; 蕲艾与北艾在Bi, La和Ba等9种元素的含量差异上达到显著水平; 宛艾与海艾在Be, Co和Ni等14种元素的含量差异上达到显著水平; 宛艾与祁艾在V, Sc, Cr等16种元素的含量差异上达到显著水平; 宛艾与北艾在Ni, Sb和Sr 3种元素的含量差异上达到显著水平; 海艾与祁艾在Zn, Ge和Se等22种元素的含量差异上达到显著水平; 宛艾与北艾在Ni, Sb和Sr 3种元素的含量差异上达到显著水平; 海艾与北艾在Se, Ti和Zr等11种元素的含量差异上达到显著水平; 祁艾与北艾在Bi, Ga和Nb等18种元素的含量差异上达到显著水平。 由此可见, 不同产地艾叶的矿物元素含量具有各自的特征, 且产地间差异显著。

Pb, Cd, Hg, Cu和As是重金属及有害元素, 当在体内蓄积至一定量时可引起免疫系统障碍和多种生理功能损害, 在2019国家药典《药材和饮片检定通则公示稿》中明确限度检查(Pb含量≤ 5 mg· kg-1, Cd含量≤ 1 mg· kg-1, As含量≤ 2 mg· kg-1, Hg含量≤ 0.2 mg· kg-1, Cu含量≤ 20 mg· kg-1)。 本研究中不同产地艾叶Pb, Cd, Hg和As 4种元素的检出最高值分别为3.912, 0.787, 0.055及1.594 mg· kg-1, 说明以上4种有害元素的含量均在限度之内, 而Cu元素的检出最高值44.104 mg· kg-1, 是限度的2倍以上, 这可能与艾叶对Cu元素的富集能力较强有关, 需要重视和关注。

2.4 不同产地艾叶主成分分析

主成分分析是利用降维的方式将原始多个变量拟合为少数的几个主成分, 且尽可能多地保留原始变量的信息。 为进一步探索不同产地艾叶矿物元素间的关系, 采用SPSS 19.0统计软件进行主成分分析, 分析结果详见表3。

表3 主成分的特征值及贡献率 Table 3 The eigenvalues and variance contribution of PCA

从表3可以看出, 不同产地艾叶35种矿物元素共提取7个主成分(特征值均大于1), 累计贡献率达82.75%, 说明所提取的主成分因子能够较为全面的反映艾叶产地间矿物元素的综合信息。 通过因子分析发现, 第一主成分中Ca, K, Mg, Na, Fe, Be, As, Al, V, Sc, Cr, Co, Bi, Ga, La, Mo, Ag, Nb, Ge, Se, Sb, Y, Ti, Pb及Zr共25种元素具有较高的载荷值, 说明第一主成分主要反映了这25种元素的信息, 方差贡献率占44.91%; 同理, 第二主成分中Sn, Mn, Hg, Zn, Tl, Cd及Ba共7种元素具有较高的载荷值, 方差贡献率占11.80%; 第三主成分中Ni, Cu及Sr共3种元素具有较高的载荷值, 方差贡献率占9.72%; 而第四、 五、 六、 七主成分的元素载荷值分布不明显, 方差贡献率分别为5.55%, 4.25%, 3.45%及3.07%。 用方差贡献率较大的第一、 第二主成分绘制PC1/PC2散点图(图1), 从图1可以看出, 虽有少部分样品出现重叠和混乱, 但大多数样品的分布相对集中且独立, 说明本方法对不同产地艾叶的分类和评价具备可行性。

图1 不同产地艾叶主成分散点图Fig.1 The scatter plots of A. argyi by PCA

2.5 不同产地艾叶的综合评价

以各主成分因子得分与方差贡献率乘积之和相加, 得出不同产地艾叶综合评价函数为F=0.449 1F1+0.118 0F2+0.097 2F3+0.055 5F4+0.042 5F5+0.034 5F6+0.030 7F7, 并计算综合得分。 结果显示, 综合评价函数加权值(n=15)高低顺序为: 河北安国的祁艾(6.44)> 湖北蕲春的蕲艾(1.79)> 河南南阳的宛艾(0.82)> 河南安阳的北艾(-3.22)> 浙江宁波的海艾(-5.82)。 以上结果表明, 从矿物元素角度考虑, 河北安国的祁艾与湖北蕲春的蕲艾品质较好, 这可能与不同产地之间的气候、 土壤、 水文等多种生态因子差异有关。

3 结论

中药材中矿物元素的种类和含量是决定中药寒、 热、 温、 凉四性的物质基础之一, 与其质量和疗效密切相关。 艾叶作为一种常用的中药材, 因其显著的临床疗效及保健作用备受关注, 但关于不同产地艾叶的矿质元素研究却尚未见报道。

本研究以4个省份5个主产区的75份艾叶样品为实验材料, 建立了ICP-MS法和ICP-AES法测定艾叶中35种矿物元素含量的方法, 并进行分析与评价。 结果表明, 所建立的检测方法线性关系、 稳定性及精密度均良好, 回收率较高; 通过主成分分析与因子分析构建综合因子评价函数并计算, 其高低顺序为: 河北安国的祁艾> 湖北蕲春的蕲艾> 河南南阳的宛艾> 河南安阳的北艾> 浙江宁波的海艾, 说明从矿物元素角度考虑, 河北安国的祁艾与湖北蕲春的蕲艾品质较好。 本研究结果可为艾叶的质量控制提供科学依据, 也可为制定元素限量标准提供有益参考, 具有一定的现实意义。 本研究还有一些不足之处, 如应把矿质元素与药效成分相结合进行综合评价, 本课题组将进一步持续研究。

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