基于ICP-MS法对不同产地山药中29种金属元素的主成分分析

附录1目录中文摘要………英文摘要………材料与方法…………………结果与讨论…………………结论…………参考文献………致谢…………基于ICP-MS法对不同产地山药中29种金属元素的主成分分析【摘要】目的：应用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）同时对3个产地山药中29种金属元素进行检测，以对3个产地山药进行鉴别。方法：样品预消解后在微波消解仪中消解，消解后的样采用反应器模式，以RF1550W功率和0.98L/min载气进行测定，所得结果进行主成分分析。结果：29种金属元素都能在0.05-500μg/L范围内线性关系良好（r2>0.9990），除Ag和Pb外，其他27种金属RSD<15%，各元素的平均回收率均在80%到120%之间。PCA结果显示Na，Mn，Cu等元素含量分别是广州本地山药、河南铁棍山药、广西本地山药区别于其他地区山药的主要金属元素。结论：该方法简便可靠，个别金属元素含量可以对区分不同地区山药提供参考。【关键词】电感耦合等离子体质谱法；山药；金属元素；主成分分析Determinationof29metalsinYamwithdifferentsourcesbyICP-MSandprincipalcomponentanalysis【Abstract】Object:Inthiswork,ananalyticalmethodfordetermining29metalsinyamwithdifferentsourcesbyICP-MSwasestablished,inordertodifferentiatesourcesofyam.Methods:Afterdigestinginthemicrowave,thesamplesusedtheReactorPatternandrunsby0.98L/minofthecarriergasand1550WRFpower.Theresultisanalyzedwiththemainprincipalcomponentanalysis.Results:29metalswerewelldeterminedinthelinearrangeof0.05-500μg/L(r2>0.9990)withtherecoveryratebetween80%~120%.TheRelativeStandardDeviationoftherepeatingexperimentwaslessthan15%excepttheAgandPb.TheresultofthemainprincipalcomponentanalysisshowsthatthecontentoftheNa,MnandCucandifferentiateGuangzhouYam,HenanYamandGuangxiYam.Conclusion:Themethodissimpleandfeasible,thecontentofthemetalscanofferareferencetodifferentiatesourcesofyam.【Keywords】ICP-MS;Yam;metalelement;principalcomponentanalysis;薯预科植物薯预的地下块茎习称山药,因其药用保健功效和可口的风味品质而深得世人的喜爱。山药产量很高,又含有丰富的碳水化合物和蛋白质,因含有丰富的无机元素，营养成分全面,以干品计算较之谷物也毫不逊色,具有健脾、补肺、固肾等功效,主治脾虚泄泻、久痢、虚劳咳嗽、消渴等症。因而又是国际性的重要粮食作物也是常见的滋补作用的上等药材[1-3]。山药中含有种类丰富的常量与微量金属元素，使得其有较高的营养价值和保健价值。山药中金属元素的测定方法有很多种，主要有原子发射光谱法，原子吸收光谱法，荧光光谱法和电感耦合等离子质谱法（ICP-MS)等。其中原子发射光谱法测定虽然可以多种元素同时分析，但具有加标回收率低的特点，仪器干扰因素较大。原子吸收光谱法分析效率低，性价比低。用ICP-MS来测定金属元素，不仅能像原子发射光谱一样一次测定多种元素且加标回收率高，而且避免像原子吸收光谱分析效率低的问题，具有灵敏度高、检出限低，样品用量少，分析速度快，操作简便，可一次性同时测定多种元素的特点，现在多用于食品、药品甚至是水样中多种金属元素的含量测定分析[5-7]。现在使用ICP-MS检测多种金属含量时，常常用加标回收、重复性试验、精密度试验来判断其检测是否可行。而不同品种之间的山药矿质元素含量具有品种间的差异性，各个元素含量有明显差异,其中大量元素钾、镁的含量在品种间有显著差异;在微量元素中,铁、锰、铬的含量也在品种间有显著性差异[4]。本试验采用ICP-MS对3个产地山药中的29种金属元素进行含量测定，并且分析各种产地山药的金属含量特点及与地区间的关系。1材料和方法1.1试剂与材料1.1.1试剂浓度为65%硝酸购自EMSURE公司；10μg/mL多元素校准标准2A100mL购自安捷伦科技有限公司（含Li，Na，Mg，Al，K，Ca，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Ga，As，Se，Rb，Sr，Ag，Cd，Cs，Ba，Tl，206Rb，207Rb，208Rb，U）；10μg/mLHg单元素校准标准液2A100mL购自安捷伦科技有限公司；1000μg/mLAu单元素标准溶液50mL购自国家标准物质商城；100μg/mLICP-MS专用内标混合液100mL购自安捷伦科技有限公司（含Bi，Ge，In，6Li，Lu，Rh，Sc，Tb）。1.1.2样品样品选取种植于河南的铁棍山药10g，广州本地山药10g，广西山药10g，均购自市场。1.2仪器与设备EHD-40电热消解仪购自北京东航科仪仪器有限公司；MicroPureUV/UF纯水机购自Thermo；Mars6微波消解仪购自美国CEM；ICP-MS自动进样器ASX520购自CETAC；等离子体质谱仪7700购自美国安捷伦；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱购自上海一恒科技有限公司；XS205DU电子分析天平购自梅特勒托利多公司。1.3实验方法1.3.1工作条件使用调谐液调试仪器，工作参数由仪器自动调谐优化给出，仪器的灵敏度和分辨率均达到最佳状态，满足仪器的测定要求。具体仪器参数如下：等离子体RF功率1550W，载气流速0.98L/min，稀释器流速0.25L/min，雾化室温度2℃，分析时间：0.6s，测量次数：3次，扫描方式：跳峰，测量模式：所有浓度系列均采用反应器模式。在上述工作参数条件下，依次对混合标准系列溶液、试剂空白、样品溶液、高倍和低倍浓度分别进行测定，由OfflineDataAnalysis软件进行数据分析，仪器自动绘制出各个元素的标准曲线、R2，并计算出样品中各对应元素的含量和RSD值。1.3.2样品处理将所有产地的山药洗净，除去外皮后切碎，在电热恒温鼓风干燥箱中干燥过后，粉碎，备用。精密称取样品粉末0.2g，置于聚四氟乙烯消解管中，加入硝酸5mL后放入赶酸仪中120℃，预消解25min，冷却至室温。然后加塞，旋紧外盖后放入电热套中，置微波消解仪内，按1000W,170℃进行消解一小时后，再以相同功率保持180℃消解50分钟。消解完毕后，将消解管从电热套中取出，将盖子打开，待黄色烟雾散尽后，将消解管重新放置于赶酸仪中120℃赶酸2h直至消解管中溶液剩下2mL。将消解液全部转移至50mL容量瓶中，用超纯水定容至刻度，摇匀，即得需测定溶液。同时同法制备试剂空白溶液。1.3.3标准溶液配置内标溶液：Sc、Ge、Rh、In、Bi混合内标溶液用重量法进行配制，取100μg/mL内标标准溶液200μL于50mL塑料管中，加入400μLHNO3，纯水定容至40g，即得500μg/L第一次稀释后的内标混合溶液。再取第一次稀释后的内标混合液4mL和400μLHNO3，加入另一只塑料管中，纯水定容至40g，即得所需的50μg/L内标混合液。第一组标准溶液：Li，Na，Mg，Al，K，Ca，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Ga，As，Se，Rb，Sr，Ag，Cd，Cs，Ba，Tl，206Rb，207Rb，208Rb，U混合标准溶液用重量法进行配置，具体步骤如表1。标准系列浓度(μg/L)00.5151050100200500HNO3(μL)40040040040040040040040040010μg/mL混合标准液(μL)000002004008002000100μg/L混合标准液(mL)00.20.4240000水定容至40g表表1第一组混合标准溶液的配制第二组标准溶液：Hg单元素标准溶液用重量法进行配制，具体步骤同表2。表表2Hg单元素标准溶液的配制标准系列浓度(μg/L)00.050.10.511.52HNO3(μL)400400400400400400400500μg/L稀释Au单元素标准液(μL)40040040040040040040025μg/L稀释Hg单元素标准液(mL)0000.81.62.43.22μg/L稀释Hg单元素标准液(mL)0120000水定容至40g2结果与讨论2.1方法学考察2.1.1线性关系使用上述配制的梯度浓度标准溶液，在1.3.1下等离子体质谱仪工作参数下进行检测，得出线性回归方程。待测元素回归方程及相关参数等见表3。表3待测元素回归方程及相关系数元素线性方程相关系数R检出限DL(μg/kg)Lif(x)=0.006x+0.0020.99990.235Naf(x)=3184.486x+24253.2130.99980.162Mgf(x)=0.061x+0.0260.99990.081Alf(x)=570.718x+668.9310.99990.415Kf(x)=1376.171x+34668.1270.99980.812Caf(x)=0.002x+0.0010.99990.461Vf(x)=0.666x+0.0010.99990.003Crf(x)=0.106x+0.0010.99990.011Mnf(x)=0.509x+0.0050.99990.004Fef(x)=0.754x+0.3810.99990.057Cof(x)=1.404x+0.0010.99990.001Nif(x)=0.380x+0.0060.99990.002Cuf(x)=0.996x+0.4150.99990.085Znf(x)=0.010x+0.0070.99950.051Gaf(x)=0.450x+0.0010.99990.002Asf(x)=0.104x+0.0010.99960.013Sef(x)=0.006x+0.0010.99980.044Rbf(x)=0.501x+0.0020.99990.006Srf(x)=0.682x+0.0100.99990.008Agf(x)=1.897x+0.0140.99990.001Cdf(x)=0.311x+0.0010.99990.001Csf(x)=1.565x+0.0010.99990.001Baf(x)=0.271x+0.0020.99990.013Hgf(x)=0.509x+0.0020.99880.003Tlf(x)=3.651x+0.0020.99990.000206Rbf(x)=1.193x+0.0120.99990.001207Rbf(x)=1.002x+0.0110.99990.002208Rbf(x)=4.686x+0.0510.99990.001Uf(x)=4.657x+0.0010.99990.000由表3可知相关系数都在0.9995~0.9999之间，本工作范围内各元素线性关系良好。测定7份空白样品溶液，以其响应值的3倍所对应的金属元素浓度作为检出限。2.1.2精密度实验Li，Na，Mg，Al，K，Ca，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Ga，As，Se，Rb，Sr，Ag，Cd，Cs，Ba，Tl，Rb206，Rb207，Rb208，U标准混合溶液选取100μg/L浓度，Hg选取1μg/L浓度，各进样6次，测得此混标中各元素含量值，并计算RSD值。RSD值均小于2%。选取广西产地的山药样品，称取6份平行样，一份样品称取0.2g，以1.3.2的处理样品方式处理平行样，测得各元素含量结果，并计算RSD值如表4。表4待测金属元素重复性实验RSD元素SD1RSD1元素SDRSDNa5.13956.58%As0.002611.04%Mg135.80036.22%Se0.006810.26%Al6.19138.35%Rb2.02413.66%K2105.3513.03%Sr0.0694.96%Ca5.42537.12%Ag0.001715.51%V0.00739.73%Cd0.0186.73%Cr1.008411.81%Cs0.00943.82%Mn0.40149.05%Ba0.79038.09%Fe18.410412.58%Hg0.0014.79%Co0.031811.67%Tl0.00245.39%Ni0.53559.48%206Pb0.081115.74%Cu1.86397.46%207Pb0.089315.21%Zn5.691711.48%208Pb0.08715.36%Ga0.24589.68%U0.000213.33%1：SD：标准偏差；RSD：相对标准偏差由于Li的标准偏差较小无法计算其RSD，故不在表4中列出，其余大部分待测金属元素RSD值均小于15%，属于正常范围，其中K和Mg的含量过高，故将样品稀释500倍，重新测定，得出RSD值分别为3.89%和2.26%，重复性较好。其中部分元素超过15%或接近15%，可能由于消化管清洗不干净，仍有金属元素残留，污染样品。同时仪器也存在不稳定的因素，例如有上一次检测样品的残留，影响实验结果。由于设置了空白组，并且通过对比分析，可知酸被污染的可能性不大。总体来说，重复性较好，数据有参考意义。2.1.4加标回收实验取广西本地山药样品粉末，加入标准溶液，按本试验方法测定，计算其加标回收率，见表5。表5回收率（n=3）元素样品含量/(μg·L-1)加标量/(ng·mL-1)加标后测得值/(μg·L-1)回收率/%Li0.042310084.21584.17%Na126.4910137.47109.80%Mg2054.71002143.688.89%Al94.451100173.2778.82%K7254910072661111.55%Ca81.241100196.42115.18%V0.0829109.558294.75%Cr8.041710096.99088.95%Mn4.43701013.75993.22%Fe128.68100210.2281.54%Co0.2722109.009787.37%Ni5.647210093.16687.52%Cu25.001100112.6287.62%Zn49.592100139.1489.55%Ga2.70521013.657109.52%As0.027410084.24184.21%Se0.07131011.040109.69%Rb55.321100145.1189.79%Sr1.47541010.11886.43%Ag0.0112108.128481.17%Cd0.2669108.868386.01%Cs0.2457108.873686.28%Ba10.93410093.01682.08%Hg0.02210.10.112390.22%Tl0.0455108.359583.14%206Rb0.6817108.785881.04%207Rb0.6876108.695580.08%208Rb0.6830109.566488.83%U0.0019108.746987.45%根据已测得样品中各元素含量值，计算0.2g样品中其含量多少，分别加入500ng混合标准液、5ngHg标准液和5000ng混合标准液、10ngHg标准液，即分为高、低两组样品，每组样品设置3组平行试验，使用与供试品相同的预处理方法处理样品，计算各元素的平均回收率均在80%到120%之间。总体看，准确度较高。2.2样品测定结果分别取三种产地的山药粉末，按照1.3.2的方法进行消解，得到供给实验所用的溶液，之后再按1.3.1的参数进行检测样品中元素含量，所得结果见表5。表6样品分析结果mg/kg元素广州本地山药河南铁棍山药广西本地山药Li0.65770.00800.0095Na3088.7161.0953.805Mg1085.3555.01538.28Al34.53719.89621.427K182721711817284Ca85.20915.97019.655V0.05000.01830.0201Cr1.74961.69791.8662Mn3.19638.92692.3944Fe40.75495.10475.877Co0.03820.39860.1249Ni1.11241.84541.3759Cu4.64195.78436.3461Zn31.60919.85714.275Ga0.12680.58890.6498As0.02490.01760.0088Se0.01820.04220.0206Rb0.455912.79013.551Sr7.61820.23170.3446Ag0.00270.01450.0042Cd0.01830.38450.1189Cs0.00520.06030.0608Ba0.52582.42972.6120Hg0.00590.00790.0060Tl0.00100.05470.0187206Pb0.06930.84130.3003207Pb0.07080.85320.3031208Pb0.06980.84890.3013U0.00320.00050.0005分析所得结果可知，个别元素如K，Mg样品含量过高，本地山药的Na也含量过高，因此将各样品稀释500倍，得出稀释后的数据并进行计算可得，本地山药的Na，Mg，K，含量分别为2615.6mg/kg，1322.4‬mg/kg，16512‬mg/kg，河南铁棍山药Mg，K含量分别为645.99‬mg/kg，13498mg/kg，广西本地山药Mg，K含量分别为655.16‬mg/kg，13630‬mg/kg。从表格可得出样本中各地区山药的K，Mg，Na元素含量较高，无论哪个产地的山药，K的含量都是最高的，其中本地山药的K含量最高，高达16512‬mg/kg。而本地山药相对广西和河南铁棍山药更特殊的是其的Na元素比Mg元素含量要高，而广西和河南铁棍山药的Mg元素比Na元素要高。而其余元素中Zn，Fe，Ca，Al相对其他元素含量更高，而Li，Be，V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，As等元素则含量较低，或许这会是山药与其他健康食材药材的差别和独特所在。虽然这些元素在含量在数量级上于品种间并无显著差别，但从个别元素相互比较上看还是可以看出个别元素的地域间存在差别。如Rb，Ba在广西和河南产地的山药中有一定的含量，但是在本地山药中却几乎不存在。而本地山药中Sr的含量达7.6182‬mg/kg，但广西和河南产地山药中这个元素含量几乎没有。通过查阅《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》对重金属含量的规定[8]，Pb≤5.0mg/kg，Cd≤0.3mg/kg，As≤2.0mg/kg，Hg≤0.2mg/kg，Cu≤20mg/kg，而表5中这五种金属元素的含量均没有超标，符合要求。将结果进行进一步的折线统计图分析且去除含量较高的元素Mg，K，Na，如图1。可以看出元素的含量在地域间存在明显差别。广州本地的山药比起其他两地Ca，Zn和Al元素更加的丰富，而Fe等元素虽然也含量较高但较其他两地更少。而广西山药与河南铁棍山药的元素含量分布较为类似，但是河南铁棍山药在同样的元素比较下通常都比广西山药含量更为丰富。同时，这两地的山药Fe元素比广州本地山药更丰富。图1图1折线图分析三地山药元素含量2.3地区间主要金属元素的主成分分析为了进一步研究不同地区的山药中，金属元素的含量是否可以其到鉴别的作用，应用SPSS25.0统计软件对3种样品中，金属元素的含量区别较为明显的几种元素的数据进行主成分分析，得到主成分的特征值和贡献率，主成分载荷矩阵，分别见表6、表7。表7两个主成分的特征值和贡献率主成分特征值贡献率（%）累计贡献率（%）17.73977.39377.39321.50115.01392.406表8主成分载荷矩阵主成分物质主成分12Na0.9860.152Mg0.9850.149K0.9320.05Ca0.990.087Fe-0.9490.277Zn0.9110.366Al0.961-0.023Mn-0.4860.859Cu-0.789-0.405Hg-0.6590.577表6中第一主成分的贡献率为77.393%，第二主成分的贡献率为15.013%，两个主成分的累积贡献率为92.406%，说明两个主成分代表了这10种金属元素92.406%的综合信息。由表7可知，决定第一主成分大小的是Ca、K、Na、Mg、Al；决定第二主成分的是Mn。根据各主分的贡献率，说明对不同地区山药成分影响最大的是Ca、K、Na、Mg、Al、Mn等。通过主成分分析的变换矩阵亦即主成分载荷矩阵U与因子载荷矩阵A以及特征值λ的数学关系求得主成分载荷矩阵U，并对原始变量进行标准化处理，从而计算出各地区相对于两个主成分的得分如下图2。图2不同地区的山药主成分得分散点图由图2的分析结果再结合表6、表7可知，广州本地山药由于其Ca、Na、Mg等金属元素含量高于其他品种而在第一主成分的正半轴，河南铁棍山药因为Fe、Mn、Hg元素含量较高且K、Na、Mg等元素相对含量较低故在第一主成分负半轴和第二主成分正半轴，广西本地山药由于其Cu、Fe元素含量较高且Mn元素含量较少故位于第一主成分和第二主成分的负半轴。因此Na、Mg、K、Ca、Fe、Zn、Al、Mn、Cu、Hg这十种元素的含量可以作为辨别不同