基于化学计量学的不同产地香附中14种无机元素的含量比较

2021-03-02许娜王世宇李文兵傅超美陈胡兰卢君蓉

中国药房 2021年3期

许娜王世宇李文兵傅超美陈胡兰卢君蓉

摘要目的：建立香附藥材中无机元素的含量测定方法，并比较不同产地香附中14种无机元素的含量，为该药材质量控制和优质资源开发提供理论基础。方法：采用微波消解法对样品进行处理，再采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法测定香附药材中Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Pb的含量，运用SPSS 23.0软件对数据进行主成分分析和聚类分析。结果：不同产地香附药材中上述14种无机元素的平均含量依次为168.62、753.71、6 938.33、24.31、14.69、197.77、0.60、2.43、26.89、0.21、0.06、5.64、0.05、0.32 mg/kg。主成分分析结果显示，前4个主成分的累计方差贡献率为86.203%，可以反映原始数据的大部分信息;山东、江西、山西、湖北、云南所产香附的无机元素含量综合得分排在前5位。聚类分析结果显示，9个产地样品共聚为5类，呈现出按产区聚类的特点;从无机元素角度分析，华东、华中、华北、西南产区香附的质量优于华南产区样品。结论：香附药材中富含Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr等人体必需元素，含有少量Ni、As、Se、Cd、Pb元素;不同产地香附药材无机元素的含量差异与所在地理片区具有相关性。

关键词香附;产地;微波消解法;电感耦合等离子体质谱法;无机元素;含量;主成分分析;聚类分析

中图分类号 R284.1 文献标志码 A 文章编号 1001-0408（2021）03-0289-06

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2021.03.07

ABSTRACT OBJECTIVE： To establish the method for the content determination of inorganic elements in Cyperus rotundus， and to compare the contents of 14 kinds of inorganic elements in C. rotundus from different producing areas， and to provide theoretical basis for its quality control and high quality resources development. METHODS： The samples were processed by microwave digestion， and ICP-MS method was used to determine the contents of Na， Mg， K， Ca， Mn， Fe， Ni， Cu， Zn， As， Se， Sr， Cd and Pb. SPSS 23.0 software were used for principal component analysis （PCA） and cluster analysis. RESULTS： The average contents of above 14 kinds of inorganic elements in C. rotundus from different producing areas were 168.62， 753.71， 6 938.33， 24.31， 14.69， 197.77， 0.60， 2.43， 26.89， 0.21， 0.06， 5.64， 0.05， 0.32 mg/kg， respectively. The results of PCA showed that the cumulative variance contribution rate of the first four principal components was 86.203%， which could reflect most of the information of the original data. C. rotundus from Shandong， Jiangxi， Shanxi， Hubei and Yunnan ranked the top five places in terms of comprehensive score of inorganic element contents. The results of cluster analysis showed that the samples from 9 producing areas were clustered into 5 categories， showing the characteristics of clustering by producing area. From the perspective of inorganic elements， the quality of C. rotundus from East China， Central China， North China and Southwest China was better than that from South China. CONCLUSIONS： Essential trace elements like Na， Mg， K， Ca， Mn， Fe， Cu， Zn， Sr are rich in C. rotundus， and there are small amounts of Ni， As， Se， Cd， Pb elements in it. The contents difference of inorganic elements in C. rotundus from different origins may related to the geographical area it belongs to.

KEYWORDS Cyperus rotundus; Origins; Microwave digestion method; ICP-MS; Inorganic elements; Contents; Principal conponent analysis; Cluster analysis

香附为莎草科植物莎草Cyperus rotundus L.的干燥根茎，具有疏肝解郁、理气宽中、调经止痛之功效，临床上常用于治疗肝郁气滞、胸胁胀痛、疝气疼痛、乳房胀痛等症[1]。现代研究表明，香附具有抑制子宫平滑肌收缩[2-3]、解热镇痛[4]、抗炎[5]、抗抑郁[6]、降血糖、降血脂[7-8]等多种药理作用。目前对香附药材的质量控制及其药理药效作用机制的研究多集中在香附中的有机化合物上，尚未见关于香附中无机元素的研究。无机元素对机体的生理机能调控具有重要的作用，药材当中所含的无机元素对表征药材质量及其功效具有潜在的重要意义[9-11]。本研究通过测定不同产地香附药材中无机元素的含量，并对其进行主成分分析和聚类分析，旨在为香附的质量控制和优质资源开发提供理论基础。

1 材料

1.1 主要仪器

本研究所用的主要仪器有：7700X型电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）仪（美国Agilent公司）、 MDS-8G型微波消解仪（上海新仪微波化学科技有限公司）、BP- 211D型万分之一电子天平（德国Sartorius公司）等。

1.2 主要药品与试剂

本研究所用的主要试剂有：Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Pb单元素标准溶液（国家标准物质研究中心，质量浓度均为1 000 μg/mL），27种元素混合标准溶液（美国Agilent公司，含Ag、Al、As、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cs、Cu、Fe、Ga、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Rb、Se、Sr、Ti、U、V、Zn各10 μg/mL），标准调谐液（美国Agilent公司，含Ce、Co、Li、Mg、Ti、Y各1 000 μg/mL），硝酸（优级纯，成都市科龙化工试剂厂），去离子水。

不同产地（详见表1）的香附药材均购自成都荷花池中药材专业市场，均经成都中医药大学药学院卢先明教授鉴定为莎草科植物莎草C. rotundus L.的干燥根茎。

2 方法与结果

2.1 ICP-MS条件

射频功率为1 550 W;采样深度为10 mm;等离子气流量为15.0 L/min;载气流速为0.90 L/min;雾化室温度为2 ℃;碰撞模式为He模式，He气流量为4.5 mL/min;蠕动泵转速为0.10 r/s;测量点数/峰为3;数据采样模式为跳峰采集，重复采集3次[12]。

2.2 微波消解条件

采用程序升温法进行微波消解：0～10 min，从室温升至120 ℃;11～15 min，从120 ℃升至150 ℃;16～20 min，从150 ℃升至180 ℃。

2.3 标准品溶液的制备

分别精密量取Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Pb单元素标准溶液适量，置于同一50 mL量瓶内，用10%硝酸溶液稀释制成每1 mL含上述14种元素分别为20、200、500、10、10、50、2、10、5、0.5、0.5、1、1、1 μg的混合标准品贮备溶液。精密量取该贮备溶液1、2.5、5、10 mL，分别置于50 mL量瓶内，用10%硝酸溶液稀释制成系列混合标准品溶液。

2.4 供试品溶液和空白溶液的制备

将香附药材于60 ℃干燥2 h，粉碎成粗粉;取约0.5 g，精密称定，置聚四氟乙烯（PTFE）微波消解罐中，加硝酸10 mL，按“2.2”项下消解条件进行消解;待消解完全后取出，冷却至室温，将消解液转入50 mL量瓶中，加水定容，摇匀，即得供试品溶液。取硝酸10 mL置于微波消解罐中，按上述供试品溶液制备方法同法制得空白溶液[13]。

2.5 线性关系及检出限考察

精密移取“2.3”项下的混合标准品贮备液、系列混合标准品溶液和“2.4”项下空白溶液，按“2.1”项下条件进样测定，计算峰面积。以标准品的质量浓度（x）为横坐标、峰面积（y）为纵坐标绘制标准曲线，求得线性回归方程，详见表2。由表2结果可知，各元素的R2均不小于0.999 0，表明该方法线性关系良好。

另取“2.4”项下空白溶液同法测定10次，以连续测定空白溶液响应值的3倍标准偏差（SD）所对应的待测元素质量浓度作为检出限，结果见表2。

2.6 精密度试验

精密量取“2.3”項下混合标准品贮备溶液5 mL，置于50 mL量瓶中，用10%硝酸溶液稀释，按“2.1”项下条件进样测定，连续进样6次，记录峰面积。结果，各元素峰面积的RSD为0.73%～2.37%（均小于3%），表明仪器精密度良好。

2.7 重复性试验

取香附样品（样品编号S1）粉末0.5 g，平行6份，分别按“2.4”项下方法制得供试品溶液，再按“2.1”项下条件进样测定，记录峰面积，采用标准曲线法计算样品含量。结果，各元素含量的RSD为1.34%～3.85%（均小于5%，n=6），表明该方法重复性良好。

2.8 稳定性试验

取香附样品（样品编号S1）粉末0.5 g，按“2.4”项下方法制得供试品溶液后，分别于室温下放置0、1、2、4、8、16、24 h时按“2.1”项下条件进样测定，记录峰面积。结果，各元素峰面积的RSD为1.15%～2.76%（均小于3%，n=7），表明供试品溶液在室温下放置24 h稳定性良好。

2.9 加样回收率试验

取已知含量的香附样品（样品编号S1）粉末0.25 g，平行6份，精密称定，再精密加入“2.3”项下混合标准品贮备溶液，按“2.4”项下方法制得供试品溶液，然后按“2.1”项下条件进样测定，记录峰面积，采用标准曲线法计算样品中各元素含量，并计算加样回收率。结果，各元素的平均加样回收率为91.26%～111.57%，RSD为0.65%～2.47%（均小于3%，n=6），表明该方法准确度良好。

2.10 样品含量测定

取11批香附样品粉末，分别按“2.4”项下方法制得供试品溶液。取供试品溶液适量，按“2.1”项下条件进样测定，记录峰面积，采用标准曲线法计算样品中各元素含量（平行3份，取均值），结果详见表3、图1。

由表3和图1可知，11批香附药材中均含有Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Pb等14种无机元素，其平均含量分别为168.62、753.71、6 938.33、24.31、14.69、197.77、0.60、2.43、26.89、0.21、0.06、5.64、0.05、0.32 mg/kg，其中K、Mg、Fe、Na 4种元素含量较高;重金属元素Cu、Cd、Pb、As、Hg（由于Hg在样品中含量太低未被检测到，故本文未对其进行分析）的含量均在2020年版《中国药典》规定的5种重金属元素限量范围之内（Cu≤20 mg/kg、Cd≤1 mg/kg、Pb≤5 mg/kg、As≤2 mg/kg、Hg≤0.2 mg/kg）[13]。

2.11 主成分分析

以不同產地香附药材中所含的14种无机元素含量为变量，采用SPSS 23.0软件进行主成分分析，以特征值大于1为提取标准，旨在考察无机元素含量与产地间的关系，结果详见表4、图2。由表4和图2可知，前4种主成分的累计方差贡献率为86.203%，说明提取的前4种主成分可以反映原始色谱峰的大部分信息，可用于评价香附药材的质量。

采用SPSS 23.0软件对数据进行因子分析，得旋转成分矩阵，详见表5。由表5可知，Sr、Cu、Na、Mg元素的含量在第1主成分的载荷值较高，说明这4个元素信息由第1主成分反映;Se、Ni、Fe、Cd元素的含量在第2主成分的载荷值较高，说明这4个元素信息由第2主成分反映;K、Ca、Mn元素的含量在第3主成分的载荷值较高，说明这3个元素信息由第3主成分反映;As、Zn、Pb元素的含量在第4主成分的载荷值较高，说明这3个元素信息由第4主成分反映。

以各成分因子得分乘以对应的特征值算术平方根即为各主成分得分（F1、F2、F3、F4）。以各主成分得分的方差贡献率占累积方差贡献率的比例作为权重，计算综合得分（F），公式为：F=（35.991F1+25.439F2+14.975F3+9.798F4）/86.203。结果显示，不同产地香附药材所含无机元素含量的综合得分排序为S2>S5>S8>S4>S6>S11>S7>S1>S10>S3>S9，即山东、江西、山西、湖北、云南所产香附的无机元素含量的综合得分排在前5位。其中，山东所产香附在主成分1和主成分2上的得分均显著高于其他产地样品，山西所产香附在主成分3上的得分显著高于其他产地样品，四川所产香附在主成分4上的得分显著高于其他产地样品，详见表6。

2.12 聚类分析

为进一步探究各产地间香附药材所含无机元素是否有更多的内在联系与规律，笔者采用SPSS 23.0软件对不同产地香附药材所含的14种无机元素含量进行聚类分析。通过对原始数据的标准化处理，采用K-均值聚类法，设置最大迭代次数为10、聚类数为5，结果见表7。

由表7可知，9个产地的香附药材共聚为5类——华南产区（广西、广东和海南）所产香附聚为一类;西南产区（云南和四川）所产香附聚为一类;华中产区（湖北和江西）所产香附聚为一类;华北产区（山西）所产香附单独聚为一类;华东产区（山东）所产香附单独聚为一类。不同产地香附药材中的无机元素呈现一定的产区聚类特点，这可能与不同产区自然环境中土壤、水质、气候等因素存在差异有关。

3 讨论

3.1 无机元素的测定和分析方法的确定

相比原子吸收光谱法和原子发射光谱法，ICP-MS法具有可同时测定多个元素、灵敏度高、分析速度快等优点[14-15]，因而备受分析工作者青睐。在本研究前期试验中，笔者采用半定量法（SQ）扫描香附药材中所含元素种类及相对含量，结果表明，香附药材主要含有14种无机元素，其含量范围为0.02～6 031.52 mg/kg。在此基础上，本研究采用定量分析法对不同产地香附药材中14种无机元素的含量进行了测定。

本文所采用的主成分分析和聚类分析的方法较适合于多变量复杂情形的分析，有助于为不同元素的主要贡献及药材产地的区分提供借鉴。

3.2 无机元素的测定结果分析

不同产地香附药材中14种无机元素的含量测定结果显示，香附药材中富含Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr等人体必需的微量元素，含有少量Ni、As、Se、Cd、Pb元素，不同元素含量高低排序为K>Mg>Fe>Na>Zn>Ca>Mn>Sr>Cu>Ni>Pb>As>Se>Cd;不同产地香附药材中所含5种重金属元素含量均在2020年版《中国药典》规定的限量范围之内（未检出Hg），未发现重金属超标问题。从无机元素角度综合考虑，山东、江西、山西、湖北、云南、四川等华东、华中、华北、西南产区香附的质量优于两广、海南等华南产区样品。有关土壤、气候、水质等因素与香附药材所含无机元素的种类和含量的潜在联系还需进一步挖掘。

3.3 无机元素与香附防病治病的相关性分析

香附素有“妇科之要药”的美誉，对调节气血功能失调所致的肝郁气滞、胸胁胀痛、乳房胀痛等具有显著疗效[16-17]。Fe、Zn、Cu、Se等无机元素是人体必需的微量元素，能参与人体内多种酶、辅酶、维生素、激素及核酸的形成，可影响机体免疫、遗传、内分泌、感染、生长发育等（如铁元素与生物催化、呼吸链传递电子等相关;Zn、Cu、Se参与酶的合成[18-19]），与人体健康具有密切的联系，其摄入量不足或过多都会引起相应的疾病。研究表明，中药防治疾病的作用与其所含某些微量元素的含量多少密切相关，如使用富含铁元素的补血中药当归、熟地治疗缺铁性贫血，使用富含锌元素的补肾健脾类中药太子参治疗血中低锌的慢性肾功能衰竭[20];解表类中药常富含铁元素，在防治呼吸道感染的治疗中，铁的补给有利于各种含铁酶的修复和正常运转，从而提高机体免疫力[21]，等等。本试验所测定的14种微量元素中，Cu、Ca、Mn、Ni等元素具有体内催化作用，Zn、Se等元素具有增强机体免疫功能、提高机体抗病力的作用[22-24]。特别值得一提的是，本试验所得含量排前4位的微量元素K、Mg、Fe、Na中，Fe元素是人体血液输送与交换所必需的，也是许多氧化还原体系不可或缺的一种元素，为中药发挥补气、补血功效的重要元素之一[25-26];K、Mg、Na元素有助于保护机体心血管系统[27-29]，这些对于香附功效的发挥均具有重要的参考意义。

综上所述，香附药材中富含Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、Sr等人体必需元素，含有少量Ni、As、Se、Cd、Pb元素;不同产地香附药材中无机元素的含量差异与所在地理片区具有相关性。本研究结论可为进一步加强香附药材质量控制和阐述其药效作用机制提供参考。本课题组将对香附所含无机元素与其质量、功效的相关性展开进一步研究，以便于从无机元素的角度揭示其疏肝解郁、理气宽中、调经止痛功效之科学内涵。

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