王 哲，張春華，黃曉蘭，吳惠勤

(1.中國科學院廣州化學研究所，廣東 廣州 510650；2.中國廣州分析測試中心，廣東省分析測試技術公共實驗室，廣東 廣州 510070；3.中國科學院大學，北京 100049 )

西洋參(PanaxquinquefoliumL.)又名西洋人參、洋參、花旗參、廣東人參，為五加科植物，其味苦、性涼，入心、肺、腎經，可滋陰降火、益氣生津[1]。西洋參原產于北美洲加拿大的蒙特利爾、魁北克和美國東部，20世紀80年代在我國部分地區(qū)引種成功[2]，主要分布在吉林、山東、北京和陜西等地[3]。目前，我國已經成為世界西洋參第一大消費國，同時也是第二大生產國，國內生產的西洋參除滿足國內市場外，還大量出口。國內不同產地西洋參的外觀差別不大，但是內部有效成分卻存在較大差異，故價格也有明顯差別。

目前，主要研究集中于西洋參有機成分和藥理作用[4-6]，如有效成分人參皂苷、多糖、氨基酸類、揮發(fā)油等的分析。關于西洋參產地的判別也多基于這些有機成分的差異，如賈嬋等[7]利用紅外光譜法對不同產地的西洋參進行品質評價，但在無機成分，尤其是元素方面的研究較少。在西洋參無機元素檢測方法方面，主要有電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[8]、原子吸收光譜法(AAS)[9]和電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)[10-12]等。ICP-MS相較于其他方法具有操作簡單、檢出限低、測定范圍廣、靈敏度高以及多元素同時分析等優(yōu)點，是無機元素分析常用的方法[13]。陳軍輝等[14]采用ICP-MS法測定了12個西洋參樣品中18種無機元素含量，并應用主成分分析法和聚類分析法對不同產地西洋參的無機元素進行分析。周學忠等[15]采用ICP-MS法測定了西洋參的18種微量元素。

西洋參中的礦物元素受當地水、地質因素、土壤環(huán)境等因素的影響，尤其是土壤因素。土壤的質地是由不同的地層巖石背景形成的，土壤和巖石風化的母質密切相關，從而造成不同地域土壤中元素含量及比例等具有地理地質特異性[16]。西洋參在加工、儲存、流通、銷售等環(huán)節(jié)中，外觀和內部的一些化學成分可能會發(fā)生變化，但所含有的無機元素則較為穩(wěn)定，在產地判別方面有著獨特的優(yōu)勢。近年來，元素指紋圖譜技術已應用到農產品和食品的產地溯源中[17-18]。如，趙海燕等[19]采用元素指紋分析技術和多元統(tǒng)計方法用于小麥產地溯源；王潔等[20]探討了礦物元素指紋分析技術對茶葉產地溯源的可行性；張先彩等[21]應用元素指紋圖譜對鳳凰單縱茶的產地進行判別。但目前尚未見元素指紋圖譜應用于西洋參產地判別的報道。

本工作以山東威海西洋參為例，采用ICP-MS法快速測定西洋參中無機元素，以數據轉化為圖形的方法建立元素指紋圖譜，并比較不同產地西洋參的元素指紋圖譜，依據向量相似法原理判定產地之間的差異，最終判別西洋參產地是否屬于山東威海地區(qū)。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與裝置

7700x型ICP-MS：美國Agilent公司產品；WX-8000型微波消解儀：上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司產品；BX-808型多功能中藥切片機：瑞安市百信制藥機械有限公司產品；HX-390粉碎機：佛山市海迅電器有限公司產品；HT-300型實驗電熱板：由中國廣州分析測試中心提供；TP-214型丹佛電子天平：美國丹佛儀器公司產品。

1.2 主要材料與試劑

39批西洋參樣品：由廣東跑合中藥材電子商務有限公司提供，其中17批山東威海地區(qū)西洋參用于構建元素指紋圖譜，其余22批西洋參用于驗證元素指紋圖譜產地判別的準確性。

Sc、Mo、Hg單元素標準溶液由國家鋼鐵材料測試中心提供；P單元素標準溶液(1 000 mg/L)， Ca、K、Mg多元素標準溶液(100 mg/L)，Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn多元素標準溶液(100 mg/L)，La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y多元素標準溶液(100 mg/L)：均由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供；Ag、Cs、Rb、Se多元素標準溶液(100 mg/L)：安捷倫科技有限公司產品；Rh、In、Re標準溶液(1 000 mg/L，作為內標)：由國家鋼鐵材料測試中心提供；Ge標準溶液(1 000 mg/L，作為內標)：由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供；HNO3(68%，UP級)：蘇州晶瑞化學股份有限公司產品；超純水(18.2 MΩ·cm)：實驗室自制。

1.3 ICP-MS儀器條件

1.3.1ICP-MS工作條件 等離子氣流量15.0 L/min，輔助氣流量0.9 L/min，載氣流量0.8 L/min，補償氣流量0.35 L/min，碰撞氣流量4.3 mL/min(He模式)；霧化器溫度2 ℃；高頻發(fā)生器輸出功率1 550 W；采樣深度10 mm；蠕動泵轉速0.1 r/s；采集模式為質譜圖，峰形為3個點，重復采集3次。選取待測元素及同位素如下：7Li、9Be、11B、23Na、24Mg、27Al、31P、39K、44Ca、45Sc、47Ti、51V、52Cr、55Mn、56Fe、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、69Ga、75As、78Se、85Rb、88Sr、89Y、95Mo、107Ag、111Cd、118Sn、121Sb、133Cs、137Ba、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu、202Hg、205Tl、208Pb、209Bi。

1.3.2儀器工作曲線 將元素標準溶液配制成相應的標準工作液。用2%HNO3將Ca、K、Mg多元素標準溶液稀釋成0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L；將Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn多元素標準溶液稀釋成0.0、1.0、5.0、10.0、20.0、100.0、200.0、500.0 μg/L；將La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y多元素標準溶液稀釋成0.0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L；將Ag、Cs、Rb、Se多元素標準溶液稀釋成0.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0 μg/L；將Sc單元素標準溶液稀釋成0.0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L；將Mo單元素標準溶液稀釋成0.0、0.1、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/L；將P單元素標準溶液稀釋成0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L；將Hg單元素標準溶液稀釋成0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 μg/L。在1.4.1節(jié)條件下對上述系列標準溶液進行測定，繪制標準溶液曲線。

1.4 樣品前處理

將西洋參樣品切片、粉碎，過60目篩，準確稱量0.25 g樣品于聚四氟乙烯消解管中，加入5 mL 68%HNO3，擰緊旋蓋，放入微波消解儀內，采用程序升溫進行消解。微波消解程序如下：2.0 MPa下于120 ℃保溫3 min，2.5 MPa下于150 ℃保溫3 min，3.5 MPa下于180 ℃保溫25 min。待消解完全后，取出聚四氟乙烯消解管在電熱板上進行趕酸，趕酸時間20 min，之后取下放置冷卻至室溫。消解液用超純水轉移并定容至25 mL比色管，搖勻，取比色管中溶液各稀釋20倍，原液與稀釋后的溶液一起保存，待ICP-MS測定。

1.5 元素指紋圖譜的建立

采用ICP-MS法測定西洋參元素含量組成，按元素含量的大小進行一定的縮小或放大處理，將處理后的實驗數據通過Origin軟件轉化為直觀圖形，將其作為元素指紋圖譜，并以元素含量平均值建立元素標準指紋圖譜。

1.6 指紋圖譜相似度評價

利用SPSS20.0軟件進行分析，計算元素指紋圖譜與元素標準指紋圖譜之間的相似度，計算原理示于式(1)：

(1)

式中：X表示N維向量(x1,x2,……,xn)；|X|為向量的模；X·Y為向量X和Y的內積；cosθ表示X和Y之間的向量夾角，cosθ越接近1說明2個向量越相似。

2 結果與討論

2.1 方法學驗證

連續(xù)測定11次2%HNO3的試劑空白溶液，以測定結果值的3倍標準偏差對應的濃度值計算檢出限，各元素的線性方程、相關系數及檢出限列于表1。50種元素的標準曲線具有良好的線性關系，相關系數不小于0.999 4，檢出限范圍為0.000 6～8.680 0 μg/L，儀器靈敏度較高。采用該方法測定國家一級標準物質黃芪(GBW10028)，平行測定6次，結果列于表2。除Zn的測定值相對標準值較低外，其余元素測量結果平均值均在標準值誤差范圍內，準確度較好；除Be、Na、Se、Ag和Cd外，其余元素6次測定結果的相對標準偏差均在10%以內，精密度較好。加標回收率實驗結果列于表3，各元素的加標回收率在85.53%～116.27%之間，進一步驗證了方法的準確度。

表1 元素的線性回歸方程、相關系數及檢出限Table 1 Linear equations, correlation coefficients and detection limits of elements

續(xù)表1

表2 標準物質的標準值與測定值Table 2 Standard values and measured values of certified reference material

注：*含量單位為10-2，**含量單位為10-9，沒有標注的含量單位為10-6，±后的數據為不確定度，括號內數值為參考值

表3 西洋參樣品的加標回收率Table 3 Spiked recoveries of American ginseng

2.2 元素結果分析

山東威海西洋參經ICP-MS測定，各元素的平均值及標準偏差列于表4。其中，K為西洋參中含量最高的元素，平均含量為13.0 g/kg，Mg、P和Ca比其他元素含量高，僅次于K元素；測定了14種人體必需微量元素中的11種，其中Fe元素含量最高，平均含量為193 mg/kg，Mn和Zn元素含量僅次于Fe元素，Cu、Ni和Cr元素含量也較高，達到mg/kg級，V、Co、Se、Mo和Sn元素含量均較低；測定了16種稀土元素，Lu元素含量低于檢出限，其余元素含量均在2.68～761 μg/kg之間，其中La、Nd、Y和Pr元素含量相對較高；重金屬及有害元素方面，Hg元素含量低于檢出限，Pb元素平均含量為320 μg/kg，Cd元素為203 μg/kg，As元素為68 μg/kg，Cu元素為6.57 mg/kg，均符合2015年版藥典規(guī)定；其他元素中，B、Na、Al、Ga、Sr和Ba元素含量較高，達到mg/kg級，其余元素含量則較低；除上述提及的Lu和Hg元素，Be、Sb、Tl、Bi元素在大部分樣品中的含量均低于檢出限，不予統(tǒng)計，實際測量的有效元素為44種。

表4 山東威海西洋參元素的平均含量及標準偏差Table 4 Average element contents and standard deviations of American ginseng in Weihai city, Shandong province

注：Mg、P、K和Ca的單位是g/kg；B、Na、Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Ba和Ce的單位是mg/kg；其他元素的單位是μg/kg；—表示未檢出

2.3 山東西洋參元素指紋圖譜的建立

ICP-MS只能測定元素具體含量，要想將元素數據轉化為直觀的指紋圖譜，需要考慮不同元素含量水平的差異，如稀土元素處于痕量水平，而一些常量元素(如K)含量則要高出許多。

17批山東威海西洋參經ICP-MS測定得到一系列數據，將44種元素按含量大小分為5類：第1類是含量大于10 000 mg/kg的K元素；第2類是含量在500～10 000 mg/kg之間的元素，包括Mg、P、Ca；第3類是含量在50～500 mg/kg之間的元素，包括Na、Al、Mn、Fe、Zn、Ba；第4類是含量在5～50 mg/kg之間的元素，包括B、Ti、Ni、Cu、Ga、Sr；第5類是含量小于5 mg/kg的元素，包括Li、Sc、V、Cr、Co、As、Se、Rb、Y、Mo、Ag、Cd、Sn、Cs、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Pb。將以橫坐標表示元素種類，縱坐標表示元素含量的關系曲線定義為元素指紋圖譜。在構建元素指紋圖譜時，首先將元素按原子序數由小到大排序，為了使該圖譜更加美觀和直觀，根據元素含量大小的分類對元素進行縮放處理，其中K縮小10 000倍，Mg、P、Ca縮小1 000倍，Na、Al、Mn、Fe縮小100倍，B、Ti、Zn、Ga、Sr、Ba縮小10倍，繪制的元素種類與含量的關系曲線示于圖1?？梢钥闯?，不同批次的西洋參在元素含量上有一定差異，但是曲線趨勢大致相同，這種趨勢特征可作為威海西洋參的產地特征。

圖1 山東威海西洋參元素指紋圖譜Fig.1 Element fingerprints of American ginseng in Weihai city, Shandong province

為了更清晰地體現這種趨勢特征，同時消除一些極端樣品對測定結果的影響，以17批山東西洋參的元素平均含量代表山東西洋參的標準含量，構建的元素標準指紋圖譜示于圖2，可以將其作為山東威海地區(qū)西洋參的特征圖譜。

2.4 相似度計算

在指紋圖譜檢測過程中，一般將標準圖譜和檢測圖譜之間的相似度大小作為一種質量控制的標準。我國化學和中醫(yī)學界常使用指紋圖譜之間向量相似法來衡量指紋圖譜之間的相似程度。將指紋圖譜看成多維空間內的向量，兩個指紋圖譜之間的相似性就可以轉化為兩個向量的相似性。在指紋圖譜的檢測過程中，通常將一組經過標準測量的圖譜的平均圖譜或中位圖譜作為標準圖譜，然后通過比較標準圖譜和檢測圖譜的相似性大小來決定檢測圖譜是否合格。相似性大小臨界值的確定即給出了判定規(guī)則。

根據上述原理對所建立的元素指紋圖譜進行相似度評價，將17批西洋參樣品看作是由元素種類及元素含量組成的空間向量，同時為了兼顧含量較高元素和含量較低元素之間的差別，根據元素分類對元素進行縮放處理，采用向量相似法由式(1)計算出17批西洋參樣品的元素指紋圖譜與元素標準指紋圖譜的相似度，計算結果列于表5。

從表5可以看出，山東威海西洋參的元素指紋圖譜與元素標準指紋圖譜的相似度取值范圍為0.925 3～0.995 1，即各西洋參樣品之間的相似度均在0.90以上，表明同一產地西洋參的元素含量具有高度的相似性，進一步證明了所建立的西洋參元素指紋圖譜的有效性和可靠性。

將山東威海西洋參的元素指紋圖譜與元素標準指紋圖譜的相似度最小值定義為相似度閾值，則山東威海西洋參元素標準指紋圖譜的相似度閾值為0.93。在鑒別未知產地的西洋參是否屬于山東時，只需計算未知產地西洋參的元素指紋圖譜與山東威海地區(qū)元素標準指紋圖譜的相似度，如果相似度高于0.93，則判定其產地屬于山東威海，反之不屬于。

表5 山東威海西洋參元素指紋圖譜和元素標準指紋圖譜的相似度Table 5 Similarity degrees between element fingerprints and standard element fingerprint of American ginseng in Weihai city, Shandong province

2.5 元素指紋圖譜判別西洋參產地的研究

為了驗證元素指紋圖譜用于西洋參產地判別的可行性，選取吉林、黑龍江、遼寧、北京、加拿大和未參與繪制元素標準指紋圖譜的山東西洋參共22批作為未知產地的西洋參樣品，分別計算這些西洋參樣品元素指紋圖譜和元素標準指紋圖譜的相似度，結果列于表6。可見，在22批西洋參樣品中，2號樣品相似度結果為0.938 7，判別其為山東西洋參，而實際是吉林西洋參，除此之外，其他產地樣品均判別正確，產地判別正確率為95.5%。其中，加拿大地區(qū)的西洋參相似度計算結果為0.621 8，與所建立的山東威海西洋參元素標準指紋圖譜差別較大，為了更直觀地比較，將加拿大西洋參的元素含量示于圖3，與山東威海西洋參元素標準圖譜在Na、Ti、Mn、Fe、Cu、Ga、Rb、Sr和Pb處的峰形有明顯差別，表明元素指紋圖譜對判別西洋參產地具有較好的準確性。

表6 樣品相似度驗證結果Table 6 Similarity degree verification results of the samples

續(xù)表6

圖2 山東威海西洋參元素標準指紋圖譜Fig.2 Standard element fingerprint of American ginseng in Weihai city, Shandong province

圖3 加拿大西洋參元素指紋圖譜Fig.3 Element fingerprint of American ginseng in Canada

3 結論

本研究采用微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定西洋參中無機元素組成，并建立山東威海西洋參的元素指紋圖譜，以元素含量平均值建立元素標準指紋圖譜，通過向量相似法原理計算兩者之間的相似度，根據相似度結果判定西洋參的產地屬性。對22批未參與構建元素指紋圖譜的西洋參進行產地判別，正確率為95.5%。結果表明，建立的西洋參元素指紋圖譜用于判定未知樣品的產地，具有較好的有效性和可靠性。但本研究僅建立山東威海西洋參的元素指紋圖譜，其他產地西洋參的元素指紋圖譜還有待進一步研究。