全 文 ：第2 7卷 , 第2期　 　　　　　　　　　　　光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.27 , No.2 , pp378-382
2 0 0 7 年 2 月　　　　　　　　　　　 　Spectro scopy and Spectr al Analy sis February , 2007 　
ICP-MS用于新疆紫草的无机元素初级
形态分析及其溶出特性研究
施玉峰1 , 谢明勇1＊ , 聂少平1 , 荆　淼2 , 王小如2 , 3
1.南昌大学食品科学教育部重点实验室 , 江西 南昌　330047　　　
2.国家海洋局青岛第一海洋研究所 , 山东 青岛　266061
3.厦门大学现代分析科学教育部重点实验室 , 福建 厦门　361005
摘　要　应用电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS), 分析了新疆紫草中 20多种无机元素的初级形态;并研
究了不同提取溶剂对其溶出特性的影响。结果显示:在消解方法上 , 高温密封消解较之微波辅助消解
(MAP)能更彻底地消解样品 , 达到分析要求;在溶液中 , 除了 K , Zn以溶解态为主要存在形式外 , 其余绝大
部分元素主要以悬浮态存在;不同提取溶剂的极性与所分析的无机元素密切相关。M g , K , Ca , Mn , T l , Co
和 Pb 等 7 种元素的提取得率与其提取溶剂极性呈完全的正比例关系 , 其余元素尽管略有差异 , 但基本上呈
线性关系。
关键词　新疆紫草;元素初级形态分析;ICP-MS;溶出特性
中图分类号:O657.3　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-0593(2007)02-0378-05
　收稿日期:2005-12-09 , 修订日期:2006-03-28
　基金项目:国家自然科学基金重点项目(20235020)和江西省农业科技攻关重点项目资助
　作者简介:施玉峰 , 1976年生 , 南昌大学硕士　　＊通讯联系人　　　e-mail:myxie@ncu.edu.cn
引　言
　　无机元素形态[ 1]是指测定样品中元素的不同键合形式 、
不同氧化态和该元素的总量。不同的元素形态具有不同的化
学和生物行为 , 元素毒性也与其形态密切相关[ 2] 。中草药的
无机元素形态分析是指:按一定程序对原生药或其制剂的水
提液进行分离测定 , 确定其化学生物形态 , 从而揭示其在水
提液(药液)中或人体内独特的药理作用机制[3] 。
新疆紫草(Arnebia euthr oma(Roy le) Johnst)是一种传
统的中草药 , 具有抑菌[ 3] 、 抗炎[ 4] 、 抗肿瘤[ 5] 以及抗生育[ 6]
等作用。长期以来 , 对其有机成分研究较多 , 很少对其无机
元素加以深入的探究。
在元素形态分析中 , 无机元素的离线测定方法有石墨炉
原子吸收光谱 法(GFAAS)[7] 、 火焰原子 吸收光谱法
(FAAS)[ 8] 、 电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-
AES)[ 9] 、电感耦合等离子体质谱法(ICP-M S)[ 10 ,11] 。相对于
前 3 种测定方法 , 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)是当
今多元素测定领域最为先进和准确的分析测试手段 , 具有突
出的性能和优势[ 12] :极低的检出限 , 可以低至 0.1 fg · g -1 ;
高灵敏度 , 高于 1.2 Gcps·(μg · g-1);宽线性 , 宽至9 个数
量级 , 分析范围可以从 1 pg · g -1到 1 mg · g-1而不影响其
线性。
本文根据元素形态分析的层次模式[ 13] , 采用电感耦合
等离子体质谱法 , 参考相关文献[ 14 , 15]的研究方法 , 初步揭示
了新疆紫草中 20 多种无机元素的溶解态和悬浮态 , 并探讨
了不同提取方法对元素形态分析的影响。
1　材料及方法
1.1　主要试剂及仪器
新疆紫草:购自江西省中医院药品仓库;超纯水(≥
18.2 MΨ):美国 Ba rnstead Nanopure DiamendTM 公司;
HNO3(优级纯):德国 Merk 公司;三氯甲烷 , 无水乙醇:均
为分析纯;CO 2(纯度 ≥99.5%):江西氨厂;桃叶标准
(GBW08501):中国生物环境研究所(北京);ICP-MS 标准溶
液 Hew lett Packard Pa rt # 5183-4682:美国 Agilent 公司;
ICP-MS 内标溶液 Ag ilent Pa rt #5183-4680:美国 Agilent 公
司。
旋转蒸发仪 R201:上海申生科技有限公司;循环水式真
空泵 S HZ-D:河南巩义市英峪豫华仪器厂;电热鼓风干燥箱
DGF-30:南京实验仪器厂;压力自控密闭微波消解系统
MDS-2002A:上海新仪微波化学科学有限公司;FA1104 电
子天平:上海精天电子仪器厂;临界萃取装置 HA121-50-01:
江苏南通华安超临界萃取有限公司;超声波清洗器:上海声
源科学仪器公司;Agilent 7500a Shield To rch ICP-MS:美国
Ag ilent公司;ChemS ta tion ICP-MS 工作软件:美国 Ag ilent
公司。
1.2　SFE-CO2 提取
取适量新疆紫草原料 , 80 ℃干燥 , 过 80 目筛 , 于萃取
温度35 ℃、萃取压力 27 MPa、萃取时间 3 h 、 CO2 流量 27～
32 L· h -1 、 无夹带剂 、一级分离条件下 , 作 SFE-CO2 提取 ,
提取物 80 ℃干燥 , 称重。
1.3　回流-超声提取
取 3 份80 ℃干燥 , 过 80 目筛的新疆紫草原料各1.500 0
g , 依次加入 100 m L无水乙醇 、 超纯水 、 三氯甲烷 , 分别在
100 , 100 , 70 ℃下回流提取 1 h 后 , 再超声提取 30 min , 过
0.45 μm 微孔滤膜(依次为有机 、 水 、 有机系), 分别用相应
的 3 种提取溶剂淋洗 3 次 , 每次 5 mL , 合并滤液 , 滤液在 70
℃, 0.095 M Pa真空度下减压浓缩 , 连同滤渣 , 在 80 ℃下干
燥 , 称重。
1.4　高温消解
事先将 Teflon 消解罐置于优级纯浓 HNO3 中浸泡过夜 ,
依次用去离子水 , 超纯水冲洗数次 , 干燥。新疆紫草原料 、
SFE-CO 2 提取物 , 乙醇提取物 、水提取物 、 三氯甲烷提取物
及各自残渣各 0.100 0 g 置于处理完毕的 Teflon 消解罐中 ,
加入 5 m L优级纯浓 HNO 3 , 密封 , 250 ℃下烘箱内消解 12
h , 直至消解液清亮 , 冷却 , 用 2% HNO3 定容至 50 mL , 待
测定。每个样品重复做 3 次 , 随样以 1 m L 蒸馏水做试样空
白 , 以扣除背景。
1.5　标准溶液的制备
将标号为 H ewlett Packard Par t#5183-4682 混标储备标
液(含 1 000 ppm Fe , K , Ca和 Mg , 10 ppm Al , As 和 Ba等)
分别取 25 , 50 , 250 , 500 和 1 000 μL , 另加标号为 Ag ilent
Par t #5183-4680 内标溶液(含 10 ppm Li , Sc , Y , In 和 Bi)
5 mL混合 , 用超纯水稀释至 50 mL , 制备成浓度如下表的标
准溶液(见表 1)。
Table 1　Standard solutions for ICP-MS determination
F e , K , Ca , Mg
/(μg· mL-1)
A l, A s, Ba , Cd , Co , Cr ,
Cu , Mn , Mo , Ni , P b , Sb ,
Se , Ti , V , Zn , T h , U
/(10-3μg·mL-1)
Li , Sc , Y , In , Bi
/(μg·mL-1)
STD0 0 0 1
STD1 0.5 5 1
STD2 1 10 1
STD3 5 50 1
STD4 10 100 1
STD5 20 200 1
　　标准元素质量数:24Mg , 27Al , 39 K , 43Ca , 51V , 53C r ,
55Mn , 57 Fe , 59 Co , 60 Ni , 63 Cu , 66 Zn , 75 As , 82 Se , 111 Cd ,
95Mo , 121 Sb , 137Ba , 205T l , 208Pb , 232Th 和238 U。
内标元素质量数:6L i , 45 Sc , 89Y , 115 In 和209Bi。
1.6　ICP-MS测定
运行自动调谐程序 , 用调谐溶液及内标溶液调谐至灵敏
度 、 多原子分子干扰 、 氧化物干扰 , 符合既定要求为止 , 在
下列 ICP-MS 工作参数下(见表 2), 样品做 ICP-MS 测定。
Table 2　Working parameters of agilent 7 500a ICP-MS
工作参数 值 工作参数 值
射频功率 1 400 W 射频匹配电压 1.6 V
采样深度 7.2 mm 炬管垂直距离 0.5 mm
炬管水平距离 -0.7 mm 载气流速 1.21 L·min-1
补偿气 0 L ·min-1 辅助气 0%
蠕动泵 1 0.1 rps 蠕动泵 2 -
喷雾室温度 1 ℃ 提取透镜 1 -141.4 V
提取透镜 2 -60 V Einzel透镜 1 , 3 -100 V
Einzel透镜 2 0 V Omega 透镜偏压 -30 V
Omega透镜(+) 7.5 V Omega 透镜(-) -5 V
四极杆聚焦电压 5 V 平面偏压 -2 V
AM U 增益 126 AMU 补偿 126
质量轴增益 1.000 2 质量轴补偿 -0.1
四极杆偏压 2 V 分辨电压 8 mV
模拟电压 1 820 V 脉冲电压 1 010 V
2　结果与讨论
2.1　最低检出限实验
各取 1 mL 蒸馏水 11 份 , 按步骤 1.4 高温消解 , 并在
表 3的 ICP-MS 工作参数下测定 , 计算 Mg , Al , K , Ca , V ,
Cr , Mn , Fe , Co , Ni , Cu , Zn , As , Se , Cd , Mo , Sb , Ba ,
T l , Pb , Th 和 U 等 22 个元素的 σ(RSD%), 采用 3σ作为元
素最低检出限(DL), 结果见表 3。
Table 3　Determination limits of inorganic elements
Element DL/(ng·mL-1) Elem en t DL/(ng·mL -1)
M g 0.624 Zn 0.111
Al 0.236 As 0.009 87
K 1.35 S e 0.071 7
Ca 6.54 Mo 0.016 8
V 0.013 9 Cd 0.002 60
Cr 0.055 6 Sb 0.005 12
M n 0.027 5 Ba 0.016 8
Fe 5.10 Tl 0.046 9
C o 0.005 93 Pb 0.009 26
Ni 0.063 4 Th 0.003 41
Cu 0.047 5 U 0.003 18
2.2　校正曲线-内标法
制备好的标准溶液在表 3的 ICP-MS 工作参数下依次测
定 , 以浓度为横坐标 , 测定元素与内标元素信号强度比为纵
坐标 , 作一元线性回归曲线 , 并计算其回归方程 , 结果发现:
所有元素的校正曲线的变异系数 r2 均大于 0.999。
2.3　准确度及精密度实验
将桃叶标准(GBW 08501)称取 0.100 0 g , 各 3份 , 按步
379第 2 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
骤 1.4 , 1.6测定 , 数据采集频率为 3 , 随样以蒸馏水为试样
空白 , 扣除背景。计算出各元素的测定值 , 与参考值相比较 ,
求出其 RSD%和回收率。结果表明 , 各元素在测定次数为 3
的情况下 , 其 RSD%均在 5%以内 , 回收率在 94.4%～
102.9%内变化 , 说明该测定方法准确可靠 , 见表 4。
Table 4　Results of accuracy and precision experiments(n=3)
Elem ent MV/(ng· g -1) RV/(ng· g -1) RSD/ % r/ %
As 0.35 0.34±0.03 2.86 102.9
Cd 0.017 0.018±0.004 3.11 94.4
Cu 10.2 10.4±0.8 1.96 97.1
H g 0.046±0.006
Mg ＊ 0.48 0.47±0.02 4.17 102.1
Pb 0.98 0.99±0.04 3.06 99.0
Zn 22.6 22.8±1.3 3.54 99.1
Co 0.24 (0.25) 4.17 96.0
Ba 18.2 18.4±0.9 3.85 98.9
C r 0.94 0.94±0.07 4.26 100.0
Fe 425 431±15 2.35 98.6
K ＊ 2.20 2.17±0.08 1.82 101.4
Mn 74.8 75.4±2.7 1.60 99.2
Sr 61.6±3.9
B (45.8)
S e 0.04 (0.04) 0.81 100.0
　　M V — 测定值;RV — 参考值;r —回收率;标＊的元素计量单
位为μg· g -1
Table 5　Result of preliminary speciation analysis
元素 元素初级形态/ %溶解态 悬浮态 总量/(μg· g -1)
Mg 13.68 86.72 2 988
Al 3.890 96.61 3 168
K 48.02 51.90 2 215
Ca 13.61 86.39 33 180
V 3.667 96.53 8.195
C r 1.327 98.60 33.24
Mn 6.384 6 93.69 73.23
Fe 3.846 96.19 1.539
Co 2.696 97.34 2.194
Ni 5.739 94.36 19.63
Cu 12.17 87.93 12.07
Zn 60.84 39.16 10.68
As 20.12 79.79 1.828
S e 9.780 90.52 0.697 5
Mo 6.718 93.16 1.783
Cd 8.821 91.11 0.318 1
Sb 0.978 1 99.32 0.432 5
Ba 7.567 92.35 134.7
Tl 9.244 90.51 0.186 5
Pb 23.49 76.91 0.674 4
Th 4.052 95.84 1.033
U 6.060 94.07 1.936
2.4　新疆紫草无机元素初级形态分析
将水提取物及其残渣按步骤 1.4 , 1.6 作 ICP-MS 测定 ,
计算结果 , 以水提物中无机元素含量作为溶解态指标 , 其残
渣中无机元素含量作悬浮态指标 , 考察各元素异同 , 试样平
行做 3 次 , 计算结果取其平均值 , 结果如表 5所示 。
　　表 5 显示 , 被分析的 22 种无机元素中 , Ca , Al , Mg 和
K 总量特别高 , 均超过了 2 000 μg · g-1 , 并且 K 溶解态与
悬浮态百分比基本相当 , 这可能与 K 主要以可溶解的硝酸
盐 , 硫酸盐存在于植物中有关;Ca含量很高 , 但其溶解态百
分比不高 , 这因为 Ca主要以硫酸盐 、磷酸盐的形式存在 , 而
钙的硫酸盐在水中难溶 , 其磷酸盐不溶于水[16] ;Ba , Mn ,
Cr , Ni , Zn 和 V 在新疆紫草中所占的质量比重在 8.195 ～
134.7 μg· g -1变化 , 除 Zn 以高达 60.84%悬浮态百分比存
在外 , 其余 5 种元素的悬浮态含量均未过 15%;重金属元素
Pb , As , Cd 和 T l , 悬浮态百分比分别为 23.49 , 20.12 ,
8.821 , 9.244%, 据文献[2]报道 , 以上四类元素发生人体中
毒主要是以离子态形式起作用 , 如果结合其他有机大分子化
合物 , 其毒性会降低 , 甚至于完全没有毒性 , 由以上可看出 ,
Pb , As 悬浮态含量还是比较高的 , 但铅和砷总量并不高 , 分
别为 0.674 4 和 1.828μg · g-1 。除以上分析的 14 种元素以
外 , 其余 8 种元素存在形态主要以悬浮态(约 90%)为主。
2.5　不同提取方法对新疆紫草无机元素溶出特性的影响
分别对 SFE-CO 2 提取物 , 乙醇提取物 、水提取物 、 三氯
甲烷提取物按步骤 1.4 , 1.6 测定 , 随样做蒸馏水的试样空
白 , 每个样品做 3 份 , 计算结果取其平均值 , 数据采集频率
为 3 , 结果见表 6。
Table 6　Transference characteristics of inorganic
elements in arnebia euthroma(Royle)johnst
元素 SFE-CO 2/ % 氯仿提取/% 乙醇提取/ % 水提取/ %
M g - 0.764 1 1.944 13.68
Al 0.009 865 0.593 0 0.431 9 3.890
K 0.000 800 0 0.545 2 8.697 48.02
Ca 0.021 97 0.412 9 0.569 4 13.61
V 1.462 1.100 0.839 6 3.667
Cr 0.175 2 1.150 0.812 8 1.327
M n 0.011 33 1.866 1.975 6.384
Fe 0.025 21 0.904 7 0.579 2 3.846
C o - 0.689 7 0.739 1 2.696
Ni - 1.877 1.122 5.739
Cu - 15.20 5.152 12.17
Zn 24.83 33.56 29.92 60.81
A s 0.824 7 3.737 3.509 20.12
Se 1.875 7.532 6.962 9.780
Mo 1.892 7.076 7.376 6.718
C d 0.916 4 15.50 18.32 8.821
Sb 0.501 4 1.540 1.214 0.978 1
Ba 0.034 90 0.526 5 0.301 1 7.567
T l 2.089 7.560 7.615 9.244
Pb 0.674 4 8.889 9.621 23.49
T h 1.033 3.933 3.803 4.052
U 1.936 7.312 7.137 6.060
　　(%):百分含量指元素的溶剂提取量占新疆紫草原料的比重;
“ -”表示该元素含量低于检测限。
　　由上表可知 , 伴随着提取溶剂极性的增大(从弱极性或
380 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 27 卷
无极性 SFE-CO2 流体到强极性的水), 研究发现:无机元素
含量与提取溶剂的得率基本上呈现正比例关系(氯仿和乙醇
差异不大), 特别表现在 Mg , K , Ca , M n , T l , Co和 Pb 等 7
种元素上 , 呈现完全的正比例关系。从某种程度上来说 , 该
结果提示无机元素的无机形态在总形态中的比例与提取溶剂
的极性呈线性关系。
从表中还可以看出 , 尽管 Pb 和 As 有毒元素在新疆紫草
中的总量甚微 , 但其在极性溶剂(乙醇及水), 特别是水提物
中相对含量却很高 , 这从侧面提示水可能不适宜作为药品制
剂或食品物料的提取溶剂。
此外 , SFE-CO2 流体提取的无机元素含量很低(除 Zn
占 24.83%外 , V , As , Se , Mo , Cd , T l , Pb , Th 和 U 约为
1%～ 2%, 其余元素均低于 1%, 甚至几乎没有), 如果作为
一种溶剂手段用于元素的形态分析 , 并不适宜 , 除非在提取
过程中加入夹带剂 , 或许有所改善。
3　结　论
　　(1)不同的微波消解程序 , 对样品都不能消解完全 , 消
解液底部存有白色絮状沉淀(可能是硅酸盐), 而采用高温密
封消解 , 尽管处理时间较长 , 但能消解样品至清亮透明 , 不
含沉淀 , 说明其可以消解彻底。因此紫草的元素分析不宜采
用微波消解。
(2)在 ICP-MS 测定中 , 75 As 和 82 Se的多原子分子干扰
分别来源于40Ar 35Cl , 12 C 35Cl2 和34 S 16O 3 , 致使结果偏高 ,
本实验采用 Ag ilent Chem Station 软件自带的干扰校正方程
测定 , 效果良好。
(3)在所考察的 22 种无机元素中 , K 和 Zn 以溶解态为
其主要存在形式 , 其余 18种元素以悬浮态为主要存在形式 ,
其原因可能与其结合无机盐 , 或与有机分子所形成的配合物
不易溶于水直接相关。
(4)在新疆紫草的元素形态分析中 , 提取溶剂的极性与
所分析的无机元素息息相关 , 其溶出特性研究显示:Mg , K ,
Ca , M n , T l , Co和 Pb 等 7 种元素的提取得率与其提取溶剂
呈完全的正比例关系 , 其余元素尽管略有差异 , 但基本上呈
线性关系。
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381第 2 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
Study on Elemental Speciation Analysis and Transference Characteristics
of Arnebia Euthroma (Royle)Johnst by ICP-MS
S HI Yu-feng1 , XIE Ming-yong 1＊ , NIE Shao-ping1 , JING Miao2 , WANG Xiao-ru2 , 3
1.Key Lab of Food Science o f MOE , Nanchang Univer sity , Nanchang　330047 , China
2.First Institute o f Oceanorg r aphy , S.O.A , Qingdao　266061 , China
3.Key Lab of Analy tical Science of MOE , Xiamen Unive rsity , Xiamen　361005 , China
Abstract　The elemental transference charac te ristics and prima ry speciation analy sis of Arnebia euthroma (Roy le)Johnst w ere
investig ated in the present paper.The results showed:sealed dig estion at high tempera ture w as mo re efficient and thorough than
microwave-assisted pr ocess(MAP)dig estion in the preparation of specia tion analy sis;Most o f the elements analy zed , excluding
po tassium and zinc , exist in par ticulate speciation in the plant;The transference characteristics o f e lements w ere asso ciated w ith
the po larity of ex traction solvents.Contents o f all 22 e lements basica lly were directly propo rtional to the pola rity o f so lvents v ar-
y ing from a lmost no pola rity to strong , e specially fo r 7 e lements:magne sium , po ta ssium , calcium , manganese , cobalt , thallium
and lead.
Keywords　Arnebia euthroma (Roy le)Johnst;P rimary elemental speciation analy sis;ICP-MS;T ransfer ence cha racteristics
(Received Dec.19 , 2005;accepted Mar.28 , 2006)　　
＊Co rr esponding author
382 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 27 卷