微波消解ICPMS測定天麻中的稀土元素

1. 引言

天麻(Gastrodia elata Blum)，又有赤箭、定風草、獨搖芝等31個別名，是蘭科植物的干燥塊莖。主治頭痛眩暈、肢體麻木、癲癰抽搐等癥。主產于云南、四川、貴州、陜西、安徽、河南等地。天麻的化學成分除了酚類化合物、多糖類化合物、苷類、甾類、有機酸類外還含有維生素A及微量元素及稀土元素。

目前對天麻的藥理作用研究主要集中在天麻的化學成分中，而對天麻中稀土元素的研究甚少。多數研究表明，適宜濃度稀土元素對植物生根、生長、產量和品質等具有促進作用。植物中的稀土含量因植物種類不同而有很大差別，同時也受地理環境和土壤類型等因素影響。稀土元素在多種植物中的含量約為4~168 μg/g。此外稀土元素和人體健康密切相關，稀土元素及其化合物能抑制腫瘤細胞惡化，降低腫瘤發病率。本試驗采用微波消解、ICP-MS方法測定了24個不同產地天麻中的稀土元素。然后通過聚類分析，對不同產地天麻中的稀土元素含量進行了比較、分析、討論。研究結果不僅能為天麻栽培打下基礎，而且能為進一步研究其有效成分的生物活性提供基礎，進而為全面深入研究天麻藥用成分提供可靠的理論和相關技術，同時對昭通天麻的鑒定和品質判別，具有一定的指導意義和應用價值。

2. 材料與方法

2.1. 材料儀器與試劑

天麻樣品及采集地見表1。其中廣西，安徽和湖南的天麻樣品購自藥材市場，其余均由劉祥義教授課題組采集并鑒定。

X Series (X7)電感耦合等離子體質譜儀(美國賽默飛世爾公司)，帶半導體制冷裝置、等離子體屏蔽技術、Elga-PURELAB Ultra Analytic超純水系統和MDS-6型微波消解萃取儀；微波樣品消解系統(上海新儀微波化學科技有限公司)；純水制備系統：英國ELGA Lab Water公司LZ613型純水機；超純水制備系統：英國ELGA Lab Water公司ULTRA AN MK2型超純水機。

硝酸(優級純)，廣州化學試劑廠；過氧化氫(優級純)，廣州化學試劑廠。

稀土元素(包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu)標準溶液(國家有色金屬及電子材料分析測試中心)：唯一標識：11,837；定值日期：2015年8月；標準值：100.0 μg /ml；相對擴展不確定度(包含因子2)：1.4%；介質：C(HNO3) = 1.5 mol/L；GSB 04-1789-2004。

2.2. 儀器工作參數

微波消解系統工作條件和電感耦合等離子體質譜儀的工作參數見表2。

2.3. 方法

2.3.1. 樣品處理

鮮天麻洗凈，蒸熟后陶瓷刀切片，60℃烘箱烘干，用研缽研細后過60目尼龍篩。稱取0.3 g的天麻樣品于微波消解罐內，加優級純濃硝酸5 ml，同時加入1.5 ml優級純過氧化氫，加蓋，放置過夜；然后將按照表2的步驟進行微波消解，置于通風廚中冷卻至室溫，將試料消化液轉入25 mL容量瓶中，用超純水多次洗滌消解內罐，洗液合并于容量瓶中并定容至刻度，混勻備用；隨同樣品進行空白試驗。本實驗所用儀器均用18.2 MΩ去離子水清洗。

2.3.2. 標準曲線和檢出限

以5% (v/v) HNO3逐步將混合標準溶液10 mg/L稀釋成0、1.0、2.0、5.0 mg/L的標準系列。依次上機測定，采用內標法定量，儀器自動完成校正曲線，測定樣品液時，儀器根據校正曲線自動給出各元素的含量值。并在試驗條件下，平行制備10份樣品空白溶液，計算出儀器檢出限和方法檢出限，結果見表3。

Table 1. Collecting places of Gastrodia elata samples

表1. 天麻樣品及采集地

Table 2. Microwave digesting conditions

表2. 微波消解參考條件

Table 3. The instrument detection limit and method limit of rare earth elements instrument

表3. 稀土元素儀器檢出限和方法檢出限

3. 結果與分析

3.1. 不同產地天麻中稀土元素含量

用ICP-MS法對24個不同產地的天麻樣品中的14種稀土元素進行了測定，測定結果見表4。

3.2. 不同產地天麻中各稀土元素含量折線圖

為了更好的比較不同產地天麻中各稀土元素的含量高低，通過Excel做出14種元素折線圖。

由圖1可以看出，含量最多的元素是鈰(Ce)元素最高268.1 μg/kg，第二是鑭(La)元素268.7 μg/kg，第三是釹(Nd)元素133.6 μg/kg，第四是鐠(Pr)元素39.34 μg/kg。

3.3. 不同產地天麻稀土元素含量聚類分析

根據24個不同產地天麻中14種稀土元素檢測數據，運用STATISTICAL ANALYSIS SYSTEM，(簡稱SAS) SAS9.3軟件對數據進行聚類分析。調用CLUSTER (類平均法)，CENTROID (重心法)、COMOLETE (最大距離法)、WARD (沃爾德法)等。

由圖2可以看出，第一類：包括2 (彝良1)、11 (昭通1)、3 (彝良2)、4 (彝良3)、22 (鎮雄1)、24 (鎮雄2)、7 (彝良6)、9 (大關1)、5 (彝良4)、8 (彝良7)、12 (彝良8)、6 (彝良5)、10 (綏江1)、14 (綏江2)、21 (楚雄1)，十五個樣品；第二類：包括13 (貴州1)、23 (貴州2)、20 (陜西2)、16 (廣西1)、17 (陜西1)、19 (陜西2)、15 (湖南1)、18 (安徽1)，八個樣品。第三類：僅包括1 (麗江1)，一個樣品。

4. 結論與討論

4.1. 結論

本實驗對14個昭通天麻和10個非昭通天麻中稀土元素的含量進行了測定，并對結果進行了聚類分析。結果表明，天麻中含量最高的是鈰(Ce)元素，第二是鑭(La)元素，第三是釹(Nd)元素，第四是鐠(Pr)元素，其它元素含量都比較低。

Table 4. The content of rare earth elements of Gastrodia elata samples in different regions

表4. 不同產地天麻品中稀土元素的含量(μg/kg)

Figure 1. The line chart of rare earth elements in Gastrodia elata

圖1. 天麻稀土元素含量折線圖

Figure 2. Cluster analysis of rare elements in Gastrodia elata

圖2. 天麻稀土元素聚類分析圖

通過聚類分析結果可以看出，第一類包括十五個樣品，14個是昭通境內的樣品，1個楚雄樣品；第二類包括8個樣品都是非昭通境內樣品；第三類僅包括1個樣品是麗江樣品。

4.2. 討論

La和Ce元素在天麻中的含量最高，許多研究表明，La和Ce元素對植物的生理生長具有重要作用，特別是對植物的根系和光合作用影響較大 。而天麻生長發育過程中的主要營養由蜜環菌提供，所以La和Ce元素對天麻的生理生長的作用需進一步研究和探討。

Pr和Nd元素在天麻中也有較高含量。研究表明，低濃度的Pr和Nd促進植物根系的活力，提高根系對營養元素的吸收能力。天麻球莖生長過程中對營養元素的吸收是否與Pr和Nd的濃度存在著一定的聯系是有待解決的問題。稀土元素Pr和Nd對靈芝多糖的誘導效果最好，而稀土元素Nd、La和Ce對靈芝三萜誘導效果最好。由此可推論，天麻中適當濃度的Ce、Pr和Nd將能促進天麻胞外多糖、胞內多糖的合成，Pr可能對天麻活性物質積累特異誘導起重要作用，但結論有待驗證。

通過本次測量結果的聚類分析，能明顯區分開昭通天麻與非昭通天麻，雖然楚雄天麻和昭通天麻是同時在第一類內，但是，從聚類圖中明顯能看出楚雄天麻是最后與昭通天麻聚類在一起的。如果樣本量增加或者劃分更多類，那么楚雄樣可以完全與昭通樣區分開。故，可通過更多天麻樣品中稀土元素的測定，建立天麻稀土元素評價體系及鑒別昭通天麻。