J200激光光谱元素分析仪在中药材分析和鉴别中的应用

前言

中药材中微量元素的组成、重金属元素的含量，对评价中药材质量、判别中药材真伪和来源有着重要意义[1,4,6,9,12]。然而常规分析方法，如紫外分光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法等存在样品预处理复杂，分析速度慢，或者不能多元素同时分析等诸多弊端。近年来，基于激光诱导击穿光谱技术的激光光谱元素分析仪因其样品处理简单、分析速度快和多元素同时分析的特点，受到化学分析研究人员的关注，而且获取的样品光谱图可做样品鉴别的指纹图谱。此技术能够为中药材品质鉴定、快速分类鉴别、药品真伪判断、药物及包装中有害元素是否超标测定、YY植物种质资源和质量评价等提供前沿的检测手段[5,8,11]。

材料和方法

材料：一、采自不同地方的两大类七种丹参和生黄芪中草药样品，分别是H0 山西北芪、H1安徽丹参、H2 四川红丹参、H3 安徽丹参、H4 甘肃北芪、H5 内蒙北芪、H6 四川紫丹参。如图1所示。

二、四物汤、六物汤和十物汤三种中草药制剂，以定量水烧开后，分别取其前、中及Z后残留之汤剂，滴于空白滤纸上进行激光光谱元素分析，以空白滤纸作为对照样，如图2 所示。对应编号分别为：H0-10-1、H1-10-2、H2-10-3，H3-4-1、H4-4-2、H5-4-3，H6-6-1、H7-6-2、H8-6-3，H9-blank。采用美国ASI 公司J200 激光光谱元素分析仪对以上样品进行元素成分分析，激光波长为266nm和532nm，取样面积为1cm 见方，每个丹参和生黄芪样品取样25 个点，每个中草药汤剂滤纸取样36 个点。实验过程中，丹参、生黄芪、滤纸样品无需研磨和消解，直接放入实验设备的样品室。激光光谱元素分析仪基于激光诱导击穿光谱技术，其工作原理是采用高能激光脉冲直接击中样品表面，产生高温等离子体(温度可达104K 以上)将取样点样品中几乎全部元素气化并激发至高能态，当它们跃迁回到基态时发出各自的特征光谱，利用光谱仪对此光谱进行检测，即可同时获取样品中元素的种类及含量信息。

针对中草药汤剂的半定量研究，采用美国ASI 公司J200-LA-ICP-MS 激光剥蚀电感耦合等离子体分析系统，紫外激光波长343nm。每个样品取样面1cm 见方，取样时间1 分钟左右。

结果与分析

1 丹参和生黄芪样品的元素成分分析激光元素分布分析技术是微创无损分析，通过实验设备带有的高倍光学放大镜，对样品分析前后取图进行了对比（图4）。

特征谱线显示，钾（K）、钠（Na）、钙（Ca）、镁（Mg）、碳（C）、氢（H）、锶（Sr）元素是丹参和生黄芪样品的主要元素组成。其中钙元素检测出了多条灵敏谱线，镁元素也检出了4 条灵敏谱线；钠元素、碳元素、氢元素则是检出了Z灵敏谱线。丹参和生黄芪的谱线强度对比可以看出，丹参中钠、钙、镁3 种元素的含量明显高于生黄芪，而两类样品中碳、氢、钾、锶4 种元素的含量处于同一水平。（图5）

图5 丹参和生黄芪主要组成元素特征谱线

通过系统软件对测量结果进行主成分分析(PCA) 。H1 和H3 样本的相似度明显高于其他样本（图6）。通过比对可知，H1 和H3 样本均是来自同一区域的安徽丹参。为了检验激光元素分析结果的可靠性，将上述7 个丹参和生黄芪样品的测量结果建立小型中草药数据库，再取对应的同样一份7 个丹参和生黄芪样品，在不进行标注的情况下完成各自的激光光谱元素分析。然后通过软件进行偏Z小二乘法判别分析（PLS-DA），将之与新建的小型中草药数据库进行比对，Z终准确无误地鉴别了7 个丹参和生黄芪对应样品，准确率，如图7。
图6 丹参和生黄芪样品PCA 分析 图7 诞生和生黄芪样品PLS-DA 分析

2 中草药汤剂样品的元素成分分析

将三种汤剂分取前、中、后三分之一段滴于滤纸上吗，然后作激光光谱元素（LIBS）测试，由于四物汤、六物汤和十物汤的配方类似，所以结果显示3 个汤剂中的主要组成元素是一致的，都是碳、氢、氧、钾、钙、镁元素（图8）。对元素信号强度的进一步分析可知，三种汤剂中钾、钙、镁3 种主要元素有不同浓度（图9）。

图8 四物汤、六物汤和十物汤3 个汤剂中主要组成元素特征谱线

图9 四物汤、六物汤和十物汤3 个汤剂和空白样中钾钙镁元素谱线强度对比

针对四物汤、六物汤和十物汤的前、中、后3 段汤剂滤纸样品和空白共计10 个样品，PCA分析结果显示，空白样与其他9 个样品差异比较明显（图10）；PLS-DA 分析结果显示，空白样H9 和四物汤前三分之一样品H3 的鉴别正确性为，十物汤中间三分之一样品H1 的鉴别正确性Zdi为80.56%（图11）。将所有样品的鉴别率综合在一起考虑，可得出样品整体鉴别的正确率为96.11%（图12）。

3 中草药汤剂样品的半定量分析

四物汤、六物汤、十物汤3 种中草药汤剂中主要和微量元素的ICP 计数显示了不同元素浓度的相对量。其中钾钙镁铝铁锰等元素浓度都处于较高的水平，由于ICP 的分析精度更高，所以可以得到更多常微量元素信息。其中红色数字表示该元素浓度低于背景值。（图13）

图13 四物、六物、十物3 种汤剂中主要和微量元素的ICP 计数用干净滤纸的测量结果归一化数据，可对上述元素根据浓度级别进行分级，绿色表示该元素浓度水平高于滤纸30 倍以上，浅绿色表示该元素浓度水平高于滤纸6-30 倍之间，黄色表示该元素浓度水平高于滤纸1-5 倍之间。（图14）

图14 四物、六物、十物3 种汤剂中主要和微量元素的浓度分级

结语
激光光谱元素分析仪可对中药材和中草药汤剂的元素组成进行快速分析，并可实现中药材及汤剂快速分类和鉴别。匹配适当的标准物质，激光光谱元素分析仪结合ICP-MS 可以进行高速定量分析。