珍稀濒危植物桫椤中无机组成元素的研究

江 波，唐莉娟，黄建华

1.长江师范学院生命科学与技术学院，重庆 408100 2.桂林市公安局刑侦支队，广西 桂林 541213 3.湖南中医药大学药学院，湖南 长沙 410208

珍稀濒危植物桫椤中无机组成元素的研究

江 波1，唐莉娟2，黄建华3*

1.长江师范学院生命科学与技术学院，重庆 408100 2.桂林市公安局刑侦支队，广西 桂林 541213 3.湖南中医药大学药学院，湖南 长沙 410208

建立测定珍稀濒危植物桫椤中无机组成元素含量的分析方法。通过闭密微波消解对桫椤样品进行处理，采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法测定其中的Na，Mg，Al，P，K，Ca等6个常量元素，采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定了其中的V，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb等10个微量元素。优化并确定了仪器的最佳工作条件，通过在样品溶液中添加低浓度盐酸确保了待测元素Hg在样品溶液中的稳定性，采用多谱拟合(MSF)技术消除了ICP-OES测定过程中的光谱干扰，采用动态反应池(DRC)技术校正了ICP-MS测定过程中的质谱干扰。在选定的工作条件下，各元素标准曲线线性关系良好，方法的检出限在1.87 ng·L-1～12.31 μg·L-1之间。采用本法对标准物质NIST SRM1457(桃叶)进行测定，分析结果与标准物质所提供的参考值基本一致。两种桫椤样品的分析结果显示，桫椤叶中元素Na，Mg，K，Ca，Al，P的含量较高，而元素K的含量最高，表明桫椤对元素K具有很强的富集能力。元素V，Cr，Mn，Fe，Cu，Zn含量较低，桫椤叶中重金属元素Ni，Cd，Hg，Pb的含量极低，表明桫椤的野外生态环境良好。该方法具有操作简单、分析速度快、准确性和精密度好等特点，可为珍稀濒危植物桫椤中无机组成元素含量的检测提供科学依据。

桫椤； 无机组成元素； 电感耦合等离子体发射光谱； 电感耦合等离子体质谱

引 言

桫椤(Alsophilaspinulosa(Wall.ex Hook.) R.M.Tryon )又称树蕨，为桫椤科桫椤属的大型木本蕨类植物，是侏罗纪时期与恐龙同代的一种珍稀孑遗植物，是世界上最古老的活化石和目前仅存的几种珍稀蕨类植物之一，它对研究古气候与植物起源、进化和植物地理区系具有重要价值[1]。目前，有关桫椤的研究主要局限于其种群分布、生态环境、栽培繁殖技术以及生物化学活性等方面[2-4]，对桫椤中无机组成元素的研究较少。作为一种与恐龙化石并存的珍稀蕨类植物，桫椤受其生长的土壤、水以及周边环境的影响，其所吸取的无机元素的种类和含量均存在较大差异。确定桫椤中无机元素的组成及分布，对于保护桫椤的种质资源，积极开发其药用价值及其他多种用途，了解其物种形成和地理分布，均具有十分重要意义。

植物中无机元素的分析方法有X射线荧光光谱(XRF)法[5]、原子吸收光谱(AAS)法[6]、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法[7]、中子活化分析(NAA)法[8]、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法，其中将等离子体(ICP)作为样品的离子化和原子化光源的ICP-OES法和ICP-MS法具有样品处理简单、分析速度快、线性范围宽、检出限低、灵敏度和准确度高等特点，已成为无机元素分析中应用范围最广的分析方法[9-11]。采用ICP-MS法测定微量元素优势明显，但对于常量元素的分析，需对样品进行高倍率地稀释，鉴于ICP-OES法比ICP-MS法具有更好的耐盐性，本文针对桫椤中Na，Mg，Al，P，K，Ca等6个常量元素采用ICP-OES法进行测定，而对于桫椤中V，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb等10个微量元素则采用ICP-MS法进行测定，分别应用多谱拟合(MSF)技术和动态反应池(DRC)技术校正了测定过程中的光谱干扰和质谱干扰，实现了珍稀濒危植物桫椤中16种无机组成元素的快速准确分析。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验采用光谱仪为Optima 2100 DV仪(PerkinElmer公司，美国)，质谱仪为SCIEX ELAN DRC ICP-MS仪(PerkinElmer公司，美国)，样品处理采用MARS-X高通量微波消解系统(CEM公司，美国)，Milli-Q超纯水机(Millipore公司，美国)。

标准储备溶液：1 000 μg·mL-1的Na，Mg，Al，P，K，Ca，V，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb单元素标准溶液(国家标准物质研究中心提供)； 内标溶液：1 000 μg·mL-1的Sc，Y，In，Bi元素标准溶液(国家标准物质研究中心提供)； 质谱调谐溶液：10 μg·L-1的Mg，In，Ba，Ce，U元素标准溶液(美国PerkinElmer公司提供)； HNO3，HF，HCl均为优级纯。实验用水为电阻率大于18.2 MΩ·cm的超纯水，所用实验器皿均采用20%的HNO3(φ)浸泡24 h，用超纯水冲洗5次后在105 ℃烘箱中烘干备用。

两种桫椤样品均采集于武陵山区，取新鲜桫椤叶为检测样本，样品装入真空袋低温运回实验室，置于4 ℃冰箱中保存，以备样品处理。

1.2 样品处理

将采集的桫椤叶用超纯水洗净，沥干水分于90 ℃烘箱中烘8 h，取出冷却后粉碎过200目尼龙筛。准确称取粉碎样品0.500 0 g于微波消解罐内，依次加入2 mL HNO3，1 mL HF, 0.5 mL HCl，室温预消解15 min后盖上内盖置入微波消解系统内分两步升温模式消解。步骤一：温度120 ℃，爬升时间5 min，保持3 min； 步骤二：温度180 ℃，爬升时间8 min，保持8 min。消解完毕，取出冷却至室温，转移至100 mL烧杯中于170 ℃电热板上赶酸，冷却后加入1 mL HNO3，用超纯水转移至100 mL容量瓶中定容，待测。

1.3 仪器工作参数

ICP-OES工作参数：射频功率，1 250 W； 等离子气流量，14.5 L·min-1； 雾化气流量，0.8 L·min-1； 辅助流量，0.2 L·min-1； 蠕动泵泵速，1.5 mL·min-1； 观测高度，15 mm； 溶液提升量，1.5 mL·min-1； 波长选择，Na 589.592 nm, Mg 279.077 nm, Al 396.152 nm, P 213.618 nm, K 766.514 nm, Ca 317.933 nm。

ICP-MS工作参数：射频功率，1 500 W； 冷却气流速，15 L·min-1； 载气流速，0.95 L·min-1； 辅助气流速，1.2 L·min-1； 进样锥，Pt锥； 截取锥，Pt锥； 溶液提升量，1 mL·min-1； 同位素选择，51V,52Cr,55Mn,56Fe,60Ni,63Cu,64Zn,111Cd,202Hg,206Pb。

2 结果与讨论

2.1 样品处理

植物样品的消解最常见的消解酸为HNO3，当样品消解不完全时，常常补充H2O2组成HNO3+H2O2混合酸进行消解。本实验分别采用HNO3和HNO3+H2O2为消解体系处理标准物质NIST SRM1457(桃叶)，表1表明，两种酸消解体系中元素Al和Hg的测定结果与参考值相比较明显偏低。

表1 酸消解体系对测定结果的影响

“*”：mg·g-1

元素Al在植物中部分以硅铝酸盐的形式存在[12]，当Al包藏在硅酸盐晶格中时，采用HNO3和H2O2均不能将其释放出来，从而导致元素Al的测定结果偏低，使用HF能较好地消解硅铝酸盐，将元素Al从晶格中释放出来[13]。元素Hg在植物中含量低，稳定性差，在ICP-MS分析中，为消除Hg的记忆效应，通常采用加入元素Au的方法来增加汞的稳定性，但同时也会导致Hg的灵敏度下降，而元素Hg在氯化物基质中能稳定存在，且多数金属元素在氯化物基质中更易溶解或在化学上更加稳定，因此，在样品消解过程中加入低浓度的HCl有利于大多数元素的测定，而由于HCl的使用所带入的Cl形成的多原子质谱干扰则可以通过DRC技术消除。本实验最终确定以HNO3+HF+HCl为消解液，表1分析结果显示，采用此消解体系，所有元素测定结果均与标准样品所提供的参考值一致。

2.2 干扰及校正

在ICP-OES分析过程中存在的干扰主要表现为元素Al和P的光谱干扰，在Al 396.152 nm的右侧存在Ca 396.847 nm线翼重叠，在P 213.618 nm左侧存在Cu 213.597 nm的重叠干扰。本实验利用多组分图谱拟合(MSF)技术进行准确校正。分别对空白溶液、待测元素溶液及干扰元素溶液进行测定，在一定波长范围内利用化学计量学和多元线性回归算法，通过所建立的数学模型将待测谱线从干扰谱线和背景中剥离出来，得到单纯的分析谱线，提高了信噪比，改善了检出限，消除了ICP-OES分析中的光谱干扰。

对于微量元素的测定，由于本实验大部分待测元素属于中质量数元素，在样品处理过程中混合消解酸的使用导致ICP-MS分析中质谱干扰变得非常复杂，本实验采用DRC技术通过向DRC内引入CH4气体进行校正，比较了1 μg·L-1的混合标准溶液在校正前后背景等效浓度(BEC)以及相对标准偏差(RSD，n=11)的变化情况，结果见表2。

表2 主要质谱干扰及DRC参数

从表2可以看出，采用DRC技术显著降低了待测元素的BEC和检出限，改善了测量精密度，表明质谱干扰得到了校正。元素Cd，Hg，Pb受质谱干扰的程度较轻，实验选用普通模式进行测定。

图1 内标元素的校正效果

在等离子体中，样品和标样的组成不同会引起进样速率的差异，影响待测元素的传输效率和离子化产率，内标元素可以对二者的粘度效应与等离子体效应进行补偿。本实验在ICP-OES分析中选用5 μg·mL-1的Y为内标元素，在ICP-MS分析中选用1 μg·mL-1的Sc，Y，In，Bi为内标元素，内标元素的校正效果见图1。加入内标元素后，所有待测元素的加标回收率均在90%～110%范围内，相对标准偏差(RSD，n=6)均小于5%，内标元素的校正效果明显。

2.3 校准曲线及检出限

分别配制0.00，5.00，10.00，20.00，50.00 mg·L-1的Na，Mg，Al，P，K，Ca系列标准溶液，0.00，0.50，1.00，2.00，5.00 mg·L-1的V，Cr，Mn，Fe，Cu，Zn的系列标准溶液，0.00，5.50，20.00，50.00，200.00 μg·L-1的Ni，Cd，Hg，Pb的系列标准溶液，在拟定的实验条件下分别采用ICP-OES法和ICP-MS法进行测定，绘制各待测元素的工作曲线。在选定的实验条件下，取试剂空白溶液进行11次测定结果的3倍标准偏差为方法的检出限。结果见表3，各元素工作曲线的线性相关系数均大于0.999 5，线性关系良好，检出限在1.87 ng·L-1～12.31 μg·L-1之间，满足样品中常量元素和微量元素的分析要求。

表3 标准曲线的线性参数以及方法的检出限

“*”：μg·L-1

表4 样品分析结果

“*”：mg·g-1

应用上述条件和方法对采自武陵山区两种桫椤叶(样品1、样品2)进行分析，每种样品重复测定11次，表4结果显示，两种桫椤叶中16个无机元素的质量分布差异较大。桫椤叶中元素Na，Mg，K，Ca，Al，P的含量较高，而元素K的含量最高，表明桫椤对元素K具有很强的富集能力。元素V，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb含量较低，其中，桫椤叶中重金属元素Ni，Cd，Hg，Pb的含量极低，这与桫椤的野外生态环境有关。值得关注是，与其他蕨类植物相比较，桫椤叶中金属元素Fe的含量很低，表明桫椤对元素Fe的需求量和富集能力较低。

3 结 论

采用微波消解法对珍稀濒危植物桫椤样品进行消解，利用ICP-OES法和ICP-MS法可以准确测定其中的Na，Mg，Al，P，K，Ca，V，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，Cd，Hg，Pb等16个无机元素。以HNO3+HF+HCl为消解体系可完全释放样品中的Al元素，稳定样品中的Hg元素。对于实验过程中的光谱干扰和质谱干扰，本实验采用MSF技术和DRC技术进行了校正，并通过加入内标元素消除了基体干扰。方法实现了珍稀濒危植物桫椤样品多个无机元素的准确测定，为展开桫椤中无机元素的生物效应和作用机理研究提供了分析手段。

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(Received Dec.16, 2014; accepted Mar.21, 2015)

*Corresponding author

Study on the Inorganic Components Elements in Rare and Endangered PlantAlsophilaSpinulosa

JIANG Bo1, TANG Li-Juan2, HUANG Jian-hua3*

1.College of Life Science and Technology, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, 2.Criminal Investigation Detachment, Guilin Public Security Bureau, Guilin 541213, 3.School of Pharmacy, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha 410208, China

A method for simultaneously analysis of inorganic elements in rare and endangered plant spinulose tree fern was established.AlsophilaSpinulosasamples were pretreated by using the hermetic microwave digestion.Six elements Na, Mg, Al, P, K and Ca were determined by using the inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) and ten elements V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg and Pb were determined by using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).The working conditions were optimized as well.In order to keep the stability of the experiment, low concentration of HCl was added into the sample during testing.Multicomponent Spectral Fitting (MSF) and dynamic reaction cell (DRC) were used to correct the spectral interference and mass interference.Under optimized conditions, the standard linear relationships were satisfactory and the detection limit ranged from 1.87 ng·L-1～12.31 μg·L-1.Finally, the standard reference material NIST SRM 1 547 (peach leaves) was used to verify the proposed method.The obtained results were consistent with the reference method with the sameaccuracy and precision.TwoAlsophilaSpinulosasamples analysis results showed thatAlsophilaSpinulosahave higher concentrations of Na, Mg, K, Ca, Al, and P, and concentration of K is the highest.These results indicated thatAlsophilaSpinulosahave strong capability in K-enrichment.AlsophilaSpinulosahave low concentrations of V, Cr, Mn, Fe, Cu, and Zn.Concentrations of Ni, Cd, Hg, and Pb are at very low trace levels, which indicated that the wild living environment is very healthy.This method has features of fast analyzing, high accuracy and convenience in operation, which can provide scientific basis forAlsophilaSpinulosainorganic elements contents measure.

AlsophilaSpinulosa; Inorganic components elements; ICP-OES; ICP-MS

2014-12-16，

2015-03-21

国家自然科学基金项目(21075138)； 教育部“春晖计划”项目(Z20111146)； 重庆市教委科学技术研究项目(KJ121314)资助

江 波，1974年生，长江师范学院生命科学与技术学院讲师 e-mail: jblmz74@126.com *通讯联系人 e-mail: jhhuang85@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1468-05