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      基于粉末X射線衍射和電子自旋共振技術(shù)對(duì)全蝎的檢測(cè)

      2022-09-13 09:48:16項(xiàng)太平路大勇劉巧麗
      關(guān)鍵詞:明礬全蝎無(wú)機(jī)鹽

      項(xiàng)太平,張 進(jìn),路大勇,劉巧麗

      (吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程研究中心,吉林 吉林 132022)

      全蝎原名“蠍”,鉗蝎科動(dòng)物東亞鉗蝎(Buthus martensii Karsch),始載于宋代《開(kāi)寶本草》,《本草綱目》列于蟲(chóng)部第40卷[1].春末至秋初捕捉,除去泥沙,置沸水或沸鹽水中,煮至全身僵硬,撈出,置通風(fēng)處,陰干.其味辛、性平、有毒,歸肝經(jīng),具有熄風(fēng)鎮(zhèn)痙、通絡(luò)止痛、攻毒散結(jié)之功效[1-2].臨床多用于治療驚風(fēng)、抽搐痙攣、瘰疬等[3].迄今為止,已發(fā)現(xiàn)近2 000種[3],分屬16科210屬.目前,國(guó)內(nèi)已記錄的全蝎共53種,分屬5科12屬,省份分布于山東、山西、河南等地[3-4],其養(yǎng)殖技術(shù)成熟,野生資源豐富,儲(chǔ)量巨大.

      近年來(lái),眾多學(xué)者主要研究全蝎的化學(xué)成分和藥理作用[5-6].研究發(fā)現(xiàn),Cu、Mn、Ca等為人體必需的有益微量元素,也是臨床防病、治病基礎(chǔ)物質(zhì)的重要組成元素[7],然而,在全蝎質(zhì)量安全控制方面缺乏有效方法[8].2006~2010年,呂揚(yáng)等人嘗試用粉末X射線衍射(powder X-ray diffraction,PXRD)法對(duì)動(dòng)物類中藥材全蝎的PXRD Fourier圖譜進(jìn)行了鑒定[9-10],但未涉及全蝎質(zhì)量安全控制和過(guò)渡金屬元素檢測(cè).2015年版的《中國(guó)藥典》一部中給出了全蝎的性狀、顯微鑒別、浸出物和黃曲霉毒,但該標(biāo)準(zhǔn)不足以全面反映全蝎質(zhì)量[11].因此,為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)全蝎質(zhì)量特性,本文建立了一種對(duì)全蝎中明礬、鹽類成分鑒定的新型檢測(cè)方法.

      PXRD和電子自旋共振(electron spin resonance,ESR)技術(shù)是一種在材料科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用、簡(jiǎn)單快捷、針對(duì)晶體的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[12-14].本研究基于PXRD以及ESR技術(shù)聯(lián)用建立的一種對(duì)全蝎中明礬、硫酸鹽等無(wú)機(jī)鹽以及Fe3+、Cu2+和Mn2+過(guò)渡金屬離子進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的新方法,并采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)對(duì)Mn2+的來(lái)源和含量進(jìn)行驗(yàn)證.PXRD和ESR技術(shù)在動(dòng)物類中藥質(zhì)量控制研究方面具有廣闊的應(yīng)用前景,為我國(guó)中藥材微量元素的研究提供參考.

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 試劑與儀器

      10種全蝎在市面上隨機(jī)采購(gòu),其信息詳見(jiàn)表1;用于PXRD鑒定和量化評(píng)價(jià)所用的化學(xué)試劑信息詳見(jiàn)表2.

      表1 全蝎樣品信息

      表2 化學(xué)試劑信息

      DX-2700型X射線衍射儀(丹東浩元儀器有限公司);A300-10/12型X波段電子自旋共振波譜儀(德國(guó)Bruker公司);AR-1140型電子分析天平(美國(guó)OHAUS公司);HYT498LA型電子防潮柜(鹽城歐萊克電子設(shè)備有限公司);FW80型微型高速萬(wàn)能試樣粉碎機(jī)(北京中興偉業(yè)儀器有限公司);TG16-WS型臺(tái)式高速離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司);MS-M-S10型10通道磁力攪拌器(上海勵(lì)海實(shí)業(yè)有限公司);DHG-9145A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司).

      1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

      從每種全蝎樣品中隨機(jī)取出3只樣品,依次用粉碎機(jī)粉碎,過(guò)100目篩制成細(xì)粉;分別取2~3 g,并為每只設(shè)3個(gè)平行對(duì)比實(shí)驗(yàn).從每種全蝎樣品中隨機(jī)再抽取3只全蝎,制成細(xì)粉,在磁力攪拌器中攪拌30 min,溶解鹽分;將攪拌好的溶液轉(zhuǎn)移到離心管中,放入臺(tái)式離心機(jī)中實(shí)驗(yàn)3次,每次5 min;緩慢倒出管中液體,將余下的全蝎粉末置于電熱鼓風(fēng)干燥箱(65 ℃)中烘干24 h;取樣進(jìn)行測(cè)試.為防止樣品受潮,上述所有細(xì)粉均保存于電子防潮柜,濕度1%,儲(chǔ)存溫度設(shè)定為18 ℃.

      2 結(jié)果與討論

      2.1 全蝎粉末的PXRD譜圖分析

      2.1.1 全蝎的PXRD鑒定

      目前市售全蝎的炮制方法主要有以下幾種:凍殺干燥法、鹽制法、流通蒸汽法、遠(yuǎn)紅外輻射干燥法、酒制法和枯礬制法[1].由于加工工藝不同,所制取的全蝎粉末成分含量也不同.將制備好的全蝎粉末進(jìn)行PXRD測(cè)試,為保證數(shù)據(jù)的非偶然性,對(duì)每種樣品進(jìn)行了平行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.圖1顯示10種全蝎粉末樣品的室溫PXRD譜,該圖顯示,各品種全蝎樣品的衍射峰位置和相對(duì)強(qiáng)度極其相似.每組平行實(shí)驗(yàn)抽取任一數(shù)據(jù)進(jìn)行成分分析,發(fā)現(xiàn):(1)每種全蝎的PXRD譜是其所含各種成分的衍射峰疊加后所形成的衍射圖譜,這些高強(qiáng)度衍射峰來(lái)源于無(wú)機(jī)鹽晶體(圖2).同時(shí),不同產(chǎn)地樣品的衍射峰強(qiáng)度有明顯差異,其中,S2、S8、S9、S10樣品的無(wú)機(jī)鹽衍射峰強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其余樣品,說(shuō)明這幾種樣品中的無(wú)機(jī)鹽含量比其余樣品中的高;(2)全蝎粉末在20°附近具有較寬的彌散峰且強(qiáng)度較弱,這是因?yàn)槿泻写罅康姆蔷B(tài)蛋白質(zhì)成分,蛋白質(zhì)沒(méi)有特定的晶面間距,其原子間距(C—C、C—O或C—H鍵)分布在一定的尺寸區(qū)間,依據(jù)布拉格方程2dsinθ=nλ,每一個(gè)晶粒內(nèi)部的原子排列是短程有序的[14].說(shuō)明在全蝎中含有結(jié)晶性良好的有機(jī)分子晶體或無(wú)機(jī)晶態(tài)物質(zhì).

      2θ/°

      以S10全蝎樣品為代表,圖2給出了其與NaCl、硫酸鈉、明礬和石英的PXRD對(duì)比譜圖.S10的PXRD譜圖主要由4個(gè)系列衍射峰構(gòu)成,見(jiàn)圖2(a):(1)高強(qiáng)度的NaCl和硫酸鈉衍射峰,揭示炮制加工過(guò)程中加入了相當(dāng)量的鹽分且全蝎體內(nèi)也存在部分無(wú)機(jī)鹽,見(jiàn)圖2(b)~(c);(2)少量的明礬(KAl(SO4)2·12H2O),見(jiàn)圖2(d);(3)石英(SiO2)衍射峰意味著少量沙存在于S10全蝎中,在S1~S9樣品中也發(fā)現(xiàn)少量SiO2的存在,見(jiàn)圖2(e).

      2θ/°

      2.1.2 全蝎中無(wú)機(jī)鹽的PXRD檢測(cè)及來(lái)源討論

      10種炮制全蝎的PXRD譜見(jiàn)圖3.

      2θ/°

      全蝎在炮制加工時(shí)須經(jīng)過(guò)多層環(huán)節(jié),一些不良廠家正是利用其中的工序惡意摻雜,通過(guò)增重的方法試圖牟取暴利.將10種溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎研磨成粉末,進(jìn)行PXRD測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在20°附近顯示出非晶態(tài)彌散峰,且強(qiáng)度很弱(圖3).

      PXRD譜見(jiàn)圖4.

      2θ/°

      圖4(a)給出了溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎樣品S10的PXRD譜,比對(duì)發(fā)現(xiàn)這些衍射峰來(lái)源于六方相SiO2(PDF 97-001-6333)和Na2SO4(PDF 97-000-2895).溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎顯示的晶態(tài)衍射峰,源于其體內(nèi)的非水溶性物質(zhì),見(jiàn)圖4(a).通過(guò)PXRD譜模擬,全蝎被鑒定為具有菱方結(jié)構(gòu)的Mg0.1Ca0.9CO3(PDF 71-1663)成分,與生物體內(nèi)常常具有正交結(jié)構(gòu)的CaCO3文石不相同[13],見(jiàn)圖4(d).全蝎體內(nèi)的非水溶性物質(zhì)中含有六方相二氧化硅(SiO2),即是沙形成的.結(jié)合圖2對(duì)比分析可知,溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎體內(nèi)可能含有部分泥沙和無(wú)機(jī)鹽Na2SO4.

      這一現(xiàn)象表明:(1)全蝎被浸泡后大量的NaCl溶于水,因此NaCl晶體衍射峰幾乎完全消失.說(shuō)明全蝎自身不含NaCl或者含量極少難以被PXRD手段檢測(cè)到;(2)Na2SO4來(lái)源于全蝎自身;(3)結(jié)合圖3和圖4可以認(rèn)為全蝎體內(nèi)有少量泥沙存在;(4)明礬為水溶性物質(zhì),經(jīng)過(guò)溶解實(shí)驗(yàn)后大量的明礬被溶解,但存在少量明礬未被溶解,溶解前后實(shí)驗(yàn)對(duì)比(圖2(a)與圖4(a))證實(shí)明礬為炮制加工過(guò)程加入的.

      上述PXRD實(shí)驗(yàn)比較分析再次證明全蝎中的大量鹽分NaCl是炮制過(guò)程中帶入的,而Na2SO4為全蝎自身含有的無(wú)機(jī)鹽.

      2.1.3 全蝎中氯化鈉、明礬和SiO2含量的PXRD檢測(cè)

      表3給出了10種市售全蝎中鹽分、明礬以及SiO2的含量.通過(guò)數(shù)據(jù)分析:(1)S2、S8、S9、S10樣品中的NaCl含量(9.47~12.23 g/100 g)高于其余樣品中NaCl含量(2.37~7.50 g/100 g),S2、S8、S9、S10為鹽制全蝎.全蝎藥用含鹽量應(yīng)不超過(guò)20%,S1~S10均滿足要求,但《中國(guó)藥典》并未給出全蝎炮制時(shí)使用NaCl的用量[15].(2)S1~S10樣品中明礬含量為3.73~11.27 g/100 g,其中S1和S6樣品明礬含量較高(10.60~11.27 g/100 g).文獻(xiàn)報(bào)道加入適量的明礬有助于凝固蛋白、燥濕收斂、防腐抑菌,保護(hù)全蝎毒性蛋白成分,并防止其變質(zhì),但如果后續(xù)工序未沖洗干凈,容易導(dǎo)致鋁殘留在全蝎中,長(zhǎng)期服用容易引起多種疾病[10].

      表3 由PXRD法確定的全蝎中氯化鈉、明礬和沙含量(×10-2)

      一些不良加工廠家主要利用炮制加工過(guò)程中增重的方法,例如:外加礬煮、鹽水泡、腹內(nèi)加填空物等,更有甚者在加工前,將活蝎斷食,幾天后加雞蛋、淀粉、水泥、鐵粉等混合飼料喂飽,然后加工成全蝎,這樣加工成的產(chǎn)品比常規(guī)加工的重量約重30%~50%[8].

      2.2 全蝎粉末的ESR譜圖分析

      2.2.1 全蝎中過(guò)渡金屬離子鑒定

      全蝎體內(nèi)含有14種微量元素,其中,Cu、Mn、Fe、Zn含量較高,Cu、Mn、Ca、Fe等是人體必需的有益微量元素.這些微量元素結(jié)合成有機(jī)成分或作為離子游離于生物體內(nèi),PXRD技術(shù)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè).利用電子自旋共振(ESR)技術(shù)鑒定全蝎體內(nèi)的微量元素.

      圖5為10種全蝎的ESR譜.

      H/G

      該圖顯示10種全蝎樣品在H=1 500 G和H=3 500 G磁場(chǎng)附近有明顯信號(hào),經(jīng)計(jì)算,H=1 500 G磁場(chǎng)附近信號(hào)g=4.3,為Fe3+[16-17],H=3 500 G磁場(chǎng)附近信號(hào)較為復(fù)雜需進(jìn)一步分析.觀察圖5發(fā)現(xiàn)S2、S8、S9、S10樣品在H=3 500 G磁場(chǎng)附近疑似存在Mn2+(3d5)的特征六線信號(hào)[13],圖6可以清晰看到這幾個(gè)樣品中確實(shí)存在Mn2+的特征六線信號(hào),并且還存在其他離子信號(hào),但由于信號(hào)較為復(fù)雜,無(wú)法辨別出其他離子信號(hào)的種類.

      H/G

      S1、S3、S4、S5、S6、S7樣品未檢測(cè)出Mn2+信號(hào),結(jié)合圖1的PXRD結(jié)果推斷,由于S2、S8、S9、S10樣品中的NaCl含量較高,Mn2+含量隨之增大,因而進(jìn)行ESR測(cè)試時(shí)檢測(cè)到了較強(qiáng)的Mn2+信號(hào),而其余樣品中的NaCl含量較低,Mn2+含量較少信號(hào)太弱,在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下無(wú)法被檢測(cè)到.

      2.2.2 全蝎中過(guò)渡金屬離子來(lái)源分析

      圖7為10種炮制全蝎的ESR譜.

      H/G

      圖8為炮制全蝎S2~S6的ESR譜.

      將溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎研磨成細(xì)粉進(jìn)行ESR測(cè)試,發(fā)現(xiàn)所有樣品的譜圖形狀一致,信號(hào)出現(xiàn)位置相近.圖8給出了以S2、S3、S5、S6樣品為代表的ESR譜,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào):(1)H=1 500 G磁場(chǎng)附近g=4.3弱的寬Fe3+信號(hào)[16]仍然存在,說(shuō)明該信號(hào)起源于全蝎自身;(2)另一個(gè)g=2.17對(duì)稱信號(hào)起源于Cu2+(3d9)的ESR響應(yīng)[18].結(jié)合圖1和圖7可以看出S2、S8、S9、S10樣品經(jīng)過(guò)溶解實(shí)驗(yàn)后Mn2+的六線信號(hào)完全消失,而PXRD測(cè)試證實(shí)浸泡后NaCl被除去,這也證實(shí)了Mn2+的ESR信號(hào)與NaCl含量有關(guān)的猜測(cè).

      H/G

      2.2.3 全蝎中過(guò)渡金屬M(fèi)n2+檢測(cè)驗(yàn)證

      為驗(yàn)證Mn2+來(lái)源于食鹽,將S2和S3泡制后的水溶液進(jìn)行ICP測(cè)試,分析得出,S2和S3泡制后的水溶液中Mn離子濃度達(dá)到了ppb級(jí),分別為55.60 ppb和26.27 ppb.圖9給出兩種不同規(guī)格食鹽的ESR譜,觀察發(fā)現(xiàn)R5、R6和R7在H=3 500 G磁場(chǎng)附近存在Mn2+(3d5)特征六線信號(hào).由此可以得出結(jié)論:(1)食鹽中存在Mn2+;(2)全蝎中的Mn2+來(lái)源于食鹽,而非全蝎自身;(3)純度為分析純級(jí)別的NaCl雖然純度較高,但其雜質(zhì)中存在Mn2+.

      H/G

      3 結(jié) 論

      PXRD技術(shù)對(duì)隨機(jī)采購(gòu)的10種市售全蝎進(jìn)行質(zhì)量控制初探,以氯化鈉(R1)在2θ=31.72°、明礬(R2)在2θ=20.50°和石英(R4)在2θ=26.64°附近的PXRD主峰強(qiáng)度確定全蝎中這些物質(zhì)的含量.PXRD實(shí)驗(yàn)證實(shí):S2、S8、S9、S10樣品為鹽制全蝎,含鹽量較高(9.47~12.23 g/100 g);10種全蝎中含沙量為2.38~4.40 g/100 g;所有全蝎均添加明礬(3.73~11.27 g/100 g),其中S1和S5樣品明礬含量較高(10.6~11.27 g/100 g);溶解實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)全蝎體內(nèi)沒(méi)有任何種類的有機(jī)分子晶體,僅存在非晶態(tài)的有機(jī)成分;全蝎被鑒定為具有菱方結(jié)構(gòu)的Mg0.1Ca0.9CO3無(wú)機(jī)物;無(wú)機(jī)鹽Na2SO4是全蝎自身含有的,而NaCl是炮制過(guò)程中帶入的.此外,為探索全蝎體內(nèi)微量元素與無(wú)機(jī)鹽的關(guān)聯(lián),采用電子自旋共振(ESR)和電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP)技術(shù)進(jìn)行探索,ESR和ICP技術(shù)證實(shí):全蝎中的Mn2+來(lái)源于食鹽,而非全蝎自身;溶解實(shí)驗(yàn)后烘干的全蝎存在Fe3+和Cu2+,即Fe3+和Cu2+是全蝎體自身含有的金屬離子.

      粉末X射線衍射(PXRD)能夠?qū)θ|(zhì)量安全進(jìn)行控制,電子自旋共振(ESR)技術(shù)可檢測(cè)出全蝎中的微量元素和過(guò)渡金屬元素.可見(jiàn),PXRD和ESR技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用,可建立一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù),該技術(shù)可完善對(duì)動(dòng)物類中藥材的研究.

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