一种中药材元素指纹图谱的构建方法及其在鉴别中药材产地中的应用与流程

本发明属分析测试技术领域，更具体地说，本发明涉及中药材元素指纹图谱的构建方法，以及基于中药材元素指纹图谱的中药材产地鉴别方法。

背景技术：

中药是中华民族的瑰宝，其中中药材是中华医学的重要组成部分。不同产地的中药材可能在品质、药效、主成分含量上存在区别导致其价格也存在差别，所以有些不法商人由于利益的驱使，销售假冒优质产地的中药材。中药材原产地鉴别对保护消费者和生产者的权益以及规范中药材市场具有积极意义。

中药材在生长过程中会从土壤及其生长环境中吸收元素，使得不同产地的中药材采收后其元素的含量、种类也会有所不同，而且中药材中元素的富集程度与其生长土壤中的元素存在相关性。因此，可以利用中药材中的元素来鉴别中药材的产地。

目前，基于食品中元素进行产地溯源的分析技术大多与多元统计学方法相结合，主要是通过测定几种或是十几种元素，再利用方差分析、聚类分析和判别分析等数理统计方法筛选出有效指标进而建立判别模型。元素指纹技术法在食品原产地鉴别中应用研究较多，但多数存在分析元素种类少及有效判别指标元素存在差异等问题，不能真正反映食品的元素信息。色谱指纹图谱由于能够整体性的反映多指标的综合情况，被广泛应用于中药质量控制及真伪鉴别等方面，但是色谱指纹图谱仅限于有机成分分析，建立元素指纹图谱用于中药材产地的溯源在国内外还未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服现有中药材市场中存在假冒原产地中药材现象较为严重，且难以鉴别的问题，提供一种新的中药材元素指纹图谱的构建方法，以及基于中药材元素指纹图谱的中药材产地鉴别方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种中药材元素指纹图谱的构建方法，其是收集不同产地的中药材样品并粉碎，然后利用微波消解仪消解消化中药材，再采用电感耦合等离子体质谱测定中药材样品中的元素含量，通过数据转换为图形的方法，将元素组成转化为横坐标表示元素种类，纵坐标表示元素含量的中药材元素指纹图谱。

具体地，本发明中药材元素指纹图谱的构建方法包括如下步骤：

(1)以目标产地的中药材和待鉴定产地的中药材作为中药材样品，且目标产地的中药材数量为10种以上；

(2)将中药材样品中加入硝酸、静置反应0.5h，然后加入过氧化氢，用微波消解仪进行消解，分为4个阶段：①温度为120℃，保持2min，压力上限为30atm；②温度为150℃，保持3min，压力上限为35atm；③温度为180℃，保持2min，压力上限为35atm；④温度为210℃，保持15min，压力上限为40atm；

(3)电感耦合等离子体质谱分别测定中药材样品：高频发生器输出功率为1.55kw，等离子体气为15.0l/min，辅助气为0.8l/min，载气为0.8l/min，补偿气为0.35l/min，碰撞气为氦气，4.3ml/min，采样深度为10mm，自动进样，溶液提升速率为0.4rps，溶液提升时间为30s，溶液稳定速率为0.1rps，溶液稳定时间为30s，内标元素通过t型三通管在线引入，雾化器：micromist；雾化室温度：2℃；所述等离子气、辅助气、载气和补偿气均为氩气；

(4)通过数据转换为图形的方法将步骤(3)测定的元素数据转换为元素指纹图谱：首先将元素按原子序数大小排序，然后将元素含量大于8000mg/kg的元素缩小10000倍，元素含量为1000～8000mg/kg的元素缩小1000倍，元素含量为20～1000mg/kg的元素缩小10倍，再绘制表示元素种类跟其含量大小的关系曲线，曲线采用平滑线连接，分别得到目标产地的中药材元素指纹图谱和待鉴定产地的中药材元素指纹图谱。

作为本发明中药材元素指纹图谱的构建方法的一种优选技术方案，所述元素包括49种：li、be、b、na、mg、al、p、k、ca、sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、ga、as、se、rb、sr、y、mo、cd、sn、sb、ba、cs、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、hg、tl、pb、bi。

作为本发明中药材元素指纹图谱的构建方法的一种优选技术方案，步骤(4)中，当元素含量太低时，绘制所述关系曲线时采用局部放大图表示。

为了实现本发明上述发明目的，本发明还提供了一种中药材元素指纹图谱，其是通过上述中药材元素指纹图谱的构建方法构建得到。

本发明中药材元素指纹图谱可用于鉴别中药材产地。

为了实现本发明上述发明目的，本发明还提供了一种基于所述中药材元素指纹图谱鉴别中药材产地的方法，其包括如下步骤：

(a)将目标产地至少十种中药材样品中元素含量的平均值作为元素的标准含量，构建目标产地的中药材元素标准指纹图谱；

(b)构建目标产地中药材的中药材元素指纹图谱；

(c)构建待鉴定产地的中药材元素指纹图谱；

(d)使用spss软件，采用相关分析中的距离分析，根据夹角余弦公式计算步骤(b)所得目标产地中药材的中药材元素指纹图谱与步骤(a)所得目标产地的中药材元素标准指纹图谱的相似度，得到该目标产地元素标准指纹图谱的相似度范围；

(e)使用spss软件，采用相关分析中的距离分析，根据夹角余弦公式计算步骤(c)所得待鉴定产地的中药材元素指纹图谱与步骤(a)所得目标产地的中药材元素标准指纹图谱的相似度，如果所得相似度大于步骤(d)所得相似度范围的最低值，则判定待鉴定产地的中药材为目标产地中药材；如果所得相似度小于步骤(d)所得相似度范围的最低值，则判定待鉴定产地的中药材不是目标产地中药材。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明构建方法首次将中药材元素组成转化为元素指纹图谱，用于鉴定中药材产地中，可更直观地反映元素差别信息，提高原产地鉴定的准确性，具有准确、方便、快捷的优点，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1所得吉林产西洋参的元素标准指纹图谱。

图2为实施例2所得加拿大产西洋参的元素指纹图谱。

图3为实施例3所得美国产西洋参的元素指纹图谱。

图4为实施例4所得吉林产西洋参a的元素指纹图谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的参数、比例等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。

实施例1

(1)构建中药材元素指纹图谱

a、收集10个代表性的吉林产西洋参样品。

b、微波消解消化中药材：准确称取0.5g粉碎均匀的中药材样品置于微波消解罐中，加入5ml硝酸，静置反应0.5h，之后加入1ml过氧化氢，盖好消解罐后放入微波消解仪中进行消解，消解完成后，在电热板上赶出黄色的烟雾，用超纯水定容至25ml，同时做流程空白实验；其中，微波消解的条件分为以下4个阶段：①温度为120℃，保持2min，压力上限为30atm；②温度为150℃，保持3min，压力上限为35atm；③温度为180℃，保持2min，压力上限为35atm；④温度为210℃，保持15min，压力上限为40atm。

c、电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)测试的49种元素指：li、be、b、na、mg、al、p、k、ca、sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、ga、as、se、rb、sr、y、mo、cd、sn、sb、ba、cs、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、hg、tl、pb、bi。

根据元素含量的高低配置合适的标准溶液。

标准溶液：由sc，hg，se，p，rb、cs、mo单元素标准溶液(1000ug/ml，国家钢铁材料测试中心)；ca、k、mg、na多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；al、as、b、ba、be、bi、cd、co、cr、cu、fe、ga、li、mg、mn、ni、pb、sb、sn、sr、ti、tl、v、zn多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、y多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)分别用2％hno3逐级稀释而成。

内标溶液：由ge单元素标准溶液(1000ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；rh，in，re单元素标准溶液(1000ug/ml，国家钢铁材料测试中心)混合稀释而成。

电感耦合等离子体质谱(icp-ms)的测试条件指：高频发生器输出功率为1.55kw，等离子体气(氩气)为15.0l/min，辅助气(氩气)为0.8l/min，载气(氩气)为0.8l/min，补偿气(氩气)为0.35l/min，碰撞气为氦气，4.3ml/min(he模式)，采样深度为10mm，自动进样，溶液提升速率为0.4rps，溶液提升时间为30s，溶液稳定速率为0.1rps，溶液稳定时间为30s，内标元素通过t型三通管在线引入，雾化器：micromist；雾化室温度：2℃。

d、通过数据转换为图形的方式将元素数据转换为元素指纹图谱，具体过程包括：①将元素按原子序数大小排序；②将元素含量大于8000mg/kg的元素(k)缩小10000倍，元素含量为1000～8000mg/kg的元素(mg、p、ca)缩小1000倍，元素含量为20～1000mg/kg的元素(na、al、mn、fe、ba、sr)缩小10倍；③使用excel软件绘制表示元素种类跟其含量大小的关系曲线，曲线采用平滑线连接；④含量太低的元素，采用局部放大图表示。

(2)基于元素指纹图谱鉴别中药材产地

将10个吉林产西洋参样品中元素含量的平均值作为元素的标准含量，按照上述中药材元素指纹图谱的构建方法构建吉林产西洋参的元素标准指纹图谱(见图1)，使用spss软件采用相关分析中的距离分析，根据夹角余弦公式计算吉林产西洋参元素指纹图谱与元素标准指纹图谱的相似度(请见表1)，得到该吉林产西洋参元素标准指纹图谱的相似度范围在0.9368～0.9928之间。

表1各吉林产西洋参样品与其平均值的相似度

实施例2加拿大产西洋参的产地鉴别

(1)构建中药材矿物元素指纹图谱

a、收集加拿大产西洋参样品。

b、微波消解消化中药材：准确称取0.5g粉碎均匀的中药材样品置于微波消解罐中，加入5ml硝酸，静置反应0.5h，之后加入1ml过氧化氢，盖好消解罐后放入微波消解仪中进行消解，消解完成后，在电热板上赶出黄色的烟雾，用超纯水定容至25ml，同时做流程空白实验；其中，微波消解的条件分为以下4个阶段：①温度为120℃，保持2min，压力上限为30atm；②温度为150℃，保持3min，压力上限为35atm；③温度为180℃，保持2min，压力上限为35atm；④温度为210℃，保持15min，压力上限为40atm。

c、电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)测试的49种元素指：li、be、b、na、mg、al、p、k、ca、sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、ga、as、se、rb、sr、y、mo、cd、sn、sb、ba、cs、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、hg、tl、pb、bi。

根据元素含量的高低配置合适的标准溶液。

标准溶液：由sc，hg，se，p，rb、cs、mo单元素标准溶液(1000ug/ml，国家钢铁材料测试中心)；ca、k、mg、na多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；al、as、b、ba、be、bi、cd、co、cr、cu、fe、ga、li、mg、mn、ni、pb、sb、sn、sr、ti、tl、v、zn多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、y多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)分别用2％hno3逐级稀释而成。

内标溶液：由ge单元素标准溶液(1000ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；rh，in，re单元素标准溶液(1000ug/ml，国家钢铁材料测试中心)混合稀释而成。

电感耦合等离子体质谱(icp-ms)的测试条件指：高频发生器输出功率为1.55kw，等离子体气(氩气)为15.0l/min，辅助气(氩气)为0.8l/min，载气(氩气)为0.8l/min，补偿气(氩气)为0.35l/min，碰撞气为氦气，4.3ml/min(he模式)，采样深度为10mm，自动进样，溶液提升速率为0.4rps，溶液提升时间为30s，溶液稳定速率为0.1rps，溶液稳定时间为30s，内标元素通过t型三通管在线引入，雾化器：micromist；雾化室温度：2℃。

d、通过数据转换为图形的方式将元素数据转换为元素指纹图谱(见图2)，具体过程包括：①将元素按原子序数大小排序；②将元素含量大于8000mg/kg的元素(k)缩小10000倍，元素含量为1000～8000mg/kg的元素(mg、p、ca)缩小1000倍，元素含量为20～1000mg/kg的元素(na、al、mn、fe、ba、sr)缩小10倍；③使用excel软件绘制表示元素种类跟其含量大小的关系曲线，曲线采用平滑线连接；④含量太低的元素，采用局部放大图表示。

(2)基于元素指纹图谱鉴别中药材产地

使用spss软件采用相关分析中的距离分析，根据夹角余弦公式计算加拿大产西洋参元素指纹图谱与吉林产西洋参元素标准指纹图谱的相似度为0.7951，低于吉林产西洋参元素标准指纹图谱的相似度阈值0.9368，判定为非吉林产西洋参，与实际情况一致。

实施例3美国产西洋参的产地鉴别

(1)构建中药材矿物元素指纹图谱

a、收集美国产西洋参样品。

b、微波消解消化中药材：准确称取0.5g粉碎均匀的中药材样品置于微波消解罐中，加入5ml硝酸，静置反应0.5h，之后加入1ml过氧化氢，盖好消解罐后放入微波消解仪中进行消解，消解完成后，在电热板上赶出黄色的烟雾，用超纯水定容至25ml，同时做流程空白实验；其中，微波消解的条件分为以下4个阶段：①温度为120℃，保持2min，压力上限为30atm；②温度为150℃，保持3min，压力上限为35atm；③温度为180℃，保持2min，压力上限为35atm；④温度为210℃，保持15min，压力上限为40atm。

c、电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)测试的49种元素指：li、be、b、na、mg、al、p、k、ca、sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、ga、as、se、rb、sr、y、mo、cd、sn、sb、ba、cs、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、hg、tl、pb、bi。

根据元素含量的高低配置合适的标准溶液。

标准溶液：由sc，hg，se，p，rb、cs、mo单元素标准溶液(1000ug/ml，国家钢铁材料测试中心)；ca、k、mg、na多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；al、as、b、ba、be、bi、cd、co、cr、cu、fe、ga、li、mg、mn、ni、pb、sb、sn、sr、ti、tl、v、zn多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、y多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)分别用2％hno3逐级稀释而成。

内标溶液：由ge单元素标准溶液(1000ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；rh，in，re单元素标准溶液(1000ug/ml，国家钢铁材料测试中心)混合稀释而成。

电感耦合等离子体质谱(icp-ms)的测试条件指：高频发生器输出功率为1.55kw，等离子体气(氩气)为15.0l/min，辅助气(氩气)为0.8l/min，载气(氩气)为0.8l/min，补偿气(氩气)为0.35l/min，碰撞气为氦气，4.3ml/min(he模式)，采样深度为10mm，自动进样，溶液提升速率为0.4rps，溶液提升时间为30s，溶液稳定速率为0.1rps，溶液稳定时间为30s，内标元素通过t型三通管在线引入，雾化器：micromist；雾化室温度：2℃。

d、通过数据转换为图形的方式将元素数据转换为元素指纹图谱(见图3)，具体过程包括：①将元素按原子序数大小排序；②将元素含量大于8000mg/kg的元素(k)缩小10000倍，元素含量为1000～8000mg/kg的元素(mg、p、ca)缩小1000倍，元素含量为20～1000mg/kg的元素(na、al、mn、fe、ba、sr)缩小10倍；③使用excel软件绘制表示元素种类跟其含量大小的关系曲线，曲线采用平滑线连接；④含量太低的元素，采用局部放大图表示。

(2)基于元素指纹图谱鉴别中药材产地

使用spss软件采用相关分析中的距离分析，根据夹角余弦公式计算美国产西洋参元素指纹图谱与吉林产西洋参元素标准指纹图谱的相似度为0.8156，低于吉林产西洋参元素标准指纹图谱的相似度阈值0.9368，判定为非吉林产西洋参，与实际情况一致。

实施例4吉林产西洋参a的产地鉴别

(1)构建中药材矿物元素指纹图谱

a、收集吉林产西洋参a样品。

b、微波消解消化中药材：准确称取0.5g粉碎均匀的中药材样品置于微波消解罐中，加入5ml硝酸，静置反应0.5h，之后加入1ml过氧化氢，盖好消解罐后放入微波消解仪中进行消解，消解完成后，在电热板上赶出黄色的烟雾，用超纯水定容至25ml，同时做流程空白实验；其中，微波消解的条件分为以下4个阶段：①温度为120℃，保持2min，压力上限为30atm；②温度为150℃，保持3min，压力上限为35atm；③温度为180℃，保持2min，压力上限为35atm；④温度为210℃，保持15min，压力上限为40atm。

c、电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)测试的49种元素指：li、be、b、na、mg、al、p、k、ca、sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、ga、as、se、rb、sr、y、mo、cd、sn、sb、ba、cs、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、hg、tl、pb、bi。

根据元素含量的高低配置合适的标准溶液。

标准溶液：由sc，hg，se，p，rb、cs、mo单元素标准溶液(1000ug/ml，国家钢铁材料测试中心)；ca、k、mg、na多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；al、as、b、ba、be、bi、cd、co、cr、cu、fe、ga、li、mg、mn、ni、pb、sb、sn、sr、ti、tl、v、zn多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、y多元素标准溶液(100ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)分别用2％hno3逐级稀释而成。

内标溶液：由ge单元素标准溶液(1000ug/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；rh，in，re单元素标准溶液(1000ug/ml，国家钢铁材料测试中心)混合稀释而成。

电感耦合等离子体质谱(icp-ms)的测试条件指：高频发生器输出功率为1.55kw，等离子体气(氩气)为15.0l/min，辅助气(氩气)为0.8l/min，载气(氩气)为0.8l/min，补偿气(氩气)为0.35l/min，碰撞气为氦气，4.3ml/min(he模式)，采样深度为10mm，自动进样，溶液提升速率为0.4rps，溶液提升时间为30s，溶液稳定速率为0.1rps，溶液稳定时间为30s，内标元素通过t型三通管在线引入，雾化器：micromist；雾化室温度：2℃。

d、通过数据转换为图形的方式将元素数据转换为元素指纹图谱(见图3)，具体过程包括：①将元素按原子序数大小排序；②将元素含量大于8000mg/kg的元素(k)缩小10000倍，元素含量为1000～8000mg/kg的元素(mg、p、ca)缩小1000倍，元素含量为20～1000mg/kg的元素(na、al、mn、fe、ba、sr)缩小10倍；③使用excel软件绘制表示元素种类跟其含量大小的关系曲线，曲线采用平滑线连接；④含量太低的元素，采用局部放大图表示。

(2)基于元素指纹图谱鉴别中药材产地

使用spss软件采用相关分析中的距离分析，根据夹角余弦公式计算吉林产西洋参a元素指纹图谱与吉林产西洋参元素标准指纹图谱的相似度为0.9976，高于吉林产西洋参元素标准指纹图谱的相似度阈值0.9368，判定为吉林产西洋参，与实际情况一致。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。