基于ICP—MS的早熟温州蜜柑矿质元素的主成分和聚类分析

材料与方法

1.1 试验材料

供试温州蜜柑品种有日南1号、旭冠（日罐2# -2）、大分1号（河冲土）、大分1号（山地）、畸久堡、山下红A系-1、山下红A系-2、蜜 冠，均采自湘南、湘北和湘中西部的柑橘主产区，采摘时间为9月下旬或10月中旬，果实成熟度为九成熟。

主要试剂有：硝酸、高氯酸（优级纯），超纯水（≥18.2 MΩ·cm）；Ca、Cr、Co、Cu、Fe、K、Mg、Ni、Na、Se、Zn等多元素混合标准溶液（国家标准物质研究中心，SGB04-1767-2004）； 7Li、89Y、59Co、140Ce、205Ti调谐溶液（Agilent，Part # 5185-5959）；6Li，45Sc，72Ge，115In，209Bi，175Lu，103Rh内标溶液（Agilent，Part # 5188-6525）。

主要仪器与设备有：Agilent 7700x型电感耦合等离子体质谱仪（美国Agilent公司），Milli-Q超纯水仪（美国 Millipore公司），JRY-D350/450-A型石墨电热板（中国湖南金蓉园仪器设备有限公司），ME-104型电子天平（ 美国梅特勒-托利多公司）。

1.2 样品前处理方法

1.2.1 样品的制备 将所用玻璃器皿先置于20%的硝酸溶液中浸泡12 h以上，自来水冲洗干净后，再用超纯水清洗，凉干备用。供试样品去皮，制成均浆于聚乙烯塑料样品瓶中保存备用。

1.2.2 样品消解 准确称取2.000 g柑橘样品各3份，于100 mL玻璃三角瓶中；加入20 mL混合酸，混合酸的配制为浓硝酸与高氯酸（V︰V=9︰1），并在瓶口加盖表面皿，浸泡过夜，次日于石墨电热板上先150℃加热消解，等棕黄色的烟冒尽后，升温到200℃继续加热消解至澄清透明近干为止，取下放凉后，用超纯水转移至50 mL容量瓶中，并定容至刻度，同时制备试剂空白样。

1.3 矿质元素定量分析方法

1.3.1 测量条件的优化 为了提高测量结果的准确性，当雾化室温度达到2.0℃并稳定15 min后，对仪器进行调谐，优化射频功率、载气流速、采样深度、积分时间等仪器参数，使仪器达到理想的灵敏度。采用在线方式加入内标元素，并以虚拟内标（VIS，Virtual Internal Standard） 进行修正来克服仪器信号的漂移，从而提高测量结果的准确性[2]。优化后的仪器工作条件如下：射频功率1550 W，载气流速1.10 L/min，等离子体气流速15.0 L/min，辅助气流速1.0 L/min，雾化室温度2.0℃，采样锥孔径1.0 mm，采样深度7.0 mm，扫描次数3次，数据采集模式为时间分辨模式。

1.3.2 半定量分析 按照1.3.1仪器参数建立半定量方法，选择扫描全谱范围内所有元素，六点化采集，积分时间均为0.1 s，以100 g/L的调谐溶液的测定值进行半定量因子校正，得出样品溶液半定量分析结果，根据分析结果确定特测样品中全定量分析的矿质元素种类。

1.3.3 定量分析 特仪器点火稳定后，按照1.3.1仪器参数，引入在线内标，等内标信号稳定后，分别将标准系列，试剂空白、样品溶液通过蠕动泵与内标溶液同速引入仪器。在仪器化学工作站中分析数据，绘计标准曲线，计算回归方程。工作站自动得出样品溶液的特测元素浓度，8个温州蜜柑样品8种不同矿质元素的含量测定结果见表1。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 20. 0软件对数据进行整理，将原始数据标准化处理[3]后进行主成分和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同柑橘样品中矿质元素的含量

从表1中可以看出，温州蜜柑中矿质元素含量最高的是K、Mg、Ca，其次为Na和Fe，硒的含量最低。

2.2 不同柑橘样品矿质元素的指纹图谱

根据全定量结果，按其原子序数顺序制作矿质元素含量分布曲线，如图1。从图1中可以看出，不同品种的早熟温州蜜柑样品个矿质元素的含量具有相似的峰形，但由于品种间及同一品种不同生态环境的差异，各品种矿质元素含量有较明显的差异。这种共性可作为不同柑橘品种以及同一品种在不同生态环境的识别标志，为柑橘品种资源鉴定提供依据。

2.3 主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），

又叫主分量分析，就是通过降维的手段，把多个指标转化为少数几个综合指标，用较少的指标来反映原始指标的绝大部分信息或因素之间的关系[4]。进行主成分分析时，要求原始变量之间有较强的相关性，即要先对原始变量作相关性分析[5]。

对表1中的8个变量作相关性分析后得知，相关系数的绝对值大于0.30的达到50%以上，表明这些变量适合进行主成分分析。从表2中可以看出，总方差的83.683%的贡献来自前3个因子，即一个3因子模型解释了试验数据的83.683%。由因子载荷矩阵可知，第一个主因子与K、Mg含量高度负相关，与Ca含量高度正相关；第二个主因子与Na、Se含量高度正相关，因为总方差的68.047%的贡献来自第1个和第2个因子，所以可以认为K、Mg、Ca、Na、Se是早熟温州蜜柑的特征矿质元素。

利用SPSS软件因子分析模块中的未旋转因子得分值，一步算出主成分得分值[6]。8个早熟温州蜜柑的主成分得分及排名见表3。由表3可知，排名前三位的分别是山下红A系-2、蜜冠、山下红A系-1。

2.4 聚类分析

采用The Ward系统聚类法对8个早熟温州蜜柑中的8种矿质元素含量数据进行聚类分析。分析前先将数据进行标准化转换[7]，聚类距离为欧几里得平方和距离[8]。

由图2可知，8个早熟温州蜜柑样品可分为2大类，其中山下红A系-1、蜜冠、山下红A系-2为一类；日南1号、旭冠（日罐2# -2）、大分1号（河冲土）、大分1号（山地）、畸久堡5个样品为一类，这与温州蜜柑的主成分排名及得分十分吻合。这表明，温州蜜柑在不同品种之间存在较大的遗传差异，亲缘关系相近的品种其特征元素含量较为相近，品质相当；但是，在相同品种之间也存在地域性差异。

3 结 论

研究建立了柑橘矿质元素的全定量分析方法，采用ICP-MS测定了温州蜜柑中8种矿质元素的含量。其中，在对供试样品进行矿质元素定量分析前，先采用半定量分析法对部分柑橘样品中的矿质元素进行半定量分析测定，然后根据半定量测定结果，再结合国内外柑橘的食味品质与矿质元素种类的有关文献报道[9-10]，择优选择对K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu、Zn、Se等8种矿质元素进行全定量分析。结果表明，温州蜜柑中含有丰富的人体必需微量元素，符合日常饮食微量元素摄入量的要求[11]，可作为补充人体所需矿质元素的食物来源。

主成分分析结果表明，Mg、K、Ca、Na、Se是早熟温州蜜柑的特征矿质元素，以早熟温州蜜柑的矿质元素含量为指标，采用聚类分析方法对其不同品种样品进行分类，可将亲缘关系相近的品种进行合理的分类，供试的8种早熟温州蜜柑样品可分为2大类，其中山下红A系-1、蜜冠、山下红A系-2为一类；日南1号、旭冠（日罐2# -2）、大分1号（河冲土）、大分1号（山地）、畸久堡为一类。这一结果为早熟温州蜜柑资源的优株筛选及品质鉴定提供了一定的依据。

参考文献：

[1] 单 杨. 现代柑橘工业[M]. 北京：化学工业出版社，2013. 9-11.

[2] 赵洪芝，孟宪生，陈秋生，等. 用ICP-MS对不同厂家六昧地黄丸（胶囊）进行元素分析[J]. 药物分析杂志，2008，28（11）：1804-1805.

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[5] 苟君波，胡洪利，吴 琦，等. 荞麦中金属元素的主成分和聚类分析[J]. 食品科学，2011，32（16）：320.

[6] 林海明. 如何用SPSS软件一步算出主成分得分值[J]. 统计与信息论坛，2007，22（5）：15-17.

[7] Ward J H. Hierarchical grouping to optimise an objective function[J]. Journal of the American Statistical Association，1963，58：236-244.

[8] 潘学军，张文娥，李琴琴，等. 核桃感官和营养品质的主成分及聚类分析[J]. 食品科学，2013，34（8）：195-196.

[9] 诸洪达，王继先，陈如松，等. 中国人食品中元素浓度和膳食摄入量研究[J]. 中华放射医学与防护杂志，2000，20（6）：378-384.

[10] 王芳权. 柑橘食味品质与矿物质元素的分析[J]. 浙江树人大学学报，2002，2（3）：69-70.

[11] 陈锡恩. 金属元素与人体健康[J]. 辽宁教育学院学报，1997，14（5）：45-48.

（责任编辑：成 平）

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