基于ICP-MS元素指纹图谱与化学计量学分析的淡水珍珠与海水珍珠鉴别

《Journal of Food Composition and Analysis》：Discrimination of pearl types using ICP-MS combined with chemometric analysis

研究人员通过质谱法（mass spectrometry, MS）建立元素指纹图谱，可快速识别珍珠物种。构建了结合聚类分析（cluster analysis）与主成分分析（principal component analysis, PCA）的化学计量学模型。判别分析（discriminant analysis, DA）对珍珠类型进行分类，准确率为80–100 %。揭示了淡水珍珠（freshwater pearls）与海水珍珠（seawater pearls）之间的关键元素差异。该方法支持药用珍珠质量控制（medicinal pearl quality control）中的来源认证。

研究背景：珍珠是天然可食生物矿物，具有独特光泽、多样形态，长期用于装饰、化妆品和传统中药（traditional Chinese medicine, TCM）；珍珠粉因含生物可利用钙及Mn、Cr、Ni、Co等必需微量元素，常被纳入针对高血压、高脂血症等急慢性状况的治疗性膳食。淡水珍珠与海水珍珠分布广、商业重要，二者生态生长环境不同，元素组成差异可影响外观、药用性质和市场价值。珍珠元素谱主要受周边水环境制约，淡水和海水系统在地球化学与生物学特征上差异明显；双壳类壳元素指纹可反映周围水地球化学特征并用于地理溯源，因此区分淡海水珍珠对药品、化妆品和功能食品质量控制具有实际意义。现有问题在于消费者缺乏鉴别能力，标准化检测必要；传统方法如差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）、热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis absorption spectroscopy）、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）、能量色散X射线荧光（energy-dispersive X-ray fluorescence, EDXRF）和光学相干断层扫描等存在测量不确定度高、特异性有限、分析时间长、样品制备复杂等限制；X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）和UV-Vis对某些处理珍珠与天然珍珠区分不足；高光谱近红外（hyperspectral imaging near-infrared, HSI-NIR）结合化学计量学虽可区分海水养殖、淡水养殖和仿制珍珠，但主要依赖光谱模式识别，不能提供物种级溯源和地球化学富集机制解释所需的定量多元素组成信息。电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）灵敏度高、通量快、可同时定量多痕量和超痕量元素，结合PCA、层次聚类分析（hierarchical cluster analysis, HCA）等化学计量学方法可从复杂元素数据中提取模式，已用于食品鉴别、草药溯源和宝石产地判定。因此，Gege Yang等开展研究，提出基于ICP-MS元素谱的化学计量学策略区分淡水与海水珍珠，定量37种元素，先用HCA聚类揭示批次间定性差异，再用PCA识别最具信息量的变量，并以已知来源验证样本评估分类模型。研究得出外部验证总体准确率92.0 %、留一法交叉验证（leave-one-out cross-validation, LOOCV）准确率100 %，筛选出Y、Nd、Ga、Rb、Eu、Mn、Pd、W等关键判别元素，揭示淡水珍珠Mn、Cr、Se较高而海水珍珠Sr、Sn较高的元素差异。其意义在于为食品、药品和化妆品中可食珍珠产品的质量控制与来源认证提供可靠、高效的分析方法，并为中药和保健食品矿物原料标准化与溯源提供分析框架。

关键技术方法（不超过250字）：作者采集7批淡水珍珠（S1–S7，华佗国药有限公司提供，养殖于安徽、浙江、江苏，宿主为Hyriopsis cumingii）和9批海水珍珠（S8–S16，来自北海Delme Jewelry Store、湛江Zhenzhi South Enterprise Store、Zhujia Brand Store、Sonimansi Pearl Manufacturer及Fuyujia Jewelry Co.LTD，养殖于Pinctada fucata martensii）；另设25个已知来源外部验证样本（10个淡水、15个海水，来自相同养殖区域的不同生产批次）。采用ICP-MS测定37种无机元素，以Ge和In内标在线校正；用HCA（Ward法、平方欧氏距离）、PCA（SIMCA 14.1）、DA（SPSS 26.0）及LOOCV建模验证；以认证参考物质（certified reference material, CRM）GBW10047胡萝卜粉验证方法准确度。

研究结果：3.1 无机元素测定：通过ICP-MS测定7批淡水珍珠和9批海水珍珠中37种无机元素，包括Mn、Cr、Ni、Co，As、Cd、Cu、Pb、Hg，Se、V、Sr，⁷⁷Se、⁸²Se及La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等稀土元素，含量以μg·g^?1计。结果显示多数淡水珍珠Mn、Cr、Co高于不同来源海水珍珠，Ni低于多数海水样本；部分海水珍珠Cu、Pb超标准，需限量控制；淡水珍珠稀土元素含量较小，海水珍珠稀土元素较小或无；淡水珍珠Se、V较高，Sr低于海水珍珠；淡水珍珠Sn未检出，多数海水珍珠检出Sn。3.2 方法学研究：3.2.1 线性评估表明37种分析物在各自浓度范围内线性良好；3.2.2 以11个空白溶液3倍和10倍标准差确定检测限（limit of detection, LOD）和定量限（limit of quantification, LOQ），并换算为μg·g^?1，表明方法灵敏；3.2.3 同批样品连续进样6次及6份平行样测定，37种元素相对标准偏差（relative standard deviation, RSD）均小于2.0 %，仪器精密度和方法重复性良好；3.2.4 以GBW10047胡萝卜粉CRM按同法消解测定，37种元素测定值处于CRM规定值范围内，确认从样品消解到仪器测定的可靠性。3.3 HCA：对16批珍珠元素数据进行HCA，16批珍珠分为两大簇，淡水珍珠中S1为一组、S2–S7为一组，海水珍珠中S8与S9为一组、S10与S16为一组，表明淡水与海水珍珠元素谱差异足以用于分类。3.4 PCA：PC1和PC2分别解释44.2 %和28.7 %，累计74.1 %；淡水珍珠S1–S7聚为同类，海水珍珠S8–S16聚为同类，沿PC1明显分离；载荷图显示Y、Nd、Ga、Rb、Eu、Mn、Pd、W远离原点，对淡海水珍珠区分贡献最大，作为候选判别变量。3.5 判别分析：以8个元素构建淡水珍珠Y1和海水珍珠Y2判别函数，25个已知来源外部验证样本总体分类准确率92.0 %；淡水珍珠敏感度0.800、精确度1.000，海水珍珠敏感度1.000、精确度0.882；16个训练样本LOOCV准确率100 %。讨论指出淡水珍珠敏感度较低可能与淡水养殖地理多样、水化学和沉积物及人为输入差异、蚌龄3–6年导致元素生物累积时间依赖、组内元素指纹变异较大有关；海水环境盐度、pH和元素组成较稳定，组内多元素签名更均一。尽管淡水珍珠存在一定误分类，模型总体稳健，证明所提方法可用于实际来源认证。3.6 淡水与海水珍珠元素差异及其环境生理意义：多元素分析显示淡水珍珠Mn、Cr、Se显著较高，海水珍珠Sr、Sn较高。原文解释淡水系统受岩石风化和土壤侵蚀陆源输入影响，Mn、Cr溶解浓度较高，淡水pH较低且变化更大，增加过渡金属溶解度和生物可利用度，缺氧或低氧富有机沉积物可释放生物可利用Se；Hyriopsis cumingii在壳形成过程中生物累积这些元素，可能进入文石（aragonite）晶格或晶间有机基质。海水高Sr/Ca比使Sr在生物矿化中易替代Ca进入文石；Sn较高可能与沿海养殖设施防污漆有机锡（organotin compounds）等人为输入有关，但仍需进一步研究。上述元素特异性富集由地球化学环境和物种特异性生物矿化途径共同决定，支持多元素指纹用于珍珠类型鉴别。

讨论部分总结：原文讨论强调分类模型应以准确率、敏感度、特异性等定量指标及交叉验证或外部测试集评价，而非仅凭得分图目视判断；淡水珍珠组内变异可能来自养殖地理跨度、环境化学差异和蚌龄差异，海水珍珠环境较稳定故签名更均一；淡海水珍珠Mn、Cr、Se与Sr、Sn差异分别与陆源输入、pH与氧化还原条件、海水Sr/Ca比及沿海人为输入相关，其中Sn来源仍需进一步研究。研究结论翻译：本研究概述了质谱分析用于区分不同珍珠物种的适用性，重点为食品、药品和化妆品中广泛使用的可食淡水珍珠和海水珍珠。珍珠产品的特定要求需要建立珍珠样品质量控制策略，即在用于生产前识别淡水珍珠、海水珍珠及其他较不相关物种。为此，本研究从无机元素入手，以ICP-MS反映传统中药食品的一般含量特征，并将其作为质量、一致性和稳定性指标。淡水珍珠与海水珍珠物种之间可观察到的相似性，促使采用更充分的工具进行有效区分。研究建立了可食珍珠质量与类型鉴定评价方法。无机元素成功结合HCA、PCA等化学计量学方法，筛选出不同种类可食珍珠的8个特征元素，最终区分不同来源类别的可食珍珠，验证了无机元素在可食珍珠质量评价中的有效性。结果表明不同种类可食珍珠的无机元素存在显著差异；值得注意的是，淡水珍珠中Mn、Cr、Se的富集和海水珍珠中Sr、Sn的富集受各自栖息地不同地球化学环境和生理条件控制，进一步强化了鉴别策略的科学基础。此外，ICP-MS与化学计量学结合能够充分有效说明不同种类可食珍珠的物种鉴定显著受无机元素含量差异影响。通过判别分析模拟代表可食珍珠类别的函数方程并追溯药材类别，为评价传统中药食品或其他相关食品药物的真实性、质量和发展提供有价值和潜在的参考，同时为传统中药食品溯源提供具体参考。