四種不同儀器對牙體中無機元素分析的比較

石碧 綜述 陳黎明 審校

(1.遵義醫學院，貴州 遵義 563003；2.貴陽市口腔醫院，貴州 貴陽 550001)

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四種不同儀器對牙體中無機元素分析的比較

石碧1,2綜述 陳黎明2△審校

(1.遵義醫學院，貴州 遵義 563003；2.貴陽市口腔醫院，貴州 貴陽 550001)

電感耦合等離子體原子發射光譜法； 電子探針； 飛行時間二次離子質譜儀； 離子選擇電極

牙體的硬組織包括牙釉質、牙本質和牙骨質，其中牙釉質和牙本質的無機物主要是由磷灰石晶體構成，晶體中的無機元素除了含有大量Ca、P等主要元素之外，還含有B、Ba、Li、Mg、Fe、Se、F等微量元素[1]，它們以取代的方式存在于牙體硬組織的磷灰石晶體之中，或吸附于磷灰石晶體表面，或以非磷灰石相存在[2]。1983年 A.W.Crawford[3]在研究中表明這些微量元素的含量與分布對牙體硬組織疾病的發生有一定的影響。其中B、Ba、Li、Mg、Mo、F和Sr具有一定的耐齲潛能，而Fe、Zn、Se、Mn和Pb等可以使釉質對齲更加敏感[1]。因此通過對牙體中無機元素的分析與測定對牙體硬組織疾病的發病機制及防治具有一定指導意義。目前廣泛用于測定牙體中無機元素的方法有光譜分析法，能譜分析法和電化學分析法，本文就這三大類分析法中具有代表性的電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)，電子探針分析法(EPMA)，飛行時間二次離子質譜儀(TOF-SIMS)和離子選擇電極(ISE)四種方法進行了總結，為簡潔，準確的測定牙體硬組織中的無機元素提供借鑒。

1 電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)

1.1 ICP-AES的基本原理 是以電感耦合等離子矩為激發光源的光譜分析方法，ICP焰內焰區在焰心區上方為半透明狀，淡藍色，溫度可達6 000～8 000 K，分析時試樣被氬氣帶入焰矩后，試樣中不同元素的原子在內焰區和焰心區被電離、激發，以光的形式發射出不同波長的特征光譜，根據發射出的光譜波長不同即可對元素進行定性分析；用特征光譜的強弱與標樣相比較，可對樣品中的各種元素含量進行定量分析。

1.2 ICP-AES方法的優缺點 優勢:(1)分析高效、快速、范圍廣，能一次同時讀出多達幾十種被測元素的特征光譜，并對其進行定量和定性分析，除固態樣品外，還可以對液態及氣態樣品直接進行分析；(2)靈敏度高，若富集處理測定，相對靈敏度可達10～9級[4]；(3)準確度和精密度高，檢出限好，通常為0.1～100 ng/mL，當試樣濃度>100倍檢出限時，相對標準偏差小于1%[5]。缺點：(1)存在光譜干擾問題，檢測時需要選擇合適的校正方法[5]；(2)測定某些非金屬元素時，不具備優勢，檢出靈敏度較差；(3)不能夠對樣品進行形態學方面的分析。

1.3 ICP-AES方法的應用 ICP-AES法目前已廣泛應用于機械、地質、有機物和生化樣品等，在牙體中對無機元素的測定也在國內外應用廣泛。李子夏[6]等通過ICP-AES測定健康牙和齲齒中的Zn、Fe、Cu、Sr、Mg、Al、Sr和Pb等元素；Meral Arslan Malkoc[7]通過ICP-AES法測定激光、酸蝕對牙體礦物含量的影響，得出激光，酸蝕對牙體中的Ca、P、Na和Ca/P水平無統計學意義，而Mg和K有統計學意義；Sousa SMG, Silva TL[8]使用 ICP-AES法收集經EDTA、EGTA、CDTA和檸檬酸脫礦后提取的根管內Ca2+含量。

2 電子探針X射線顯微分析儀(EPMA)

2.1 EPMA的基本原理 該儀器以1 Pm的細聚焦電子束作為激發源，激發樣品表面微小區域內元素的特征X射線并收集。根據收集到的特征X射線的不同強度與標準樣品比較，計數得出樣品組分含量。

2.2 EPMA的優缺點 優勢：(1)可進行微區分析：最小范圍直徑為1 μm左右；(2)分析范圍廣、準確度高：除了H，He等較輕的元素外，其他元素均可以被分析，相對誤差控制在1-2%以內；(3)非破壞性分析，且可批量分析多個預置位點；(4)分析鍍層表面樣品形態無需制備，只需直接放入樣品室內即可放大觀察。缺點：(1)只能測定固態樣品，對液態和氣態樣品無法測定；(2)是微區分析而不是微量分析，對于樣品中含量低于100 ppm級的元素檢出的準確性較低。

2.3 EPMA的應用 在冶金、地質、電子材料、生物、醫學及考古等領域中得到日益廣泛地應用，是礦物測試分析和樣品成分分析的重要工具。除此之外，EPMA已經是用于測定牙體硬組織中微量礦物質成分含量及變化的一種成熟檢測方法[9-10]。張穎麗等[11]已在1999使用EPMA測定正常恒牙根部的氟含量；Ana Cristina Bezerra[12]等為比較使用不同玻璃離子修復的氟化水平應用EPMA測定牙釉質和靠近修復體的牙本質中的Ca、P和F等離子的濃度。

3 飛行時間二次離子質譜儀(TOF-SIMS)

3.1 TOF-SIMS的基本原理 通過用帶有幾千伏能量的一次離子束高速激發樣品表面，經過物理相互作用在撞擊區域產生帶正電荷和負電荷的碎片離子，這些帶電荷的離子被稱為二次離子，根據二次離子因不同的質量而飛行到探測器的時間不同來測定離子質量。能夠被收集到的二次離子均來自于樣品的最表面，因此所收集到的樣品信息也僅限于樣品的最表層。這就決定了TOF-SIMS是一種對表面靈敏的質譜技術[13]。

3.2 TOF-SIMS的優缺點 優點：(1)樣品制備簡單，無需提純，用量少[14]；(2)可檢測包含H在內的元素及同位素；(3)表面靈敏度高[15]，檢出限好，可以檢測到1 ppm級乃至更低的濃度；(4)優質的質量分辨率(約8 000 u)[16]；(5)離子利用率高：可以不破壞樣品經過一次離子束激發表面即可獲得全譜。缺點：(1)定性分析優于定量分析，TOF-SIMS的定量分析多為半定量分析；(2)譜圖數據分析困難：一是對未知樣品的結構分析困難，二是譜圖分析時必須對樣品表面的主要成分有一定的了解[13]。

3.3 TOF-SIMS的應用:TOF-SIMS當今已發展為一種成熟且完善的表面分析技術[15-17]，廣泛應用于生物材料和生命科學研究中。M.E.Dickinson[18]等使用TOF-SIMS對體外牙釉質齲進行研究；M.Okazki[19]在研究中使用TOF-SIMS清楚的顯示了氟磷灰石晶體中的氟；同樣使用TOF-SIMS技術，Gotliv[20]發現牛管周牙本質富含Ca、Na、Mg和K，去蛋白化后管周牙本質Mg、K含量下降，由此推斷Mg和K主要與管周牙本質的有機基質相關，而Na與管周牙本質的礦物質相關。

4 離子選擇電極(ISE)

4.1 ISE的基本原理 ISE法是電化學分析法中的一種。它是將溶液中待測離子的活度利用電極尖端的感應膜轉化成一定的電位，其電位與該離子的活度的對數具有線性關系，通過與已知離子濃度的溶液比較可求得未知溶液的離子活度[21]。

4.2 ISE的優缺點 優點：(1)使用方法簡潔、價廉，應用范圍廣；(2)測定結果不受試劑顏色、渾濁程度等的影響；(3)分析速度快、靈敏度高，可達到10-5～10-8mmol/L。缺點：(1)破壞性分析，不能保存固體樣品的完整性；(2)需要配置標樣，繪制標準曲線，所測結果不是直接的離子濃度，需要換算；(3)可能存在離子干擾問題；(4)測定時溶液的pH值對結果有較大的影響，所以要求測定時標準溶液和樣品有相同的pH值[21]。

4.3 ISE的應用 ISE多用于測定氟離子，常稱為氟離子選擇電極(FISE)，對PH和氟離子的測定所采用的離子選擇電極法已被定為標準方法，水質自動連續監測系統中，有10多個項目均采用ISE法。FISE法也已用于蔬菜、水果、茶葉、蠶桑、藥材、電鍍廢水、豆類、飼料、牙膏、人血、豬肉、碘鹽、空氣和煤等[21]；韓天龍、王敏[22]利用FISE法測定了工業氟污染區小尾寒羊牙氟及骨氟含量,結果表明實驗組牙齒和骨骼中的氟含量明顯高于對照組。

5 總 結

以上各種方法目前都普遍應用于牙體硬組織中無機元素的測定，但分析優勢各有不同。ICP-AES和TOF-SIMS可同時對多種元素進行定性和定量分析，分析快速、簡便，直接放入待測樣品后通過計算機操作即可讀取結果，但TOF-SIMS的定性分析較定量分析功能更具優勢。單純定量分析多用EPMA和ISE，前者操作簡單，對于不同樣品的校準標樣可先錄入系統并隨時取用，在分析過程中幾乎同步獲得結果，而ISE常側重于對樣品中氟含量的測定，實驗準備過程相比EPMA較為繁瑣，需要配制標樣及繪制標準曲線，且實驗結果需要人工進一步換算。對于微區分析常用EPMA和TOF-SIMS，不破壞樣品形態且可以在檢測過程中觀察到樣品的表面形貌；而ICP-AES和ISE屬于破壞性分析，對于固態樣品常需要研磨濕化消解，故對樣品形貌方面的觀察并不能實現，需要與其他實驗技術結合運用，如掃描電子顯微鏡等。

隨著分析儀器的更新換代，分析技術精確度及靈敏度的不斷提高，在未來對牙體組織疾病的各項研究中，研究內容已不在局限于僅描述成分、含量變化或形態結構的觀察，將逐漸形成多種儀器聯合運用的分析技術鏈接體系，各儀器充分發揮各自優勢、取長補短，實現從含量的測定到元素分布狀態的研究，再到形貌結構的觀察環環相扣、相互銜接的一體化科研方式，為研究牙體組織疾病的發病機制和防治的工作建立充分的技術支持和可靠保證。

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