微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法同時(shí)測定人發(fā)中10種微量元素

馬國軍 趙立峰 樓夢菲 陳丹鳳

(蕭山區(qū)質(zhì)量計(jì)量監(jiān)測中心，杭州 311215)

微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法同時(shí)測定人發(fā)中10種微量元素

馬國軍 趙立峰 樓夢菲 陳丹鳳

(蕭山區(qū)質(zhì)量計(jì)量監(jiān)測中心，杭州 311215)

建立了微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法快速測定人發(fā)鋁、鉻、砷、錳、鎳、銅、鎘、鋇、鉛、汞 10種微量元素的分析方法。通過優(yōu)化試樣前處理手段，以Sc、Ge、In、Bi為內(nèi)標(biāo)元素,用ICP-MS法測定人發(fā)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的10種微量元素,同時(shí)進(jìn)行精密度,準(zhǔn)確度以及人發(fā)樣品中加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證檢測方法的適用性。結(jié)果表明，用微波消解-ICP-MS法同時(shí)測定10種微量元素標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系較好(r>0.999 4)，元素檢出限為0.002～0.012 μg/L，樣品加標(biāo)回收率在92.4%～112%，驗(yàn)證微波消解-ICP-MS法是較為理想的人發(fā)樣品檢測分析方法。

人發(fā)；微波消解；ICP-MS；微量元素

0 前言

重金屬元素與人體健康息息相關(guān)，眾所周知[1]，鋁、鉻、砷、鎘、鋇、汞、鉛皆是對人體有害的金屬元素，人體長期低水平攝入以上金屬元素就會(huì)危害身體健康，毒害人的神經(jīng)系統(tǒng)和行為功能，影響人的行為和智力能力。而錳、銅、鎳等元素雖然是人體生命元素之一，但其營養(yǎng)與中毒界限非常狹窄，攝入過量，同樣會(huì)引起微量元素中毒，產(chǎn)生身體的病變。

一般體內(nèi)重金屬元素檢測采用血液作為試樣[2]，但是血液采集具有侵入性，會(huì)造成人體創(chuàng)傷,儲存條件也有一定的要求等，因此在某些情況下使用受到限制。頭發(fā)是人體微量元素的聚集體，對人發(fā)進(jìn)行檢測可以了解人體微量元素累積狀況,同時(shí)人發(fā)的采樣是一種非侵入性檢驗(yàn)，不會(huì)對人體造成創(chuàng)傷,且性能穩(wěn)定、微量元素含量高于血液[3-4]，是一種理想的人體微量元素指示性樣品。因此準(zhǔn)確檢測人發(fā)重金屬水平對人體健康監(jiān)護(hù)具有非常重要意義。

本文以人發(fā)為研究對象，通過對樣品前處理方式的優(yōu)化,建立ICP-MS法快速測定人發(fā)中鋁、錳、銅、鎳、砷、鎘、鋇、汞、鉛、鋇10種微量元素的分析方法。以期開發(fā)出前處理簡便、靈敏度高、檢測效率高、值得推廣運(yùn)用的人發(fā)重金屬檢測分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和材料

ICapQ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國賽默飛世爾科技公司)、MARS-xpress密閉微波消解儀、Milli-Q超純水制備系統(tǒng)、循環(huán)水式真空泵、超聲波清洗器、真空干燥箱。

鋁、錳、銅、鎳、砷、鎘、鉻、汞、鉛、鋇元素標(biāo)準(zhǔn)溶液以及內(nèi)標(biāo)45Sc、72Ge、115In、209Bi均購于國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，人發(fā)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBw07601a(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘察研究所)、GBw09101b(中科院上海應(yīng)用物理研究所)；其它試劑均為優(yōu)級純；實(shí)驗(yàn)用水電阻率大于18.2 MΩ·cm。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)工作溶液及內(nèi)標(biāo)的制備

取適量鋁、錳、銅、鎳、砷、鎘、鉻、鉛、汞、鋇元素標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶中配制濃度為10.0 μg/mL的鋁、錳、銅、鎳、砷、鎘、鉻、鉛、鋇以及1.0 μg/mL的汞元素標(biāo)準(zhǔn)混合溶液；取適量上述標(biāo)準(zhǔn)混合液于一組50 mL容量瓶中，在各容量瓶中加入2.5 mL金溶液(1 μg/mL)，并用硝酸(2%)溶液定容至刻度，搖勻，制作系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液；同時(shí)配制濃度為20 μ/L的45Sc、72Ge、115In、209Bi混合溶液作為內(nèi)標(biāo)，上機(jī)檢測用。

1.3 試樣的處理

取后枕部頭發(fā)約2 cm,共2 g左右，用不銹鋼剪刀剪成1～2 mm左右小段，發(fā)樣清洗在參照文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，用丙酮超聲浸泡1 h脫脂后，用去離子水清洗三次，加入中性洗滌劑超聲浸泡30 min后用去離子水洗至無泡沫，于65 ℃真空烘箱內(nèi)干燥至恒重，置于干燥器中冷卻備用。

稱取0.10 g(精確至0.000 1 g)發(fā)樣于微波消解罐中，加入3 mL HNO3、1 mL H2O2，加蓋密閉于微波消解儀中消解。消解結(jié)束后冷卻至室溫，將罐內(nèi)樣品轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯容量瓶中，再用超純水定容至25 mL；人發(fā)粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同上消解操作，同時(shí)做試劑空白實(shí)驗(yàn)。

1.4 ICP-MS 分析條件

ICP-MS儀器最佳工作條件見表1。

表1 ICP-MS儀器條件Table 1 ICP-MS instrument parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣前處理酸及用量的選擇

在樣品處理過程中，正確選擇酸的種類和用量對元素的測定、減少和消除各類干擾、減少儀器損害等方面至關(guān)重要。硝酸因含有的O、N、H 3種元素是等離子體所夾帶的氣體中干擾最少的元素，不會(huì)產(chǎn)生新的多原子離子干擾[6]。過氧化氫加到硝酸中混合使用，能減少硝酸的使用量，加速樣品的消解，且不引入其它元素。實(shí)驗(yàn)中選擇不同量HNO3(2、3、4 mL)和H2O2(1、2 mL)進(jìn)行微波消解實(shí)驗(yàn)，通過正交實(shí)驗(yàn)方案，探討硝酸和雙氧水的合理用量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：使用2 mL硝酸進(jìn)行樣品處理，樣液混濁且各元素測定結(jié)果偏低；在消解液中加入2 mL雙氧水的樣品管在消解過程中樣品有不同程度泄漏，砷和汞測定結(jié)果明顯偏低；消解液中加入3 mL和4 mL硝酸的樣品均能完全消解，且各元素檢測結(jié)果均在正常誤差范圍內(nèi)；考慮實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和對儀器的損傷程度盡量低，實(shí)驗(yàn)選擇使用3 mL硝酸,1 mL雙氧水進(jìn)行樣品消解。

2.2 消解方式的選擇

以HNO3-H2O2為消解體系對兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)人發(fā)樣品進(jìn)行消解，從消解耗時(shí)、前處理效果以及結(jié)果準(zhǔn)確性等幾方面探討微波消解和高壓消解兩種前處理對人發(fā)標(biāo)準(zhǔn)樣品消解的適用性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微波消解對比高壓消解具有操作簡便、前處理耗時(shí)短，元素測定結(jié)果準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)。由于高壓消解溫度由鼓風(fēng)烘箱提供，升溫過程比較繁瑣，耗時(shí)較長，在消解過程中罐內(nèi)壓力增高，易導(dǎo)致砷、汞等揮發(fā)元素滲出或泄露，導(dǎo)致結(jié)果偏低，穩(wěn)定性差。因此，實(shí)驗(yàn)選用微波消解技術(shù)處理人發(fā)樣品。

2.3 ICP-MS分析條件的選擇

ICP-MS法測定元素時(shí)同位素的選擇應(yīng)按照豐度大、干擾小、靈敏度高的原則，而一些多原子離子40Ar12C+、35Cl16O1H+、36Ar16O+、38Ar14N+、40Ar14N1H+，40Ar15N+，44Ca16O,40Ar35Cl的存在會(huì)干擾52Cr、55Mn、60Ni和75As的測定[7]。采用六級桿碰撞反應(yīng)池技術(shù)(CCT)，以He作碰撞氣可將多原子離子干擾去除，采用碰撞(KED)模式檢測可明顯去除多原子干擾，用KED模式對GBw09101b進(jìn)行檢測時(shí)，其鉻、錳、鎳和砷的檢測結(jié)果接近真值，同時(shí)其方法檢出限仍能達(dá)到1 μg/L，滿足實(shí)際樣品測定需求。

在進(jìn)行樣品分析時(shí),在線加入內(nèi)標(biāo)元素可減少信號漂移和基體效應(yīng)，提高結(jié)果準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)因樣液性狀不同而產(chǎn)生干擾。在測定樣品GBw09101b時(shí)，采用45Sc、72Ge、115In和209Bi為內(nèi)標(biāo)。表2為采用KED模式下10種微量元素采用內(nèi)標(biāo)校正前后相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)和準(zhǔn)確度差異。

表2 元素進(jìn)行內(nèi)標(biāo)校正后穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度差異

Table 2 Stability and accuracy of the elements before and after internal calibrations(n=6)/(μg·g-1)

質(zhì)量數(shù)Mass內(nèi)標(biāo)Internalstandard不加內(nèi)標(biāo)Withouttheinternalstandard加內(nèi)標(biāo)Internalstandard標(biāo)準(zhǔn)值Standardvalues測定值RSD/%測定值RSD/%27Al52Cr55Mn60Ni62Cu75As111Cd137Ba202Hg208Pb45Sc72Ge115In209Bi19827233454922951015000459520723424835434440504251865922528703885653380199007511608238123161718213218207519232±20874±097383±039577(參考)336±230198±00230072±0010111±13106±028383±018

從表2中可以看出，在不進(jìn)行內(nèi)標(biāo)校正前由于試樣存在基體干擾，各元素檢測結(jié)果均偏低，且穩(wěn)定性較差(RSD在3.5%～8.6%)，加入內(nèi)標(biāo)元素溶液進(jìn)行內(nèi)標(biāo)校正后除了汞以外，各元素的檢測結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，同時(shí)RSD有了明顯的改善，原因是內(nèi)標(biāo)溶液進(jìn)行內(nèi)標(biāo)校正可明顯修正基體效應(yīng)帶入的結(jié)果偏差。

在進(jìn)行樣品檢測時(shí)，由于汞易吸附在進(jìn)樣系統(tǒng)管壁，造成汞的損失，影響結(jié)果檢測。在標(biāo)準(zhǔn)系列和樣液中加入一定濃度的金溶液，可明顯消除Hg的吸附效應(yīng)和記憶效應(yīng)[8]。在汞標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為50 μg/L條件下，按照金:汞比例為20∶1、10∶1、1∶1、1∶10、1∶20添加不同含量的Au溶液，通過比較不同的金:汞比例克服汞吸附的難題。結(jié)果表明在汞工作溶液中按照金汞比例為10∶1～1∶1添加相應(yīng)的金溶液，能減少汞的吸附。在0.1 g樣品GBw09101b中加入5 ng金，汞的回收率為105%～106%，RSD從12.2%下降到2.1%。

2.4 方法線性關(guān)系和檢出限

在優(yōu)化ICP-MS工作條件下，測定標(biāo)準(zhǔn)溶液中各元素含量，其線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)見表3，取連續(xù)11次測定空白溶液的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算出各元素的檢出限(IDL)，結(jié)果見表3。

2.5 方法的準(zhǔn)確度和精密度

取標(biāo)準(zhǔn)頭發(fā)樣品GBW07601b和GBW09101b各6份，按實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行前處理，6次測定各元素結(jié)果的均值、精密度以及標(biāo)準(zhǔn)值見表4。從表4可見，方法對于上述10種微量元素測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值允許偏差范圍內(nèi)，且精密度RSD為1.4%～4.6%，完全滿足人發(fā)試樣檢驗(yàn)之需要。

表3 方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限Table 3 Standard curves and detection limits(n=11) /(μg·L-1)

表4 人發(fā)標(biāo)準(zhǔn)品測定結(jié)果Table 4 Analytical results of 10 trace elements in hair certified reference materials(n=6) /(μg·g-1)

2.6 樣品測定及加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

取按實(shí)驗(yàn)方法前處理后的3個(gè)人發(fā)樣品，每份樣品準(zhǔn)確稱取0.100 0 g各2份，在其中一份樣品中加入一定量混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，與另一份樣品同時(shí)進(jìn)行微波消解，測定樣品加標(biāo)前后10種微量元素的含量,計(jì)算加標(biāo)回收率，結(jié)果見表5。結(jié)果表明，加標(biāo)回收率為92.4%～112%，符合樣品檢測要求。

表5 人發(fā)樣品加標(biāo)回收率Table 5 Recovery tests of the method /(μg·g-1)

3 結(jié)語

通過研究優(yōu)化人發(fā)樣品前處理，利用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法快速測定人發(fā)中10種微量元素，通過人發(fā)標(biāo)準(zhǔn)品準(zhǔn)確度和精密度實(shí)驗(yàn)以及人發(fā)樣品的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，得出利用微波消解-ICP-MS法測定人發(fā)樣品具有檢測快捷、準(zhǔn)確度高、檢出限低、損失少等優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的毛發(fā)樣品檢測分析方法。

[1] 宋精玲.微量元素對兒童神經(jīng)系統(tǒng)和智力發(fā)育的影響[J].中國校醫(yī)(ChineseDoctor),1995,9(2):151-154.

[2] 丁亮,張淼,周志榮.微波消解ICP-MS法測定全血中多種金屬元素[J].衛(wèi)生研究(JournalofHygieneResearch),2009,38(3):259-260.

[3] 張丹.頭發(fā)中無機(jī)元素分析方法及應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].中國無機(jī)分析化學(xué)(ChineseJournalofInorganicAnalyticalChemistry),2014,4(3):19-25.

[4] 王生進(jìn),張琳,劉春虎,等.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定人發(fā)中銅、鋅、鈣、鎂、鐵[J].中國無機(jī)分析化學(xué)(ChineseJournalofInorganicAnalyticalChemistry),2016,6(1):69-72.

[5] 揚(yáng)慧輝,莊叔希.發(fā)樣洗滌方法的探討[J].分析化學(xué)(ChineseJournalofAnalyticalChemistry),1990,18(12):1134-1137.

[6] 石杰,李力,胡清源,等.ICP-MS法同時(shí)測定煙草中的鉻、鎳、砷、硒、鎘、汞、鉛[J].煙草科技(TobaccoScience&Technology),2006(12):29-37.

[7] 趙小學(xué),張霖琳,張建平,等.ICP-MS在環(huán)境分析中的質(zhì)譜干擾及其消除[J].中國環(huán)境監(jiān)測(EnvironmentalMonitoringofChina),2014,30(6):101-106.

[8] 馬棟,張丹,卓先義,等.微波消解ICP-MS法檢測生物檢材中汞元素[J].法醫(yī)學(xué)雜志(JournalofForensicMedicine),2011,27(3):193-195.

Simultaneous Determination of 10 Trace Elements in Hairby Microwave Digestion-ICP-MS

MA Guojun, ZHAO Lifeng, LOU Mengfei, CHEN Danfeng

(XiaoshanDistrictQualityMeasurementandMonitoringCenter,Hangzhou,Zhejiang311215,China)

An analytical method for simultaneous determination of 10 trace elements (Cr, Mn, Ni, As, Cu, Cd, Ba, Pb and Hg) in hair was established by ICP-MS with microwave digestion. The sample pretreatment method was optimized, and Sc, Ge, In and Bi were employed as internal standard elements, then the contents of 10 trace elements of hair certified reference materials were determined by ICP-MS.The applicability of the proposed method was verified by precision and accuracy tests as well as recovery tests. The results indicated that the method has good linear relationship (r>0.999 4).The detection limits were 0.002～0.012 μg/L, and the recoveries were between 92.4% and 112%.The method was successfully applied to the determination of trace elements in hair samples with satisfactory results.

hair; microwave digestion; ICP-MS; trace elements

2015-11-17

2016-01-21

杭州市蕭山區(qū)社會(huì)發(fā)展重大科研項(xiàng)目(2014209)資助

馬國軍，男，工程師，主要從事食品理化檢測研究。E-mail:xsmagj@163.com

10.3969/j.issn.2095-1035.2016.02.018

O657.63；TH843

A

2095-1035(2016)02-0064-05