多接收等離子質譜高精度測定現代人齒中Mg同位素

李子夏 賀茂勇 逯海 任同祥

摘要：Mg是構成牙齒重要組分，其含量和同位素組成可記錄居民生活地域、飲食習慣以及口腔健康信息等重要信息。本研究建立了高精度多接收等離子質譜 （MCICPMS） 測定牙齒中Mg同位素方法。牙齒樣品經微波消解儀消解，后采用AG50WX8陽離子樹脂分離溶液中的Mg元素，以1 mol/L HNO3為介質上柱，40 mL 1 mol/L HNO3洗脫Na+等雜質離子，再以30 mL 1 mol/L HNO3收集Mg元素，60 mL 1 mol/L HNO3洗去其它雜質，蒸干Mg收集液。MCICPMS進行Mg同位素組成測定。MCICP MS儀器自身的質量分餾利用“樣品標準”交叉技術（“Samplestandard” bracketing technique） 解決。實驗結果表明，利用AG50WX8陽離子樹脂，可在保證Mg回收率的情況下，將牙齒樣品中的Mg和其它基質元素徹底分離，且不造成同位素分餾。采用此方法對現代人離體牙牙釉質中Mg同位素進行分離測定，牙齒的δ26Mg在較大的范圍變化（ 1.38‰～4.59‰）。本方法為利用人牙齒中Mg同位素研究Mg的暴露水平、環境污染等信息提供重要的實驗和理論依據。

關鍵詞 ：鎂同位素；牙齒；多接收器等離子體質譜

1 引 言

Mg有3種穩定同位素：24Mg， 25Mg 和26Mg，相對豐度分別為78.99%， 10.00%和11.01%[1]。Mg同位素之間存在較大的相對質量差， 如26Mg和24Mg的相對質量差可達8%，這使得在很多地質過程中Mg同位素能夠發生顯著的質量相關分餾， 因而Mg同位素是潛在的地球化學“示蹤劑”。然而，由于早期實驗技術和分析方法的限制，無法有效識別地質樣品中Mg同位素組成的變化，使得Mg同位素地球化學示蹤一直未能得到廣泛應用。在20世紀60年代，人們開始用表面熱電離質譜測量自然界中Mg同位素的變化[2]，但分析精度不高， 沒有發現明顯的鎂同位素分餾。早期的Mg同位素研究大多集中在Mg同位素異常上，如原始隕星中放射性成因26Mg（26Mg*）的發現[3，4]。

隨著多接收器電感耦合等離子體質譜（MCICPMS）的出現，Mg同位素的高精度測定成為可能，測試精度較以前提高了一個數量級[5，6]。Galy等[5]首次利用MCICPMS測定了自然樣品中的Mg同位素組成，發現了自然界中Mg同位素的分餾現象。

隨著Mg同位素分析技術的提高和研究的不斷深入，在生物樣品中Mg同位素分析逐漸受到關注。Chang等[7，8]報道了有孔蟲Mg 同位素的初步研究成果，并顯示出海水和有孔蟲之間有明顯的Mg同位素差異，有孔蟲更富集輕同位素。有孔蟲的δ26Mg值比海水低4.5‰，超過了鐘乳石與地下水之間的差異，表明在有孔蟲的形成過程中存在著重要的Mg同位素分餾。

近年來，同位素示蹤在生物考古方面發揮著重要作用，但由于測試技術的制約，僅有成熟的Sr同位素技術被廣泛使用[9～12]。研究者利用古人類牙齒和骨骼中Sr同位素研究了古代人群的遷移、食譜和疾病等方面內容。但是人牙齒或骨骼中Sr的含量較低，測試需要的樣品量較多，影響其它指標的測試。使用較少的樣品量即獲得較理想的實驗結果是Mg同位素技術的發展思路。由于Mg是地球上的常量元素，幾乎參與了地球上的所有地球化學過程，在人體中，牙釉質和牙本質中Mg含量較高，可達到（87.0+0.3）mg/g。建立牙齒中Mg同位素前處理技術和測定方法，不僅開拓Mg同位素的應用范圍，也可以為生物考古Mg同位素示蹤提供選擇手段。

本實驗根據牙齒樣品的特殊性，建立了高精度多接收等離子質譜 （MCICPMS） 測定牙齒中Mg同位素方法。首先采用AG50WX8陽離子樹脂分離富集牙齒中的Mg元素，再用多接收器等離子體質譜儀（MCICPMS）進行Mg同位素組成測定。MCICPMS儀器自身的質量分餾利用“樣品標準”交叉技術（“Sample standard” bracketing technique） 解決。本方法為Mg暴露水平、環境污染等信息研究提供了重要的實驗和理論依據。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

Neptuneplus多接收電感耦合等離子體質譜儀（MCICPMS，美國Thermo Scientific公司）， 系統結合了TRITON plus分析器和ELEMENT2等離子界面，為強大和獨有的MCICPMS提供了基礎。在離子光學通路上采用雙聚焦（能量聚焦和質量聚焦） 設計， 并采用動態變焦（Zoom） 技術將質量色散擴大至17%。配有9個法拉第杯接收器和一個離子計數器， 除了中心杯和離子計數器外， 其余8個法拉第杯配置在中心杯的兩側， 并以馬達驅動進行精確的位置調節。另外， Neptune MCICPMS采用虛擬放大器專利技術， 在每個探測器同時采集完一個Block后， 運用軟件自動輪流更換其后的放大器電路， 在采集9個Block后， 各放大器電路與原探測器恢復一致。該技術可有效消除因各法拉第杯接收器后的放大器的增益不同所造成的同位素比值的誤差， 提高同位素比值測定的精度。NEPTUNE plus作為“第三代”MCICPMS，首次整合了高分辨能力、可變多接受器、焦距調節和多接收離子計數能力。

2.2 牙齒樣品消解

采集久居陜南地區居民的離體牙，從中挑選富有代表性的牙齒30顆。采用加熱敲擊法[12]將牙齒的牙釉質和牙本質分開，收集分開的牙釉質和牙本質，用瑪瑙缽研磨至0.075 mm。準確稱取研磨后樣品0.05 g于微波消解罐中，加5 mL50% HNO3和2 mL 30% H2O2溶液，輕輕晃動消解罐，然后滴入約2 mL水，1000 W微波消解。微波消解升溫程序：5 min內由室溫升到120℃，并在此溫度保持3 min，然后在8 min內繼續升溫到220℃，并在此溫度下保持15 min 至消解結束。試樣消化完全后，自然冷卻。用水轉移至25 mL容量瓶中，定容。同步做試劑空白實驗。實驗中用骨頭標準樣品對消解過程進行質量控制。

2.3 離子交換柱準備

分離實驗所用的離子交換柱為石英柱（150 mm×8 mm）；所用樹脂為AG50WX8陽離子樹脂（美國BIORAD公司）。首次使用時先以水浸泡，棄去上浮顆粒，濕法裝柱。裝好的樹脂使用前，先以樹脂體積20倍的4 mol/L HCl清洗，再用大量水洗至中性。

2.4 離子交換法分離富集Mg元素

化學實驗處理在中國計量科學研究院化學所實驗室完成，凈化實驗室裝備潔凈度百級操作臺，室內潔凈度千級。

以文獻[13]為基礎，進行鎂元素的分離富集：取消解好的牙齒溶液，少量多次上柱，首先用40 mL 1 mol/L HNO3洗脫Na+等雜質離子，再以30 mL 1 mol/L HNO3收集Mg元素，60 mL 1 mol/L HNO3洗去其它雜質。將收集的樣品置于約200℃的電熱板上蒸干。再以2% HNO3轉移至離心管（遵循少量多次原則），最后將每個樣品定容至2 mL。將其編號，放于冰箱中保存，待測。

2.5 Mg的含量和同位素測定

Mg的含量采用中國計量科學研究院化學所和中科院地球環境研究所的PE 300D型ICPMS對比交叉測定。

Mg同位素測定在中科院地球環境研究所的NEPTUNE plus型多接收電感耦合等離子體質譜儀。

3 結果與討論

3.1 離子交換法分離Mg的淋洗體積

分離天然樣品中Mg與其它雜質元素的常用方法是離子交換法，但不同的樹脂、樹脂柱的尺寸及淋洗介質存在很大差異，分離效果也不盡相同[5，7，14～17]。

牙齒中最主要的無機元素是Na， K， Ca和Mg。其中Ca含量約是Mg含量的10倍，因此將Ca與Mg充分分離是實驗的關鍵。按照牙齒中無機元素含量比，配制混合溶液（主要含Na， K， Ca和Mg）。將混合溶液引入用1 mol/L HNO3淋洗介質平衡后的陽離子交換柱中，再用1 mol/L HNO3洗脫，淋洗曲線如圖1所示。由Mg的淋洗曲線可見，大部分Mg都在40～70 mL的淋洗液中被洗脫出來。在1 mol/L HNO3做淋洗液的條件下，Na+和K+分別在20 mL和35 mL被大量洗去，Ca則出現在Mg的峰值末端70 mL及以后，相互之間幾乎無重疊，所以各元素間得到了較好的分離效果。

3.2 離子交換分離Mg過程的回收率和同位素分餾

由于利用離子交換柱分離純化Mg的過程中也會產生顯著的Mg同位素分餾[18]，因此分離純化過程要求Mg的回收率接近100%。通常會利用各種標準溶液的分離來檢驗化學流程過程中Mg的回收率，以及是否發生了Mg同位素的分餾。盡管低至200 ng 的Mg也可以進行單次分析， 但是通常情況下，在柱子承載范圍之內會用較大的含Mg樣品量來降低空白（包括酸、樹脂柱和樹脂）的貢獻。實驗中將含有20～100 μg的Mg （通常為MCICPMS分析所需樣品量的10倍以上）的標準樣品加入到樹脂柱中。采用3.1節的方法進行分離。分離前后采用PE 300D型ICPMS測定溶液中Mg的含量。同時采用MCICPMS對分離后的樣品進行同位素測定。

本課題組對該地區牙齒的Sr同位素進行了研究，與Mg同位素顯示出較大的差異[19]。測定的健康齒和齲齒牙釉質87Sr/86Sr比值在0.710935～0.711037較小區間波動，基本趨于穩定，并且在年齡和性別因素中沒有顯著差異。同時發現，其變化區間落在當地自然水體、巖石和土壤87Sr/86Sr范圍內。

He等[20]采用ICPMS對該地區牙齒硼同位素進行研究，與Mg同位素顯示出相似的結果，10B/11B在較大的區間0.2007～0.2574范圍變化。人體Mg主要來源是食物，食物來源的多源性以及重金屬污染等因素[21]，牙齒Mg同位素變化，不能簡單地用飲食、土壤和巖石等因素解釋，需要更深入的研究，或者動物牙齒培養實驗加以驗證。

4 結 論

采用AG50WX8陽離子樹脂以及多接收器等離子體質譜儀（MCICPMS），對牙齒中Mg同位素進行了高精度測定。結果表明，采用AG50WX8陽離子樹脂，通過不同體積的HNO3淋洗，收集特定體積的淋洗液，可以得到純化的Mg；牙齒Mg同位素變化范圍比較大，其變化因素還需要更詳細的實驗來驗證。

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Abstract Major cation Mg2+ was presented in enamel as major substituted species. The quantity of Mg and the Mg isotopic ratio in tooth can provide information on the environment， dietary habits， and oral health of individuals. As a result， a method was developed for the determination of Mg isotope based on highprecision multiple collectorinductively coupled plasmamass spectrometry （MCICPMS）. The samples were dissolved using a microwave digestion system. Separation of Mg was achieved by cation exchange chromatography of AG50WX8. The sample solutions were loaded on the resin with 1 mol/L HNO3， the other ions such as Na+ were eluted with 40 mL of HNO3 （1 mol/L）， and then the Mg was eluted with 30 mL of HNO3 （1 mol/L）， finally the resin was washed with 60 mL of HNO3 （1 mol/L）. The Mg isotope was measured using multiple collectorinductively coupled plasmamass spectrometry （MCICPMS）. The “samplestandard” bracketing technique was used to correct the instrumental mass bias. The results show that the fast and effective method can be used for the separation， preconcentration and determination of Mg isotope in calciumrich tooth samples. Giving values of 26Mg were from 1.38‰ to 4.59‰. The established method for Mg isotope determination provides an important scientific basis for ancient population migration， ancient diet analysis and disease by Mg isotope of ancient human teeth.

Keywords Magnesium isotope； Tooth； Multiple collectorinductively coupled plasmamass spectrometry