微波消解-電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法測定納米銀抗菌產品中多種微量元素

王 林 楊 遠 鄧飛躍 楊炳紅 朱麗琴 葉 明

（1湖南省地質測試研究院，長沙410007；2湖南農業大學 資源環境學院，長沙410128；3中南大學 化學化工學院，長沙410083；4長沙礦冶研究院有限責任公司，長沙410012）

引言

隨著納米科技的不斷進步，納米材料已廣泛應用于不同領域。調查數據顯示，到2015年，與納米技術相關產品市場已達1 000億美元[1]，其中金屬基納米商品為工業及日用商品的用量之首。據“新興納米科技”報道，約1 800種商品級納米產品已存在于產品市場中[2-4]。納米銀（Silver nanoparticles，Ag NPs）具有良好的抗菌及抗病毒活性，是最具前景的納米產品之一[5]，已廣泛應用在紡織品、化妝品、水凈化處理、醫療及運動器械等領域。然而，隨著工程納米材料使用增多，納米級尺寸在賦予納米材料迥異特性和新穎應用的同時，又悄然釋放進入生態環境中，成為一類新型污染物[6]。研究證實納米材料向環境的排放[7]，環境水體中已檢測出納米銀的存在[8]，引發了科學界對其生態負面影響的廣泛關注。因此，建立準確表征納米抗菌產品中銀總量的方法用于研究納米銀或銀離子在后續環境中的遷移、轉化、歸趨等環境行為及對人體危害風險評估問題意義重大。

目前，常用表征金屬元素的方法有：分光光度法[9]、原子吸收光譜法（AAS）[10]、原子熒光光譜法（AFS）[11]、電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）[12]以及電感耦合等離子體質譜法（ICPMS）[13]。其中，分光光度法和原子吸收光譜法，由于操作步驟繁瑣、不能多元素同時測定，難以滿足快速準確測定的要求。AFS法只適用于測定易形成氫化物的元素（如As、Sb、Hg等）。常規的ICPAES法對于As和Hg等元素的測定靈敏度較低[14]。ICP-MS法具備高靈敏度、多元素同時測定、干擾小、精密度高、線性范圍寬、簡單快速，更適合應用于環境、土壤、食品、醫藥、地質、生物等樣品的測定[15]。

選取4種不同基體的典型納米銀抗菌產品，為獲得良好的Hg回收率和短的樣品測定時間，詳細討論了納米銀抗菌產品中Hg的前處理方法及測定時消除Hg記憶效應的方法。選用微波消解作為樣品前處理的方法，在優化ICP-MS儀器參數后，同時測定了納米銀抗菌產品中 Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Cd、Hg及 Ag元素的含量，為表征納米銀抗菌材料中重金屬及Ag含量提供了快速簡單、高靈敏度的方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

配備四級桿碰撞/反應池iCAP Qc ICP-MS儀（美國賽默飛世爾科技有限公司），PFA-ST Micro-Flow霧化器（美國賽默飛世爾科技有限公司），電子天平（感量0.000 1 g，BT224S，德國賽多利斯公司），MARS微波消解儀（美國CEM公司）；所用器皿均采用HNO3（1+3）溶液浸泡至少24 h，用超純水沖洗干凈，備用。

1.2 實驗試劑

液氬（ωAr＞99.99%），MOS級 HNO3（北京化學試劑研究所），H2O2（優級純，阿拉丁化學試劑公司）。

Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Cd、Ag的混合標準儲備溶液1#（100 mg/L，購于上海市計量測試技術研究院）；Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Cd、Ag的混合標準儲備溶液2#（100 mg/L，購于國家有色金屬及電子材料分析測試中心）。

Hg標準儲備溶液1#（1 000 mg/L，購于北京鋼鐵研究院）；Hg標準儲備液2#（1 000 mg/L，購于美國O2SI公司）。

Li、Co、Y、Tl、Ce和Ba儀器調諧液[1μg/L，HNO3（2%）介質]；Bi、Ge、In、Li、Lu、Rh、Sc、Tb內標元素（100 mg/L，購于賽默飛世爾科技有限公司）。

標準物質：GBW10024扇貝總汞成分分析標準物質、GBW10051豬肝總汞成分分析標準物質和GBW10029魚肉總汞成分分析標準物質（中國計量科學研究院）；0.45μm水相微孔濾膜（上海安譜公司）；校準溶液使用時現配現用；實驗用水為二次去離子水。

1.3 實驗樣品

選取了4種納米抗菌產品作為研究對象。標稱含有納米銀成分的納米銀抗菌廚房洗液、納米銀抗菌凝膠、納米銀抗菌運動襪及納米銀抗菌鼻炎凈均購于附近超市或藥店。

1.4 實驗方法

1.4.1 ICP-MS儀器操作參數

ICP-MS儀器點炬成功后，分析樣品前用1μg/L儀器調諧液調諧儀器，以獲得最佳儀器靈敏度和最小雙電荷數（＜2%）。ICP-MS儀工作條件見表1。

表1 ICP-MS儀器工作條件Table 1 Parameters of ICP-MS

1.4.2 標準溶液配制

對混合標準儲備溶液1#用HNO3（2%）進行逐級稀釋，分別配制0、5、10、50、100μg/L 5個標準點，現配現用；對Hg標準儲備液1#用HCl（2%）進行逐級稀釋，分別配制0、0.5、1、2、5μg/L 5個標準點，現配現用。

1.4.3 樣品前處理

納米銀抗菌凝膠、納米銀抗菌鼻炎凈的前處理：準確稱取0.5 g（精確至0.000 1 g）樣品于微波消解罐中，加入5 m L HNO3和2 m L H2O2（30% ）于聚四氟乙烯消解罐中，裝罐，置于微波消解儀，按表2的步驟進行消解。待樣品消解完畢后，冷卻至室溫，將消解液轉移至25 m L容量瓶內，適量超純水沖洗消解罐壁和消解罐塞，定容，搖勻，同時做試劑空白。相同方法處理標準物質GBW10024扇貝標準物質、GBW10051豬肝及GBW10029魚肉中總汞成分分析標準物質。

納米銀抗菌廚房洗液的前處理：將樣品搖勻后，準確移取5.00 m L納米銀抗菌廚房洗液樣品于消解罐中，加入5 m L HNO3和2 m L H2O2，裝罐，置于微波消解儀，按表2的程序進行消解，待樣品消解完畢后，冷卻至室溫，將消解液轉移至25 m L容量瓶內，適量超純水沖洗消解罐壁和罐塞，定容，搖勻，同時做試劑空白。

納米銀抗菌運動襪的前處理：從紡織品上隨機剪取試樣，剪碎至5 mm×5 mm以下，稱取代表性樣品0.30 g（精確至0.000 1 g）于微波消解罐中，移取5 m L HNO3和2 m L H2O2于消解罐中，裝罐，置于微波消解儀中，按表2的方法進行消解，消解完畢后，冷卻至室溫，轉移至25 m L容量瓶內，適量高純水沖洗消解罐壁和消解罐塞，定容，搖勻，同時做試劑空白。所有樣品上機測定前需采用0.45μm水相微孔濾膜過濾，防止ICP-MS儀霧化器堵塞。

表2 微波消解程序Table 2 Microwave digestionprocedure

1.4.4 樣品測定

待ICP-MS點炬成功穩定后，使用ICP-MS調諧液將儀器狀態調至最佳。使用三通在線加入內標溶液，建立校準曲線。采用混合標準儲備溶液2#分別配制5μg/L（Low-level ICV）、50μg/L（Mid-level ICV）標準樣品，驗證校準曲線準確性，Low-level ICV可接受的范圍是70%～130%，Mid-level ICV樣品可接受的范圍是90%～110%。每次分析10個實際樣品后，測定50μg/L標準溶液驗證標準曲線的準確性、防止ICP-MS儀器漂移。

對于Hg的測定，采用Hg標準儲備溶液2#配制0.5μg/L（Low-level ICV）和1μg/L（Mid-level ICV）標準樣品，驗證校準曲線準確性，Low-level ICV可接受的范圍是70%～130%，Mid-level ICV樣品可接受的范圍是90%～110%。每次分析10個實際樣品后，測定1μg/L標準溶液驗證標準曲線的準確性、防止ICP-MS儀器漂移。

2 結果與討論

2.1 樣品消解方法的選擇

常用的樣品前處理方法有：干灰化法、濕法消解法、微波消解法等[16]。干灰化法易使易揮發元素如Hg、Pb、Cu、Sn、Se損失，從而造成測定結果偏低。敞口濕法消解體系產生大量酸霧，環境不友好，對人體造成危害，空氣中懸浮顆粒物易進入加熱的敞口溶液中，造成樣品玷污，且該方法也可能造成易揮發元素的損失。而微波消解具有密閉高壓的特性，可快速地將待測樣品進行消解，同時將待測元素很好地保留在消解液中。

分別采用微波消解和濕法消解對GBW10024、GBW10051及GBW10029標準物質進行消解，平行消解樣品3次，用ICP-MS法測定樣品。濕法消解樣品的方法參照文獻[17]。實驗結果表明：濕法消解和微波消解均能滿足絕大多數元素的測定。但對于極易揮發元素Hg的測定，微波消解的Hg測定結果接近標準物質的認證值（見圖1），而濕法消解Hg的測定結果遠低于認證值，回收率僅30%～40%。同時，濕法消解需消耗較長的時間。為縮短樣品前處理時間及獲得更準確的Hg測定結果，實驗選用微波消解法作為后續的樣品前處理方法。

圖1 消解方法對Hg回收率的影響Figure 1 The effect of dissolving method on the recovery rate of Hg.

2.2 Hg記憶效應的消除

由于Hg具有很強的記憶效應，易吸附在管道，影響后續測定結果。實驗對ICP-MS法測定Hg2+記憶效應的消除進行了探討。實驗選取超純水、Au（100μg/L）+HCl（2%）、Au（100μg/L）、HCl（2%）和HNO3（5%）作為沖洗溶液，考察其沖洗進樣系統的效果。在引入5μg/L的Hg2+標準溶液后，分別采用上述溶液對ICP-MS進樣系統進行清洗，并對202Hg信號值實時監測，得到的實驗結果如圖2所示。由圖2可知，單獨采用超純水和HNO3（5%）清洗時，202Hg信號值最強，清洗效率低，短時間內較難有效地沖洗掉進樣系統中殘留的Hg2+。采用 Au（100μg/L）+HCl（2%）、Au（100μg/L）、HCl（2%）清洗時，在30 s內基本能去除ICP-MS進樣系統中的殘留Hg2+，相比之下，Au（100μg/L）+HCl（2%）的清洗效果最好，在1 min內202Hg的信號值基本已接近基線值，說明此時進樣系統中殘留的汞基本已清洗干凈。

圖2 Hg記憶效應消除圖Figure 2 Eliminating memory effect of Hg.

2.3 內標元素的選擇

內標的作用在于校正響應信號的變化。其中響應信號的變化包括：基體效應、傳輸效應、霧化效應、電離效應、空間電荷效應、儀器漂移。其工作原理是假設分析元素與內標元素在等離子體中的行為相似。因此，選定適合的內標元素尤為重要。內標元素的選擇應該考慮樣品溶液中幾乎不含的元素，內標元素與待測元素質量接近，內標元素電離電位與待測元素相近等因素。綜上所述，待測元素同位素52Cr、55Mn、57Fe、59Co、60Ni以45Sc為內標，65Cu、66Zn、75As以72Ge為內標，107Ag、111Cd以103Rh為內標，208Pb、202Hg以209Bi為內標。實驗中進樣時使用三通在線加入1 mg/L內標混合溶液，由于內標管的內徑約為進樣管內徑1/20，因此內標元素在樣品內的濃度約50μg/L，使得加入內標的濃度在校準曲線的中間范圍。

2.4 積分時間的選擇

由于75As、202Hg這兩種元素第一電離能較高，在ICP-MS中這兩種元素的靈敏度較低，故應選擇較長的積分時間：1 s，而其它元素選擇0.3 s為積分時間。

2.5 干擾消除

ICP-MS的非質譜干擾主要來源于樣品的基體，包括總固體溶解量、高質量元素影響低質量元素的信號（空間電荷效應）和有限的電離能被易電離元素如Na和K所消耗等。可采用稀釋樣品、內標法、標準加入法和基體消除法等方法來消除非質譜干擾。

在ICP-MS質譜干擾分析中，干擾大多數來源于等離子體中產生的分子（或多原子）離子與待測元素的質量相同而發生質譜重疊。對于通常的環境基質樣品，幾乎每種元素都存在多種多原子干擾問題[18]。表3列出了ICP-MS法分析中待測元素中可能存在的多原子干擾。采用四級桿碰撞反應池模式，多原子離子對待測元素的干擾被有效減少。在He模式下，采用多原子（干擾）和單原子（分析物）離子之間的大小差別達到消除多原子干擾的目的，通過多原子離子與He的碰撞來減少多原子離子的干擾。因此可不使用干擾校正方程。應用屏蔽炬技術，能確保進入碰撞池的離子能量擴散很窄（1 eV），屏蔽炬的物理接地原理提供了更好的初始離子能量控制。將屏蔽炬接口技術與八極桿碰撞池技術緊密相結合起來可有效地降低多原子對待測元素的干擾。

在無碰撞氣體模式中，待測元素質譜干擾較為復雜，除同位素107Ag、202Hg、208Pb只存在輕微干擾可忽略外（干擾金屬元素在樣品中含量極低），其它待測元素均存在潛在質譜干擾，見表3。應用氦碰撞模式可減少存在的多原子對待測同位素52Cr、55Mn、57Fe、59Co、60Ni、65Cu、66Zn、75As的干擾。

表3 待測元素可能存在的多原子干擾Table 3 Potential polyatomic interferences on measured elements

2.6 標準曲線和方法檢出限

由于待測樣品中重金屬含量較低，因此選擇0～100μg/L混合標準溶液和0～5μg/L Hg標準溶液繪制標準曲線，保證所建立校準曲線相關系數R2＞0.999。對試劑空白進行11次測定，以待測元素響應值的3倍標準偏差除以標準曲線斜率，即可得該元素的方法檢出限。表4列出了本方法的待測元素校準曲線參數及方法檢出限。

表4 待測元素校準曲線參數及方法檢出限Table 4 Parameters of calibration curve and method detection limits

2.7 回收率實驗

為了驗證方法的準確性，選取4種典型納米銀抗菌材料[a：抗菌鼻炎凈（antibacterial nasal spray），b：抗 菌 廚 房 洗 液 （antibacterial kitchen cleansing spray），c：抗菌凝膠（antibacterial gel），d：抗菌運動襪（antibacterial socks）]進行加標回收實驗。結果見表5，絕大多數待測元素加標回收率在95.0%～105%，說明方法能夠滿足這4種納米抗菌材料的待測元素的分析檢測要求。

表5 方法的加標回收率Table 5 Recoveries test of this method(n=3) /(μg·L-1)

2.8 實際樣品測定及精密度實驗

平行稱量3份樣品，按實驗方法對市售4種納米銀抗菌材料[a：抗菌鼻炎凈（antibacterial nasal spray），b：抗 菌 廚 房 洗 液 （antibacterial kitchen cleansing spray），c：抗菌凝膠（antibacterial gel），d：抗菌運動襪（antibacterial socks）]進行消解并測定。根據平行樣的測定結果，計算對應樣品的平均值及相對標準偏差（RSD）。由結果可知，方法的相對標準偏差（RSD）在0.33%～13.2%，由于部分待測元素含量較低，RSD值偏高。方法具有較好的精密度，適合于大批量樣品測定。由于ICP-MS靈敏度極高，采用ICP-MS法可很好地表征納米抗菌產品中銀的總量。測定結果見表6。

3 結論

采用電感耦合等離子體質譜法同時測定了4種納米銀抗菌產品中銀總量及11種雜質元素，方法快速簡單、靈敏度高、抗干擾強，為納米銀抗菌產品中金屬元素的風險評估提供可靠的分析方法。選取Au（100μg/L）+HCl（2%）體系作為測定 Hg元素沖洗溶液，能夠在短時間內（30 s）將Hg記憶效應降至最低，有效地縮短了測定樣品中Hg的時間。采用微波消解法處理樣品具有試樣分解快速徹底、待測元素回收率高、試劑消耗少、空白值低等特性。該方法只能提供納米抗菌材料中銀總量的表征方法，對于納米抗菌材料的銀存在的形式（如納米銀形態、銀離子、硫化銀或氧化銀），還需與其它的表征方 法相互驗證。

表6 實際樣品的測定及方法的精密度Table 6 Real samples detection and their reproducibility(n=3) /(μg·g-1)

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