四种不同仪器对牙体中无机元素分析的比较

石碧 综述 陈黎明 审校

(1.遵义医学院，贵州 遵义 563003；2.贵阳市口腔医院，贵州 贵阳 550001)



四种不同仪器对牙体中无机元素分析的比较

石碧1,2综述 陈黎明2△审校

(1.遵义医学院，贵州 遵义 563003；2.贵阳市口腔医院，贵州 贵阳 550001)

电感耦合等离子体原子发射光谱法； 电子探针； 飞行时间二次离子质谱仪； 离子选择电极

牙体的硬组织包括牙釉质、牙本质和牙骨质，其中牙釉质和牙本质的无机物主要是由磷灰石晶体构成，晶体中的无机元素除了含有大量Ca、P等主要元素之外，还含有B、Ba、Li、Mg、Fe、Se、F等微量元素[1]，它们以取代的方式存在于牙体硬组织的磷灰石晶体之中，或吸附于磷灰石晶体表面，或以非磷灰石相存在[2]。1983年 A.W.Crawford[3]在研究中表明这些微量元素的含量与分布对牙体硬组织疾病的发生有一定的影响。其中B、Ba、Li、Mg、Mo、F和Sr具有一定的耐龋潜能，而Fe、Zn、Se、Mn和Pb等可以使釉质对龋更加敏感[1]。因此通过对牙体中无机元素的分析与测定对牙体硬组织疾病的发病机制及防治具有一定指导意义。目前广泛用于测定牙体中无机元素的方法有光谱分析法，能谱分析法和电化学分析法，本文就这三大类分析法中具有代表性的电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)，电子探针分析法(EPMA)，飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)和离子选择电极(ISE)四种方法进行了总结，为简洁，准确的测定牙体硬组织中的无机元素提供借鉴。

1 电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)

1.1 ICP-AES的基本原理 是以电感耦合等离子矩为激发光源的光谱分析方法，ICP焰内焰区在焰心区上方为半透明状，淡蓝色，温度可达6 000～8 000 K，分析时试样被氩气带入焰矩后，试样中不同元素的原子在内焰区和焰心区被电离、激发，以光的形式发射出不同波长的特征光谱，根据发射出的光谱波长不同即可对元素进行定性分析；用特征光谱的强弱与标样相比较，可对样品中的各种元素含量进行定量分析。

1.2 ICP-AES方法的优缺点 优势:(1)分析高效、快速、范围广，能一次同时读出多达几十种被测元素的特征光谱，并对其进行定量和定性分析，除固态样品外，还可以对液态及气态样品直接进行分析；(2)灵敏度高，若富集处理测定，相对灵敏度可达10～9级[4]；(3)准确度和精密度高，检出限好，通常为0.1～100 ng/mL，当试样浓度>100倍检出限时，相对标准偏差小于1%[5]。缺点：(1)存在光谱干扰问题，检测时需要选择合适的校正方法[5]；(2)测定某些非金属元素时，不具备优势，检出灵敏度较差；(3)不能够对样品进行形态学方面的分析。

1.3 ICP-AES方法的应用 ICP-AES法目前已广泛应用于机械、地质、有机物和生化样品等，在牙体中对无机元素的测定也在国内外应用广泛。李子夏[6]等通过ICP-AES测定健康牙和龋齿中的Zn、Fe、Cu、Sr、Mg、Al、Sr和Pb等元素；Meral Arslan Malkoc[7]通过ICP-AES法测定激光、酸蚀对牙体矿物含量的影响，得出激光，酸蚀对牙体中的Ca、P、Na和Ca/P水平无统计学意义，而Mg和K有统计学意义；Sousa SMG, Silva TL[8]使用 ICP-AES法收集经EDTA、EGTA、CDTA和柠檬酸脱矿后提取的根管内Ca2+含量。

2 电子探针X射线显微分析仪(EPMA)

2.1 EPMA的基本原理 该仪器以1 Pm的细聚焦电子束作为激发源，激发样品表面微小区域内元素的特征X射线并收集。根据收集到的特征X射线的不同强度与标准样品比较，计数得出样品组分含量。

2.2 EPMA的优缺点 优势：(1)可进行微区分析：最小范围直径为1 μm左右；(2)分析范围广、准确度高：除了H，He等较轻的元素外，其他元素均可以被分析，相对误差控制在1-2%以内；(3)非破坏性分析，且可批量分析多个预置位点；(4)分析镀层表面样品形态无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察。缺点：(1)只能测定固态样品，对液态和气态样品无法测定；(2)是微区分析而不是微量分析，对于样品中含量低于100 ppm级的元素检出的准确性较低。

2.3 EPMA的应用 在冶金、地质、电子材料、生物、医学及考古等领域中得到日益广泛地应用，是矿物测试分析和样品成分分析的重要工具。除此之外，EPMA已经是用于测定牙体硬组织中微量矿物质成分含量及变化的一种成熟检测方法[9-10]。张颖丽等[11]已在1999使用EPMA测定正常恒牙根部的氟含量；Ana Cristina Bezerra[12]等为比较使用不同玻璃离子修复的氟化水平应用EPMA测定牙釉质和靠近修复体的牙本质中的Ca、P和F等离子的浓度。

3 飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)

3.1 TOF-SIMS的基本原理 通过用带有几千伏能量的一次离子束高速激发样品表面，经过物理相互作用在撞击区域产生带正电荷和负电荷的碎片离子，这些带电荷的离子被称为二次离子，根据二次离子因不同的质量而飞行到探测器的时间不同来测定离子质量。能够被收集到的二次离子均来自于样品的最表面，因此所收集到的样品信息也仅限于样品的最表层。这就决定了TOF-SIMS是一种对表面灵敏的质谱技术[13]。

3.2 TOF-SIMS的优缺点 优点：(1)样品制备简单，无需提纯，用量少[14]；(2)可检测包含H在内的元素及同位素；(3)表面灵敏度高[15]，检出限好，可以检测到1 ppm级乃至更低的浓度；(4)优质的质量分辨率(约8 000 u)[16]；(5)离子利用率高：可以不破坏样品经过一次离子束激发表面即可获得全谱。缺点：(1)定性分析优于定量分析，TOF-SIMS的定量分析多为半定量分析；(2)谱图数据分析困难：一是对未知样品的结构分析困难，二是谱图分析时必须对样品表面的主要成分有一定的了解[13]。

3.3 TOF-SIMS的应用:TOF-SIMS当今已发展为一种成熟且完善的表面分析技术[15-17]，广泛应用于生物材料和生命科学研究中。M.E.Dickinson[18]等使用TOF-SIMS对体外牙釉质龋进行研究；M.Okazki[19]在研究中使用TOF-SIMS清楚的显示了氟磷灰石晶体中的氟；同样使用TOF-SIMS技术，Gotliv[20]发现牛管周牙本质富含Ca、Na、Mg和K，去蛋白化后管周牙本质Mg、K含量下降，由此推断Mg和K主要与管周牙本质的有机基质相关，而Na与管周牙本质的矿物质相关。

4 离子选择电极(ISE)

4.1 ISE的基本原理 ISE法是电化学分析法中的一种。它是将溶液中待测离子的活度利用电极尖端的感应膜转化成一定的电位，其电位与该离子的活度的对数具有线性关系，通过与已知离子浓度的溶液比较可求得未知溶液的离子活度[21]。

4.2 ISE的优缺点 优点：(1)使用方法简洁、价廉，应用范围广；(2)测定结果不受试剂颜色、浑浊程度等的影响；(3)分析速度快、灵敏度高，可达到10-5～10-8mmol/L。缺点：(1)破坏性分析，不能保存固体样品的完整性；(2)需要配置标样，绘制标准曲线，所测结果不是直接的离子浓度，需要换算；(3)可能存在离子干扰问题；(4)测定时溶液的pH值对结果有较大的影响，所以要求测定时标准溶液和样品有相同的pH值[21]。

4.3 ISE的应用 ISE多用于测定氟离子，常称为氟离子选择电极(FISE)，对PH和氟离子的测定所采用的离子选择电极法已被定为标准方法，水质自动连续监测系统中，有10多个项目均采用ISE法。FISE法也已用于蔬菜、水果、茶叶、蚕桑、药材、电镀废水、豆类、饲料、牙膏、人血、猪肉、碘盐、空气和煤等[21]；韩天龙、王敏[22]利用FISE法测定了工业氟污染区小尾寒羊牙氟及骨氟含量,结果表明实验组牙齿和骨骼中的氟含量明显高于对照组。

5 总 结

以上各种方法目前都普遍应用于牙体硬组织中无机元素的测定，但分析优势各有不同。ICP-AES和TOF-SIMS可同时对多种元素进行定性和定量分析，分析快速、简便，直接放入待测样品后通过计算机操作即可读取结果，但TOF-SIMS的定性分析较定量分析功能更具优势。单纯定量分析多用EPMA和ISE，前者操作简单，对于不同样品的校准标样可先录入系统并随时取用，在分析过程中几乎同步获得结果，而ISE常侧重于对样品中氟含量的测定，实验准备过程相比EPMA较为繁琐，需要配制标样及绘制标准曲线，且实验结果需要人工进一步换算。对于微区分析常用EPMA和TOF-SIMS，不破坏样品形态且可以在检测过程中观察到样品的表面形貌；而ICP-AES和ISE属于破坏性分析，对于固态样品常需要研磨湿化消解，故对样品形貌方面的观察并不能实现，需要与其他实验技术结合运用，如扫描电子显微镜等。

随着分析仪器的更新换代，分析技术精确度及灵敏度的不断提高，在未来对牙体组织疾病的各项研究中，研究内容已不在局限于仅描述成分、含量变化或形态结构的观察，将逐渐形成多种仪器联合运用的分析技术链接体系，各仪器充分发挥各自优势、取长补短，实现从含量的测定到元素分布状态的研究，再到形貌结构的观察环环相扣、相互衔接的一体化科研方式，为研究牙体组织疾病的发病机制和防治的工作建立充分的技术支持和可靠保证。

[1] 于世凤，口腔组织病理学[M]. 北京：人民卫生出版社，2012：47.

[2] 简晓岚，杨婧，赵玮.牙本质龋中化学成分的电子探针微区分析[J].临床口腔医学杂志，2014,30(8)：474-476.

[3] Crawford AW.Conentnation changes in Surpace Ca,P,Zn,Fe,and Sr during white tpot[J].Dent Res,1983,63:964.

[4] 王建复,赵佳.电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)的研究进展[J].中国科技博览,2013,(28):324.

[5] 隋欣,吴海铭,王宝辉,等.ICP-AES应用进展及展望[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版,2014,1:25-27.

[6] 李子夏，贺茂勇.电感耦合等离子体-原子发射光谱法测定龋齿中微量元素[J].光谱实验室2010,27(1):116-119.

[7] Meral Arslan Malkoc.Effects of laser and acid etching and air abrasion on mineral content of dentin[J].Lasers in Medical Science,2011,26(1):21-27.

[8] Sousa SMG, Silva TL. Demineralization effect of EDTA, EGTA, CDTA and citric acid on root dentin: a comparative study[J]. Braz Oral Res,2005，19(3):188-192.

[9] Knight GM，McIntyre JM，Craig GG，et al.Electron probe microanalysis of ion exchange of selected elements between dentine and adhesive restorative materials[J].Australian Dental Journal,2007,52(2):128-132.

[10] Akiba N,Sasano Y,Suzuki O,et al.Characterization of Dentin Formed in Transplanted Rat Molars by Electron Probe Microanalysis[J].Calcified Tissue International,2006,78(3):143-151.

[11] 张颖丽,毕文翔,孙淑芬,等.正常恒牙根部氟含量电子探针分析[J].白求恩医科大学学报，1999,25(2)：175-176.

[12] Ana Cristina Bezerra.Ion concentration adjacent to glass-ionomer restorations in primary molars [J].Dental Materials,2012,28(11):259-263.

[13] 孙立民.飞行时间二次离子质谱在生物材料和生命科学中的应用(上)[J].质谱学报,2012,33(1):55-64.

[14] Sole-donench S,Johansson B,Schalling M,et al.Analysis of opioid and amyloid peptides using time-of-flight secondary ion mass spectrometry [J].Analytical Chemistry ,2010,82(5):1964-1974.

[15] 阿尔弗来德·贝宁豪文,查良镇.飞行时间二次离子质谱-强有力的表面、界面和薄膜分析手段[J].真空,2002,10(5)：1-10.

[16] 孙立民.飞行时间二次离子质谱在生物材料和生命科学中的应用(下)[J].质谱学报,2014,35(5):385-396.

[17] Malmberg P,Bexell U,Eriksson C,et al.Analysis of bone minerals by time-of-flight secondary ion mass spectrometry: a comparative study using monoatomic and cluster ions sources[J].Rapid Communications in Mass Spectrometry,2007,21(5):745-749.

[18] Dickinson ME,Wolf KV,Mann AB.Nanomechanical and chemical characterization of incipient in vitro carious lesions in human dental enamel.[J]Archives of Oral Biology，2007,52(8)：753-760.

[19] Okazaki M, Hiratai I, Matsumoto T,et al.Advantages of TOF-SIMS Analysis of Hydroxyapatite and Fluorapatite in Comparison with XRD,HR-TEM and FT-IR [J].Dental Materials Journal,2005,24 (4) : 508-514.

[20] Bat-Ami Gotliv, Joshua S. Robach Arthur Veis. The composition and structure of bovine peritubular dentin: Mapping by time of flight secondary ion mass spectroscopy[J]. Journal of Structural Biology,2006,156:320-333.

[21] 秦宗会,谢兵,刘艳.氟含量测定方法综述[J].中国西部科技,2010,9(21):1-5.

[22] 韩天龙,王敏.工业氟污染对小尾寒羊牙齿和骨骼中氟含量的影响[J].中国畜牧兽医,2010,37(10):226-228.

国家自然科学基金项目(项目号81341110)；贵州省科技合作计划项目[黔科合LH字(2014)7565号]；贵阳市社会发展与民生科技计划[筑科合同(2013103)13号]；贵阳市人才创新创业资助项目[筑人才办合同字(2014)13号]

R780.2

B

1000-744X(2016)03-0314-03

2015-11-02)

△通信作者，E-mail：15180711430@163.com