电感耦合等离子体质谱法测定血液中14种微量元素

2017-05-10展向娟张智平冯玉怀

理化检验-化学分册 2017年2期

关键词：硝酸等离子体电感

展向娟, 张智平, 冯玉怀

(1. 西安石油大学化学化工学院, 西安 710065;2. 西安西北有色地质研究院有限公司西安市微量元素检验所, 西安 710054)

电感耦合等离子体质谱法测定血液中14种微量元素

展向娟1,2, 张智平1, 冯玉怀2

(1. 西安石油大学化学化工学院, 西安 710065;2. 西安西北有色地质研究院有限公司西安市微量元素检验所, 西安 710054)

微量元素在人体中的含量及代谢与人体健康有着密切的关系。当人们体内进行各种生理活动或者参加外界运动时,微量元素将起到不同的功效,摄入的量过多、不足或不平衡都会不同程度地引起人体生理的异常或疾病的发生[1-2]。在患者未出现临床症状之前,在血液、尿液、活体组织(如毛发、指甲等)中可发现一些微量元素及代谢衍生物的变化。目前一些医疗机构通过检测头发或者血液中的微量元素,来判断受检者体内微量元素含量是否正常。

血液中微量元素含量可直接反映人体健康的状况。血液样品中微量元素含量低,可获得样品量一般较少,因此发展可用于血样中微量元素的高灵敏度、高准确度测定方法显得尤为关键。测定血液中微量元素含量的方法很多,主要有原子吸收光谱法(AAS)[3-4]、原子荧光光谱法(AFS)[5]、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[6-7]和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[8-12]等。

电感耦合等离子体质谱法是近几年发展起来的分析技术。该技术的特点有:灵敏度高,检出限低;动态线性范围宽,可达7～9个数量级;测定速率快、可多元素同时测定,在几分钟内可完成几十个元素的定量测定;谱线简单,干扰相对于光谱技术要少;样品的制备和引入相对于其他分析技术简单;测定值的相对标准偏差(RSD)可达到0.1%。目前该技术已经广泛地应用于食品[13]、环境[14]、医药[15-16]、农业土壤[17]等科学研究中。随着医学微量元素多元素同时快速测定的需求,需要有能用于测定血液、尿液等生物样品中多元素的电感耦合等离子体质谱分析方法。

引入ICP-MS的血液前处理方式主要有湿法消解[8-9]和直接稀释[10-12]。湿法消解又主要分为电热板消解和微波消解:电热板消解敞开体系高温下一些元素易挥发损失、易受外源污染;微波消解相对较好,但操作繁琐,不适合批量样品测定。稀释法简单易操作,所用试剂少,引入试剂空白少,但易产生较大的基体效应。目前血液稀释法一般是采用硝酸溶液与Triton X-100(C34H62O11)[10]混合溶液或氨水与Triton X-100混合溶液[18]等。

本工作通过选择直接用ICP-MS进行多元素同时测定的血液样品稀释剂,优化电感耦合等离子体质谱技术的操作参数,对试验条件进行系统优化、筛选,尽可能减小直接稀释血液在测定时的基体干扰,建立用于血液样品中微量元素的快速准确测定方法。

1 试验部分

1．1 仪器与试剂

Agilent 7700x型电感耦合等离子体质谱仪。

稀释剂:0.1%(体积分数,下同)硝酸-2%(体积分数,下同)乙醇混合溶液。

铬、锰、钴、镍、铜、锌、锗、镉、铊、铅的混合标准溶液:10 mg·L-1,用0.1%硝酸-2%乙醇混合溶液稀释至1,5,10,50,100 μg·L-1。

碘标准储备溶液:1 000 mg·L-1,使用时用0.1%硝酸-2%乙醇混合溶液逐级稀释至1,5,10,50,100 μg·L-1。

汞标准溶液:10 mg·L-1,使用时用0.1%硝酸-2%乙醇混合溶液稀释至1,5,10,50,100 μg·L-1。

砷、硒混合标准溶液:由1 000 mg·L-1标准储备溶液逐级稀释至1,5,10,50,100 μg·L-1,介质为0.1%硝酸-2%乙醇混合溶液。

在线内标溶液(铑):10 mg·L-1,以5%硝酸溶液为介质稀释至10 μg·L-1。

质谱调谐液(铈、钴、锂、镁、铊、钇):1 μg·L-1。

硝酸为金属-氧化物-半导体电路专用的特纯试剂;无水乙醇为分析纯;试验用水为超纯水。

1．2 仪器工作条件

等离子体功率1 550 W,采样深度7 mm,冷却气流量13 L·min-1,辅助气流量1.05 L·min-1,稀释气流量0.20 L·min-1,雾化气流量(氩气) 0.86 L·min-1,预混室温度2 ℃,接口镍锥,扫描方式为跳峰,质量通道数3。碰撞反应池模式,碰撞气为氦气,流量2.0 L·min-1。反应池入口电压-50 V,反应池出口电压-40 V,四极杆偏转电压-13 V,八极杆偏转电压-18 V。

1．3 试验方法

移取样品100 μL于10 mL比色管中,用稀释剂定容至5 mL,摇匀后按仪器工作条件进行测定(开机后,待仪器真空度达到要求,用调谐液优化仪器各参数,按优化后的仪器工作条件依次测定空白溶液、标准系列及样品)。

2 结果与讨论

2．1 稀释剂及其配比的选择

质谱多元素测定时以硝酸为介质优于以氨水为介质。硝酸可以溶解大多数金属及样品中的痕量元素,形成溶解度很高的硝酸盐,并且等离子体所夹带的空气中已有硝酸的组成元素,所以加入硝酸后,由氢气、氮气和氧气形成的一些多原子离子并没有显著增加,几乎不产生任何谱图干扰。试验发现体积分数过高(0.2%以上)的硝酸溶液会使蛋白沉淀,导致测定时蠕动泵管上样品附着,所以试验选用0.1%硝酸溶液,稀释后效果好。

有机溶剂可以改善血液样品与标准溶液之间的基体匹配,提高砷、硒等元素的测定灵敏度。文献[7]考察了甲醇、异丙醇、正丁醇、丁二醇等有机溶剂对质谱测定的影响,结果表明不同有机溶剂对大多数元素影响趋势大概方向一致。文献[19]提出适量乙醇可以增强砷、硒等元素质谱测定强度,并能减少基体效应的影响。考虑到大批量样品测定时,试剂应简单易获得且对工作环境及人员无毒害,试验选取乙醇作为碳补偿剂。不同体积分数的乙醇对砷、硒及其他元素信号响应的影响见图1。

曲线1～14所对应的元素依次为Se,As,Zn,Ni,Cu,Cd,Pb,Mn,Cr,Ge,Co,Tl,I,Hg图1 不同体积分数的乙醇对砷、硒及其他元素信号响应的影响Fig. 1 Effect of ethanol of different volume fraction on the signal response of As, Se and other elements

由图1可知:同质量浓度的砷、硒标准溶液在体积分数为4%的乙醇溶液中获得最高信号,但其他元素信号响应均较低;在2%乙醇溶液中获得较高信号,但该乙醇溶液对其他元素的抑制相对较小。试验选用2%乙醇溶液作为碳补偿剂。试验采用0.1%硝酸-2%乙醇混合溶液作为稀释剂。

2．2 仪器工作条件的选择

2．2．1 主要参数、测定模式及氦气大小

电感耦合等离子体质谱条件优化以灵敏度、氧化物和双电荷产率为考察指标。通过仪器设置的自动调谐程序,用1 μg·L-1质谱调谐溶液优化仪器参数,同时考虑铬、砷、硒等元素测定过程中存在的质谱干扰,需要在碰撞反应池模式下进行测定,仪器电压参数也需调节,优化后的工作参数见1.2节。

八极杆碰撞/反应池通常可采用正常模式、氦气模式,其中氦气模式主要用于消除质谱中的分子离子干扰。考虑到试验所分析样品及元素,主要存在43Ca16O对59Co、44Ca16O对60Ni、23Na40Ar对63Cu、40Ar35Cl对75As、40Ar38Ar对78Se等的质谱干扰,利用本仪器的特征优势-碰撞反应池的工作方式,通过调节氦气大小可以有效消除或降低干扰,提高检测灵敏度和准确度。试验选用氦气流量为2.0 L·min-1。

试验中需测定元素含量均较低,故选择较小的稀释倍数,ICP-MS长时间测定过程中容易因血液样品基质沉积于样品锥或透镜上,从而导致信号漂移,利用本仪器可采用气溶胶稀释的原理,通过调节稀释气流量的大小,进样约20 min,观察仪器信号响应及稳定性,发现稀释气流量为0.20 L·min-1时,测定信号稳定性好。试验选择稀释气流量为0.20 L·min-1。

2．2．2 测定元素同位素

测定元素同位素的选择,以测定同位素的最大丰度值为原则,避免选用多原子干扰和同量异位素重叠[5]。通过测定实际样品并对照数据分析,试验选定元素的同位素为52Cr、55Mn、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、72Ge、75As、82Se、111Cd、127I、202Hg、205Tl、208Pb。

2．2．3 内标元素

直接稀释测定血样有较大的基体效应,基体效应会对待测元素产生抑制作用,内标元素能有效地监控和校正分析信号的短期和长期漂移,并对基体效应具有明显的补偿作用。试验采用10 μg·L-1103Rh溶液作为内标,在线加入,较好地控制仪器波动产生的干扰,使各元素的测定结果稳定。

2．3 标准曲线及检出限

按仪器工作条件测定标准溶液系列,结果表明:14种元素的质量浓度均在100 μg·L-1内与其信号响应强度呈线性关系,线性回归方程和相关系数见表1。

对试剂空白测定11次,计算检出限(3s/k)和测定下限(10s/k),结果见表1。

表1 线性参数、检出限及测定下限Tab. 1 Linearity parameters, detection limits and lower limits of determination

2．4 精密度和回收试验

取同一血液样品按试验方法稀释两份,在其中一份中加入标准溶液进行测定,平行测定6次,结果见表2,其中“-”为未检出。

表2 精密度和回收试验结果(n=6)Tab. 2 Results of tests for precision and recovery

结果表明:14种元素的加标回收率在90.1%～108%之间,系统误差较小,符合血液样品分析要求。

本工作建立了直接稀释法ICP-MS测定血液中14种元素的方法。通过加入0.1%硝酸-2%乙醇混合溶液稀释样品,优化碰撞反应池氦气及稀释气流量,采用电感耦合等离子体质谱法直接测定血液样品中铬、锰、钴、镍、铜、锌、锗、砷、硒、镉、碘、汞、铊、铅等14种微量元素的含量。该方法所用试剂简单、用量少,灵敏度高、精密度好,结果准确、可靠,适合批量血液样品中14种元素的同时测定。

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