单颗粒-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法表征纳米抗菌商品中纳米银颗粒粒径分布

杨 远 李 晟 邓凯云 龚震宇 邓飞跃

(1湖南农业大学 资源环境学院，长沙410128；2长沙环境保护职业技术学院环境监测系，长沙 410004；3中南大学 化学化工学院，长沙 410083)

引 言

纳米科技的迅速发展为纳米材料开拓了广阔的市场空间，巨大的市场驱动着各种新型纳米材料投入生产并使用。据有关调查数据表明，2011-2015年纳米商品的全球市场可达1 000亿美元/a，纳米技术被誉为21世纪经济发展的主要驱动力，其在生物医药、化学化工、环境、能源、信息、航空航天及日用化工方面均具有广泛的应用[1]。据报道，目前市场中大约存在着1 800种商品级纳米材料，常见的纳米材料有纳米二氧化钛(TiO2NPs)、纳米二氧化硅(SiO2NPs)、纳米氧化锌(ZnONPs)及纳米金(AuNPs)、纳米银(AgNPs)等[2]。其中，纳米银材料因其优异的抗菌性能被广泛应用于化妆品、医药、食品包装材料等领域。然而，随着AgNPs使用量的增加，其向环境的排放已被诸多研究证实，使之成为一种新兴污染物，这引发了科学界对其生态负面影响的广泛关注[3]。

通过文献调研，仅有有限的研究报道了纳米银颗粒及其释放出的银离子毒性。为评估工程纳米材料对环境的潜在生态风险，就需了解其环境污染特征与生态毒理学效应。然而，由于缺乏可靠的分析方法，AgNPs的环境监测数据现在还非常缺乏。因此，建立一种准确可信的复杂基质中AgNPs的定性和定量分析方法，以研究其毒性效应具有重要意义。

目前，纳米材料的新兴表征法主要有浊点萃取及电感耦合等离子体质谱联用(CPE-ICP-MS)法、场流分离及ICP-MS联用(FFF-ICP-MS)法、流动色谱及ICP-MS联用(HDC-ICP-MS)法以及单颗粒ICP-MS法等[4]。其中，CPE-ICP-MS被认为是一种有效区分Ag纳米粒子和Ag+组分的方法，AgNPs通过浊点萃取后采用微波进行消解，然后通过ICP-MS进行测定，Ag+浓度由总Ag浓度与Ag纳米粒子浓度之差所得，但该方法相对复杂，所耗时间较长，不适合纳米Ag组分的分离检测[5-6]。FFF-ICP-MS联用技术能够对粒径为2～1 000 nm的大分子、胶体和工程纳米材料进行分离，而且许多文献报道了采用FFF-ICP-MS联用技术表征Ag纳米粒子，证明了其应用潜力。然而，尽管纳米颗粒能够通过粒度进行分离，但是对于低分子量的检测，如Ag+的测定，FFF技术分离效果不佳，明显限制了FFF-ICP-MS技术对于工程纳米材料的分离检测[7]。HDC-ICP-MS是另一种分离工程纳米粒子的方法，Tiede等报道了HDC-ICP-MS法测定污水污泥中的纳米银，指出HDC-ICP-MS联用技术在测定环境中纳米Ag粒子是一种值得信赖的方法。然而，同FFF技术相比，HDC色谱在分离不同粒度的纳米粒子，分辨率较差[8]。相比之下，SP-ICP-MS技术由于具有高选择性、高灵敏度和多元素同时测定等优势，特别适合纳米材料的表征分析，在测定金属工程纳米材料领域中被普遍认为是值得信赖的分析工具。SP-ICP-MS技术在分析溶解性Ag+和AgNPs时，得到了青睐，这种技术不需要任何分离装置，直接将样品导入ICP-MS中，时间分辨光谱以停留时间的方式(通常为5～10 ms)记录。能够从这种光谱中获得多种信息，峰值信号的频率与样品中存在的纳米粒子数量相关，其粒度检出限为20 nm，背景信号则包括溶解Ag(I)、仪器噪音和粒度小于20 nm的纳米粒子[9-12]。同FFF-ICP-MS等技术相比，SP-ICP-MS能够获得较好检出限，具有广阔的应用前景。

以上所提到的技术在分析AgNPs、Ag+及其相关组分的研究中均具有较高的潜力。本实验的研究目的是基于SP-ICP-MS技术，建立了复杂基质的纳米抗菌商品中AgNPs粒径分布的灵敏度高、选择性好的分析方法。

1 实验部分

1.1 主要实验仪器

Agilent 7700x ICP-MS(美国安捷伦公司)，配备Micromist雾化器(美国安捷伦公司)，电子天平(感量0.000 1 g，上海舜宇仪器有限公司)，微波消解仪(上海新仪公司)；超纯水仪(成都优普仪器有限公司，电阻率>18.2MΩ·cm)。

1.2 实验试剂

高纯氩气(纯度>99.99%)，HNO3(优级纯，上海国药集团化学试剂有限公司)，H2O2(优级纯，上海国药集团化学试剂有限公司)，Ag离子标准储备溶液(1 000 mg/L，北京钢铁研究院)，30、50和80 nm AgNPs标准悬浊液购于nano Composix公司(圣迭哥，CA，美国)，其理论粒径分别为(32.3±3.2) nm、(953.4±4.40) nm和(79.0±8.7) nm，AgNPs质量浓度为20 mg/L；购于BBI公司的60 nm AuNPs标准悬浊液(Cardiff，英国，质量浓度，50 mg/L，纳米颗粒浓度：2.6×1010particles/mL)用于测定ICP-MS的传输效率。生产厂家提供的TEM报告已证明AgNPs和AuNPs的多分散性和纳米颗粒的近似球状。1 μg/L的Li、Co、Y、Tl、Ce和Ba仪器调谐液购于安捷伦公司(美国，2%v/vHNO3介质)。所用器皿均采用HNO3(1+3)溶液浸泡至少24 h以上，使用之前采用超纯水冲洗干净，备用。

1.3 样品采集

选取3种含纳米银成分的纳米银抗菌商品(纳米银抗菌厨房洗液、纳米银抗菌运动袜和纳米银抗菌鼻炎净)为研究对象，该3种商品均购于互联网。

1.4 实验方法

1.4.1 ICP-MS仪器操作条件

待ICP-MS点火炬稳定30 min后，采用调谐液对仪器进行调谐，使ICP-MS仪器获得最佳的测定状态。ICP-MS的单颗粒模式下测定参数如表1所示。

表1 单颗粒-ICP-MS的仪器操作参数

1.4.2 标准溶液的配制

1.4.2.1 单颗粒-ICP-MS测定模式

1)Ag离子标准溶液的配制：对Ag离子标准溶液采用HNO3(1% )进行稀释，分别配制0、0.5、1.0、2.0、5.0 μg/L 5个标准点。此过程用于测定ICP-MS法的Ag灵敏度。2)ICP-MS传输效率的测定：使用超纯水将60 nm AuNPs标准溶液(50 mg/L)稀释至60 nm AuNPs标准工作溶液(50 ng/L)，并在SP-ICP-MS模式下采集其数据。

1.4.2.2 Ag总量测定模式

Ag离子标准溶液的配制：对Ag离子标准溶液采用HNO3(1%)进行稀释，分别配制0、10、20、50、100 μg/L 5个标准点。此过程用于测定纳米抗菌商品Ag总含量。

1.4.3 SP-ICP-MS的数据处理

基于本课题组前期的工作[12-13]，主要采用5σ标准区别NPs信号和仪器背景信号及Ag离子态信号。具体迭代步骤如下：1)选择合适的参数值n=5；2)计算整个数据标准偏差σ和平均值μ；3)将整个数据中超过μ+5σ的数据点移除；4)将去除后的数据组重复步骤2)和步骤3)；5)直到无数据点可移除，迭代结束。大于5σ的脉冲信号可认为是纳米颗粒的信号。将筛选出纳米颗粒信号值带入到SP-ICP-MS理论公式或SPC-tool文件(网络免费下载)以获得AgNPs粒径分布及纳米颗粒浓度。

1.5 样品前处理

1.5.1 纳米抗菌材料中Ag总量

为了准确地测定纳米抗菌材料中AgNPs，首先要确定总银含量。纳米抗菌材料中Ag总量的前处理主要采用微波消解法，其具体的前处理步骤可参考本课题组之前的工作[14]。

1.5.2 纳米抗菌材料中AgNPs表征

在采用SP-ICP-MS分析AgNPs过程中，为避免两个或多个金属纳米颗粒在同一个停留时间内同时进入到等离子体中受到激发，并错误地被质谱检测器认为是单个AgNPs，通常需保证在单颗粒模式下，纳米颗粒的信号数量小于总信号数量的10%[12]。

对于纳米银抗菌商品中AgNPs的表征，需保证AgNPs自有的物理化学属性在前处理和测定过程中不发生变化，一般不采用强酸对样品进行消解，原因在于强酸消解会破坏AgNPs结构，将AgNPs转变为Ag+。因此，对于液态状纳米抗菌商品中AgNPs的分析，首先测定其总Ag浓度，然后再采用超纯水将样品稀释至一定的浓度(一般为几十ng/L～几百ng/L)，上机测定前，将稀释样品水浴超声10 min以分散AgNPs。对于纳米抗菌袜中AgNPs，通过模拟洗涤过程，将AgNPs和Ag+等组分从纳米抗菌袜中释放出来。具体的实验操作步骤可参考Soto-Alvaredo的工作[15]：将准确称取粉碎好的运动袜(1.000 0 g)加入100 mL pH值为6.8的10 mmol/L醋酸铵和10 mmol/L SDS的溶液中，在避光的情况下，磁力搅拌2 h。接着收集溶液，测定其总Ag含量，根据释放出总Ag浓度，采用超纯水将样品稀释至一定的浓度(一般为几十ng/L～几百ng/L)，在采用SP-ICP-MS分析模式前，将稀释样品水浴超声10 min分散AgNPs。为防止Ag在进样系统中的残留，在样品与样品测定之间采用HNO3(3%)溶液清洗进样系统。

2 结果与讨论

2.1 纳米抗菌商品中总Ag含量的分析

采用微波消解法进行纳米抗菌商品中总Ag含量分析的前处理方法，其原因在于：微波消解法具有高压密闭的特性，能够在极短的时间内将待测元素从样品释放进入到溶液中，同时待测元素的回收率通常很好。另外，与传统的湿法消解相比较，微波消解法不产生大量的酸雾，减小了对环境和人体的危害。在进行总Ag含量的测定时，为校正测定时待测元素信号值由于基体效应、传输效应、雾化效率、电离效应或仪器漂移发生变化，通常采用在线添加一定浓度的内标元素进行校正。因此，选择合适的内标元素尤为重要。一般的选择内标原则是待测溶液中几乎不存在的元素，该内标元素与待测元素质量比较接近，其电离电位与待测元素的电离电位比较接近。因此，在本实验中，选用103Rh作为内标元素。在实验进行中，通常将1 mg/L103Rh内标溶液通入到三通中，由于内标管内径为进样管1/20，所以103Rh内标元素在进样系统中浓度约为50 μg/L，因此能够有效地校正ICP-MS分析时的偏差。由于107Ag几乎不存在多元素质谱干扰，所以无需开启碰撞反应池模式，只需在NO Gas模式下进行测定。

实验测定了3种纳米抗菌商品中总Ag含量，同时对前处理方法进行了加标回收实验，回收率在93.1%～105%，说明本方法能够满足纳米抗菌商品中总Ag的分析，实验结果见表2。由表2的结果可知，采用微波消解-ICP-MS法能够准确地测定纳米抗菌商品中总Ag含量，纳米抗菌商品中总银含量在数十到数百μg /L之间。因此，为了准确表征纳米抗菌商品中AgNPs粒径分布，需要将样品稀释至数十ng/L～数百ng/L。

表2 实际样品中总Ag含量及回收率测定

注：1)单位为%。

2.2 纳米抗菌商品中AgNPs的表征

采用微波消解-ICP-MS法测定了3种纳米抗菌商品中总银含量，根据这3种商品中总Ag浓度，需要将运动袜和鼻炎净样品采用超纯水分别稀释500倍，将厨房洗液样品稀释2 000倍，3种纳米抗菌商品的原始信号见图1。由图1(c)可知，107Ag信号分布均匀(130 counts/3ms附近)，基本上不存在107Ag脉冲信号，107Ag信号基本由Ag+(离子态的Ag)产生，说明抗菌厨房洗液中几乎不存在AgNPs。由图1(a)和图1(b)可知，通过采用SP-ICP-MS测定两种抗菌商品，这两种商品产生大量107Ag脉冲信号，说明两种纳米抗菌商品中含有AgNPs，同时也存在一部分107Ag信号均匀地分布在30 counts附近，该部分信号应该是由Ag+和仪器的背景信号产生。

在进行SP-ICP-MS测定纳米抗菌商品中AgNPs粒径分布之前，采用SP-ICP-MS法测定了10 ng/L 30 nm, 50 ng/L 50 nm和100 ng/L 80 nm AgNPs溶液验证本方法的准确性。实验结果见表3。由表3可知，SP-ICP-MS法测定AgNPs的结果与生产厂家提供的TEM值基本一致，说明SP-ICP-MS法能够准确表征水样中AgNPs粒径分布。因此，采用SP-ICP-MS法测定了稀释后的纳米抗菌商品(鼻炎净和运动袜样品)，并应用SP-ICP-MS公式将AgNPs脉冲信号转化为AgNPs粒径分布如图2所示。由图2可以看出，SP-ICP-MS法能够很好地表征纳米抗菌商品中AgNPs粒径分布，建立的SP-ICP-MS能够为准确表征纳米抗菌商品中AgNPs粒径分布提供可靠的分析方法。

图1 纳米抗菌商品中AgNPs原始信号：(a) 稀释500倍鼻炎净，(b) 稀释500倍运动袜提取液，(c) 稀释2 000倍抗菌厨房洗液Figure 1 Raw signal of nano-antibacterial consumer products: (a) antibacterial nasal spray, (b) sports socks, (c) kitchen cleansing spray.

AgNPs样品粒径/nmTEM值/nm平均值/nm中间值/nm浓度/(ng·L-1)3032.3±3.3234.3±0.833.2±0.910.05053.4±4.452.3±1.853.8±1.950.08079.0±8.776.2±2.780.3±2.4100.0

图2 SP-ICP-MS表征纳米抗菌商品中AgNPs粒径分布：(a) 运动袜 (b) 鼻炎净Figure 2 Size distribution of AgNPs in nano-antibacterial consumer products using SP-ICP-MS(a) Sports socks (b) Antibacterial nasal spray.

3 结论

建立了SP-ICP-MS法测定了纳米抗菌商品中AgNPs粒径分布的方法。首先通过微波消解-ICP-MS法测定纳米抗菌商品总银含量，确定测定纳米抗菌商品AgNPs稀释倍数，再采用SP-ICP-MS法测定纳米抗菌商品中AgNPs粒径分布。该方法分析速度快、灵敏度高、抗干扰能力强，能够准确表征纳米抗菌材料中AgNPs粒径分布。