微波消解电感耦合等离子体质谱法测定UHMWPE中铝、钙、钛

秦洋，张曼茹，刘春月，李福金，沈永

（山东省医疗器械和药品包装检验研究院，国家药品监督管理局生物材料器械安全性评价重点实验室，山东省医疗器械生物学评价重点实验室，济南 250101）

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）以其耐冲击、耐磨损以及良好的生物相容性而广泛应用于外科植入领域，例如作为人工髋关节的髋臼、人工膝关节的衬垫以及组织支架等。在UHMWPE 的合成过程中，以MgCl2为载体，卤化钛、烷基铝作为催化剂，通过氢或其它链转移剂控制UHMWPE的相对分子质量大小，加入二氧化硅、碳酸钙、三氧化二铝和层状硅酸盐等改善其性能[1-4]。然而过量的Al、Ti、Ca 残留不仅影响其终产品的预期功能和性能，还会危害人体健康。Al 具有生物蓄积性，对消化系统、脑、肝、骨、肾、造血系统、免疫系统等产生不良影响[5]。成骨细胞内化Ti离子蛋白质聚合物，降低迁移分化能力以及成骨细胞黏附能力，加速凋亡[6]。钙离子过高易引起细胞损伤，导致神经元死亡[7]。GB/T 19701.1[8]、ASTM F648[9]、ISO 5834[10]以及YY 0118[11]均对外科植入物用UHMWPE中杂质元素Al、Ca、Ti限量提出了明确的要求。GB/T 19701.1和ISO 5834推荐采用原子吸收光谱（AAS）法或发射光谱(AES)法进行单元素测定，ASTM F648 推荐采用AAS 法、AES 法、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法或电感耦合等离子体光谱 (ICP-OES) 法测定，然而上述标准中均未提供具体测定方法。YY/T 1507系列标准[12-14]及文献[15-16]采用灼烧法制备Al、Ca样品溶液，需要称取1.0 g 样品；采用微波消解法制备Ti 元素样品溶液，需要称取0.2 g样品，然后利用ICP-MS外标法进行单元素测定。灼烧法制备样品溶液耗时较长，温度不易控制，步骤繁琐，过程密封性较差，容易造成目标元素损失[17]，微波消解制备Ti 元素样品溶液时取样量较少，不能实现Ca 的同时准确测定。因此，研究准确且高效检测外科植入物用超高分子量聚乙烯中Al、Ca、Ti 元素的定量分析方法非常必要。

ICP-MS法具有线性范围宽、灵敏度更高、检出限低、可同时测定多种元素等优点[16,18-19]，微波消解法克服了传统干法灰化的耗时较长、温度不易控制、步骤繁琐、容易造成目标元素损失等缺点，具有消解完全、快速省时、节省试剂、不易损失、空白低等优势。笔者采用微波消解法消解样品，采取增大称样质量、优化微波消解条件等措施，以ICP-MS内标法同时测定外科植入物用超高分子量聚乙烯中Al、Ca、Ti 元素的含量，为外科植入物用超高分子量聚乙烯安全性评价提供方法支撑，为标准化研究提供方法参考。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪：8900 型，安捷伦科技（中国）有限公司。

电子天平：XS204型，感量为0.01 mg，梅特勒托利多科技（中国）有限公司。

超纯水机：Milli-Q®Advantage A10型，美国密理博公司。

微波消解仪：Multiwave PRO型，奥地利安东帕公司。

Al、Ca、Ti、Sc 元素标准溶液：质量浓度均为1 000 µg/mL，国家有色金属及电子材料分析测实中心。

硝酸：光谱纯，德国默克公司。

过氧化氢：优级纯，国药集团化学试剂有限公司。

UHMWPE 样品：人工髋关节组件（髋臼杯），MLPSXC111-K，山东新华联合骨科器材股份有限公司；.膝关节假体-胫骨衬垫（半月板），PS-G，武汉医佳宝生物材料有限公司；超高分子聚乙烯胫骨垫，MLPSXC111-K，迈克斯骨科有限公司；胫骨衬垫，CD型/1-2，美国捷迈公司。

调谐液：2% HNO3溶液(其中Ce、Co、Li、Y、Tl的含量均为10 µg／mL)，临用前稀释10 000 倍后使用，安捷伦科技（中国）有限公司。

实验用水均为二级水，电阻率为18.2 MΩ/cm。

1.2 仪器工作条件

锥材料：铂锥；等离子气流量：15.0 L/min；辅助气流量：0.9 L/min；雾化气流量：1.03 L/min；蠕动泵泵速：0.10 r/s；射频功率：1 550 W；积分时间：1.0 s；分析模式：碰撞(使用He气)；采样深度：8.0 mm。

1.3 实验步骤

1.3.1 溶液制备

样品溶液：准确称取UHMWPE 样品0.50 g（精确至0. 01 mg）至微波消解用消解管中，加入硝酸5.0 mL、过氧化氢 1.0 mL，放置4 h 预消解，加盖密闭置于微波消解仪内，按照表1设定微波消解程序，于180 ℃消解 15 min。待消解完全后，将消解液置于赶酸仪中，于140 ℃赶酸至剩余约 0.5 mL，冷至室温后移至25 mL容量瓶中，用水冲洗罐内壁，合并洗液至容量瓶中，定容至标线，混匀后备测。同法制备空白溶液。

表1 微波消解程序

系列混合标准工作溶液：取Al、Ca、Ti元素标准溶液适量，混合，以2%硝酸溶液为介质，逐级稀释，Al 和Ti 的质量浓度均依次为25、50、100、200、400、500、1 000 µg/L，Ca的质量浓度依次为5、10、20、40、80、100、200 µg/L。

内标溶液：精密量取Sc标准溶液，用 2%硝酸溶液逐级稀释配制成质量浓度为50 µg/L。

1.3.2 样品测定

通过三通在线引入45Sc 内标校准溶液，依次采集空白溶液、系列标准标准溶液、待测样品溶液信号值，以待测元素的质量浓度为横坐标(x)、样品待测元素与内标元素信号值之比为纵坐标(y)进行线性回归，利用标准曲线计算样品溶液中待测目标元素的含量。

2 结果与讨论

2.1 样品称取质量的选择

微波消解有机样品，样品质量一般不超过0.50 g[18]，GB/T 19701.1—2016《外科植入物超高分子量聚乙烯 第1部分：粉料》要求Al、Ca、Ti的限量分别不得超过20、5、40 mg/kg，Ca元素限量较低，过小的取样量，则会增大定量结果的偏差，因此选择样品质量为0.50 g。

2.2 微波消解条件优化

目前，高分子材料样品通常选择酸消解，例如选用HNO3[15]、HNO3- H2O2[18]和HNO3- H2O2-HF 体系[19]等。HF 可以经皮肤、呼吸道进入人体，腐蚀骨骼、造血神经系统、牙齿等，危害身体健康[20]，故不考虑使用；H2O2在较低温度下即可分解成高浓态活性氧，与浓HNO3共用，可以提高混合酸的氧化能力。因此，微波消解用酸体系优先选择HNO3- H2O2。对影响微波消解的主要因素消解温度、消解时间及消解试剂的用量进行了优化，以获得消解UHMWPE的最佳消解效果。

2.2.1 消解温度和消解时间

取UHMWPE 样品，加入7 mL HNO3、2 mL H2O2，分别选择消解温度为170、180、190 ℃，消解时间为10、15、20 min进行试验，结果见表2。

表2 不同消解温度和消解时间下样品消解情况

表3 消解试剂不同用量时的样品消解情况

由表2可知，消解温度为170 ℃时，样品消解均不完全；消解温度为180 ℃时，消解时间10 min 以上，可保证样品完全消解；当消解温度为190 ℃时，因消解仪内部压强过高经常发生报警而导致消解中断。由此确定样品最佳消解温度为180 ℃、消解时间为15 min。

2.2.2 消解试剂的用量

分别加入不同体积的HNO3及H2O2，在180 ℃微波消解15 min，样品消解情况列于表4。消解后溶液现象表明：当HNO3加入体积为4 mL 时，加入不同体积的H2O2，部分消解液浑浊，消解不完全，同时HNO3及H2O2反应产生的二氧化氮和氧气可能引起微波消解过程中消解管中压强升高导致过程中断；当HNO3加入体积大于5 mL 时，H2O2加入体积不少于1 mL 时，样品均消解完全；仅使用HNO3作为消解液且加入体积小于7 mL 时，样品消解不完全，因此选择HNO3加入体积为5 mL、H2O2加入体积为1 mL。

表4 元素第一电离能

2.3 内标元素的选择

ICP-MS分析法的干扰可分为质谱干扰和非质谱干扰。非质谱干扰是 ICP-MS分析法最常见的干扰之一，主要源于样品基体，样品溶液、标准溶液和试剂空白溶液在溶剂蒸发速率、传送效率、密度以及表面张力上的差异也会产生基体效应，同时分析信号也会随时间而发生飘移，通过在线加入内标物的方法可以很好的消除。

常用内标元素有Sc、Ge、Y、Rh、Re、Bi等，其中，45Sc的相对原子质量、电离能与待测元素的相近（见表4），且以半定量全扫描的方式确定UHMWPE 中不存在Sc 元素，故选择45Sc 为内标元素，可有效监控和校正分析信号的漂移，并根据待测元素与内标的计数比率消除基体效应的干扰[21-22]，提高测定结果的准确性和精密度。

2.4 同位素的选择及干扰校正

质谱干扰主要来自同量异位素、多原子离子等见表5。40Ar 会干扰40Ca，46Ca、48Ca 与46Ti、48Ti 相互干扰，50Cr、50V 的存在干扰50Ti。样品溶液中存在水、HNO3、含碳物质、Mg 离子、Na 离子、K 离子、磷酸根离子、钙离子、钛离子、铝离子等，经雾化由载气（氩气）进入ICP 炬焰离子化后，离子、氩（Ar）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、氯（Cl）之间易形成多原子离子，对待测元素造成多原子离子干扰，如ScH+、ArN+、ArC+、SO+、SiO+、NO2+等对Ti产生干扰，ArH+、NaO+、KH+、CaH+、MgO+、AlO+、SiO+等对Ca 产生干扰，CN+、BeO+、BO+等对27Al 产生干扰，可以利用碰撞模式的动能歧视原理消除干扰[21]，因此选用27Al以及干扰较少、丰度较高的44Ca、47Ti。

表5 潜在质谱干扰离子

2.5 标准曲线和方法的检出限

取系列混合标准工作溶液，在选定的 ICP-MS测定条件下测定，回归得到各元素的线性回归方程和线性相关系数。

采用所建方法对空白溶液进行11次连续测定，再以测定结果3 倍的标准偏差作为方法的检出限，以0.50 g 称样质量、25 mL 定容体积计算方法检出限。Al、Ca、Ti 的线性范围、线性回归方程、线性相关系数和方法检出限见表6。

表6 线性范围、线性方程、相关系数和方法检出限

由表6 可知，Al、Ca、Ti 的线性相关系数均不小于0.999 6，待测元素和内标元素信号的比值与其质量浓度均呈良好的线性关系，方法检出限为0.10～0.14 mg/kg。

2.6 精密度试验

选取UHMWPE 样品7 份，采用所建方法对Al、Ca、Ti的含量进行测定，精密度试验结果见表7。

表7 精密度试验结果

由表7 可知，Al、Ca、Ti 元素测定结果的相对标准偏差分别为1.2%、3.6%、1.3%，表明该方法精密度良好。

2.7 样品加标回收试验

分别向UHMWPE 样品中加入低、中、高3 水平标准溶液各3 份，采用所建方法进行样品加标回收试验，结果见表8。由表8 可知，各元素的平均回收率为97.3%～101.3%，表明该方法测定超高分子量聚乙烯中Al、Ca、Ti准确、可靠。

表8 样品加标回收试验结果（n=3）

3 结语

建立了微波消解-ICP-MS 内标法同时测定超高分子聚乙烯中杂质元素Al、Ca、Ti的含量的方法，优化了UHMWPE微波消解方法，采用45Sc为内标在线校正结合碰撞模式消除干扰，具有快速高效、检出限低、重复性好、灵敏度高、耗酸量少等优点。该方法克服了灼烧法制备供实液步骤繁琐、易造成元素损失的缺点，原子光谱法等进行单元素检测的灵敏度不够高、分析时间长的不足，完全满足外科植入物用超高分子聚乙烯材料中杂质元素的分析要求，为外科植入物用超高分子聚乙烯的质量控制和安全评价提供了参考。