ICP-OES與ICP-MS測(cè)定人體汗液的5種微量重金屬元素

湯盛翔，孟　達(dá)，吳次南

(1.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州　貴陽　550025；2.貴州大學(xué) 理學(xué)院，

貴州　貴陽　550025；3. 遵義師范學(xué)院，貴州　遵義　563002)

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ICP-OES與ICP-MS測(cè)定人體汗液的5種微量重金屬元素

湯盛翔1，孟達(dá)2，吳次南3*

(1.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州大學(xué) 理學(xué)院，

貴州貴陽550025；3. 遵義師范學(xué)院，貴州遵義563002)

摘要：采用不同的樣品消化方法和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)與質(zhì)譜法(ICP-MS)，嘗試建立適合的測(cè)定汗液中鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎘(Cd)和鉛(Pb)五種微量重金屬元素的方法。結(jié)果顯示，濕法消解-ICP-MS法檢測(cè)汗液中這五種微量金屬元素的相對(duì)偏差(RSD)為0.3%～9.4%，ICP-MS的加標(biāo)回收率為92.8%～118.6%。相較其他方法，該法能快速精確地同時(shí)檢測(cè)出汗液中多種微量重金屬元素。

排汗是人體正常生理功能，排汗不僅通過水蒸氣散發(fā)身體中的熱量，從而防止體溫過高[1]，同時(shí)汗液是排出體內(nèi)有害物質(zhì)的重要途徑，是檢測(cè)體內(nèi)有毒元素積累的重要檢測(cè)物[2， 3]。當(dāng)前對(duì)汗液的研究多集中在其對(duì)人體水分與滲透壓等生理代謝方面的作用[4， 5]。此外，還有研究?jī)A向于排汗對(duì)體內(nèi)鈉、鉀等元素平衡的影響[6]。但是，由于汗液收集與檢測(cè)方面的困難[7]，汗液在生物病理和排出體內(nèi)有害元素等方面的研究與應(yīng)用較少。

對(duì)汗液成分的檢測(cè)依據(jù)檢測(cè)內(nèi)容的不同，采用的方法也各有差別。對(duì)有機(jī)物如尿素、尿酸和部分元素的檢測(cè)分析可采用比色法等，對(duì)活性物質(zhì)如肌酐的檢測(cè)分析可采用酶法等[4]，對(duì)鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)、鈣離子(Ca2+)、磷離子(P5+)等電解質(zhì)的檢測(cè)分析可使用紫外分光光譜法等[5， 6]。而對(duì)汗液中重金屬元素檢測(cè)研究方法鮮見于文獻(xiàn)報(bào)道。檢測(cè)其他體液(如血液或尿液)中微量重金屬元素時(shí)，常采用方法有原子吸收光譜法[主要包括火焰原子吸收光譜(FAAS)和石墨爐原子吸收光譜(GFAAS)][8～11]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)[11～15]或質(zhì)譜法(ICP-MS)[10， 11， 16～18]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)[11， 15]等。本文將通過檢測(cè)汗液中鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎘(Cd)和鉛(Pb)五種重金屬，對(duì)比ICP-OES與ICP-MS兩種常用的多元素同時(shí)檢測(cè)方法。

此外，生物基質(zhì)樣品進(jìn)行元素分析都需要進(jìn)行樣品預(yù)處理，直接稀釋[10， 19]、濕法消解[10， 12， 13， 20]和微波消解[9， 13， 14， 16， 18]是目前液態(tài)生物基質(zhì)樣品預(yù)處理主要采用的三種方法。本文也將探究這三種樣品處理方法對(duì)消除人體汗液中干擾的能力，以期建立一個(gè)高效、準(zhǔn)確、可靠的檢測(cè)汗液中微量重金屬的方法。

1材料與方法

1.1儀器與試劑

1.1.1實(shí)驗(yàn)儀器電感耦合等離子體光譜儀(美國(guó)Thermo Icap 6300MFC)；電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國(guó)Thermo X Series 2)；微波消解儀(美國(guó)CEM MARS6 PyNN130279)；超純水儀(美國(guó)Thermo Barnstead GenPure xCAD)；電熱板(中國(guó) 萊伯泰科DB-1A)。聚乙烯采樣瓶、試管、燒杯、玻璃容量瓶若干，均用30%(V/V) HNO3浸泡48 h以上，使用前用超純水反復(fù)沖洗6次，自然晾干。

1.1.2實(shí)驗(yàn)試劑濃硝酸(優(yōu)級(jí)純 成都金山化學(xué)試劑有限公司 批號(hào)20131106)；高氯酸(分析純 成都金山化學(xué)試劑有限公司 批號(hào)20140608)；鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液、鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液、鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液、銅標(biāo)準(zhǔn)溶液和鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液(國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心，批號(hào)分別是GSB 04-1742-2004， GSB 04-1721-2004， GSB 04-1723-2004， GSB 04-1725-2004， GSB 04-1761-2004)。

1.2對(duì)象選擇與樣品采集

實(shí)驗(yàn)對(duì)象招募貴州大學(xué)本科二年級(jí)成年健康男性志愿者參與。通過調(diào)查確認(rèn)他們沒有抽煙酗酒等不良嗜好、無單獨(dú)補(bǔ)充或服用特殊維生素或礦物質(zhì)習(xí)慣，飲食結(jié)構(gòu)相似；參試人員均在貴州大學(xué)北校區(qū)生活學(xué)習(xí)，屬同一地理環(huán)境；在明確告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前提下，參試者自愿參與該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

參試人員在室內(nèi)恒溫情況下，赤裸上身進(jìn)行羽毛球運(yùn)動(dòng)2小時(shí)，使用經(jīng)事先處理過的聚乙烯采樣瓶刮取汗液20mL以上。靜置30 min后用9 mm濾紙過濾后取10 mL放入試管中，4℃冰箱保存。

1.3樣品處理

1.3.1直接稀釋法取1 mL汗液，使用5% HNO3于50mL容量瓶定容[10]。

1.3.2HNO3-HClO4濕法消解于100 mL燒杯中加入5 mL汗液、3 mL HNO3和1 mL HClO4，放置電熱板上溫度由低至高進(jìn)行消解，至燒杯中有濃烈白煙冒出，液體殘余量≤0.5 mL停止加熱，待冷卻至室溫后再加入0.75 mL HNO3，超純水于50 mL容量瓶中定容[12]。

1.3.3微波消解于消解罐內(nèi)加入1.25 mL汗液和4.5 mL 65% HNO3[10]，按表1設(shè)置消解參數(shù)進(jìn)行消解，完成后待消解罐冷卻至常溫，用超純水于50 mL容量瓶中將消解樣品定容。

表1　微波消解儀各程序參數(shù)

以超純水作為空白溶液，按照以上方法進(jìn)行處理，作為實(shí)驗(yàn)空白對(duì)照。

1.4混標(biāo)制備

使用5% HNO3配制混合標(biāo)準(zhǔn)溶液， 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液包括Pb、Cr、Cd、Cu、Zn等5種重金屬元素，其濃度梯度分別為0.00， 1.00， 10.00， 100.00 μg·L-1。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1精密度

按照試驗(yàn)方法對(duì)每種樣品分別使用ICP-OES和ICP-MS進(jìn)行9次平行檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行空白試驗(yàn)，各處理方法的精密度見表2(排出誤差較大的無效數(shù)據(jù))。

表2　精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=9)

精密度與樣品濃度、譜線強(qiáng)度相關(guān)。有研究表明樣品濃度越低，譜線強(qiáng)度越弱，RSD值越大，其精密度越差，且精密度還受到儀器性能和分析條件的限制[21]。根據(jù)Lomakin-Scherbe公式[21]，結(jié)合表2可知，ICP-OES與三種消解方法中鉛(Pb)的精密度差，表明該法檢出鉛(Pb)元素濃度偏低；直接稀釋法中鎘(Cd)、銅(Cu)和鋅(Zn)元素的RSD值小于10%，表明直接稀釋法處理的樣品中這三種元素能被檢出的濃度較高；濕法消解和微波消解檢測(cè)鉻(Cr)和鋅(Zn)元素的RSD值小于10%，而鎘(Cd)和銅(Cu)元素的RSD值偏高，表明這兩種方法處理樣品中鉻(Cr)和鋅(Zn)元素能被檢出的濃度較高，而鎘(Cd)和銅(Cu) 元素能被檢出的濃度偏低；ICP-MS中唯有濕法消解各被測(cè)元素檢測(cè)的RSD值均小于10%，直接稀釋法檢測(cè)鉻(Cr)元素和微波消解檢測(cè)鎘(Cd)元素的RSD值小于10%，但比濕法消解大，表明ICP-MS中濕法消解處理樣品中各元素能被檢出的濃度較高。

2.2加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

取一份汗液樣品微波消化液作為基液，分別添加1.00， 10.00， 100.00 μg·L-1混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用ICP-OES和ICP-MS分別進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3　各檢測(cè)方法的加標(biāo)回收率

由表3可知，ICP-OES和ICP-MS呈現(xiàn)不同元素其加標(biāo)回收效果的不同。鉛(Pb)、鉻(Cr)元素回收實(shí)驗(yàn)中，ICP-OES的回收效果好于ICP-MS；而鎘(Cd)、銅(Cu)和鋅(Zn)元素回收實(shí)驗(yàn)顯示，ICP-OES的回收效果與ICP-MS無較大差別。

2.3汗液中5種重金屬的含量

根據(jù)樣品處理方法的精密度(表2)，接受RSD值為10%以下的測(cè)試結(jié)果，ICP-OES中鉛(Pb)元素精密度較差被排出，故不在結(jié)果中顯示；鉻(Cr)元素選取微波消解測(cè)試結(jié)果；鎘(Cd)、銅(Cu)、鋅(Zn)元素選取直接稀釋法測(cè)試結(jié)果。ICP-MS選擇RSD值相對(duì)較小濕法消解結(jié)果顯示，并進(jìn)行差異分析得出結(jié)果見表4。

表4　 汗液中5種重金屬的含量測(cè)試結(jié)果

從表4可知，ICP-OES檢測(cè)結(jié)果均顯著高于ICP-MS，但I(xiàn)CP-OES檢測(cè)結(jié)果的誤差也均高于ICP-MS。

3討論

關(guān)于汗液中重金屬元素的檢測(cè)較少見于文獻(xiàn)報(bào)道，其檢測(cè)方法也沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。參考當(dāng)前檢測(cè)其他生物樣品(如血液或尿液)微量元素檢測(cè)方法的研究，其中FAAS和GFAAS在檢測(cè)生物樣品中微量元素時(shí)，前處理過程復(fù)雜，要加入不同的基體改進(jìn)劑[8， 9]，且分析元素種類較少，故檢測(cè)生物基質(zhì)中微量重金屬元素時(shí)較少采用該方法[10， 11]。GC-MS中的氣相色譜能高效分離混合物中的各組分，質(zhì)譜能鑒定分離出的未知化合物，該法能高效快速進(jìn)行定性與定量分析，應(yīng)用廣泛。但GC-MS檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)器運(yùn)行成本高，對(duì)樣品處前處理要求復(fù)雜[11， 15]。本文所采用的ICP-OES則具有較寬的動(dòng)態(tài)線性范圍、良好的準(zhǔn)確度和精密度、基體干擾小等優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)測(cè)定生物樣品的多種微量元素[11]，常應(yīng)用于食品和生物樣品的微量元素檢測(cè)[12～15]。而ICP-MS的受干擾程度、精密度、檢測(cè)速度、檢出限和動(dòng)態(tài)線性范圍均優(yōu)于ICP-OES和其他無機(jī)分析技術(shù)，不僅可以進(jìn)行多元素同時(shí)測(cè)定，還能提供精確的同位素信息[10， 11， 16～18]。三種樣品預(yù)處理方法也具有各自的特點(diǎn)。直接稀釋法即用稀酸或稀堿稀釋生物基質(zhì)，此法不宜完全消除基質(zhì)干擾，僅適用于基質(zhì)中有機(jī)雜質(zhì)較少的液體，故在檢測(cè)水質(zhì)方面有廣泛的應(yīng)用[10， 19]；濕法消解是在加熱條件下用濃堿或濃酸破壞生物基質(zhì)中還原物或有機(jī)物以降低基體干擾，此法適用于生物基質(zhì)樣品的前處理，如血液、血清、尿液等[10， 12， 13， 20]；微波消解是傳統(tǒng)濕法消解的技術(shù)革新，既保留濕法消解的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在密閉環(huán)境下避免揮發(fā)性元素的損失，在生物基質(zhì)樣品的元素檢測(cè)中應(yīng)用較多[9， 13， 14， 16， 18]。近年來有研究提出新的消解方式，如酶消解[22]、紫外光[10， 23]和超聲波降解[15]，但技術(shù)尚不成熟，應(yīng)用較少。

研究結(jié)果表明不同的樣品處理方法和檢測(cè)方法能檢出的汗液中微量元素濃度是不同的。ICP-OES檢測(cè)的數(shù)量級(jí)可以達(dá)到ppm-ppb級(jí)，ICP-MS檢測(cè)的數(shù)量級(jí)可以達(dá)到ppb-ppt級(jí)[11]，測(cè)量汗液樣品時(shí)需要根據(jù)被測(cè)元素含量預(yù)估進(jìn)行選擇；樣品處理方法的選擇則需要根據(jù)被測(cè)元素的含量和特點(diǎn)來確定，對(duì)此還需要進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究。依據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)探索，濕法消解-ICP-MS法精確度達(dá)到0.3%～9.4%，相較其他方法其測(cè)量值的誤差最小，說明該法能方便快捷地同時(shí)檢測(cè)汗液中多種微量重金屬元素，具備靈敏度高、精確度好等優(yōu)點(diǎn)。

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關(guān)鍵詞：汗液；ICP-OES；ICP-MS；重金屬

Determination of five heavy trace metal elements in human sweat by ICP-OES and ICP-MS

TANGSheng-xiang1，MENGDa2，WUCi-nan3*(1.CollegeofLifeScience，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China; 2.CollegeofScience，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China; 3.ZunyiNormalCollege，Zunyi563002，China)

Abstract：In this study， different digestion methods were used to prepare samples for determination of five heavy trace metal elements (Cr， Cu， Zn， Cd and Pb) in human sweat by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). We found that the HNO3-HClO4wet digestion method combining with ICP-MS is more accurate to determine these five heavy trace metal elements because their relative standard deviations (RSDs) were 0.3%～9.4% and the recovery rates of ICP-MS were 92.8%～118.6%. It is concluded that， comparing with other combinations， HNO3-HClO4wet digestion-ICP-MS is the fast and accurate method for determining the heavy metal elements in human sweat.

Key words：Sweat; ICP-OES; ICP-MS; Heavy metal element

文章編號(hào)：1008-0457(2015)05-0038-04國(guó)際

DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2015.05.007

中圖分類號(hào)：Q984

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

通訊作者：*E-mail：cnwu@gzu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新 (研農(nóng)2015017)。

收稿日期：2015-09-05；修回日期：2015-10-15