基于離子色譜法建立血清電解質參考測量程序

鄒炳德，　鄒繼華，　沈　敏，　張　曼，　吳立山，　屠敏敏

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基于離子色譜法建立血清電解質參考測量程序

鄒炳德1，鄒繼華1，沈敏1，張曼2，吳立山1，屠敏敏1

目前，70%的治療決定取決于檢驗結果，而只有65%的檢驗結果是可溯源的[1]。檢驗結果準確是防病、治病和提高人類健康水平的基本要素。檢驗結果不準確一方面可能會影響疾病的診斷和治療，另一方面還可能導致過度用藥、重復檢測，引發(fā)巨大的資源浪費。量值溯源被認為是實現(xiàn)臨床檢驗標準化唯一而有效的途徑，而參考系統(tǒng)(包括參考物質、參考測量程序、參考實驗室)，尤其是參考測量程序在實現(xiàn)量值溯源過程中起到承上啟下的作用[2]。由于目前臨床檢驗結果缺乏可比性，因此建立臨床檢驗參考系統(tǒng)，用同一把“標尺”來判定檢驗結果的準確性顯得尤為重要。參考系統(tǒng)包括參考物質、參考測量程序和參考實驗室[3]，其中參考測量程序在實現(xiàn)量值溯源過程中起非常重要的作用。目前，國際檢驗醫(yī)學溯源聯(lián)合委員會(the Joint Committee for Traceability in Laboratory Medicine，JCTLM)公布的血清電解質參考測量程序主要有(1) 血清氯離子：庫侖法[4]和同位素稀釋熱電離質譜法(isotope dilution thermal ionization mass spectrometry，ID-TIMS)[5]；(2) 血清鋰離子：火焰原子吸收法(flame atomic absorption spectrometry，F(xiàn)AAS)[6]和ID-TIMS法[5]；(3) 血清鈉離子：火焰原子發(fā)射光譜法(flame atomic emission spectrometry，F(xiàn)AES)[7]、重量分析法[5]、電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS)[8]和離子色譜法[9]；(4) 血清鉀離子：FAES[10]、ICP-MS[11]、ID-TIMS[10]和離子色譜法[9]；(5) 血清鎂離子：FAAS[12]、ICP-MS[13]、ID-TIMS[5]和離子色譜法[13]；(6) 血清鈣離子：FAAS[14]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES)[15]、ICP-MS[11]、ID-TIMS[16]和離子色譜法[17]。國外對血清電解質參考測量程序研究較早，也比較深入。其中，離子色譜法由于其具有同時分離分析多種離子、選擇性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好、運行成本低等優(yōu)點，因此可作為低于決定性方法[同位素稀釋質譜法(isotope dilution mass spectrometry，ID-MS)]而高于常規(guī)方法的參考方法應用于臨床化學的量值溯源傳遞。我們重點介紹離子色譜法在臨床生化電解質參考測量程序建立方面的應用，并與其他參考測量程序進行比較。

一、離子色譜法的簡介

1975年，美國Dow化學公司的SMALL等[18]首先提出了離子交換分離、抑制電導進行檢測分析的思路，即提出了離子色譜這一概念。由此，Dow化學公司組建的Dionex公司生產了第1臺離子色譜儀。該技術的基本原理可以概括為：以泵為淋洗液輸送動力，通過離子交換柱分離，柱后連接抑制器來降低背景電導，提高靈敏度，采用電導檢測器檢測，以保留時間定性，以峰高或峰面積定量。分離原理：使混合物中各陰離子/陽離子在兩相間進行分配，其中一相是不動的，稱為固定相；另一相是攜帶陰離子/陽離子流過此固定相的流體，稱為流動相。當流動相所攜帶樣本中的陰離子/陽離子經過固定相時，就會與固定相發(fā)生作用。由于各陰離子/陽離子在性質和結構上的差異，與固定相發(fā)生作用的大小、強弱也有差異。因此，在同一推動力作用下，不同陰離子/陽離子在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。

離子色譜法的顯著特點是分析快速、方便，選擇性好，靈敏度高，穩(wěn)定性好，可實現(xiàn)多離子同時分離、分析。離子色譜儀一般由流動相輸運系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、抑制或衍生系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及數(shù)據處理系統(tǒng)等幾部分組成，其組件構造見圖1。

離子色譜法作為近年來發(fā)展最快的分析技術之一，應用范圍已從常見的陰、陽離子和有機酸分析發(fā)展到過渡金屬及其不同氧化態(tài)、糖類、氨基酸、蛋白質和多肽等，已廣泛應用于環(huán)境、食品、藥物、臨床醫(yī)學等眾多領域的常規(guī)檢測和科學研究[19]。國際離子色譜專家HADDAD指出：生化分析將成為離子色譜今后非常有潛力的發(fā)展方向之一。離子色譜已成為一種比較成熟的分析技術，但隨著新材料、新技術的出現(xiàn)，離子色譜仍然有很廣闊的發(fā)展空間[20]。

圖1　離子色譜儀的基本流程圖

二、離子色譜法在血清電解質參考測量程序的應用

離子色譜法作為參考測量程序主要應用于血清鉀、鈉、鈣、鎂離子的測定。1994年，比利時根特大學的THIENPONT等[21]首次將離子色譜法作為參考測量程序應用于臨床化學領域。他們將樣本用稀酸稀釋，過濾后直接采用離子色譜法檢測鈣離子和鎂離子，精密度和準確度均<1.2%。該方法與FAAS具有良好的相關性，可被推薦為血清鈣離子和鎂離子的參考測量程序。1995年，他們采用同樣的樣本前處理方法測定血清鉀離子和鈉離子，精密度和準確度均<1.2%，并將該方法與FAES進行比較，得到了滿意的結果[22]。JCTLM將離子色譜法列為血清電解質的參考測量程序用于臨床化學的量值溯源傳遞[23]。隨后，THIENPONT等對離子色譜法作為參考測量程序測定血清鉀、鈉、鈣、鎂離子做了大量的研究工作，并將該技術對血清電解質常規(guī)檢測系統(tǒng)進行正確度評價[9，13，24-27]。但THIENPONT等在基于離子色譜法建立的血清電解質參考測量程序研究中，關于樣本前處理還存在一定的缺陷，導致分析方法的穩(wěn)健性較差：他們采用的樣本前處理方法較為簡單，沒有將血清樣本徹底礦化成無機鹽后再進入離子色譜儀檢測，易造成分析柱污染和抑制器損壞。因此，方法穩(wěn)健性較差，無法長時間運行此類參考測量程序測定血清樣本。2004年，德國標準計量局的R?HKER等[28]采用微波消解的方法直接將血清樣本礦化成無機鹽，稀酸定容后采用離子色譜儀同時分離、分析血清樣本中的鋰、鉀、鈉、鈣、鎂5種離子。該方法的準確度和精密度均<1.0%。2014年，孫驥等[29]采用一種簡單的濕法消化方法對血清樣本進行消化處理，復溶后采用離子色譜法檢測血清鋰離子，成功建立了血清鋰離子候選參考測量程序，可用于血清鋰離子項目的量值溯源和標準化，為血清鋰常規(guī)檢測系統(tǒng)向參考系統(tǒng)溯源提供了有效途徑。離子色譜法作為參考測量程序準確測定血清電解質濃度主要取決于離子色譜儀、樣本前處理和定量方法3個方面。

(一) 離子色譜儀

離子色譜儀一般由流動相輸運系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、抑制或衍生系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及數(shù)據處理系統(tǒng)等幾部分組成。核心部件是分離系統(tǒng)(即色譜柱)和抑制系統(tǒng)(即抑制器)。

1. 抑制系統(tǒng)目前，市場上主流的離子色譜儀主要由Thermo公司(原Dionex公司)和瑞士萬通(Metrohm)2家公司生產。其中Dionex公司專注于離子色譜儀的研究和生產，采用的微膜抑制器相比于柱抑制具有更好的復現(xiàn)性。離子色譜儀中的抑制器主要起2個作用：一是降低淋洗液的背景電導，二是增加被測離子的電導值，改善信噪比(signal to noise ratio, S/N)。THIENPONT等[9]比較了Dionex DX-500、Dionex DX-100、Metrohm IC 690和Alltech等離子色譜儀的性能。結果表明，與無抑制系統(tǒng)的離子色譜儀相比，有抑制系統(tǒng)的離子色譜儀具有更穩(wěn)定的基線和更高的靈敏度。隨著技術的革新，Dionex公司又推出了ICS 900、ICS 1100、ICS 1600、ICS 2100、ICS 4000、ICS 5000等更高性能的離子色譜儀，具有更好的穩(wěn)定性和更高的靈敏度[29]。選擇合適的離子色譜儀(主要是抑制器和分析柱的選擇)，在優(yōu)化的條件下，基線漂移可控制在3 ns以內，對鉀、鈉、鈣、鎂4種離子的檢出限低于1.0 μg/L (S/N≥3)。

2. 色譜柱色譜柱是實現(xiàn)分離的核心部件，要求柱效高、柱容量大和性能穩(wěn)定。色譜柱的性能與色譜柱結構、填料特性等相關。在離子色譜柱中，不同的離子與填料表面的離子功能基團的相互作用力不同，被淋洗液洗脫下來的時間也不同，即不同離子根據在色譜柱內的保留時間，由短至長依次流出色譜柱進入檢測器。建立血清電解質參考測量程序需要非常高的準確度和精密度。要達到準確測定的要求，必須在色譜柱上實現(xiàn)基線分離。目前，市場上用于陽離子檢測的分析柱主要有IonPac CS 10、IonPac CS 12、IonPac CS 12A和IonPac CS 16等色譜柱。圖2列出了幾種常見色譜柱分離陽離子的結果。從圖2中可以看出，IonPac CS 10色譜柱適用于鈣離子和鎂離子參考測量程序的建立[21]；IonPac CS 12色譜柱適用于鉀離子和鈉離子參考測量程序的建立[22]。2004年，R?HKER等[28]采用IonPac CS 12A色譜柱同時分離血清鋰、鈉、鉀、鈣、鎂離子，并與決定性方法比較，偏移<1.0%。IonPac CS 16色譜柱非常適合鋰離子、鈉離子、銨根和鉀離子的分離。在優(yōu)化的條件下，IonPac CS 16色譜柱可以將鋰離子、鈉離子、銨根、鉀離子、鎂離子、銣離子(內標)、鈣離子實現(xiàn)基線分離，分離度均在2.7以上。離子色譜檢測結果的色譜圖見圖3。因此，IonPac CS 16色譜柱更適用于血清電解質的分離分析。

注：(a)IonPac CS10色譜柱；(b)IonPac CS12色譜柱;(c)IonPac CS12A色譜柱;(d)IonPac CS16色譜柱

圖3　血清樣本電解質分離的色譜圖

(二) 樣本前處理

在離子色譜分析中，樣本的前處理是非常重要的步驟。這是因為離子色譜適合于基質非常簡單的樣本分析。樣本中的大分子有機物可能會造成柱污染，有機物和重金屬會造成抑制器的損傷。如果長時間檢測這類樣本，分析方法的穩(wěn)健性可能會較差。血清樣本中含有大量的有機物，如蛋白質(濃度可高達80 g/L)[31]。因此，離子色譜不適合此類樣本的直接進樣分析，必須對血清樣本進行前處理。

THIENPONT等在血清樣本前處理上做了較多的工作[9，13，21-22，24-27]。他們將血清樣本用稀酸如甲基磺酸進行稀釋，然后用微孔濾膜將樣本中的不溶物除去，然后再用離子色譜進行檢測，得到了較為滿意的結果。他們建議樣本的稀釋倍數(shù)應該>20，否則鈣離子和鎂離子等二價離子很難從蛋白質中完全釋放出來。對于低稀釋倍數(shù)的樣本，如果采用超濾的方式去除蛋白，溶液濃度將增加4%～7%，這取決于血清樣本中蛋白質的含量。他們經過4年多的研究發(fā)現(xiàn)，分析方法的穩(wěn)健性始終存在缺陷。除了簡單的酸稀釋，他們還采用酸稀釋液加熱處理、反相純化等方法對血清樣本進行前處理。他們還通過淋洗液改進、閥切換等技術來減少分析柱的污染和抑制器的損傷，但方法的穩(wěn)健性問題始終未得到徹底的解決，主要原因是血清樣本中存在大量有機物。簡單的酸稀釋和過濾只能降低有機物的濃度，將與蛋白質結合的二價離子釋放到溶液中，而無法徹底去除蛋白質。長時間檢測這類樣本必定會造成分析柱的污染和抑制器的損傷，導致基線漂移和分離度下降，造成分析方法的準確度和精密度下降。

2004年，R?HKER等[28]提出了微波消解法，直接將血清樣本礦化成無機鹽。具體操作如下：準確稱取2 g血清和2 g銣內標液加入消化罐，然后加5 mL硝酸和3 mL過氧化氫，封閉后放入微波消解儀210 ℃消解20 min，冷卻后將溶液蒸干，再用0.02%稀硝酸溶液溶解定容。采用該方法進行樣本前處理，然后再進樣檢測，其結果與決定性方法比較，偏移<1.0%。

(三) 定量方法

定量分析就是要確定樣本中某一組分的準確含量。離子色譜儀與絕大部分儀器一樣，采用的是一種相對定量方法，而不是絕對定量法。其是根據儀器檢測器的響應值與被測組分的量在某些條件限定下呈正比的關系來進行定量分析。也就是說，在離子色譜分析中，在某些條件限定下，色譜峰的峰面積與所測組分的量呈正比。

1. 校準THIENPONT等[22]研究了外標法單點校準、兩點校準和多點校準的方法測定血清陽離子。研究結果顯示，單點校準、兩點校準和多點校準不存在明顯差異。其中，多點校準可以校準的濃度范圍較寬，更適合未知樣本的準確測定。

2. 外標法和內標法的選擇定量標準可采用外標法，也可采用內標法，一般采用銣離子作為鈉離子和鉀離子的內標物；采用銫離子作為鎂離子和鈣離子的內標物[9]。R?HKER等[28]采用銣離子作為內標，準確地測定了血清樣本中的鋰離子、鈉離子、鉀離子、鎂離子和鈣離子。內標法的優(yōu)點是測定的結果較為準確，由于是通過測量內標物及被測組分的峰面積的相對值來進行計算的，所以在一定程度上消除了因操作條件等的變化而引起的誤差。參考測量程序要求比較嚴格，操作嚴謹，一般不會因操作條件的變化而造成待測物的損失。因此，無論選擇外標法還是內標法都可以準確測定血清電解質。

3. 單一離子分析和多種離子同時分析的選擇為了節(jié)約分析時間，只要在色譜上能實現(xiàn)基線分離，多種離子同時分析更具有優(yōu)勢。如采用混合標準溶液，多點校準，可以同時分析血清樣本中的鋰離子、鈉離子、鉀離子、鎂離子和鈣離子。

4. 體積法和重量法的選擇關于血清樣本和標準溶液采用體積法還是重量法的問題，實驗研究表明，采用體積法所引起的誤差遠大于重量法。因此，推薦標準溶液(包括內標液)和血清樣本采用重量法較為準確?？梢酝ㄟ^計算溶液的密度換算成體積，密度計算可參考文獻[32]進行。

三、與其他血清電解質參考測量程序的比較

目前，關于血清中電解質的參考測量程序已有不少學者做了詳細的研究，主要的測定方法有FAES、FAAS、ICP-OES、ID-TIMS、ICP-MS、離子色譜法等。其中，F(xiàn)AES屬于早期經典的標準參考測量程序，主要作為血清鉀、鈉離子的參考測量程序，優(yōu)點是結果準確可靠、成本低；FAAS主要作為血清鈣、鎂離子的參考測量程序，具有操作簡單、快速和靈敏度高等優(yōu)點，但存在光譜干擾；ICP-MS和離子色譜法主要作為血清鉀、鈉、鈣、鎂離子的參考測量程序，其中ICP-MS具有較高的準確性和靈敏度，但運行成本較高，一般實驗室難于完成。離子色譜法可以同時分離分析血清中的鉀、鈉、鈣、鎂4種離子，具有特異性高、精密度好、準確度高和抗干擾能力強等優(yōu)點。ICP-MS和離子色譜法2種參考測量程序的比較見表1。2種方法的準確度和精密度相當，均<±1.0%。相對于ICP-MS，離子色譜法的優(yōu)點是能同時分離分析鋰、鉀、鈉、鈣、鎂5種離子，儀器費用和運行費用較低。缺點是方法檢出限較高，樣本分析時間較長。ICP-MS是血清鉀、鈉、鈣、鎂測定的決定性方法，而離子色譜法則被作為參考方法。ICP-MS由于其操作繁瑣，運行成本較高，所以一般不常用于計量學溯源工作，因此離子色譜法在血清電解質量值溯源工作中更具實用價值。

表1　ICP-MS和離子色譜法參考測量程序的比較

四、結論與展望

由于離子色譜法分析條件不受被測定成分是否具有光吸收特征的限制，又具有操作簡便、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、多組分同時分析檢測、檢測結果準確可靠等優(yōu)點，與ICP-MS相比，具有選擇性更好、操作更簡便、運行成本低等特點。因此，基于離子色譜法建立的血清電解質參考測量程序在實現(xiàn)臨床檢驗的量值溯源中更具實用價值。目前根據JCTLM公布的數(shù)據，基于離子色譜法的參考測量程序主要有血清鈉離子、鉀離子、鎂離子和鈣離子。有研究表明，血清鋰離子也可以利用離子色譜法建立參考測量程序[28-29]。另外，離子色譜法不僅可以準確測定血清陽離子，也可以準確測定血清陰離子。研究結果顯示離子色譜法能準確地測定血清樣本中的氯離子，并通過2012和2013年國際臨床化學與檢驗醫(yī)學聯(lián)合會(the International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine，IFCC)組織的國際參考實驗室室間質量評價活動(IFCC-RELA)，結果見表2[34]。該方法與ICP-MS同時測定臨床血清樣本進行方法學比較。實驗結果表明，該方法與ICP-MS具有良好的相關性[35]。因此，該方法可以被推薦為血清氯離子候選參考測量程序。

表2　IFCC-RELA樣本中氯離子的測定結果　(n=10)

注：IFCC規(guī)定氯離子的等效限為 ± 2.0%；靶值為各參考實驗室均值；2013年數(shù)據引自http://www.dgkl-rfb.de:81/ 美康生物 Labcode 0087

目前，離子色譜法的應用已經從陰/陽離子、有機酸堿、過渡金屬價態(tài)分析等發(fā)展到極性有機化合物測定，在糖、氨基酸、蛋白質和有機酸等以及復雜基體的生物樣本測定中都得到了應用。隨著樣本前處理技術的不斷改進、新型的離子色譜柱帶來新的分離技術和方法、新的檢測手段和多儀器聯(lián)用技術(如IC-MS)等在離子色譜中的開發(fā)、研究和應用，預期會有越來越多的離子色譜法運用于臨床檢驗，基于離子色譜法建立的參考測量程序將會進一步增多。離子色譜法在臨床生化領域的應用將會得到快速發(fā)展，應用范圍將會更加廣泛，也必將發(fā)揮其重要的作用。

致謝：本研究得到了楊振華教授和衛(wèi)生部臨床檢驗中心張?zhí)鞁衫蠋煹闹笇?，在此深表感謝！

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(本文編輯：龔曉霖)

(1. 寧波美康生物參考實驗室，浙江 寧波 315104；

2. 首都醫(yī)科大學附屬北京世紀壇醫(yī)院檢驗科，北京 100038)

摘要：離子色譜是20世紀70年代發(fā)展起來的一種分析陰離子和陽離子的新型液相色譜分析技術，目前已成為分析化學領域中發(fā)展最快的分析方法之一。該技術具有快速、簡便、靈敏、選擇性好等諸多優(yōu)點，因而被廣泛地應用于工業(yè)、生物、醫(yī)藥、食品、臨床、環(huán)境等領域。文章綜述了近年來將離子色譜技術作為參考測量程序用于血清電解質測定準確性方面的研究，為離子色譜技術應用于臨床生化量值溯源提供參考。

關鍵詞：離子色譜；血清；電解質；參考測量程序

Establishment of reference measurement procedures for serum electrolytes based on ion chromatographyZOUBingde1，ZOUJihua1，SHENMin1，ZHANGMan2，WULishan1，TUMinmin1. (1.ReferenceLaboratory，NingboMedicalSystemBiotechnologyCo.，Ltd.，ZhejiangNingbo315104，China; 2.DepartmentofClinicalLaboratory，BeijingShijitanHospital，CapitalMedicalUniversity，Beijing100038，China)

Abstract:Ion chromatography as a new type of liquid chromatography for the analysis of anions and cations was developed in 1970. Recently， this analytical technology has become one of fastest developing methods in the field of analytical chemistry. It has been widely used in industrial， biological， medical， food， clinic and environmental samples due to its advantages of rapidness， simplicity，sensitivity and selectivity. This article summarizes the research on accuracy of ion chromatography technology as a reference measurement procedure for the determination of serum electrolytes， in order to provide valuable reference to make the analytical measurement results traceable in the field of clinical chemistry.

Key words:Ion chromatography；Serum；Electrolyte；Reference measurement procedure

收稿日期：(2015-01-23)

通訊作者：鄒繼華，聯(lián)系電話：0574-88223111。

作者簡介：鄒炳德，男，1971年生，碩士，高級工程師，主要從事體外診斷試劑的研發(fā)工作。

基金項目：寧波市自然科學基金資助項目(2014A610196)

中圖分類號：

文章編號：1673-8640(2015)12-1250-07R446.1

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-8640.2015.12.021