四種不同儀器對牙體中無機元素分析的比較

石碧 綜述 陳黎明 審校

(1.遵義醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563003；2.貴陽市口腔醫(yī)院，貴州 貴陽 550001)

?

四種不同儀器對牙體中無機元素分析的比較

石碧1,2綜述 陳黎明2△審校

(1.遵義醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563003；2.貴陽市口腔醫(yī)院，貴州 貴陽 550001)

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法； 電子探針； 飛行時間二次離子質(zhì)譜儀； 離子選擇電極

牙體的硬組織包括牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙骨質(zhì)，其中牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的無機物主要是由磷灰石晶體構(gòu)成，晶體中的無機元素除了含有大量Ca、P等主要元素之外，還含有B、Ba、Li、Mg、Fe、Se、F等微量元素[1]，它們以取代的方式存在于牙體硬組織的磷灰石晶體之中，或吸附于磷灰石晶體表面，或以非磷灰石相存在[2]。1983年 A.W.Crawford[3]在研究中表明這些微量元素的含量與分布對牙體硬組織疾病的發(fā)生有一定的影響。其中B、Ba、Li、Mg、Mo、F和Sr具有一定的耐齲潛能，而Fe、Zn、Se、Mn和Pb等可以使釉質(zhì)對齲更加敏感[1]。因此通過對牙體中無機元素的分析與測定對牙體硬組織疾病的發(fā)病機制及防治具有一定指導(dǎo)意義。目前廣泛用于測定牙體中無機元素的方法有光譜分析法，能譜分析法和電化學(xué)分析法，本文就這三大類分析法中具有代表性的電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)，電子探針分析法(EPMA)，飛行時間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)和離子選擇電極(ISE)四種方法進行了總結(jié)，為簡潔，準確的測定牙體硬組織中的無機元素提供借鑒。

1 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)

1.1 ICP-AES的基本原理 是以電感耦合等離子矩為激發(fā)光源的光譜分析方法，ICP焰內(nèi)焰區(qū)在焰心區(qū)上方為半透明狀，淡藍色，溫度可達6 000～8 000 K，分析時試樣被氬氣帶入焰矩后，試樣中不同元素的原子在內(nèi)焰區(qū)和焰心區(qū)被電離、激發(fā)，以光的形式發(fā)射出不同波長的特征光譜，根據(jù)發(fā)射出的光譜波長不同即可對元素進行定性分析；用特征光譜的強弱與標樣相比較，可對樣品中的各種元素含量進行定量分析。

1.2 ICP-AES方法的優(yōu)缺點 優(yōu)勢:(1)分析高效、快速、范圍廣，能一次同時讀出多達幾十種被測元素的特征光譜，并對其進行定量和定性分析，除固態(tài)樣品外，還可以對液態(tài)及氣態(tài)樣品直接進行分析；(2)靈敏度高，若富集處理測定，相對靈敏度可達10～9級[4]；(3)準確度和精密度高，檢出限好，通常為0.1～100 ng/mL，當(dāng)試樣濃度>100倍檢出限時，相對標準偏差小于1%[5]。缺點：(1)存在光譜干擾問題，檢測時需要選擇合適的校正方法[5]；(2)測定某些非金屬元素時，不具備優(yōu)勢，檢出靈敏度較差；(3)不能夠?qū)悠愤M行形態(tài)學(xué)方面的分析。

1.3 ICP-AES方法的應(yīng)用 ICP-AES法目前已廣泛應(yīng)用于機械、地質(zhì)、有機物和生化樣品等，在牙體中對無機元素的測定也在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。李子夏[6]等通過ICP-AES測定健康牙和齲齒中的Zn、Fe、Cu、Sr、Mg、Al、Sr和Pb等元素；Meral Arslan Malkoc[7]通過ICP-AES法測定激光、酸蝕對牙體礦物含量的影響，得出激光，酸蝕對牙體中的Ca、P、Na和Ca/P水平無統(tǒng)計學(xué)意義，而Mg和K有統(tǒng)計學(xué)意義；Sousa SMG, Silva TL[8]使用 ICP-AES法收集經(jīng)EDTA、EGTA、CDTA和檸檬酸脫礦后提取的根管內(nèi)Ca2+含量。

2 電子探針X射線顯微分析儀(EPMA)

2.1 EPMA的基本原理 該儀器以1 Pm的細聚焦電子束作為激發(fā)源，激發(fā)樣品表面微小區(qū)域內(nèi)元素的特征X射線并收集。根據(jù)收集到的特征X射線的不同強度與標準樣品比較，計數(shù)得出樣品組分含量。

2.2 EPMA的優(yōu)缺點 優(yōu)勢：(1)可進行微區(qū)分析：最小范圍直徑為1 μm左右；(2)分析范圍廣、準確度高：除了H，He等較輕的元素外，其他元素均可以被分析，相對誤差控制在1-2%以內(nèi)；(3)非破壞性分析，且可批量分析多個預(yù)置位點；(4)分析鍍層表面樣品形態(tài)無需制備，只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察。缺點：(1)只能測定固態(tài)樣品，對液態(tài)和氣態(tài)樣品無法測定；(2)是微區(qū)分析而不是微量分析，對于樣品中含量低于100 ppm級的元素檢出的準確性較低。

2.3 EPMA的應(yīng)用 在冶金、地質(zhì)、電子材料、生物、醫(yī)學(xué)及考古等領(lǐng)域中得到日益廣泛地應(yīng)用，是礦物測試分析和樣品成分分析的重要工具。除此之外，EPMA已經(jīng)是用于測定牙體硬組織中微量礦物質(zhì)成分含量及變化的一種成熟檢測方法[9-10]。張穎麗等[11]已在1999使用EPMA測定正常恒牙根部的氟含量；Ana Cristina Bezerra[12]等為比較使用不同玻璃離子修復(fù)的氟化水平應(yīng)用EPMA測定牙釉質(zhì)和靠近修復(fù)體的牙本質(zhì)中的Ca、P和F等離子的濃度。

3 飛行時間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)

3.1 TOF-SIMS的基本原理 通過用帶有幾千伏能量的一次離子束高速激發(fā)樣品表面，經(jīng)過物理相互作用在撞擊區(qū)域產(chǎn)生帶正電荷和負電荷的碎片離子，這些帶電荷的離子被稱為二次離子，根據(jù)二次離子因不同的質(zhì)量而飛行到探測器的時間不同來測定離子質(zhì)量。能夠被收集到的二次離子均來自于樣品的最表面，因此所收集到的樣品信息也僅限于樣品的最表層。這就決定了TOF-SIMS是一種對表面靈敏的質(zhì)譜技術(shù)[13]。

3.2 TOF-SIMS的優(yōu)缺點 優(yōu)點：(1)樣品制備簡單，無需提純，用量少[14]；(2)可檢測包含H在內(nèi)的元素及同位素；(3)表面靈敏度高[15]，檢出限好，可以檢測到1 ppm級乃至更低的濃度；(4)優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量分辨率(約8 000 u)[16]；(5)離子利用率高：可以不破壞樣品經(jīng)過一次離子束激發(fā)表面即可獲得全譜。缺點：(1)定性分析優(yōu)于定量分析，TOF-SIMS的定量分析多為半定量分析；(2)譜圖數(shù)據(jù)分析困難：一是對未知樣品的結(jié)構(gòu)分析困難，二是譜圖分析時必須對樣品表面的主要成分有一定的了解[13]。

3.3 TOF-SIMS的應(yīng)用:TOF-SIMS當(dāng)今已發(fā)展為一種成熟且完善的表面分析技術(shù)[15-17]，廣泛應(yīng)用于生物材料和生命科學(xué)研究中。M.E.Dickinson[18]等使用TOF-SIMS對體外牙釉質(zhì)齲進行研究；M.Okazki[19]在研究中使用TOF-SIMS清楚的顯示了氟磷灰石晶體中的氟；同樣使用TOF-SIMS技術(shù)，Gotliv[20]發(fā)現(xiàn)牛管周牙本質(zhì)富含Ca、Na、Mg和K，去蛋白化后管周牙本質(zhì)Mg、K含量下降，由此推斷Mg和K主要與管周牙本質(zhì)的有機基質(zhì)相關(guān)，而Na與管周牙本質(zhì)的礦物質(zhì)相關(guān)。

4 離子選擇電極(ISE)

4.1 ISE的基本原理 ISE法是電化學(xué)分析法中的一種。它是將溶液中待測離子的活度利用電極尖端的感應(yīng)膜轉(zhuǎn)化成一定的電位，其電位與該離子的活度的對數(shù)具有線性關(guān)系，通過與已知離子濃度的溶液比較可求得未知溶液的離子活度[21]。

4.2 ISE的優(yōu)缺點 優(yōu)點：(1)使用方法簡潔、價廉，應(yīng)用范圍廣；(2)測定結(jié)果不受試劑顏色、渾濁程度等的影響；(3)分析速度快、靈敏度高，可達到10-5～10-8mmol/L。缺點：(1)破壞性分析，不能保存固體樣品的完整性；(2)需要配置標樣，繪制標準曲線，所測結(jié)果不是直接的離子濃度，需要換算；(3)可能存在離子干擾問題；(4)測定時溶液的pH值對結(jié)果有較大的影響，所以要求測定時標準溶液和樣品有相同的pH值[21]。

4.3 ISE的應(yīng)用 ISE多用于測定氟離子，常稱為氟離子選擇電極(FISE)，對PH和氟離子的測定所采用的離子選擇電極法已被定為標準方法，水質(zhì)自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)中，有10多個項目均采用ISE法。FISE法也已用于蔬菜、水果、茶葉、蠶桑、藥材、電鍍廢水、豆類、飼料、牙膏、人血、豬肉、碘鹽、空氣和煤等[21]；韓天龍、王敏[22]利用FISE法測定了工業(yè)氟污染區(qū)小尾寒羊牙氟及骨氟含量,結(jié)果表明實驗組牙齒和骨骼中的氟含量明顯高于對照組。

5 總 結(jié)

以上各種方法目前都普遍應(yīng)用于牙體硬組織中無機元素的測定，但分析優(yōu)勢各有不同。ICP-AES和TOF-SIMS可同時對多種元素進行定性和定量分析，分析快速、簡便，直接放入待測樣品后通過計算機操作即可讀取結(jié)果，但TOF-SIMS的定性分析較定量分析功能更具優(yōu)勢。單純定量分析多用EPMA和ISE，前者操作簡單，對于不同樣品的校準標樣可先錄入系統(tǒng)并隨時取用，在分析過程中幾乎同步獲得結(jié)果，而ISE常側(cè)重于對樣品中氟含量的測定，實驗準備過程相比EPMA較為繁瑣，需要配制標樣及繪制標準曲線，且實驗結(jié)果需要人工進一步換算。對于微區(qū)分析常用EPMA和TOF-SIMS，不破壞樣品形態(tài)且可以在檢測過程中觀察到樣品的表面形貌；而ICP-AES和ISE屬于破壞性分析，對于固態(tài)樣品常需要研磨濕化消解，故對樣品形貌方面的觀察并不能實現(xiàn)，需要與其他實驗技術(shù)結(jié)合運用，如掃描電子顯微鏡等。

隨著分析儀器的更新?lián)Q代，分析技術(shù)精確度及靈敏度的不斷提高，在未來對牙體組織疾病的各項研究中，研究內(nèi)容已不在局限于僅描述成分、含量變化或形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察，將逐漸形成多種儀器聯(lián)合運用的分析技術(shù)鏈接體系，各儀器充分發(fā)揮各自優(yōu)勢、取長補短，實現(xiàn)從含量的測定到元素分布狀態(tài)的研究，再到形貌結(jié)構(gòu)的觀察環(huán)環(huán)相扣、相互銜接的一體化科研方式，為研究牙體組織疾病的發(fā)病機制和防治的工作建立充分的技術(shù)支持和可靠保證。

[1] 于世鳳，口腔組織病理學(xué)[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社，2012：47.

[2] 簡曉嵐，楊婧，趙瑋.牙本質(zhì)齲中化學(xué)成分的電子探針微區(qū)分析[J].臨床口腔醫(yī)學(xué)雜志，2014,30(8)：474-476.

[3] Crawford AW.Conentnation changes in Surpace Ca,P,Zn,Fe,and Sr during white tpot[J].Dent Res,1983,63:964.

[4] 王建復(fù),趙佳.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)的研究進展[J].中國科技博覽,2013,(28):324.

[5] 隋欣,吳海銘,王寶輝,等.ICP-AES應(yīng)用進展及展望[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2014,1:25-27.

[6] 李子夏，賀茂勇.電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法測定齲齒中微量元素[J].光譜實驗室2010,27(1):116-119.

[7] Meral Arslan Malkoc.Effects of laser and acid etching and air abrasion on mineral content of dentin[J].Lasers in Medical Science,2011,26(1):21-27.

[8] Sousa SMG, Silva TL. Demineralization effect of EDTA, EGTA, CDTA and citric acid on root dentin: a comparative study[J]. Braz Oral Res,2005，19(3):188-192.

[9] Knight GM，McIntyre JM，Craig GG，et al.Electron probe microanalysis of ion exchange of selected elements between dentine and adhesive restorative materials[J].Australian Dental Journal,2007,52(2):128-132.

[10] Akiba N,Sasano Y,Suzuki O,et al.Characterization of Dentin Formed in Transplanted Rat Molars by Electron Probe Microanalysis[J].Calcified Tissue International,2006,78(3):143-151.

[11] 張穎麗,畢文翔,孫淑芬,等.正常恒牙根部氟含量電子探針分析[J].白求恩醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，1999,25(2)：175-176.

[12] Ana Cristina Bezerra.Ion concentration adjacent to glass-ionomer restorations in primary molars [J].Dental Materials,2012,28(11):259-263.

[13] 孫立民.飛行時間二次離子質(zhì)譜在生物材料和生命科學(xué)中的應(yīng)用(上)[J].質(zhì)譜學(xué)報,2012,33(1):55-64.

[14] Sole-donench S,Johansson B,Schalling M,et al.Analysis of opioid and amyloid peptides using time-of-flight secondary ion mass spectrometry [J].Analytical Chemistry ,2010,82(5):1964-1974.

[15] 阿爾弗來德·貝寧豪文,查良鎮(zhèn).飛行時間二次離子質(zhì)譜-強有力的表面、界面和薄膜分析手段[J].真空,2002,10(5)：1-10.

[16] 孫立民.飛行時間二次離子質(zhì)譜在生物材料和生命科學(xué)中的應(yīng)用(下)[J].質(zhì)譜學(xué)報,2014,35(5):385-396.

[17] Malmberg P,Bexell U,Eriksson C,et al.Analysis of bone minerals by time-of-flight secondary ion mass spectrometry: a comparative study using monoatomic and cluster ions sources[J].Rapid Communications in Mass Spectrometry,2007,21(5):745-749.

[18] Dickinson ME,Wolf KV,Mann AB.Nanomechanical and chemical characterization of incipient in vitro carious lesions in human dental enamel.[J]Archives of Oral Biology，2007,52(8)：753-760.

[19] Okazaki M, Hiratai I, Matsumoto T,et al.Advantages of TOF-SIMS Analysis of Hydroxyapatite and Fluorapatite in Comparison with XRD,HR-TEM and FT-IR [J].Dental Materials Journal,2005,24 (4) : 508-514.

[20] Bat-Ami Gotliv, Joshua S. Robach Arthur Veis. The composition and structure of bovine peritubular dentin: Mapping by time of flight secondary ion mass spectroscopy[J]. Journal of Structural Biology,2006,156:320-333.

[21] 秦宗會,謝兵,劉艷.氟含量測定方法綜述[J].中國西部科技,2010,9(21):1-5.

[22] 韓天龍,王敏.工業(yè)氟污染對小尾寒羊牙齒和骨骼中氟含量的影響[J].中國畜牧獸醫(yī),2010,37(10):226-228.

國家自然科學(xué)基金項目(項目號81341110)；貴州省科技合作計劃項目[黔科合LH字(2014)7565號]；貴陽市社會發(fā)展與民生科技計劃[筑科合同(2013103)13號]；貴陽市人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項目[筑人才辦合同字(2014)13號]

R780.2

B

1000-744X(2016)03-0314-03

2015-11-02)

△通信作者，E-mail：15180711430@163.com