超聲提取-單顆粒電感耦合等離子質(zhì)譜法測定牙膏中納米銀顆粒

史瑞新 趙艷萍 管鵬 梁維新 荀合

摘?要?建立了超聲提取-單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Single particle-inductively coupled plasma-mass spectrometry，SP-ICP-MS）同時測定牙膏中納米銀顆粒（AgNPs）的粒徑分布、數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的方法。以0.1% Tx-100超聲提取牙膏中的AgNPs，在SP-ICP-MS模式下測定牙膏中AgNPs的粒徑分布、數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度，考察了方法的最佳提取時間、準(zhǔn)確性和檢出限。實驗結(jié)果表明：最佳提取時間為10 min，采用SP-ICP-MS法測定不同粒徑的AgNPs標(biāo)準(zhǔn)品，測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值一致;方法的粒徑檢出限、數(shù)量濃度檢出限和質(zhì)量濃度檢出限分別為23 nm、3.9×108 particles/kg和26 ng/kg;在牙膏樣品的加標(biāo)回收實驗中，納米顆?；厥章试?6.6%～93.8%之間。 本方法簡單、快速，為牙膏中AgNPs的測定提供了準(zhǔn)確的方法。

關(guān)鍵詞?納米銀顆粒;單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法;牙膏

1?引 言

隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，大量納米顆粒產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的商品中，其中，納米銀顆粒（AgNPs）因其對多種微生物具有良好的殺滅和抑制作用，在日用品、化妝品以及生物醫(yī)藥等與人類生活密切相關(guān)的領(lǐng)域大量使用[1]。相關(guān)研究指出，納米材料長期暴露于人體，將會穿透皮膚粘膜，經(jīng)血液循環(huán)到達各臟器，產(chǎn)生不利的生物效應(yīng)[2]，其作用大小與納米材料的粒徑、數(shù)量和濃度密切相關(guān)[3]，日用品是人體內(nèi)AgNPs的主要來源[4]。

目前，納米顆粒的測定和表征手段主要有掃描/透射電子顯微鏡（SEM/TEM）、動態(tài)光散射（DLS）以及納米顆粒跟蹤分析（NTA）等，但該類技術(shù)存在分析成本高、樣品制備步驟復(fù)雜、尺寸以及檢出限較差等不足[5]。采用流場分離[6]、流體動力色譜[7]等分離技術(shù)，并與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用，可用于分離和表征納米顆粒，但此類聯(lián)用技術(shù)檢出限較高，需要復(fù)雜的樣品富集步驟[8]。單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Single particle-inductively coupled plasma-mass spectrometry，SP-ICP-MS）由Degueldre等[9]在2003年提出，該方法簡便、靈敏度高、檢出限低，分析時間短[10]，可同時實現(xiàn)納米顆粒的數(shù)量濃度測定以及粒徑分布表征。近年來，SP-ICP-MS法已被應(yīng)用于環(huán)境樣品[11～14]、食品[15]、日化用品[16]、紡織品[17]、生物樣品[18～20]中納米顆粒的表征和測定。由于納米顆粒普遍存在于復(fù)雜基質(zhì)樣品中，必需的樣品前處理過程容易造成納米顆粒物的團聚或分解，影響測定的準(zhǔn)確性。因此，復(fù)雜基質(zhì)樣品中納米顆粒的分析表征方法是目前SP-ICP-MS研究的一個主要難點及方向。牙膏是與人體消化道長期直接接觸的物質(zhì)，抗菌牙膏中含有的AgNPs可直接進入人體，并會在體內(nèi)蓄積，對人體產(chǎn)生內(nèi)暴露危害影響。目前，尚未見牙膏中的納米顆粒物分析表征方法的報道。為此，建立穩(wěn)定可靠的納米銀顆粒表征方法對于日用品安全性毒理學(xué)評價具有應(yīng)用價值。

本研究將超聲提取與SP-ICP-MS進行聯(lián)用，考察了超聲條件對AgNPs的提取和測定影響，建立了超聲提取-單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時測定牙膏中AgNPs的粒徑分布、數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。

2?實驗部分

2.1?儀器、試劑與材料

Agilent ICP-MS/MS 8800三重四極桿電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜儀（美國安捷倫公司）;BSA224S-CW型電子分析天平（德國賽多利斯公司）;BILON-250Y超聲波處理器（上海比朗儀器有限公司）。

HNO3（電子級，德國Merck公司）;Ag標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液（1000 mg/L，國家鋼鐵研究院）;40、60和80 nm AgNPs標(biāo)準(zhǔn)儲備液（20 mg/L，美國Sigma公司）;含有1 μg/L的Ce、Co、Li、Tl、Y的調(diào)諧液（美國安捷倫公司）;曲拉通（聚乙二醇辛基苯基醚，江蘇強盛功能化學(xué)股份有限公司，分析純，濃度為0.1%）。 實驗用水為超純水（電阻率≥18.2 MΩ· cm）。

選用3種市售抗菌牙膏作為研究對象。

2.2?SP-ICP-MS儀器操作條件

采用調(diào)諧液對ICP-MS儀器進行調(diào)諧，使ICP-MS靈敏度達到最佳狀態(tài)。采用ICP-MS的“No Gas”調(diào)諧模式對107Ag進行測定，相關(guān)儀器操作條件見表1。

2.3?標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

標(biāo)準(zhǔn)離子響應(yīng)溶液的配制：采用0.5% HNO3將Ag+標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液稀釋至0.2、0.5、1、5和10 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，用于測定ICP-MS對Ag+的響應(yīng)靈敏度;標(biāo)準(zhǔn)參比顆粒物溶液的配制： 以水將60 nm AgNPs標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋為100 ng/L 標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，用于計算傳輸效率。

2.4?樣品處理方法

2.4.1?超聲提取-SP-ICP-MS?使用曲拉通溶液提取牙膏中的AgNPs[21～23]。 擠出20 mm膏體，棄去，準(zhǔn)確稱取0.1 g 牙膏樣品，置于50 mL離心管中，使用0.1% Tx-100溶液定容至30 mL后，振蕩搖勻，超聲10 min，以水稀釋至一定倍數(shù)后，搖勻，備用。空白樣品按照相同步驟處理，但不添加牙膏樣品。

2.4.2?元素總量測定?棄去樣品頭部20 mm 膏體后，準(zhǔn)確稱取牙膏樣品0.25 g 于50 mL燒杯中，加入6 mL王水（濃HCl-濃HNO3，1∶3，V/V），加熱至樣品溶解后，滴加5滴H2O2，加熱消化至近干后，以1% HNO3定容至50 mL，搖勻備用[24]?？瞻讟悠钒凑障嗤襟E處理，但在過程中不添加牙膏樣品。

3?結(jié)果與討論

3.1?方法原理

SP-ICP-MS是在傳統(tǒng)ICP-MS的基礎(chǔ)上，采用“單顆粒分析”工作模式的分析技術(shù)。當(dāng)單個納米顆粒被引入到質(zhì)譜儀后，受到等離子體的激發(fā)，形成一簇離子云，到達檢測器后，在短暫的駐留時間內(nèi)形成較強的脈沖信號，通過記錄每個駐留時間內(nèi)的強度值形成時間分辨數(shù)據(jù)。在時間分辨數(shù)據(jù)中，脈沖信號的數(shù)量與溶液中納米顆粒的數(shù)量成正比關(guān)系，脈沖信號的強度與納米顆粒的質(zhì)量以及粒徑相關(guān)，因此，通過SP-ICP-MS可以同時提供納米顆粒的粒徑分布以及質(zhì)量濃度等信息。

Peters等[26]提供了一種納米顆粒物濃度以及粒徑的分布和計算方法。通過已知顆粒濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液在單位時間內(nèi)檢測到的脈沖信號數(shù)量以及樣品流速計算傳輸效率，采用傳輸效率、標(biāo)準(zhǔn)離子響應(yīng)強度以及脈沖信號強度計算納米顆粒的質(zhì)量及其粒徑，計算公式如下：

其中，Cp為顆粒數(shù)量濃度（particles/L）;NP為在時間范圍內(nèi)檢測到的顆粒數(shù)（particles/L）;ηn為傳輸效率;V為樣品流速（mL/min）;Ip為樣品中納米粒子的信號強度（cps）;mp為納米顆粒質(zhì)量（ng）;RFION為離子響應(yīng)強度（cps/μg/L）;td為停留時間（s）;Mp為納米粒子的摩爾質(zhì)量;Ma為納米粒子中待測元素的摩爾質(zhì)量;dp為納米粒子的粒徑（nm）;ρp為納米粒子的密度（g/mL）;Cm為納米粒子質(zhì)量濃度（ng/L）。

3.2?干擾元素考察

測定107Ag的主要干擾為多原子化合物91Zr16O、67Zn40Ar等。本研究將牙膏樣品消解后，采用ICP-MS氦氣碰撞反應(yīng)模式測定了3種牙膏樣品中各元素含量（表2）。 實驗結(jié)果表明，3種牙膏樣品的消解液均為澄清溶液，Zn、Zr的含量分別為2.29～3.51 μg/g 和0.22～2.66 μg/g，樣品中的Zn和Zr濃度較低，在SP-ICP-MS分析模式中，其形成的多原子化合物干擾信號將會處于背景信號區(qū)域中[8]（見圖1A），因此，無需氣體碰撞池即可與AgNPs脈沖信號區(qū)分;同時，由于引入反應(yīng)碰撞氣體，將會降低儀器107Ag的靈敏度，因此，后續(xù)實驗中AgNPs的測定采用“No Gas”調(diào)諧模式。

3.3?提取條件考察

考察了超聲時間對3種牙膏中AgNPs提取效果的影響。分別向3種牙膏中加入適量的60 nm AgNPs，混合均勻，并穩(wěn)定5 h后，使用0.1% Tx-100溶液定容至30 mL，分別超聲5、10和15 min，以水稀釋一定倍數(shù)后，采用SP-ICP-MS法測定。計算稀釋液中AgNPs的數(shù)量濃度及其加標(biāo)回收率，結(jié)果見表3。當(dāng)提取時間為10 min時，3種牙膏的顆?；厥章试?5.4%～92.7%之間;3種牙膏的加標(biāo)回收率均低于100%，這是由于牙膏的基質(zhì)影響，使AgNPs在基質(zhì)中持續(xù)釋放Ag+，導(dǎo)致部分的顆粒被分解[23]。

3.4?SP-ICP-MS響應(yīng)因子以及傳輸效率的計算

標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)因子用于將每個脈沖信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的納米顆粒質(zhì)量，以cps/（μg/L）單位表示，其數(shù)值的大小即為離子標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度曲線的斜率[17]，通過計算，本研究中107Ag的響應(yīng)因子為40440 cps/（μg/L）。 傳輸效率為納米顆粒進入等離子體與霧化器中的數(shù)量比率，本研究采用已知濃度的AgNPs標(biāo)準(zhǔn)工作液測定ICP-MS的傳輸效率，測定前，使用3% HNO3和水分別沖洗ICP-MS進樣系統(tǒng)10 min，在優(yōu)化后的實驗條件下，根據(jù)公式（1）計算得該儀器的傳輸效率為3.2%。

3.5?SP-ICP-MS方法準(zhǔn)確性

在進行樣品測定前，在空白牙膏稀釋液（稀釋103倍，含有0.0001% Tx-100）中加入40、60和80 nm濃度為100 ng/L的AgNPs標(biāo)準(zhǔn)品進行測定，驗證SP-ICP-MS的準(zhǔn)確性，結(jié)果見表4和圖1。由圖1可知，3種AgNPs的脈沖信號均可以較好地與背景信號分離，脈沖信號的強度值與納米顆粒標(biāo)準(zhǔn)品的粒徑呈正相關(guān)，脈沖整體呈正態(tài)分布。對比標(biāo)準(zhǔn)值與本方法對AgNPs的測定值（表4）可知，通過SP-ICP-MS獲得的AgNPs顆粒濃度和粒徑均與標(biāo)準(zhǔn)值一致。

3.6?方法檢出限

本研究采用迭代算法計算納米顆粒的粒徑檢出限（LODs）。 首先根據(jù)公式（5）計算區(qū)別于背景信號區(qū)分的最低脈沖信號強度In+1，然后將其代入至公式（2）和（3）中，計算得到本方法對AgNPs的粒徑檢出限為23 nm;在SP-ICP-MS模式下，測定空白對照樣品，平行實驗7次，計算脈沖信號數(shù)量的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，由于牙膏樣品需稀釋進樣，以1000倍稀釋倍數(shù)計算，本方法對AgNPs的數(shù)量濃度檢出限（LODNP）為3.9×108 particles/kg。質(zhì)量濃度檢出限（LODMP）通過計算數(shù)量濃度檢出限以及粒徑檢出限對應(yīng)的納米顆粒質(zhì)量得出，以23 nm AgNPs和1000倍稀釋倍數(shù)計算，本方法的質(zhì)量濃度檢出限為26 ng/kg。

其中： In+1為在與背景信號區(qū)分的最低信號強度（cps）;In為第n次迭代運算中所有信號強度的平均值（cps）;ISD為第n次迭代運算中所有信號強度的標(biāo)準(zhǔn)偏差;LODs粒徑檢出限（nm）;dp為根據(jù)式（3）計算所得粒徑（nm）;LODNP為數(shù)量濃度檢出限（particles/kg）;Np為空白對照樣品中所測得的納米顆粒脈沖信號的平均數(shù)量;SDP是空白對照樣品中納米顆粒脈沖信號數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差;ηn為傳輸效率;V為樣品流速（mL/min）;ta為測定時間（min）;LODMP為質(zhì)量濃度檢出限（ng/kg）;mp為粒徑檢出限對應(yīng)的納米顆粒質(zhì)量（ng）。

3.7?牙膏樣品中納米銀SP-ICP-MS表征

采用所建立的SP-ICP-MS方法對3種牙膏進行測定，由于顆粒濃度過高的溶液將會導(dǎo)致兩個或多個納米顆粒同時進入等離子體質(zhì)譜儀中，并受到激發(fā)，造成在同一駐留時間內(nèi)發(fā)生脈沖信號的疊加[27]，在單納米顆粒測定中，待測溶液中顆粒濃度范圍應(yīng)維持在106～109 particles/L之間[28]，本研究中牙膏樣品的顆粒濃度均被稀釋至此范圍后再進行測定。測定結(jié)果如圖2和表5所示，牙膏3出現(xiàn)了明顯的AgNPs脈沖信號，

經(jīng)計算得到此樣品中AgNPs的平均粒徑為39 nm，質(zhì)量濃度為22.86 μg/g，與表2計算的總銀含量（31.45 μg/g）接近，牙膏1以及牙膏2中均未檢出AgNPs。加標(biāo)實驗結(jié)果表明，加標(biāo)后牙膏3的原始信號強度明顯增強，粒徑分布圖中出現(xiàn)了60 nm AgNPs的峰，3組加標(biāo)樣品計算的平均粒徑均與標(biāo)準(zhǔn)值一致，納米顆?；厥章试?6.6%～93.8%之間。

4?結(jié) 論

建立了超聲提取-SP-ICP-MS法同時測定牙膏中AgNPs粒徑分布、數(shù)量濃度以及質(zhì)量濃度的方法。首先確定方法的離子響應(yīng)強度以及傳輸效率，采用0.1% Tx-100提取牙膏中的AgNPs，稀釋一定倍數(shù)后，采用SP-ICP-MS法測定。本方法分析速度快，靈敏度高，可快速測定牙膏中的AgNPs粒徑分布、數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。

References

1?Potter P M，Navratilova J，Rogers K R，Al-Abed S R. Environ. Sci.Nano，2019，6（2）： 592-598

2?Duran N，Silveira C P，Duran M，Martinez D S. J. Nanobiotechnol.，2015，13： 55

3?JIANG Guo-Xiang，SHEN Zhen-Yao，NIU Jun-Feng，ZHUANG Ling-Ping，HE Tian-De. Prog. Chem.，2011，23（8）： 1769-1781

蔣國翔，沈珍瑤，牛軍峰，莊玲萍，何天德. 化學(xué)進展，2011，23（8）： 1769-1781

4?Richardson S D，Ternes T A. Anal. Chem.，2014，86（6）： 2813-2848

5?Franze B，Strenge I，Engelhard C. J. Anal. Atom. Spectrom.，2017，32（8）： 1481-1489

6?Mekprayoon S，Siripinyanond A. J. Chromatogr. A，2019，1604： 460493

7?Tiede K，Boxall A B，Wang X，Gore D，Tiede D，Baxter M，David H，Tear S P，Lewis J. J. Anal. Atom. Spectrom.，2010，25（7）： 1149-1154

8?Peters R J，Rivera Z H，van Bemmel G，Marvin H J，Weigel S，Bouwmeester H. Anal. Bioanal. Chem.，2014，406（16）： 3875-3885

9?Degueldre C，F(xiàn)avarger P Y. Colloid Surface A，2003，217（1-3）： 137-142

10?LUO Rui-Ping，ZHENG Ling-Na，LI Liang，WANG Juan，F(xiàn)ENG Wei-Yue，YU Xiang-Hua，WANG Meng. Chinese J. Anal. Chem.，2018，46（6）： 925-930

羅瑞平，鄭令娜，李 亮，王 娟，豐偉悅，喻湘華，王 萌 . ?分析化學(xué)，2018，46（6）： 925-930

11?Torrent L，Laborda F，Marguí E，Hidalgo M，Iglesias M. Anal. Bioanal. Chem.，2019： ??411（20）： 5317-5329

12?Azodi M，Sultan Y，Ghoshal S. Environ. Sci. Technol.，2016，50（24）： 13318-13327

13?Venkatesan A K，Reed R B，Lee S，Bi X，Hanigan D，Yang Y，Ranville J F，Herckes P，Westerhoff P. B. Environ. Contam. Tox.，2018，100（1）： 120-126

14?Fréchette-Viens L，Hadioui M，Wilkinson K J. Talanta，2019，200： 156-162

15?Candas-Zapico S，Kutscher D J，Montes-Bayon M，Bettmer J. Talanta，2018，180： ?309-315

16?Rujido-Santos I，Naveiro-Seijo L，Herbello-Hermelo P，Barciela-Alonso M D C，Bermejo-Barrera P，Moreda-Pieiro A. Talanta，2019，197： ?530-538

17?Mackevica A，Olsson M E，Hansen S F. J. Nanopart. Res.，2017，20（1）： 6

18?Vidmar J，Loeschner K，Correia M，Larsen E H，Manser P，Wichser A，Boodhia K，Al-Ahmady Z S，Ruiz J，Astruc D. Nanoscale，2018，10（25）： 11980-11991

19?Taboada-López M V，Alonso-Seijo N，Herbello-Hermelo P，Bermejo-Barrera P，Moreda-Pieiro A. Microchem. J.，2019，148： ?652-660

20?Badalova K，Herbello-Hermelo P，Bermejo-Barrera P，Moreda-Pieiro A. J. Trace Elem. Med. Bio.，2019，54： 55-61

21?Dan Y，Shi H，Stephan C，Liang X. Microchem. J.，2015，122： 119-126

22?LIANG Wei-Xin，LIU Ning，GUO Peng-Ran，YAN Dong. Journal of Instrumental Analysis，2018，37（10）： 149-154

梁維新，劉 寧，郭鵬然，嚴(yán) 冬. ?分析測試學(xué)報，2018，37（10）： 149-154

23?Chao J，Liu J，Yu S，F(xiàn)eng Y，Tan Z，Liu R，Yin Y. Anal. Chem.，2011，83（17）： 6875-6882

24?QB/T 2968-2008，Determination of Strontium Chloride in Toothpastes. Light Industry Standard of the People's Republic of China

牙膏中氯化銀含量的測定方法. 中華人民共和國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，QB/T 2968-2008

25?Montao M D，Olesik J W，Barber A G，Challis K，Ranville J F. Anal. Bioanal. Chem.，2016，408（19）： ?5053-5074

26?Peters R，Herrera-Rivera Z，Undas A，van der Lee M，Marvin H，Bouwmeester H，Weigel S. J. Anal. Atom. Spectrom.，2015，30（6）： 1274-1285

27?YANG Yuan，LONG Chen-Lu，YANG Zhao-Guang，LI Hai-Pu，WANG Qiang. Chinese J. Anal. Chem.，2014，42（11）： 1553-1560

楊 遠(yuǎn)，龍晨璐，楊兆光，李海普，王 強. ?分析化學(xué)，2014，42（11）： 1553-1560

28?ISO/TS 19590-2017，Nanotechnologies-Size Distribution and Concentration of Inorganic. International Standards of International Organization for Standardization