基于單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定環(huán)境基質(zhì)水樣中納米銀顆粒

管 鵬，郭鵬然，潘佳釧，荀 合，梁維新

(廣東省科學(xué)院 廣東省測試分析研究所(中國廣州分析測試中心) 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070)

納米材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為近幾十年來科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)的熱點(diǎn)[1-2]。其中納米銀顆粒(AgNPs)對(duì)大量的致病微生物均具有良好的抑制和殺滅作用，被廣泛用于抗菌紡織品、生活用水過濾器、化妝品、兒童玩具、食品包裝材料、醫(yī)療器械產(chǎn)品等領(lǐng)域[3-9]。與此同時(shí)，含AgNPs產(chǎn)品的大量生產(chǎn)和使用致使其環(huán)境釋放量不可避免地增加，成為新興環(huán)境污染物，其中生活污水的排放是AgNPs進(jìn)入生態(tài)環(huán)境的主要途徑，并可通過地表和地下徑流的方式污染飲用水源地，而目前飲用水的處理方法無法將AgNPs完全去除[10-12]。相關(guān)研究指出，長期接觸和飲用含AgNPs的水體將可能導(dǎo)致AgNPs穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞組織內(nèi)，對(duì)人體產(chǎn)生不利影響[6,11,13]，其影響的大小與AgNPs的數(shù)量濃度和粒徑等密切相關(guān)。

環(huán)境水體中AgNPs的濃度約在110 ng/L以下[14]，目前針對(duì)納米顆粒物常用的表征方法如掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力電子顯微鏡(AFM)等需復(fù)雜的樣品前處理步驟，無法直接對(duì)水體中AgNPs進(jìn)行表征[15]。其他如體積排阻色譜(SEC)[16]、場流分級(jí)分離(FFF)[5,17]、動(dòng)態(tài)光散射(DLS)[17]、拉曼光譜[18]等方法雖可直接表征測定水體中的AgNPs，但較高的檢出限制約了DLS和拉曼光譜在環(huán)境水體中AgNPs表征方面的應(yīng)用[19]，而SEC、FFF需復(fù)雜的前處理或需要與其他技術(shù)聯(lián)用方可進(jìn)行定性定量分析[5]。2003年，Degueldre等[20]提出單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Single-particle ICP-MS，SP-ICP-MS)，該方法具有操作簡單、靈敏度高、檢出限低、分析時(shí)間短等特點(diǎn)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米顆粒的數(shù)量濃度以及粒徑分布的表征，并可直接對(duì)水體中納米顆粒物進(jìn)行分析，近年來已被應(yīng)用于環(huán)境[21-22]、食品[23]、化妝品[24]、人體組織[19]等樣品中納米顆粒物的分析。環(huán)境水體樣品具有基質(zhì)成分復(fù)雜、干擾物質(zhì)較多的特點(diǎn)，易對(duì)AgNPs的顆粒形態(tài)及其毒性造成影響，干擾測定結(jié)果。因此有必有對(duì)環(huán)境水體中潛在的干擾物質(zhì)進(jìn)行考察。

本文采用SP-ICP-MS方法同時(shí)測定水中AgNPs的粒徑分布、數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度，研究了水中溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)、pH值以及離子強(qiáng)度等對(duì)AgNPs的顆粒態(tài)及濃度的影響，為環(huán)境水樣中AgNPs的SP-ICP-MS表征測定提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

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)；PB-10 pH計(jì)、BSA224S-CW型分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)；KQ-500E超聲波發(fā)生器(昆山市超聲儀器有限公司)。

60 nm AgNPs標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(20 mg/L，美國Sigma公司)；Ag離子標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(1 000 mg/L，國家鋼鐵研究院)；濃硝酸(電子級(jí)，德國Merck公司)；腐殖酸(上海麥克林生化科技有限公司)；氯化鈉、氫氧化鈉(AR，廣州化學(xué)試劑廠)；含有Ce 、Co、Li、Tl、Y的調(diào)諧液(1 μg/L，美國安捷倫公司)；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

表1 ICP-MS儀器單顆粒測定模式工作條件Table 1 Operating conditions of ICP-MS in single particle mode

1.2 SP-ICP-MS儀器操作條件

首先對(duì)ICP-MS儀器進(jìn)行等離子體點(diǎn)火，預(yù)熱穩(wěn)定30 min后采用調(diào)諧液對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)諧，使ICP-MS靈敏度達(dá)到最佳狀態(tài)。同時(shí)，采用ICP-MS的“No Gas”調(diào)諧模式對(duì)1 μg/L的107Ag進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測，并調(diào)節(jié)各項(xiàng)調(diào)諧參數(shù)使其對(duì)107Ag的監(jiān)測信號(hào)值達(dá)到最高，相關(guān)儀器操作條件見表1。

1.3 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0.1%硝酸將Ag離子標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋至1 μg/L，用于ICP-MS對(duì)Ag響應(yīng)靈敏度的調(diào)諧。標(biāo)準(zhǔn)參比顆粒物溶液的配制：用于計(jì)算傳輸效率和評(píng)價(jià)分析結(jié)果準(zhǔn)確性，使用超純水將AgNPs(60 nm)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋成100 ng/L的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。根據(jù)ISO/TS 19590[25]，60 nm的AgNPs在2～200 ng/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)工作溶液皆能獲得準(zhǔn)確的傳輸效率，本研究選擇100 ng/L的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.4 水樣的采集與處理

河流水樣：采集于廣州市某河流，水樣pH值為6.51，DOM為90 μg/L，離子強(qiáng)度約為0.055 mmol/L。染料廢水水樣：采集于廣州市某印染廠，pH值為2.60，DOM為3.1 mg/L，離子強(qiáng)度約為0.029 mmol/L。養(yǎng)殖廢水水樣：采集于廣州市某養(yǎng)殖場，pH值為6.41，DOM為20 mg/L，離子強(qiáng)度約為0.19 mmol/L。

采集的水樣先經(jīng)0.45 μm的濾膜過濾并分為2份，用于檢測水樣中總離子濃度的一份加入濃硝酸使其濃度達(dá)到2%，并密封置于陰涼處；另一份密封置于4 ℃冰箱中保存，待用。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法原理

SP-ICP-MS是在常規(guī)ICP-MS的基礎(chǔ)上，采用“單顆?！狈治瞿Ｊ降募夹g(shù)。將水溶液中的顆粒引入等離子體，當(dāng)液滴在等離子體中去溶劑化時(shí)，納米顆粒經(jīng)電離產(chǎn)生的大量離子云到達(dá)檢測器后在極短的駐留時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)極強(qiáng)的脈沖信號(hào)，且產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的數(shù)量與溶液中納米顆粒的數(shù)量成正比，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的強(qiáng)度與納米顆粒的質(zhì)量以及粒徑相關(guān)。如Peters等[26]通過已知顆粒濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液在單位時(shí)間內(nèi)檢測到的脈沖信號(hào)數(shù)量以及樣品流速計(jì)算傳輸效率，并采用傳輸效率、標(biāo)準(zhǔn)離子響應(yīng)強(qiáng)度以及脈沖信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算納米顆粒的質(zhì)量及粒徑，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Cp為顆粒數(shù)量濃度(particles/L)；Np為在時(shí)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(hào)強(qiáng)度(cps)；mp為納米顆粒質(zhì)量(ng)；RFION為離子響應(yīng)強(qiáng)度(cps/(μg·L-1))；td為停留時(shí)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為待測納米粒子的粒徑(nm)；ρp為納米粒子的密度(g/mL)；Cm納米粒子質(zhì)量濃度(ng/L)。

圖1 不同pH值條件下水中AgNPs顆粒濃度、質(zhì)量濃度及粒徑Fig.1 AgNPs particle concentration,mass concentration,and particle size in water at different pH value conditions

2.2 SP-ICP-MS的測定及AgNPs標(biāo)準(zhǔn)物品的確證

根據(jù)文獻(xiàn)采用的粒度/顆粒檢出限計(jì)算方法[9]，本方法的粒度檢出限為25 nm，顆粒濃度檢出限為8×104particle/L。實(shí)驗(yàn)在表1的儀器條件下對(duì)100 ng/L AgNPs(60 nm)標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定，驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，采用SP-ICP-MS法測得標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的顆粒濃度為8.43×107particle/L,質(zhì)量濃度為100 ng/L,平均粒徑為59 nm，與標(biāo)準(zhǔn)值顆粒濃度(8.43×107particle/L)、標(biāo)準(zhǔn)粒徑(60 nm，TEM值)一致。

圖2 不同DOM濃度下水中AgNPs顆粒濃度、質(zhì)量濃度及粒徑Fig.2 AgNPs particle concentration,mass concentration and particle size in water at different DOM concentrations

圖3 不同NaCl濃度下水中AgNPs顆粒濃度、質(zhì)量濃度及粒徑Fig.3 AgNPs particle concentration,mass concentration,and particle size in water at different NaCl concentrations

2.3 pH值對(duì)AgNPs測定的影響

溶液的pH值會(huì)影響納米顆粒的聚集和穩(wěn)定性[27-30]，因此需考察其對(duì)AgNPs測定的影響。配制不同pH值(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.0)的100 ng/L AgNPs(60 nm)溶液，采用SP-ICP-MS測定其中AgNPs的顆粒濃度、質(zhì)量濃度及粒徑(圖1)。從圖1中可以看出，當(dāng)溶液由中性變化至酸性時(shí)，溶液中的AgNPs的顆粒濃度、質(zhì)量濃度依次降低，在pH值為5.0和7.0時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)值一致；當(dāng)pH<3.0時(shí)溶液中AgNPs的顆粒濃度、質(zhì)量濃度及粒徑大小均降低，這是因?yàn)槿芤旱乃嵝暂^大，部分顆粒態(tài)的納米銀轉(zhuǎn)化為離子態(tài)；pH值為3.0和4.0時(shí)顆粒濃度、質(zhì)量濃度降低較少，粒徑幾乎不受影響，由于堿性溶液對(duì)儀器的進(jìn)樣系統(tǒng)有所損害，因此對(duì)水中AgNPs檢測時(shí)的pH值應(yīng)在5.0～7.0之間。

2.4 DOM對(duì)AgNPs測定的影響

溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)[31]主要包括腐殖酸和富里酸等，廣泛存在于環(huán)境水體中，其在地下水和地表水中的含量在0.02～30 mg/L范圍內(nèi)，能與各種納米顆粒物結(jié)合形成穩(wěn)定的懸浮液，因此實(shí)驗(yàn)配制100 ng/L的AgNPs(60 nm)溶液，考察了腐殖酸質(zhì)量濃度(0、1、2、5、10、15、20、25、30 mg/L)對(duì)測定的影響(圖2)。從圖2中可以看出，當(dāng)溶液中腐殖酸的質(zhì)量濃度小于30 mg/L時(shí)對(duì)溶液中AgNPs顆粒濃度的測定結(jié)果無明顯影響，對(duì)質(zhì)量濃度及粒徑測定結(jié)果影響較小。

2.5 離子強(qiáng)度對(duì)AgNPs測定的影響

溶液中納米顆粒的穩(wěn)定性很大程度上取決于離子強(qiáng)度，當(dāng)離子強(qiáng)度大時(shí)，顆粒之間更易聚集[27,29,32-33]，為此在儀器承受范圍內(nèi)考察了不同離子強(qiáng)度(NaCl濃度為0、1、5、10、20、30、50 mmol/L)對(duì)100 ng/L AgNPs(60 nm)測定的影響(圖3)。結(jié)果顯示，當(dāng)溶液中NaCl濃度為0～1 mmol/L時(shí)，AgNPs的顆粒濃度、質(zhì)量濃度及粒徑的測定結(jié)果均不受影響，但當(dāng)NaCl的濃度大于1 mmol/L時(shí)，AgNPs的顆粒濃度、質(zhì)量濃度及粒徑均隨NaCl濃度的升高而下降，對(duì)測定結(jié)果影響較大，這可能是由于高離子強(qiáng)度增強(qiáng)了顆粒物的聚集作用使其迅速沉降。因此，采用SP-ICP-MS法測定水中的AgNPs時(shí)水中的離子強(qiáng)度濃度需低于1 mmol/L。

2.6 實(shí)際水樣中AgNPs的測定

采用SP-ICP-MS方法對(duì)3種不同基質(zhì)條件的環(huán)境水樣(河水、染料廢水、養(yǎng)殖廢水)進(jìn)行測定。由于測定時(shí)納米顆粒產(chǎn)生的脈沖信號(hào)值與樣品中納米顆粒的濃度成比例，為避免樣品顆粒濃度過高導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)納米顆粒同時(shí)進(jìn)入等離子體中受到激發(fā)，造成在同一駐留時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)發(fā)生疊加，在本次實(shí)驗(yàn)中，待測樣品中顆粒濃度控制在106～109(particles/L)之間[9,25]。在對(duì)水樣進(jìn)行單顆粒檢測及加標(biāo)前，首先對(duì)3種水樣中的總離子濃度進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)3種水樣中總銀離子均未檢出，其他重金屬離子(Mn、Fe、Zn、As、Cd、Pb)的質(zhì)量濃度為0～50 μg/L；再對(duì)3種實(shí)際水樣進(jìn)行納米銀加標(biāo)，加標(biāo)濃度為100 ng/L，測定結(jié)果見表2和圖4。3個(gè)水樣中均未檢出AgNPs，經(jīng)加標(biāo)后出現(xiàn)了明顯的脈沖信號(hào)，河水、養(yǎng)殖廢水加標(biāo)樣品的回收率分別為98.1%和93.3%，平均粒徑分別為58.5 nm和56.6 nm，與標(biāo)準(zhǔn)粒徑(60 nm，TEM值)一致；而染料廢水平均粒徑為52.7 nm，回收率為83.3%，這是由于染料廢水pH值較低(2.6)，致使水樣中AgNPs部分溶解，從而影響其粒徑及顆粒濃度，所得結(jié)論與前文一致。

表2 SP-ICP-MS法測定3個(gè)環(huán)境水樣(n=3)Table 2 Determination of three environmental water samples by SP-ICP-MS(n=3)

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圖4 加標(biāo)100 ng/L的河水、染料廢水和養(yǎng)殖廢水的原始信號(hào)圖(A)及粒徑分布圖(B)Fig.4 Original signal diagrams(A) and particle size distribution diagrams(B) of river water,dye wastewater and aquaculture wastewater spiked with 100 ng/L1.river water;2.dye wastewater;3.aquaculture wastewater

3 結(jié) 論

本文基于單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時(shí)測定了不同環(huán)境基質(zhì)水樣中納米銀顆粒的粒徑分布以及數(shù)量濃度，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差小于2%，表明SP-ICP-MS方法具有很高的準(zhǔn)確性。溶液中pH值、離子強(qiáng)度、DOM濃度分別在5.0～7.0、0～1 mmol/L和0～30 mg/L范圍內(nèi)對(duì)測定結(jié)果影響較小。當(dāng)pH值小于5.0時(shí)，AgNPs的數(shù)量濃度和粒徑隨著pH值的減小而減小。當(dāng)離子強(qiáng)度大于1 mmol/L時(shí)，AgNPs的數(shù)量濃度和粒徑隨著離子強(qiáng)度的增大而減小。本研究可為環(huán)境水樣中納米顆粒物的表征分析以及納米顆粒物的環(huán)境安全性評(píng)估提供數(shù)據(jù)參考。