單顆粒-電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定海水中銀納米顆粒

張春梅 徐強(qiáng) 杜靜 田甲申 張華

摘?要?建立了單顆粒-電感耦合等離子體質(zhì)譜法（SP-ICP-MS）量化與表征海水中銀納米顆粒（AgNPs）的方法。篩選了SP-ICP-MS檢測(cè)海水中AgNPs時(shí)的最優(yōu)駐留時(shí)間，通過(guò)探究海水基質(zhì)對(duì)AgNPs檢測(cè)的影響，確定了海水樣品稀釋倍數(shù)，并利用本方法對(duì)大連市近岸海域3個(gè)站位表層海水樣品中的AgNPs進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，儀器最優(yōu)駐留時(shí)間為100 μs，150倍稀釋海水樣品可提高AgNPs濃度的測(cè)定準(zhǔn)確度。本方法測(cè)定海水中AgNPs數(shù)量濃度檢出限為9.75×103 particles/mL，粒徑檢出限為12 nm，標(biāo)稱粒徑50和100 nm AgNPs的平均加標(biāo)回收率均大于70%。大連市近岸海域3個(gè)站位表層海水樣品中均檢測(cè)出AgNPs，數(shù)量濃度最大值為（2.1±0.004）×106 particles/mL，最小值為（1.1±0.01）×105 particles/mL，粒徑分布在18～200 nm之間。本方法具有樣品制備簡(jiǎn)單、分析速度快、顆粒物數(shù)量濃度檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，為近岸海水中AgNPs的監(jiān)測(cè)分析提供了可靠的分析方法。

關(guān)鍵詞?單顆粒-電感耦合等離子體質(zhì)譜; 海水; 銀納米顆粒

1?引 言

銀納米顆粒（AgNPs）具有抗菌性能，常被用于涂料、家用電器、紡織品和清潔劑等領(lǐng)域[1～3]。隨著AgNPs材料的大量使用，不可避免被釋放到環(huán)境中，增大了AgNPs材料的生物效應(yīng)[4～6]和安全性風(fēng)險(xiǎn)[7，8]。準(zhǔn)確測(cè)定自然環(huán)境中AgNPs的數(shù)量及粒徑對(duì)于正確評(píng)估AgNPs的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）和動(dòng)態(tài)光散射（DLS）等技術(shù)被廣泛用于納米材料的表征與檢測(cè)[9，10]。 上述技術(shù)適用于研究納米顆粒的尺寸、形狀和形態(tài)，但不能量化納米顆粒的數(shù)量及質(zhì)量濃度。單顆粒電感耦合等離子體質(zhì)譜（SP-ICP-MS）通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）數(shù)據(jù)采集方式和樣品引入方式等方面的改進(jìn)，可獲得金屬基納米顆粒的數(shù)量、尺寸和粒徑分布，近年來(lái)被成功應(yīng)用于檢測(cè)水環(huán)境中AgNPs和金納米顆粒（AuNPs）[11～14]。已有研究表明，水環(huán)境中廣泛存在AgNPs。Wu等[15]在廣東省陳店湖和貴嶼河采集的表層水樣品中檢測(cè)出AgNPs，數(shù)量濃度分別為（7.04±0.42）×107 particles/L、（4.04±0.11）×107 particles/L，粒徑主要為40 nm和30 nm。 此外，污水處理廠排水中也被證實(shí)存在AgNPs。Li等[16]研究發(fā)現(xiàn)，城市廢水經(jīng)污水處理廠處理后，超過(guò)94.6%的AgNPs可被去除，但仍含有0.7～11.1 ng/L AgNPs，這些AgNPs最終被直排匯入大海。然而，海水中AgNPs的分布特征研究目前鮮有報(bào)道，其主要難點(diǎn)在于海水介質(zhì)中的AgNPs的量化與表征。首先，海水中的AgNPs含量較低。Sun等[17]通過(guò)模型預(yù)測(cè)海水中以納米顆粒形式存在的銀質(zhì)量濃度范圍為0.01～100 ng/L。此外，海水高鹽、基質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)也增加了AgNPs量化和表征的難度。Mylona等[18]利用SP-ICP-MS 測(cè)量海水中實(shí)驗(yàn)濃度為200 ng/L AgNPs的粒徑分布與顆粒數(shù)量，發(fā)現(xiàn)對(duì)未經(jīng)稀釋的海水樣品進(jìn)行直接分析可觀察到由矩陣引起的信號(hào)抑制，但并未對(duì)分析檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)探究。因此，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單、高效、靈敏度高的海水中AgNPs檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)海水環(huán)境中AgNPs的量化與表征，從而為更好地開(kāi)展AgNPs在不同海域海水中分布特征研究提供技術(shù)支撐。

本研究建立了SP-ICP-MS測(cè)定海水中AgNPs數(shù)量、尺寸和粒徑分布的方法，并對(duì)實(shí)際海水樣品中AgNPs進(jìn)行了測(cè)定。

2?實(shí)驗(yàn)部分

2.1?儀器與試劑

Nexion 300D電感耦合等離子體質(zhì)譜 （美國(guó)Perkin Elmer公司），配備Nano軟件（Nano app for syngisix software）對(duì)AgNPs進(jìn)行檢測(cè)與分析。儀器RF功率（Power）為1600 W，輔助氣流（Auxiliary gas flow）為1.2 L/min，等離子氣流（Plama gas flow）為18 L/min，樣品提升率（Sample lifting rate）為0.292 mL/min，樣品采集時(shí)間（Sample Acquisition time）為110 s，分析采用TRA模式，穩(wěn)定時(shí)間（Settling time，ts）設(shè)置為零[19]，駐留時(shí)間（Dwell time，td）設(shè)置為不同值，考察檢測(cè)效果。本方法可同時(shí)得到AgNPs的粒徑和顆粒數(shù)量濃度，從而分析出AgNPs粒徑分布及顆粒質(zhì)量濃度。

50和100 nm AgNPs溶液（nanoComposix公司），TEM測(cè)定值分別為（52±5） nm、（93±10） nm，AgNPs質(zhì)量濃度分別為20 和21 mg/L，顆粒數(shù)量濃度分別為2.6×1010 particles/mL和4.7×109 particles/mL，試劑公司附帶透射電子顯微鏡說(shuō)明書(shū)證明標(biāo)準(zhǔn)溶液中AgNPs形態(tài)均為單分散的近球形。為避免造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，標(biāo)準(zhǔn)溶液用超純水連續(xù)稀釋至最終濃度約為104～105particles/mL，備用。Ag+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，1000 mg/L）。Ag+標(biāo)準(zhǔn)溶液用超純水稀釋系列濃度1～10 μg/L用于校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)海水（國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，鹽度標(biāo)準(zhǔn)值34.997）。

所有標(biāo)準(zhǔn)溶液及配制溶液在分析前均超聲處理15 min，避免粒子團(tuán)聚，于暗處保存。

2.2?樣品采集

搭載遼寧省海水水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測(cè)航次，采集大連市近岸海域表層海水，取樣位置如圖1所示。每個(gè)站位采集100 mL表層海水樣品至棕色玻璃樣品瓶中，并在走航過(guò)程中選取多個(gè)采集點(diǎn)位。樣品采集完成后，于4℃冷藏運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室后，將樣品超聲分散30 min，隨后分裝至50 mL 玻璃管中，4℃冷藏保存，樣品當(dāng)天進(jìn)行前處理操作。

2.3?樣品前處理

通過(guò)稀釋方法降低基質(zhì)干擾，利用備用樣品探討稀釋倍數(shù)對(duì)海水中AgNPs檢測(cè)的影響。將DL01～DL03樣品按最優(yōu)稀釋比例稀釋，樣品超聲分散15 min后進(jìn)樣。進(jìn)樣前，用調(diào)諧液將儀器狀態(tài)調(diào)至最佳，樣品間用1% HNO3溶液和超純水沖洗進(jìn)樣系統(tǒng)。

2.4?nano軟件計(jì)算原理

金屬納米粒子進(jìn)入ICP-MS后，可在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生極強(qiáng)的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)與納米粒子的數(shù)量成正比，脈沖強(qiáng)度與納米粒子粒徑成正比[20]。單個(gè)納米粒子的質(zhì)量按照公式（1）[21，22]計(jì)算得到：

其中，MNP為單個(gè)納米粒子的質(zhì)量（ng），DNP為單個(gè)納米粒子的粒徑（nm），ρ=10.53 g/cm3（Ag的密度）。粒徑分布直方圖由單個(gè)納米粒子的粒徑組成。

已知單個(gè)納米粒子的質(zhì)量，可由公式（2）計(jì)算得到溶液中納米粒子的質(zhì)量濃度[15]：

其中，CNP為質(zhì)量濃度（ng/L），MNP為單個(gè)納米粒子的質(zhì)量（ng），NNP為所測(cè)溶液中的顆粒數(shù)量濃度（particles/mL）。

3?結(jié)果與討論

3.1?駐留時(shí)間的確定

td是SP-ICP-MS檢測(cè)分析的重要參數(shù)，常被設(shè)置為ms量級(jí)[23]。Nexion 300D ICP-MS作為四極桿ICP-MS，td可設(shè)置為μs量級(jí)[19]。因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置不同td（20 μs、100 μs、1 ms、3 ms），使用50 ng/L（數(shù)量濃度約為6.5×104 particles/mL）AgNPs溶液進(jìn)樣，分析結(jié)果如圖2所示。td為20 μs（圖2A）時(shí)，在信號(hào)強(qiáng)度為0～10 counts處未出現(xiàn)完整的脈沖信號(hào)，表明在此條件下納米顆粒信號(hào)可能與背景信號(hào)重疊，導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。 td為3 ms（圖2D）時(shí)，在信號(hào)強(qiáng)度為50～75 counts處出現(xiàn)新的信號(hào)分布曲線，表明檢測(cè)器誤將兩個(gè)或多個(gè)AgNPs當(dāng)作單粒子進(jìn)行記錄，對(duì)AgNPs測(cè)定結(jié)果造成影響。當(dāng)td為100 μs（圖2B）和1 ms（圖2C）時(shí)，均出現(xiàn)完整脈沖信號(hào)并且未見(jiàn)明顯的第二信號(hào)分布峰。因此，為獲得準(zhǔn)確的粒徑分布和納米粒子數(shù)量濃度，同時(shí)減小td，最終確定儀器td值為100 μs。

3.2?SP-ICP-MS檢測(cè)海水中AgNPs適用性分析

通過(guò)對(duì)比SP-ICP-MS檢測(cè)超純水和標(biāo)準(zhǔn)海水中的AgNPs的粒徑分布信息，分析SP-ICP-MS檢測(cè)海水中AgNPs的適用性。在超純水和標(biāo)準(zhǔn)海水中加入50 nm （50 ng/L）和100 nm（300 ng/L）AgNPs，應(yīng)用SP-ICP-MS進(jìn)行分析。由圖3A～3D可知，SP-ICP-MS可以清晰分析出50和100 nm AgNPs完整的粒徑分布信息，其結(jié)果與TEM標(biāo)稱值相近。對(duì)比超純水和標(biāo)準(zhǔn)海水中的AgNPs粒徑分布圖可知，SP-ICP-MS可對(duì)海水中的AgNPs進(jìn)行表征。由圖3E和3F可知，SP-ICP-MS通過(guò)識(shí)別脈沖信號(hào)強(qiáng)度可區(qū)分不同粒徑（50和100 nm）AgNPs混合液。

3.3?海水基質(zhì)對(duì)AgNPs檢測(cè)的影響

海水基質(zhì)復(fù)雜，如直接進(jìn)樣，儀器易受基質(zhì)干擾，從而影響方法的靈敏度和穩(wěn)定性等參數(shù)。此外，海水樣品含鹽量約為35 g/L，遠(yuǎn)超出SP-ICP-MS進(jìn)樣系統(tǒng)總?cè)芙夤腆w量承受限值（約1 g/L），直接進(jìn)樣則易堵塞儀器采樣錐和截取錐?；|(zhì)分離法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并易造成樣品污染和待測(cè)物損失。因此，本研究采用稀釋進(jìn)樣方法，以避免上述問(wèn)題。首先將備用樣品分別稀釋不同倍數(shù)（50、100、125、150、200倍）后進(jìn)樣，以未檢測(cè)出AgNPs的樣品作為分析海水基質(zhì)。向稀釋不同倍數(shù)的樣品中加入50 nm AgNPs標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制50 ng/L AgNPs懸浮液（約6.5×104 particles/mL）進(jìn)樣，測(cè)定結(jié)果如圖4所示。由圖4A可見(jiàn)，基質(zhì)效應(yīng)使實(shí)測(cè)粒子數(shù)與理論粒子數(shù)出現(xiàn)偏差，而樣液中基質(zhì)濃度越低，測(cè)試結(jié)果越接近理論值，當(dāng)海

水稀釋到150倍時(shí)，測(cè)定值不再發(fā)生明顯變化。由圖4B可見(jiàn)，不同稀釋倍數(shù)下50 nm AgNPs粒徑的測(cè)定值與給定的TEM標(biāo)稱值相近，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.6%。由透射電鏡結(jié)果（圖5）可知，150倍稀釋海水樣品中AgNPs的平均粒徑為48.3 nm，與標(biāo)準(zhǔn)品TEM標(biāo)稱值（52±5 nm）相符。上述結(jié)果表明，海水基質(zhì)對(duì)AgNPs粒徑測(cè)定的影響較小，150倍稀釋海水樣品即可較為準(zhǔn)確地測(cè)定AgNPs濃度。

3.4?方法的檢出限

SP-ICP-MS的檢出限包括粒徑檢出限（LODs）和顆粒數(shù)量濃度檢出限（LODNP）。LODs反映的是儀器區(qū)分背景信號(hào)與納米顆粒信號(hào)的能力，為了盡可能消除所有假陽(yáng)性信號(hào)的干擾，將錯(cuò)誤率降至0.1%，研究中通常采用μ+5σ迭代算法計(jì)算納米粒子檢測(cè)的粒徑檢出限[24，25]。本研究采用平均背景信號(hào)值與5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差之和計(jì)算出海水中AgNPs的粒徑檢出限為12 nm，低于文獻(xiàn)[23，26]報(bào)道的粒徑檢出限。這是由于本研究設(shè)置的駐留時(shí)間td=100 μs，低于文獻(xiàn)[23，26]報(bào)道的 ms級(jí)，而LODs受td的影響，較短的td可提高儀器信噪比[25]，使檢出限更低。

Laborda等提出LODNP（particles/mL）與霧化效率（ηn）、樣品提升率（Qsam）和數(shù)據(jù)采集時(shí)間（tsam）有關(guān)，如公式（3）所示[27]。由于海水樣品需稀釋進(jìn)樣，以稀釋倍數(shù)150倍計(jì)算，本方法對(duì)海水中AgNPs的顆粒數(shù)量濃度檢出限為9.75×103 particles/mL。

3.5?方法精密度

利用SP-ICP-MS連續(xù)3日，每日4次分析海水中50 ng/L 50 nm AgNPs（約6.5×104 particles/mL），結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，所檢測(cè)樣品中AgNPs粒徑、顆粒數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度的日均RSD值均小于10%，表明利用SP-ICP-MS測(cè)定海水中AgNPs的檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性較好。

3.6?方法加標(biāo)回收率

將不同濃度的50 nm AgNPs （25、100、250 ng/L）和100 nm AgNPs（25、100、250 ng/L）加入至稀釋后的標(biāo)準(zhǔn)海水中（n=3），分析結(jié)果如表2所示，50 和100 nm AgNPs的平均加標(biāo)回收率均高于70%。

3.7?實(shí)際表層海水中AgNPs的測(cè)定

利用本方法檢測(cè)大連市近岸海域3個(gè) 站位表層海水樣品中AgNPs。 海水中AgNPs的粒徑分布如圖6所示，分析結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，大連近岸海域表層海水中均含有AgNPs，質(zhì)量濃度范圍為50.2～89.2 ng/L，數(shù)量濃度最大值為（2.1±0.004）×106 particles/mL，最小值為（1.1±0.01）×105 particles/mL，粒徑分布在18～200 nm之間。不同站位表層海水中AgNPs的粒徑平均值及顆粒數(shù)量濃度存在差異，這可能與海水中多種因素有關(guān)。例如，海水中存在大量的氯化物，可與AgNPs發(fā)生相互作用，加速AgNPs的溶解[28]; 而納米顆粒較大的比表面積和良好的天然有機(jī)物（NOM）吸附能力，增加了AgNPs的親水性、空間位阻和靜電斥力，從而抑制了顆粒團(tuán)聚，使其更加穩(wěn)定地懸浮在海水中[29]。

4?結(jié) 論

SP-ICP-MS適用于海水中環(huán)境濃度AgNPs的檢測(cè)與分析，其td可優(yōu)化至μs級(jí)。本方法具有樣品制備簡(jiǎn)單、分析速度快、顆粒物數(shù)量濃度檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，可為海洋環(huán)境中AgNPs的環(huán)境行為及定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供技術(shù)支持。檢測(cè)實(shí)際海水樣品中AgNPs濃度可為進(jìn)一步開(kāi)展AgNPs對(duì)海洋生物的毒理學(xué)等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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