微波消解電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定UHMWPE中鋁、鈣、鈦

秦洋，張曼茹，劉春月，李福金，沈永

（山東省醫(yī)療器械和藥品包裝檢驗(yàn)研究院，國(guó)家藥品監(jiān)督管理局生物材料器械安全性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101）

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）以其耐沖擊、耐磨損以及良好的生物相容性而廣泛應(yīng)用于外科植入領(lǐng)域，例如作為人工髖關(guān)節(jié)的髖臼、人工膝關(guān)節(jié)的襯墊以及組織支架等。在UHMWPE 的合成過程中，以MgCl2為載體，鹵化鈦、烷基鋁作為催化劑，通過氫或其它鏈轉(zhuǎn)移劑控制UHMWPE的相對(duì)分子質(zhì)量大小，加入二氧化硅、碳酸鈣、三氧化二鋁和層狀硅酸鹽等改善其性能[1-4]。然而過量的Al、Ti、Ca 殘留不僅影響其終產(chǎn)品的預(yù)期功能和性能，還會(huì)危害人體健康。Al 具有生物蓄積性，對(duì)消化系統(tǒng)、腦、肝、骨、腎、造血系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等產(chǎn)生不良影響[5]。成骨細(xì)胞內(nèi)化Ti離子蛋白質(zhì)聚合物，降低遷移分化能力以及成骨細(xì)胞黏附能力，加速凋亡[6]。鈣離子過高易引起細(xì)胞損傷，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[7]。GB/T 19701.1[8]、ASTM F648[9]、ISO 5834[10]以及YY 0118[11]均對(duì)外科植入物用UHMWPE中雜質(zhì)元素Al、Ca、Ti限量提出了明確的要求。GB/T 19701.1和ISO 5834推薦采用原子吸收光譜（AAS）法或發(fā)射光譜(AES)法進(jìn)行單元素測(cè)定，ASTM F648 推薦采用AAS 法、AES 法、電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法或電感耦合等離子體光譜 (ICP-OES) 法測(cè)定，然而上述標(biāo)準(zhǔn)中均未提供具體測(cè)定方法。YY/T 1507系列標(biāo)準(zhǔn)[12-14]及文獻(xiàn)[15-16]采用灼燒法制備Al、Ca樣品溶液，需要稱取1.0 g 樣品；采用微波消解法制備Ti 元素樣品溶液，需要稱取0.2 g樣品，然后利用ICP-MS外標(biāo)法進(jìn)行單元素測(cè)定。灼燒法制備樣品溶液耗時(shí)較長(zhǎng)，溫度不易控制，步驟繁瑣，過程密封性較差，容易造成目標(biāo)元素?fù)p失[17]，微波消解制備Ti 元素樣品溶液時(shí)取樣量較少，不能實(shí)現(xiàn)Ca 的同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定。因此，研究準(zhǔn)確且高效檢測(cè)外科植入物用超高分子量聚乙烯中Al、Ca、Ti 元素的定量分析方法非常必要。

ICP-MS法具有線性范圍寬、靈敏度更高、檢出限低、可同時(shí)測(cè)定多種元素等優(yōu)點(diǎn)[16,18-19]，微波消解法克服了傳統(tǒng)干法灰化的耗時(shí)較長(zhǎng)、溫度不易控制、步驟繁瑣、容易造成目標(biāo)元素?fù)p失等缺點(diǎn)，具有消解完全、快速省時(shí)、節(jié)省試劑、不易損失、空白低等優(yōu)勢(shì)。筆者采用微波消解法消解樣品，采取增大稱樣質(zhì)量、優(yōu)化微波消解條件等措施，以ICP-MS內(nèi)標(biāo)法同時(shí)測(cè)定外科植入物用超高分子量聚乙烯中Al、Ca、Ti 元素的含量，為外科植入物用超高分子量聚乙烯安全性評(píng)價(jià)提供方法支撐，為標(biāo)準(zhǔn)化研究提供方法參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀：8900 型，安捷倫科技（中國(guó)）有限公司。

電子天平：XS204型，感量為0.01 mg，梅特勒托利多科技（中國(guó)）有限公司。

超純水機(jī)：Milli-Q?Advantage A10型，美國(guó)密理博公司。

微波消解儀：Multiwave PRO型，奧地利安東帕公司。

Al、Ca、Ti、Sc 元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：質(zhì)量濃度均為1 000 μg/mL，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)實(shí)中心。

硝酸：光譜純，德國(guó)默克公司。

過氧化氫：優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

UHMWPE 樣品：人工髖關(guān)節(jié)組件（髖臼杯），MLPSXC111-K，山東新華聯(lián)合骨科器材股份有限公司；.膝關(guān)節(jié)假體-脛骨襯墊（半月板），PS-G，武漢醫(yī)佳寶生物材料有限公司；超高分子聚乙烯脛骨墊，MLPSXC111-K，邁克斯骨科有限公司；脛骨襯墊，CD型/1-2，美國(guó)捷邁公司。

調(diào)諧液：2% HNO3溶液(其中Ce、Co、Li、Y、Tl的含量均為10 μg／mL)，臨用前稀釋10 000 倍后使用，安捷倫科技（中國(guó)）有限公司。

實(shí)驗(yàn)用水均為二級(jí)水，電阻率為18.2 M?/cm。

1.2 儀器工作條件

錐材料：鉑錐；等離子氣流量：15.0 L/min；輔助氣流量：0.9 L/min；霧化氣流量：1.03 L/min；蠕動(dòng)泵泵速：0.10 r/s；射頻功率：1 550 W；積分時(shí)間：1.0 s；分析模式：碰撞(使用He氣)；采樣深度：8.0 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 溶液制備

樣品溶液：準(zhǔn)確稱取UHMWPE 樣品0.50 g（精確至0. 01 mg）至微波消解用消解管中，加入硝酸5.0 mL、過氧化氫 1.0 mL，放置4 h 預(yù)消解，加蓋密閉置于微波消解儀內(nèi)，按照表1設(shè)定微波消解程序，于180 ℃消解 15 min。待消解完全后，將消解液置于趕酸儀中，于140 ℃趕酸至剩余約 0.5 mL，冷至室溫后移至25 mL容量瓶中，用水沖洗罐內(nèi)壁，合并洗液至容量瓶中，定容至標(biāo)線，混勻后備測(cè)。同法制備空白溶液。

表1 微波消解程序

系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：取Al、Ca、Ti元素標(biāo)準(zhǔn)溶液適量，混合，以2%硝酸溶液為介質(zhì)，逐級(jí)稀釋，Al 和Ti 的質(zhì)量濃度均依次為25、50、100、200、400、500、1 000 μg/L，Ca的質(zhì)量濃度依次為5、10、20、40、80、100、200 μg/L。

內(nèi)標(biāo)溶液：精密量取Sc標(biāo)準(zhǔn)溶液，用 2%硝酸溶液逐級(jí)稀釋配制成質(zhì)量濃度為50 μg/L。

1.3.2 樣品測(cè)定

通過三通在線引入45Sc 內(nèi)標(biāo)校準(zhǔn)溶液，依次采集空白溶液、系列標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液、待測(cè)樣品溶液信號(hào)值，以待測(cè)元素的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x)、樣品待測(cè)元素與內(nèi)標(biāo)元素信號(hào)值之比為縱坐標(biāo)(y)進(jìn)行線性回歸，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品溶液中待測(cè)目標(biāo)元素的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品稱取質(zhì)量的選擇

微波消解有機(jī)樣品，樣品質(zhì)量一般不超過0.50 g[18]，GB/T 19701.1—2016《外科植入物超高分子量聚乙烯 第1部分：粉料》要求Al、Ca、Ti的限量分別不得超過20、5、40 mg/kg，Ca元素限量較低，過小的取樣量，則會(huì)增大定量結(jié)果的偏差，因此選擇樣品質(zhì)量為0.50 g。

2.2 微波消解條件優(yōu)化

目前，高分子材料樣品通常選擇酸消解，例如選用HNO3[15]、HNO3- H2O2[18]和HNO3- H2O2-HF 體系[19]等。HF 可以經(jīng)皮膚、呼吸道進(jìn)入人體，腐蝕骨骼、造血神經(jīng)系統(tǒng)、牙齒等，危害身體健康[20]，故不考慮使用；H2O2在較低溫度下即可分解成高濃態(tài)活性氧，與濃HNO3共用，可以提高混合酸的氧化能力。因此，微波消解用酸體系優(yōu)先選擇HNO3- H2O2。對(duì)影響微波消解的主要因素消解溫度、消解時(shí)間及消解試劑的用量進(jìn)行了優(yōu)化，以獲得消解UHMWPE的最佳消解效果。

2.2.1 消解溫度和消解時(shí)間

取UHMWPE 樣品，加入7 mL HNO3、2 mL H2O2，分別選擇消解溫度為170、180、190 ℃，消解時(shí)間為10、15、20 min進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 不同消解溫度和消解時(shí)間下樣品消解情況

表3 消解試劑不同用量時(shí)的樣品消解情況

由表2可知，消解溫度為170 ℃時(shí)，樣品消解均不完全；消解溫度為180 ℃時(shí)，消解時(shí)間10 min 以上，可保證樣品完全消解；當(dāng)消解溫度為190 ℃時(shí)，因消解儀內(nèi)部壓強(qiáng)過高經(jīng)常發(fā)生報(bào)警而導(dǎo)致消解中斷。由此確定樣品最佳消解溫度為180 ℃、消解時(shí)間為15 min。

2.2.2 消解試劑的用量

分別加入不同體積的HNO3及H2O2，在180 ℃微波消解15 min，樣品消解情況列于表4。消解后溶液現(xiàn)象表明：當(dāng)HNO3加入體積為4 mL 時(shí)，加入不同體積的H2O2，部分消解液渾濁，消解不完全，同時(shí)HNO3及H2O2反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化氮和氧氣可能引起微波消解過程中消解管中壓強(qiáng)升高導(dǎo)致過程中斷；當(dāng)HNO3加入體積大于5 mL 時(shí)，H2O2加入體積不少于1 mL 時(shí)，樣品均消解完全；僅使用HNO3作為消解液且加入體積小于7 mL 時(shí)，樣品消解不完全，因此選擇HNO3加入體積為5 mL、H2O2加入體積為1 mL。

表4 元素第一電離能

2.3 內(nèi)標(biāo)元素的選擇

ICP-MS分析法的干擾可分為質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾。非質(zhì)譜干擾是 ICP-MS分析法最常見的干擾之一，主要源于樣品基體，樣品溶液、標(biāo)準(zhǔn)溶液和試劑空白溶液在溶劑蒸發(fā)速率、傳送效率、密度以及表面張力上的差異也會(huì)產(chǎn)生基體效應(yīng)，同時(shí)分析信號(hào)也會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生飄移，通過在線加入內(nèi)標(biāo)物的方法可以很好的消除。

常用內(nèi)標(biāo)元素有Sc、Ge、Y、Rh、Re、Bi等，其中，45Sc的相對(duì)原子質(zhì)量、電離能與待測(cè)元素的相近（見表4），且以半定量全掃描的方式確定UHMWPE 中不存在Sc 元素，故選擇45Sc 為內(nèi)標(biāo)元素，可有效監(jiān)控和校正分析信號(hào)的漂移，并根據(jù)待測(cè)元素與內(nèi)標(biāo)的計(jì)數(shù)比率消除基體效應(yīng)的干擾[21-22]，提高測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和精密度。

2.4 同位素的選擇及干擾校正

質(zhì)譜干擾主要來(lái)自同量異位素、多原子離子等見表5。40Ar 會(huì)干擾40Ca，46Ca、48Ca 與46Ti、48Ti 相互干擾，50Cr、50V 的存在干擾50Ti。樣品溶液中存在水、HNO3、含碳物質(zhì)、Mg 離子、Na 離子、K 離子、磷酸根離子、鈣離子、鈦離子、鋁離子等，經(jīng)霧化由載氣（氬氣）進(jìn)入ICP 炬焰離子化后，離子、氬（Ar）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、氯（Cl）之間易形成多原子離子，對(duì)待測(cè)元素造成多原子離子干擾，如ScH+、ArN+、ArC+、SO+、SiO+、NO2+等對(duì)Ti產(chǎn)生干擾，ArH+、NaO+、KH+、CaH+、MgO+、AlO+、SiO+等對(duì)Ca 產(chǎn)生干擾，CN+、BeO+、BO+等對(duì)27Al 產(chǎn)生干擾，可以利用碰撞模式的動(dòng)能歧視原理消除干擾[21]，因此選用27Al以及干擾較少、豐度較高的44Ca、47Ti。

表5 潛在質(zhì)譜干擾離子

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線和方法的檢出限

取系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，在選定的 ICP-MS測(cè)定條件下測(cè)定，回歸得到各元素的線性回歸方程和線性相關(guān)系數(shù)。

采用所建方法對(duì)空白溶液進(jìn)行11次連續(xù)測(cè)定，再以測(cè)定結(jié)果3 倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為方法的檢出限，以0.50 g 稱樣質(zhì)量、25 mL 定容體積計(jì)算方法檢出限。Al、Ca、Ti 的線性范圍、線性回歸方程、線性相關(guān)系數(shù)和方法檢出限見表6。

表6 線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)和方法檢出限

由表6 可知，Al、Ca、Ti 的線性相關(guān)系數(shù)均不小于0.999 6，待測(cè)元素和內(nèi)標(biāo)元素信號(hào)的比值與其質(zhì)量濃度均呈良好的線性關(guān)系，方法檢出限為0.10～0.14 mg/kg。

2.6 精密度試驗(yàn)

選取UHMWPE 樣品7 份，采用所建方法對(duì)Al、Ca、Ti的含量進(jìn)行測(cè)定，精密度試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 精密度試驗(yàn)結(jié)果

由表7 可知，Al、Ca、Ti 元素測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.2%、3.6%、1.3%，表明該方法精密度良好。

2.7 樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)

分別向UHMWPE 樣品中加入低、中、高3 水平標(biāo)準(zhǔn)溶液各3 份，采用所建方法進(jìn)行樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見表8。由表8 可知，各元素的平均回收率為97.3%～101.3%，表明該方法測(cè)定超高分子量聚乙烯中Al、Ca、Ti準(zhǔn)確、可靠。

表8 樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果（n=3）

3 結(jié)語(yǔ)

建立了微波消解-ICP-MS 內(nèi)標(biāo)法同時(shí)測(cè)定超高分子聚乙烯中雜質(zhì)元素Al、Ca、Ti的含量的方法，優(yōu)化了UHMWPE微波消解方法，采用45Sc為內(nèi)標(biāo)在線校正結(jié)合碰撞模式消除干擾，具有快速高效、檢出限低、重復(fù)性好、靈敏度高、耗酸量少等優(yōu)點(diǎn)。該方法克服了灼燒法制備供實(shí)液步驟繁瑣、易造成元素?fù)p失的缺點(diǎn)，原子光譜法等進(jìn)行單元素檢測(cè)的靈敏度不夠高、分析時(shí)間長(zhǎng)的不足，完全滿足外科植入物用超高分子聚乙烯材料中雜質(zhì)元素的分析要求，為外科植入物用超高分子聚乙烯的質(zhì)量控制和安全評(píng)價(jià)提供了參考。