孫 琦 丁 亮 張卓娜 朱 英 張 淼

(中國(guó)疾病預(yù)防控制中心 環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所,中國(guó)疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與人群健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100021)

人體所代謝的多種元素通常和環(huán)境、飲食以及職業(yè)暴露息息相關(guān)。其中部分元素具有毒性風(fēng)險(xiǎn),在低劑量暴露情況下將會(huì)導(dǎo)致慢性疾病的發(fā)生,高劑量的暴露情況下則會(huì)引起中毒或死亡[1-2]。如砷、鎘、鉛等元素作為世界衛(wèi)生組織公認(rèn)的有毒金屬,高濃度暴露下會(huì)導(dǎo)致急性中毒從而帶來(lái)死亡風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)已有許多研究指出在低濃度暴露水平以上元素均會(huì)引起同程度的氧化應(yīng)激效應(yīng),誘發(fā)高血壓、糖尿病等慢性疾病的發(fā)生[3-6]。然而有些元素則是有利于人體健康不可缺少的微量元素,如硒、鋅等元素與兒童智力發(fā)展以及老年健康息息相關(guān)[7],同時(shí)由于科技的發(fā)展以及電子產(chǎn)品的高市場(chǎng)需求,暴露在稀土元素的人群也逐漸增多,參與電子產(chǎn)品加工的群體也在逐漸擴(kuò)大,對(duì)于稀土元素在人體的暴露情況以及毒性也值得我們關(guān)注[8]。因此探究人體暴露水平以及特征對(duì)于監(jiān)測(cè)人群健康至關(guān)重要。由外暴露而進(jìn)入到人體的部分元素主要通過(guò)全血循環(huán)參與人體代謝,易蓄積在全血中,部分元素通過(guò)尿液代謝排出體外。因此通過(guò)測(cè)定全血、尿液樣本中多元素的濃度水平可以從一定程度上反映元素的暴露特征,對(duì)于探究環(huán)境污染、食品安全、人群健康等問(wèn)題至關(guān)重要。

全血和尿液作為人體中反映暴露情況的首選測(cè)定對(duì)象被廣泛應(yīng)用于多種暴露物的測(cè)定中。電感耦合等離子體質(zhì)譜法在20世紀(jì)80年代因?yàn)槠涑叩撵`敏度、較寬泛測(cè)定范圍、以及對(duì)同位素的捕捉[9],逐漸成為無(wú)機(jī)元素分析的主要方法,但其對(duì)上機(jī)測(cè)定的樣本要求較為嚴(yán)格,上機(jī)測(cè)定的樣本需消解充分同時(shí)要滿足樣本的最大溶解濃度,高酸高鹽類樣本會(huì)帶來(lái)進(jìn)樣管路的污染以及采樣錐、截取錐的損害,降低儀器使用壽命。許多學(xué)者對(duì)于全血尿液樣本的測(cè)定建立了多種前處理方法,如火婷等[10]使用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法對(duì)血液中30種元素進(jìn)行測(cè)定,劉柳等[11]采用直接稀釋的方式使用動(dòng)態(tài)反應(yīng)池模式下的ICP-MS法對(duì)尿樣中21種無(wú)機(jī)元素進(jìn)行測(cè)定。歐陽(yáng)珮珮等[12]采用濕式消解或壓力罐消解處理后使用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法對(duì)血液、尿液及頭發(fā)中16種稀土元素同時(shí)測(cè)定。樣本的直接稀釋法具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益高、安全風(fēng)險(xiǎn)低、樣本無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn),作為大樣本量測(cè)定首選前處理手段[13]。但由于全血本屬于高碳樣本、尿液屬于高鹽樣本,兩種樣本如果想實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的直接稀釋需避免因基質(zhì)復(fù)雜帶來(lái)的干擾,目前越來(lái)越多的研究者更傾向于使用直接稀釋法對(duì)全血尿液樣本中多元素進(jìn)行測(cè)定,然而基質(zhì)效應(yīng)、稀釋劑以及線性范圍的確定等問(wèn)題為建立方法的難點(diǎn),同時(shí)國(guó)內(nèi)也少有研究者將測(cè)定元素?cái)U(kuò)展至稀土元素。

本研究意在建立一種簡(jiǎn)單便捷的前處理方式,消除全血、尿樣復(fù)雜基質(zhì)干擾問(wèn)題的同時(shí)提升測(cè)定效率,因涉及到的元素較多,質(zhì)量數(shù)分布較廣,容易引入多種干擾,影響測(cè)定結(jié)果[14],本方法采用動(dòng)態(tài)反應(yīng)池模式,避免了同位素、質(zhì)譜等多種干擾,建立人體樣本中鈧、釩、鉻、錳、銫、鈷、鎳、鋅、銅、砷、硒、鍶、釔、鉬、銀、鎘、錫、銻、鋇、鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、汞、鉈、鉛、釷、鈾等38種元素的測(cè)定方法,對(duì)方法進(jìn)行方法學(xué)評(píng)估,拓展方法的實(shí)用性可適用于普通人群或職業(yè)暴露人群,同時(shí)將方法應(yīng)用于實(shí)際樣本的測(cè)定,探究方法實(shí)際操作的可行性,探討人群中38種元素的暴露水平和特征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

iCAP RQ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)賽默飛科技有限公司),TOLEDO ME-T分析天平(瑞士METTLER有限公司),MX-T6-Pro滾軸混勻儀(大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器北京股份公司),Milli-Q IX7003純水機(jī)(德國(guó)默克有限公司),HY-5A數(shù)顯回旋式振蕩器(國(guó)旺儀器制造有限公司),IKA磁力攪拌器(德國(guó)IKA儀器公司)。

釩、鉻、錳、鈷、鎳、銅、砷、硒、鍶、鉬、銀、鎘、錫、銻、鋇、鉈、鉛等多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL,美國(guó)Accustandard公司),鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL,美國(guó)Accustandard公司),銫標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL,美國(guó)Accustandard公司),汞標(biāo)準(zhǔn)溶液(10 μg/mL,美國(guó)Accustandard公司),鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釷、鈾等18種稀土及放射元素混合標(biāo)準(zhǔn)(100 μg/mL,美國(guó)Accustandard公司),鍺、銣、鉍內(nèi)標(biāo)溶液(100 μg/mL,美國(guó)Accustandard公司),45%硝酸(MOS級(jí),日本多摩公司),L-半胱氨酸(優(yōu)級(jí)純,德國(guó)sigma公司),Seronorm Trace Elements whole blood、urine L1、L2全血/尿液證參考物質(zhì)(挪威SERO公司)。

1.2 儀器工作參數(shù)

iCAP RQ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀經(jīng)過(guò)調(diào)諧后的工作參數(shù)見表1。

表1 ICP-MS儀器工作參數(shù)

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液及內(nèi)標(biāo)溶液的配制

1)多元素混合標(biāo)準(zhǔn)系列:用1%的硝酸溶液將多元素混合、鋅、銫的標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋為中間儲(chǔ)備液,其中鋅濃度為2 000 μg/L,其他19種元素濃度為100 μg/L。使用上述中間儲(chǔ)備液配制混合標(biāo)準(zhǔn)系列,其中鋅元素濃度為0、2.0、10、20、60、100、200、400、1 000、2 000 μg/L,其余19種元素濃度為0、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100 μg/L。

2)汞元素標(biāo)準(zhǔn)曲線:用含有1%L-半胱氨酸和1%硝酸的溶液作為汞元素的稀釋液。將10 μg/mL汞元素標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋為10 μg/L的中間儲(chǔ)備液,采用逐級(jí)稀釋法配制汞元素濃度為0、0.100、0.500、1.00、2.00 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)系列。

3)18種稀土及放射元素標(biāo)準(zhǔn)系列:用1%的硝酸溶液將18種稀土元素標(biāo)準(zhǔn)稀釋為中間儲(chǔ)備液,濃度為10 μg/L。使用上述中間儲(chǔ)備液配制混合標(biāo)準(zhǔn)系列,18種元素濃度為0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1.0、2.0 μg/L。

4)內(nèi)標(biāo)溶液:移取濃度為100 μg/mL的內(nèi)標(biāo)溶液適量,用1%硝酸溶液逐級(jí)稀釋為濃度為6 μg/L的內(nèi)標(biāo)使用溶液。

1.4 樣本前處理

全血:全血樣本在室溫下解凍,將完全解凍的全血樣本在渦旋振蕩器上進(jìn)行混勻,放置于橢圓滾軸儀上混勻消除全血泡沫30 min后取0.5 mL全血樣本于15 mL離心管中,使用0.1%硝酸溶液+0.01%曲拉通溶液定容至10 mL,放入離心機(jī)在3 600 r/min的轉(zhuǎn)速下離心后上機(jī)定測(cè)上清液。

尿樣:尿液樣本在室溫下解凍,將完全解凍的尿液樣本在渦旋振蕩器上混勻,避開尿液泡沫取1 mL尿液品于15 mL離心管中,使用1%硝酸溶液定容至10 mL,放入離心機(jī)在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心后上機(jī)定測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 干擾的來(lái)源及消除

ICP-MS測(cè)定中的干擾主要包括質(zhì)譜干擾、基體干擾和同位素干擾等[15]。質(zhì)譜干擾是測(cè)定大量元素的一個(gè)主要的限制性因素,由于全血、尿液樣本基體較為復(fù)雜,其中蘊(yùn)含了大量干擾元素如Ca、Mg、Na、K、P,此類元素在樣本中濃度均為μg/mL級(jí)別,質(zhì)荷比(m/z)大多在40～50,極其容易對(duì)本研究所涉及到相近質(zhì)荷比且濃度在μg/L級(jí)別的元素如V、Ni、Co等產(chǎn)生干擾。這些元素常會(huì)與氬氣一起在離子化過(guò)程中形成復(fù)雜的干擾物如36Ar23Na+、40Ar31P+等,從而影響待測(cè)元素的準(zhǔn)確性。同時(shí)因?yàn)椴煌卦谧匀画h(huán)境中的豐度差異也會(huì)造成相應(yīng)的同位素干擾,從而影響測(cè)定結(jié)果。因此本研究采用添加了氦氣為輔助氣的動(dòng)能歧視模式(KED)作為減少此類干擾的有效方法,如51V、59Co、60Ni、78Se、111Cd等元素在KED模式下可以有效地消除大部分質(zhì)譜以及同位素干擾。本研究對(duì)有證全血、尿液樣品SERO L1進(jìn)行中濃度加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),使用標(biāo)準(zhǔn)模式(STD)和KED模式分別進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算不同模式下38種待測(cè)元素的加標(biāo)回收率,結(jié)果見圖1、2。由圖1、2可知,在STD模式下全血和尿液樣本中大部分元素如51V、59Co、60Ni、78Se、121Sb均因易受質(zhì)譜、同位素等多重因素的干擾,回收率較高,結(jié)果不理想。在KED模式下以上元素均有大幅度改善,回收率在80.0%～120%可接受范圍內(nèi),因此本研究采用KED-ICP-MS模式對(duì)樣本進(jìn)行測(cè)定。

圖1 KED和STD模式下全血中38種元素的加標(biāo)回收率

圖2 KED和STD模式下尿液中38種元素的加標(biāo)回收率

2.2 回歸方程、線性范圍和檢出限

參考諸多對(duì)于職業(yè)以及非職業(yè)暴露人群中元素監(jiān)測(cè)研究結(jié)果[16],確定所涉及到的全血、尿液樣本中所測(cè)定元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍,以連續(xù)測(cè)定樣本空白11次,以3倍和10倍標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)應(yīng)的濃度值計(jì)算方法檢出限和定量限。38種元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍、方法檢出限和方法定量限以及內(nèi)標(biāo)元素的選擇見表2。

表2 全血、尿液中38種元素的回歸方程、線性范圍和檢出限

2.3 方法準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

使用渦旋振蕩器將收集到的全血、尿液樣本震蕩混合,濾除全血樣本中的血塊以及過(guò)濾尿液樣本中的雜質(zhì)。將過(guò)濾后的全血樣本放置于震蕩器緩慢搖混勻1 h,尿液樣本中放置于磁力攪拌器上混勻4 h后迅速將兩種樣本分裝。各測(cè)定3批,每批平行測(cè)定4次,分別加入高濃度(Zn元素1 000 μg/L,Hg元素1.25 μg/L,18種稀土及放射元素1 μg/L,其他元素15 μg/L)、中濃度(Zn元素500 μg/L,Hg元素0.75 μg/L,18種稀土及放射元素0.25 μg/L,其他元素5 μg/L)、低濃度(Zn元素25.0 μg/L,Hg元素0.125 μg/L,18種稀土及放射元素0.075 μg/L,其他元素0.5 μg/L)的標(biāo)準(zhǔn)溶液,作為加標(biāo)實(shí)驗(yàn)的加標(biāo)濃度值,全血、尿液中所有元素的加標(biāo)回收率均在80.3%～125%,詳見表3、4。

表3 全血中38種元素加標(biāo)回收率

表4 尿液中38種元素加標(biāo)回收率

2.4 方法精密度實(shí)驗(yàn)

表5 ICP-MS測(cè)定全血、尿液中21種元素精密度結(jié)果

2.5 質(zhì)量控制

本研究所使用的試劑耗材均通過(guò)空白篩查確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)其他污染元素引入,為了驗(yàn)證該方法適用于不同暴露特征的人群,同時(shí)為保證內(nèi)部質(zhì)量,本研究使用了Seronorm公司生產(chǎn)的全血、尿液中多元素有證質(zhì)控L1和L2級(jí)。因L1級(jí)更接近普通人群,L2濃度接近職業(yè)暴露人群體內(nèi)濃度,本研究的實(shí)際樣本均來(lái)自非職業(yè)暴露人群,故在測(cè)定中以L1級(jí)別作為質(zhì)控樣本,為了擴(kuò)展方法適用性同時(shí)也對(duì)L2級(jí)別樣品進(jìn)行測(cè)定,探討方法是否適用于職業(yè)暴露人群。在測(cè)定之前根據(jù)制造商的建議對(duì)質(zhì)控材料進(jìn)行復(fù)溶,并與實(shí)際樣本相同的前處理方式進(jìn)行稀釋和消解。除Sc元素因質(zhì)控物質(zhì)沒有給定范圍或參考值外,全血、尿液的L1、L2的所有元素測(cè)定結(jié)果均在參考值或證書給定測(cè)定值范圍內(nèi),具體結(jié)果見表6。

表6 不同濃度級(jí)別的全血、尿液有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣本中38種元素的測(cè)定結(jié)果

2.6 實(shí)際樣本的測(cè)定

采用本研究方法對(duì)189份實(shí)際人群樣本進(jìn)行測(cè)定,其中全血中常規(guī)的元素檢出率較高,其中Cr、Mn、Cs、Co、Ni、Zn、Cu、As、Se、Sr、Mo、Cd、Sb、Ba、Hg、Pb檢出率均高于80%,而稀土元素以及Th、U、Ag、TI等較低,其中大部分未檢出,小部分檢出率低于15%,尿液在檢出率情況和全血基本一致。根據(jù)對(duì)實(shí)際樣本的測(cè)定發(fā)現(xiàn)了有部分元素在全血中濃度較高,如Mn、Zn、Cu、Se、Cd、Sb、Ba、Pb,有部分元素在尿液中濃度較高如Ni、As、Sr、Mo、TI,因?yàn)樗x擇的樣本來(lái)自國(guó)家人體生物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,所采集到的人群為普通非職業(yè)暴露人群,因此人群樣本的稀土元素檢出率較低,結(jié)果詳見表7。

表7 全血、尿液樣本中37種元素的暴露水平

3 結(jié)論

綜上所述,本研究建立了以直接稀釋為前處理方式的KED-ICP-MS法測(cè)定人體全血、尿液中38種元素的方法,其中涵蓋了人體中多種有毒元素、必需微量元素以及稀土元素及放射性元素。樣本的前處理方法相較于常規(guī)的微波消解法、石墨消解法、水浴消解法更安全、簡(jiǎn)潔,避免了部分元素的揮發(fā),同時(shí)提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益,適合大樣本量人群樣本的測(cè)定。方法靈敏度高,方法學(xué)指標(biāo)良好,干擾較少,適用于所有暴露特征人群的元素測(cè)定。使用本研究的方法對(duì)189份實(shí)際樣本進(jìn)行測(cè)定,探究了189份樣本的暴露水平,暴露特征以及評(píng)估了尿液以及血液樣本中較高檢出率的元素,本方法適用于于臨床檢驗(yàn)、法醫(yī)檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、營(yíng)養(yǎng)調(diào)查等領(lǐng)域,所評(píng)估的人群暴露特征對(duì)于人體多元素監(jiān)測(cè)具有參考意義。