凹面光柵整體組合狹縫五通道原子吸收式血液五元素分析儀的研制

摘 要 自行研制了一種凹面光柵整體組合狹縫五通道原子吸收式血液五元素分析儀， 用于人全血中5種元素Ca， Cu， Mg， Fe和Zn的測定。采用1支五元素空心陰極燈作為光源， 以單反射方式聚焦在火焰中心， 以凹面光柵為色散元件。設(shè)計了五元素銳線通過的整體組合狹縫。采用順序注射變速恒流在線稀釋的溶液注入方式。為消除干擾譜線對鈣的原子吸收的影響， 在鈣狹縫上覆蓋422 nm濾光片。設(shè)計了該分析儀器的操作軟件， 適合于血液五元素分析和儀器的性能測試。確定了以吸收峰面積為定量依據(jù)， 以1 mg/L十二烷基苯磺酸鈉和0.060 mol/L HCl組成血液稀釋液。建立了血液中Ca， Cu， Mg， Fe和Zn的分析方法， 相對標準偏差RSD＜5%， 回收率為95.2％～98.7％。

關(guān)鍵詞 鈣； 銅； 鎂； 鐵； 鋅； 微量元素； 血液； 原子吸收

1 引 言

鈣、銅、鎂、鐵和鋅是人體必需的5種營養(yǎng)元素[1]， 簡稱血液五元素， 它是反映人體元素營養(yǎng)狀況的重要指標。由于血液中Ca和Mg屬于常量元素， 而Cu， Fe和Zn屬于微量元素， 因此血中五元素的含量相差懸殊， 并且基體成分復雜， 個體差異大， 對測定方法在靈敏度、準確度、抗干擾能力和重復性等方面的技術(shù)要求較高。國內(nèi)外雖有關(guān)于血液五元素分析儀的報道， 但設(shè)計上仍有不足之處。本研究建立了靈敏、快速分析血液五元素的方法。本方法有別于經(jīng)典的原子吸收方法， 采用一滴血（約40

SymbolmA@ L）， 一次同時測量5種元素， 用于微量元素缺乏癥的檢查。

本研究為了改善Ca， Mg， Fe測定的線性范圍， 降低Cu和Zn的檢出限， 采用順序注射的分析方法， 實現(xiàn)在線稀釋， 提高測量的重復性。本方法的特點是測定條件穩(wěn)定、分析速度快、線性范圍寬、靈敏度高， 檢測自動化。順序注射分析[2，3]是一種易于自動控制的溶液配送方法， 適用于操作復雜的大批量樣品分析， 消除了由于實驗條件、實驗環(huán)境以及人為等難以控制因素的干擾， 特別適用于易受環(huán)境因素影響的元素測定， 具有很好的應(yīng)用前景。

2 實驗部分

2.1 整機設(shè)計

2.1.1 整機結(jié)構(gòu) 如圖1所示， 五元素分析儀主要由氣路（空氣和乙炔）、氣路安全控制系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、控制電路板（包括數(shù)據(jù)采集單元）、微型計算機和血液五元素分析儀軟件組成。其中光路系統(tǒng)、控制電路板和血液五元素分析儀軟件是本研究的主要內(nèi)容。

2.1.2 光路系統(tǒng)組成 五元素（Ca， Cu， Mg， Fe和Zn）空心陰極燈（北京曙光明電子光源儀器有限公司）、光源凹面反光鏡（R＝219）、火焰燃燒器、入縫凹面反光鏡（R＝158）、入縫（0.2 mm）、凹面光柵（羅蘭圓直徑224 mm， 1200線/mm， 光柵常數(shù)0.833333

SymbolmA@ m）和5個出縫， 5支R212側(cè)窗光電倍增管如圖2所示。

2.1.3 整體組合狹縫設(shè)計 整體組合狹縫是個高精度的光譜定位器件， 5個狹縫采用細絲線切割一次完成， 保證相對位置的高精度。入射狹縫的位置和出射狹縫寬度全部固定， 有利于安裝和調(diào)試。其位置要根據(jù)凹面光柵方程計算。根據(jù)光柵方程Sin（α＋β）＝λd、凹面光柵的羅蘭圓直徑D＝224.00 mm、光柵常數(shù)d＝1200線數(shù)/mm、入射角α＝0°和光譜帶寬計算出以光柵中心為基點的線色散率（Dd/Cosβ）

SymbolmA@ m/nm、色散角度和狹縫寬度。（表1和圖2）。

5條銳線都入縫的關(guān)鍵是選擇一條基準銳線。Ca的422.67 nm譜線是唯一肉眼可見的譜線， 其光譜帶寬為0.8 nm， 作為基準銳線。以凹面光柵中心為基準圓心， 旋轉(zhuǎn)凹面光柵使0級光從入縫返回， 再精密旋轉(zhuǎn)凹面光柵使Ca銳線首先入縫， 其余4條譜線也可以同時入縫， 這是順利入縫的技術(shù)關(guān)鍵。血液中Cu的含量最低， 測量的誤差大， 優(yōu)先確定Cu的最大吸收的光柵位置， 因此Cu的光譜帶寬為0.4 nm， Mg， Fe和Zn的光譜帶寬是1.6 nm。測量2.3.1節(jié)中的3號標準溶液， 測量銅的吸光度， 微調(diào)光柵， 使Cu的吸光度達到最大。實驗表明， 采用獨立的狹縫不易保證5條銳線同時入縫， 且調(diào)試困難。

2.1.4 順序注射變速恒流在線稀釋的注入方式 變速恒流進樣的目的是為了改善Ca， Mg和Fe測定的線性范圍， 降低Cu和Zn測定的檢出限， 實現(xiàn)在線稀釋， 提高測量的重復性。血液中的Ca， Cu， Mg， Fe和Zn的含量相差懸殊， 采用2.3.3節(jié)的方法稀釋26倍， 適合于Cu和Zn測定；而Ca， Mg 和Fe超過線性范圍， 需稀釋51倍。測量的樣液總量1040

SymbolmA@ L， 采樣時間20 s， 0～4 s測量基線， 4～10 s低速恒流進樣， 進樣速度50

SymbolmA@ L/s， 測量Ca， Mg 和Fe；10～11 s， 停止進樣。11 s后進樣速度100

SymbolmA@ L/s， 測量Cu和Zn。軟件中設(shè)計了變速進樣方式選擇。研制了程控2位4通道選擇閥（見圖3a）， D為公共端， B為原子吸收吸液管， A為蒸餾水， C為被測溶液。程控注射器吸被測液時DC通， 蒸餾水進入霧化器， AB通（見圖3a）。程控注射器推被測液時DB通， 蒸餾水A端和進液口C端被封閉（見圖3b）。

圖3 程控2位4道選擇閥的吸液狀態(tài)（a）和 推液狀態(tài)（b）

Fig．3 State of program-controlled 2 bit 4 way valve to take liquid（a） and to push out liquid （b）

2.1.5 提高鈣測量的線性范圍和降低檢出限的方法 在鈣縫之前加一個中心波長為420 nm， 帶寬10 nm的濾光片， 可降低檢出限并提高線性度， 消除大背景。

2.1.6 控制電路板（包括數(shù)據(jù)采集） 對空心陰極燈采用脈沖供電方式， 脈沖頻率200 Hz， 光電流經(jīng)過電流電壓變換器轉(zhuǎn)換成光電壓， 范圍±5000 mV， 精度20位（模數(shù)轉(zhuǎn)換精度1048576字）， 10000 mV/1048576字＝0.0095367 mV/字， 軟件定義4000 mV＝100%透射率， 吸光度＝0；0 mV＝0%透射率， 吸光度→∞。精度完全滿足測量吸光度的要求。采用匯編語言編寫。

2.1.7 負高壓的施加方式 采用循環(huán)迭加的方式施加負高壓NHV， 每次循環(huán)施加NHV的迭加量dE＝0.2×（當前透光率： 100%）。當前透光率接近100%時dE小， 實現(xiàn)滿度調(diào)整的微調(diào)；當前透光率與100%相差大時dE大， 實現(xiàn)快速施加負高壓的目的。

2.2 血液五元素分析儀軟件

采用VB編寫軟件。原子吸收是濃度型檢測器， 測量吸光度時， 為了消除血液稀釋劑的總體積對測量結(jié)果的影響， 采用峰面積作為定量依據(jù)。測量結(jié)束， 自動傳送全部標準數(shù)據(jù)和樣品數(shù)據(jù)。

2.3 實驗方法

2.3.1 試劑配制 五元素檢測試劑（1 mg/L十二烷基苯磺酸鈉-0.060 mol/L HCl）。1～3號標準溶液的配制過程用五元素檢測試劑稀釋。標準溶液濃度見表2。0號標準溶液是五元素檢測試劑。

2.3.2 血液采集及血液被測溶液的配制

準備1支1 mL離心塑料管， 加入1.00 mL五元素檢測試劑。采集40

SymbolmA@ L末梢血樣， 在沒有凝結(jié)的狀態(tài)下立即加入至1 mL離心塑料管中， 混勻， 防凝。血樣稀釋26倍。

2.3.3 主要操作步驟 調(diào)整透射率T＝100%， 吸光度調(diào)至零。吸液頭插入蒸餾水中， 點擊開始測量按鈕， 出現(xiàn)吸液等待時間的倒計時， 倒計時為0時出現(xiàn)立即吸液提示， 吸液頭快速插入待測試液中， 測量時間與吸光度的變化曲線。被測液全部吸完后， 吸液頭迅速移至蒸餾水中。完成測量后， 儀器自動暫停， 等待下次測量。

3 結(jié)果與討論

3.1 五元素空心陰極燈的光譜圖

五元素空心陰極燈的光譜曲線很復雜。在SK-2型原子光譜分析儀上掃描了200～450 nm范圍內(nèi)的光譜曲線（圖4）。Ca: 17號峰; Cu: 11號峰; Mg: 5號峰; Fe: 3號峰; Zn: 1號峰。

3.2 雜散光和基線噪音寬測量

雜散光是沒有光輸入時的光的信號總和。雜散光影響標準工作曲線的線性和靈敏度。遮擋入光口， 測量雜散光， 檢測時間100 s。結(jié)果以透光率計：Ca 0.201%， Cu 0.268%， Mg 0.297%， Fe 0.121%， Zn 0.107%。

檢測血液五元素的最長時間低于30 s， 因此測量基線噪音寬時規(guī)定檢測時間為100 s。基線噪音寬定義為空白信號的標準差的3倍。靜態(tài)噪音寬是不點火狀態(tài)下基線噪音寬在±0.003范圍內(nèi)；不點火基線噪音寬（以吸光度Abs計）： Ca 0.00017， Cu 0.00019， Mg 0.00135， Fe 0.00013， Zn 0.0021。火焰噪音寬是點火狀態(tài)下的基線噪音寬在±0.006范圍內(nèi)。點火基線噪音寬（以吸光度Abs計）： Ca 0.00124， Cu 0.0059， Mg 0.00094， Fe 0.00224， Zn 0.00265。

3.3 回歸分析

按2.3.3節(jié)測量表2中的五元素檢測試劑及1～3號標準溶液， 連續(xù)7次測量3號標準溶液。測量吸光度A。直線回歸分析：濃度C＝aA＋b， 得到直線回歸分析數(shù)據(jù)見表3， 線性誤差大。拋物線回歸分析：濃度C＝aA2＋bA＋c， 得到拋物線回歸分析數(shù)據(jù)見表3， 線性誤差小。

3.4 性能指標檢測

以透光率99% （吸光度A＝0.0043648）對應(yīng)的被測物濃度為特征濃度。以連續(xù)7次測量3 號標準溶液吸光度的相對標準偏差RSD表征重復性。以連續(xù)7次測量3號標準溶液峰面積的標準差的3 倍對應(yīng)的被測物濃度為檢出限。結(jié)果列于表4。

3.5 樣品分析

3.5.1 血樣測定 全血樣品由某志愿者捐獻， 經(jīng)2.3節(jié)所述方法進行測定， 加入標準物進行回收率實驗， 結(jié)果見表5。

3.5.2 質(zhì)量控制血樣測定 測定了批號SERO1003192凍干粉全血微量元素樣品（挪威Seronorm公司）的五元素含量結(jié)果見表6。SERO1003192樣品中加入78 mL五元素檢測試劑， 得到相當于稀釋26倍的

References

1 WANG Kui（王 夔）. Trace Elements in Life Science（生命科學中的微量元素）. Beijing（北京）: China Metrology Publishing House（中國計量出版社）， 1992: 19～28

2 Ruzicka J， Marshall G D. Anal. Chim. Acta， 1990， 237（2）: 329～343

3 WANG Jian-Ya， FANG Zhao-Lun， XU Shu-Kun （王建雅， 方肇倫， 徐淑坤）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2002， 30（3）: 307～311

Research on Five-channel Atomic Absorption Blood Five Elements

Analyzer with Concave Grating and Integral Combination Slit

LIU Na1， ZHANG Rong*2

1（Dalian Medical University， Dalian 116044） 2（Qiqihaer Medical University， Qiqihaer 161006）

Abstract A five-channel atomic absorption blood five elements analyzer with concave grating and integral combination slit was developed for the determination of five elements （calcium， copper， magnesium， iron and zinc） in blood. A hollow cathode lamp of five elements was used and the light was focused on the centre of flame by the simple reflection and the concave grating was used as the dispersive element. The integral combination slit was designed to allow the sharp lines for the five elements through. The solutions were order injection which was designed to be an online dilute pattern with variable speed but constant current. To avoid the influence of interference spectra on the calcium atomic absorption， the filter of 422 nm was covered on the calcium slit. A program of software with a good performance for the operation for five elements analyzer was written. The peak area as quantitative basis was defined. The blood diluent consists of 1 mg/L sodium dodecyl benzene sulfonate （SDBS） and 0.060 mol/L HCl. The proposed method was applied to the determination of zinc， iron， calcium， magnesium and copper in the blood. The relative standard deviation （RSD） was less than 5% and the recovery rate was 95.2%－98.7%.

Keywords Calcium; Copper; Magnesium; Iron; Zinc; Trace elements; Blood; Atomic absorption analyzer