單顆粒-電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法表征納米抗菌商品中納米銀顆粒粒徑分布

楊 遠 李 晟 鄧凱云 龔震宇 鄧飛躍

(1湖南農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，長沙410128；2長沙環(huán)境保護職業(yè)技術學院環(huán)境監(jiān)測系，長沙 410004；3中南大學 化學化工學院，長沙 410083)

引 言

納米科技的迅速發(fā)展為納米材料開拓了廣闊的市場空間，巨大的市場驅動著各種新型納米材料投入生產并使用。據有關調查數據表明，2011-2015年納米商品的全球市場可達1 000億美元/a，納米技術被譽為21世紀經濟發(fā)展的主要驅動力，其在生物醫(yī)藥、化學化工、環(huán)境、能源、信息、航空航天及日用化工方面均具有廣泛的應用[1]。據報道，目前市場中大約存在著1 800種商品級納米材料，常見的納米材料有納米二氧化鈦(TiO2NPs)、納米二氧化硅(SiO2NPs)、納米氧化鋅(ZnONPs)及納米金(AuNPs)、納米銀(AgNPs)等[2]。其中，納米銀材料因其優(yōu)異的抗菌性能被廣泛應用于化妝品、醫(yī)藥、食品包裝材料等領域。然而，隨著AgNPs使用量的增加，其向環(huán)境的排放已被諸多研究證實，使之成為一種新興污染物，這引發(fā)了科學界對其生態(tài)負面影響的廣泛關注[3]。

通過文獻調研，僅有有限的研究報道了納米銀顆粒及其釋放出的銀離子毒性。為評估工程納米材料對環(huán)境的潛在生態(tài)風險，就需了解其環(huán)境污染特征與生態(tài)毒理學效應。然而，由于缺乏可靠的分析方法，AgNPs的環(huán)境監(jiān)測數據現在還非常缺乏。因此，建立一種準確可信的復雜基質中AgNPs的定性和定量分析方法，以研究其毒性效應具有重要意義。

目前，納米材料的新興表征法主要有濁點萃取及電感耦合等離子體質譜聯(lián)用(CPE-ICP-MS)法、場流分離及ICP-MS聯(lián)用(FFF-ICP-MS)法、流動色譜及ICP-MS聯(lián)用(HDC-ICP-MS)法以及單顆粒ICP-MS法等[4]。其中，CPE-ICP-MS被認為是一種有效區(qū)分Ag納米粒子和Ag+組分的方法，AgNPs通過濁點萃取后采用微波進行消解，然后通過ICP-MS進行測定，Ag+濃度由總Ag濃度與Ag納米粒子濃度之差所得，但該方法相對復雜，所耗時間較長，不適合納米Ag組分的分離檢測[5-6]。FFF-ICP-MS聯(lián)用技術能夠對粒徑為2～1 000 nm的大分子、膠體和工程納米材料進行分離，而且許多文獻報道了采用FFF-ICP-MS聯(lián)用技術表征Ag納米粒子，證明了其應用潛力。然而，盡管納米顆粒能夠通過粒度進行分離，但是對于低分子量的檢測，如Ag+的測定，FFF技術分離效果不佳，明顯限制了FFF-ICP-MS技術對于工程納米材料的分離檢測[7]。HDC-ICP-MS是另一種分離工程納米粒子的方法，Tiede等報道了HDC-ICP-MS法測定污水污泥中的納米銀，指出HDC-ICP-MS聯(lián)用技術在測定環(huán)境中納米Ag粒子是一種值得信賴的方法。然而，同FFF技術相比，HDC色譜在分離不同粒度的納米粒子，分辨率較差[8]。相比之下，SP-ICP-MS技術由于具有高選擇性、高靈敏度和多元素同時測定等優(yōu)勢，特別適合納米材料的表征分析，在測定金屬工程納米材料領域中被普遍認為是值得信賴的分析工具。SP-ICP-MS技術在分析溶解性Ag+和AgNPs時，得到了青睞，這種技術不需要任何分離裝置，直接將樣品導入ICP-MS中，時間分辨光譜以停留時間的方式(通常為5～10 ms)記錄。能夠從這種光譜中獲得多種信息，峰值信號的頻率與樣品中存在的納米粒子數量相關，其粒度檢出限為20 nm，背景信號則包括溶解Ag(I)、儀器噪音和粒度小于20 nm的納米粒子[9-12]。同FFF-ICP-MS等技術相比，SP-ICP-MS能夠獲得較好檢出限，具有廣闊的應用前景。

以上所提到的技術在分析AgNPs、Ag+及其相關組分的研究中均具有較高的潛力。本實驗的研究目的是基于SP-ICP-MS技術，建立了復雜基質的納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布的靈敏度高、選擇性好的分析方法。

1 實驗部分

1.1 主要實驗儀器

Agilent 7700x ICP-MS(美國安捷倫公司)，配備Micromist霧化器(美國安捷倫公司)，電子天平(感量0.000 1 g，上海舜宇儀器有限公司)，微波消解儀(上海新儀公司)；超純水儀(成都優(yōu)普儀器有限公司，電阻率>18.2MΩ·cm)。

1.2 實驗試劑

高純氬氣(純度>99.99%)，HNO3(優(yōu)級純，上海國藥集團化學試劑有限公司)，H2O2(優(yōu)級純，上海國藥集團化學試劑有限公司)，Ag離子標準儲備溶液(1 000 mg/L，北京鋼鐵研究院)，30、50和80 nm AgNPs標準懸濁液購于nano Composix公司(圣迭哥，CA，美國)，其理論粒徑分別為(32.3±3.2) nm、(953.4±4.40) nm和(79.0±8.7) nm，AgNPs質量濃度為20 mg/L；購于BBI公司的60 nm AuNPs標準懸濁液(Cardiff，英國，質量濃度，50 mg/L，納米顆粒濃度：2.6×1010particles/mL)用于測定ICP-MS的傳輸效率。生產廠家提供的TEM報告已證明AgNPs和AuNPs的多分散性和納米顆粒的近似球狀。1 μg/L的Li、Co、Y、Tl、Ce和Ba儀器調諧液購于安捷倫公司(美國，2%v/vHNO3介質)。所用器皿均采用HNO3(1+3)溶液浸泡至少24 h以上，使用之前采用超純水沖洗干凈，備用。

1.3 樣品采集

選取3種含納米銀成分的納米銀抗菌商品(納米銀抗菌廚房洗液、納米銀抗菌運動襪和納米銀抗菌鼻炎凈)為研究對象，該3種商品均購于互聯(lián)網。

1.4 實驗方法

1.4.1 ICP-MS儀器操作條件

待ICP-MS點火炬穩(wěn)定30 min后，采用調諧液對儀器進行調諧，使ICP-MS儀器獲得最佳的測定狀態(tài)。ICP-MS的單顆粒模式下測定參數如表1所示。

表1 單顆粒-ICP-MS的儀器操作參數

1.4.2 標準溶液的配制

1.4.2.1 單顆粒-ICP-MS測定模式

1)Ag離子標準溶液的配制：對Ag離子標準溶液采用HNO3(1% )進行稀釋，分別配制0、0.5、1.0、2.0、5.0 μg/L 5個標準點。此過程用于測定ICP-MS法的Ag靈敏度。2)ICP-MS傳輸效率的測定：使用超純水將60 nm AuNPs標準溶液(50 mg/L)稀釋至60 nm AuNPs標準工作溶液(50 ng/L)，并在SP-ICP-MS模式下采集其數據。

1.4.2.2 Ag總量測定模式

Ag離子標準溶液的配制：對Ag離子標準溶液采用HNO3(1%)進行稀釋，分別配制0、10、20、50、100 μg/L 5個標準點。此過程用于測定納米抗菌商品Ag總含量。

1.4.3 SP-ICP-MS的數據處理

基于本課題組前期的工作[12-13]，主要采用5σ標準區(qū)別NPs信號和儀器背景信號及Ag離子態(tài)信號。具體迭代步驟如下：1)選擇合適的參數值n=5；2)計算整個數據標準偏差σ和平均值μ；3)將整個數據中超過μ+5σ的數據點移除；4)將去除后的數據組重復步驟2)和步驟3)；5)直到無數據點可移除，迭代結束。大于5σ的脈沖信號可認為是納米顆粒的信號。將篩選出納米顆粒信號值帶入到SP-ICP-MS理論公式或SPC-tool文件(網絡免費下載)以獲得AgNPs粒徑分布及納米顆粒濃度。

1.5 樣品前處理

1.5.1 納米抗菌材料中Ag總量

為了準確地測定納米抗菌材料中AgNPs，首先要確定總銀含量。納米抗菌材料中Ag總量的前處理主要采用微波消解法，其具體的前處理步驟可參考本課題組之前的工作[14]。

1.5.2 納米抗菌材料中AgNPs表征

在采用SP-ICP-MS分析AgNPs過程中，為避免兩個或多個金屬納米顆粒在同一個停留時間內同時進入到等離子體中受到激發(fā)，并錯誤地被質譜檢測器認為是單個AgNPs，通常需保證在單顆粒模式下，納米顆粒的信號數量小于總信號數量的10%[12]。

對于納米銀抗菌商品中AgNPs的表征，需保證AgNPs自有的物理化學屬性在前處理和測定過程中不發(fā)生變化，一般不采用強酸對樣品進行消解，原因在于強酸消解會破壞AgNPs結構，將AgNPs轉變?yōu)锳g+。因此，對于液態(tài)狀納米抗菌商品中AgNPs的分析，首先測定其總Ag濃度，然后再采用超純水將樣品稀釋至一定的濃度(一般為幾十ng/L～幾百ng/L)，上機測定前，將稀釋樣品水浴超聲10 min以分散AgNPs。對于納米抗菌襪中AgNPs，通過模擬洗滌過程，將AgNPs和Ag+等組分從納米抗菌襪中釋放出來。具體的實驗操作步驟可參考Soto-Alvaredo的工作[15]：將準確稱取粉碎好的運動襪(1.000 0 g)加入100 mL pH值為6.8的10 mmol/L醋酸銨和10 mmol/L SDS的溶液中，在避光的情況下，磁力攪拌2 h。接著收集溶液，測定其總Ag含量，根據釋放出總Ag濃度，采用超純水將樣品稀釋至一定的濃度(一般為幾十ng/L～幾百ng/L)，在采用SP-ICP-MS分析模式前，將稀釋樣品水浴超聲10 min分散AgNPs。為防止Ag在進樣系統(tǒng)中的殘留，在樣品與樣品測定之間采用HNO3(3%)溶液清洗進樣系統(tǒng)。

2 結果與討論

2.1 納米抗菌商品中總Ag含量的分析

采用微波消解法進行納米抗菌商品中總Ag含量分析的前處理方法，其原因在于：微波消解法具有高壓密閉的特性，能夠在極短的時間內將待測元素從樣品釋放進入到溶液中，同時待測元素的回收率通常很好。另外，與傳統(tǒng)的濕法消解相比較，微波消解法不產生大量的酸霧，減小了對環(huán)境和人體的危害。在進行總Ag含量的測定時，為校正測定時待測元素信號值由于基體效應、傳輸效應、霧化效率、電離效應或儀器漂移發(fā)生變化，通常采用在線添加一定濃度的內標元素進行校正。因此，選擇合適的內標元素尤為重要。一般的選擇內標原則是待測溶液中幾乎不存在的元素，該內標元素與待測元素質量比較接近，其電離電位與待測元素的電離電位比較接近。因此，在本實驗中，選用103Rh作為內標元素。在實驗進行中，通常將1 mg/L103Rh內標溶液通入到三通中，由于內標管內徑為進樣管1/20，所以103Rh內標元素在進樣系統(tǒng)中濃度約為50 μg/L，因此能夠有效地校正ICP-MS分析時的偏差。由于107Ag幾乎不存在多元素質譜干擾，所以無需開啟碰撞反應池模式，只需在NO Gas模式下進行測定。

實驗測定了3種納米抗菌商品中總Ag含量，同時對前處理方法進行了加標回收實驗，回收率在93.1%～105%，說明本方法能夠滿足納米抗菌商品中總Ag的分析，實驗結果見表2。由表2的結果可知，采用微波消解-ICP-MS法能夠準確地測定納米抗菌商品中總Ag含量，納米抗菌商品中總銀含量在數十到數百μg /L之間。因此，為了準確表征納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布，需要將樣品稀釋至數十ng/L～數百ng/L。

表2 實際樣品中總Ag含量及回收率測定

注：1)單位為%。

2.2 納米抗菌商品中AgNPs的表征

采用微波消解-ICP-MS法測定了3種納米抗菌商品中總銀含量，根據這3種商品中總Ag濃度，需要將運動襪和鼻炎凈樣品采用超純水分別稀釋500倍，將廚房洗液樣品稀釋2 000倍，3種納米抗菌商品的原始信號見圖1。由圖1(c)可知，107Ag信號分布均勻(130 counts/3ms附近)，基本上不存在107Ag脈沖信號，107Ag信號基本由Ag+(離子態(tài)的Ag)產生，說明抗菌廚房洗液中幾乎不存在AgNPs。由圖1(a)和圖1(b)可知，通過采用SP-ICP-MS測定兩種抗菌商品，這兩種商品產生大量107Ag脈沖信號，說明兩種納米抗菌商品中含有AgNPs，同時也存在一部分107Ag信號均勻地分布在30 counts附近，該部分信號應該是由Ag+和儀器的背景信號產生。

在進行SP-ICP-MS測定納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布之前，采用SP-ICP-MS法測定了10 ng/L 30 nm, 50 ng/L 50 nm和100 ng/L 80 nm AgNPs溶液驗證本方法的準確性。實驗結果見表3。由表3可知，SP-ICP-MS法測定AgNPs的結果與生產廠家提供的TEM值基本一致，說明SP-ICP-MS法能夠準確表征水樣中AgNPs粒徑分布。因此，采用SP-ICP-MS法測定了稀釋后的納米抗菌商品(鼻炎凈和運動襪樣品)，并應用SP-ICP-MS公式將AgNPs脈沖信號轉化為AgNPs粒徑分布如圖2所示。由圖2可以看出，SP-ICP-MS法能夠很好地表征納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布，建立的SP-ICP-MS能夠為準確表征納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布提供可靠的分析方法。

圖1 納米抗菌商品中AgNPs原始信號：(a) 稀釋500倍鼻炎凈，(b) 稀釋500倍運動襪提取液，(c) 稀釋2 000倍抗菌廚房洗液Figure 1 Raw signal of nano-antibacterial consumer products: (a) antibacterial nasal spray, (b) sports socks, (c) kitchen cleansing spray.

AgNPs樣品粒徑/nmTEM值/nm平均值/nm中間值/nm濃度/(ng·L-1)3032.3±3.3234.3±0.833.2±0.910.05053.4±4.452.3±1.853.8±1.950.08079.0±8.776.2±2.780.3±2.4100.0

圖2 SP-ICP-MS表征納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布：(a) 運動襪 (b) 鼻炎凈Figure 2 Size distribution of AgNPs in nano-antibacterial consumer products using SP-ICP-MS(a) Sports socks (b) Antibacterial nasal spray.

3 結論

建立了SP-ICP-MS法測定了納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布的方法。首先通過微波消解-ICP-MS法測定納米抗菌商品總銀含量，確定測定納米抗菌商品AgNPs稀釋倍數，再采用SP-ICP-MS法測定納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布。該方法分析速度快、靈敏度高、抗干擾能力強，能夠準確表征納米抗菌材料中AgNPs粒徑分布。