基于Fe3O4磁性微粒分離富集的ICP-MS檢測血清中鉛的方法研究

楊 茹，趙珍陽，龔子珊，汪 曣，傅 霜，韓文念，張 勇，王世功，孫傳強*

(1.天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2.山東東儀光電儀器有限公司，山東 煙臺 264000;3.天津國科醫工科技發展有限公司,天津 300399)

隨著工業化的快速發展，越來越多的重金屬正通過各種方式擴散到環境中。這些擴散到環境中的重金屬可能造成一種或多種微量元素在人體中的含量失調，給人體健康帶來不良影響。目前，用于人體必需微量元素或毒性檢測的常規樣品有頭發、血、血漿、血清、尿，甚至指甲和唾液[1]等。微波輔助消化是頭發和指甲樣品的常用處理方法。血清樣品的常用前處理方法有直接稀釋法[2-3]和微波消解法[4-5]，但兩者均需對樣品進行較大倍數的稀釋，稀釋倍數高時，可能導致測量結果不準確，需富集后方能檢測；稀釋倍數低則可能出現進樣口污染、堵塞等問題[6-7]。

鉛是毒性最大的重金屬元素之一，極低濃度的鉛即可危害人體健康，因此對人體中鉛元素的準確定量具有重大意義。目前鉛離子的檢測方法有電化學法、火焰原子吸收光譜法、表面增強拉曼光譜法、電感耦合等離子體發射光譜法、電熱原子吸收光譜法。然而，這些方法存在靈敏度不足、選擇性差、有基質干擾、需要相對大量的有毒有機溶劑[8-9]等缺點。而電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)由于靈敏度高、線性范圍寬、易于操作等特點，已廣泛用于微量元素的檢測。但對于基體復雜的樣品，使用ICP-MS分析時仍然存在檢測結果不準確的情況。

磁性微粒材料是催化、分離、磁共振成像、磁流體熱療、生物醫學、環境衛生、食品衛生檢測等領域的理想工具[10-11]。該類材料多為納米級，比表面積大，表面具有可與金屬離子結合的多個活性位點[12]。磁性微粒一般都具有超順磁性和大的飽和磁強度值，并且容易被外部磁場分離。若能使用磁性微粒預富集的方法，使微量元素與復雜基質高效率分離，將極大改善測定中的基質效應等問題。Rajput和Sarkar等采用所合成的Fe3O4磁性納米粒子成功實現了廢水中Pb2+的去除[13-14]。

血清樣品經微波消解，用Fe3O4磁性微粒進行預富集后，即可對其中的Pb2+進行檢測。Fe3O4磁性微粒表面的羥基與血清樣品中的Pb2+通過靜電作用實現吸附，再利用Fe3O4磁性微粒的超順磁性在外部使用磁鐵即可實現磁球與溶質的分離。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

NexION 300D 電感耦合等離子體質譜儀(Perkin Elmer，USA)，配有四極桿碰撞/反應池(擁有標準模式(STD)、碰撞模式(KED)、反應模式(DRC) 3種工作模式)。MARS 6 型微波消解儀(美國 CEM公司)。BSAI24S電子天平(Sedolis，Germany)。

超純水由 Milli-Q Advanced A10系統(Millipore，USA) 制備得到；混合元素標準儲備液(Ag、Al、As、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mg、Mn、Ni、Pb、Rb、Se、Tl、U、V 和 Zn,10 μg/mL)購自美國安捷倫公司；K、Ca、Mg、Fe、Rh單元素標準溶液(1 000 μg/mL) 購自國家鋼鐵研究總院；調諧液(Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb 和 U,1% HNO3介質，1 μg/L)由鉑金埃爾默公司提供。FeCl3·6H2O(分析純，99%)購自上海阿拉丁科技股份有限公司，無水乙酸鈉(色譜純)和聚乙二醇2000(化學純)購自天津市科密歐試劑有限公司，乙二醇(分析純)和無水乙醇(分析純)購自天津市康科德科技有限公司，檸檬酸一水化合物(≥99.999 8%)和乙二胺四乙酸(EDTA，≥99.995%)購自Sigma-Aldrich公司，二乙烯三胺五乙酸(DTPA，≥99%)購自上海笛柏生物科技有限公司。

將混合標準儲備液用稀釋劑稀釋 100 倍，得到質量濃度為100 μg/L 的母液，使用時逐級稀釋為一系列標準溶液。每次進樣分析前均對儀器進行調諧校準，校準通過后方可進行實驗。

1.2 Fe3O4的制備

參考文獻[15]進行Fe3O4磁性微粒合成：稱取1.35 g的 FeCl3·6H2O，溶解在40 mL乙二醇中，攪拌均勻，形成澄清的溶液，隨后加入3.6 g 無水醋酸鈉和1.0 g的聚乙二醇，混合攪拌30 min，轉移至50 mL密封的高壓釜中，加熱到200 ℃，保持8 h，待冷卻至室溫，將得到的黑色產品用乙醇和水交替洗滌6次以上，最后超聲分散在100 mL超純水中并通氮氣保護，儲存備用。

1.3 吸附實驗

配制10 mL 1 μg/L的鉛標準溶液7份，分別調至pH 2.0～8.0，加入一定量磁性微粒溶液進行吸附實驗，磁分離后取上清溶液進行ICP-MS檢測。

1.4 洗脫實驗

將經過吸附實驗的溶液經外部磁鐵去除上清溶液后，加入洗脫溶液對Fe3O4磁性微球進行洗脫。

1.5 血清樣品前處理

取300 μL血清，經微波消解(樣品微波消解儀工作程序如表1所示)后趕酸，并定容至5 mL，用氨水調至pH 5.0，加入400 μL Fe3O4磁球懸浮液(0.7 mg/mL)振蕩超聲吸附30 min，用外部磁鐵分離吸附有Pb2+的Fe3O4納米粒子與溶質后，取出上清溶液，再加入0.5 mL 1 mol/L的硝酸和0.5%的EDTA溶液進行洗脫，富集因子為10。

表1 樣品微波消解程序Table 1 Microwave digestion process of sample

圖1 Fe3O4磁性微球在不同pH值條件下的Zeta電位值Fig.1 Zeta potential values under different pH conditions

圖2 Fe3O4納米粒子的粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of Fe3O4 nanoparticles

圖3 不同pH值條件下的吸附效率值Fig.3 Adsorption efficiency values under different pH conditionsadsorption dose:400 μL,adsorption time:30 min

2 結果與討論

2.1 Fe3O4的表征

2.1.1 Fe3O4的Zeta電位測試Zeta 電位是膠體顆粒相互排斥或吸引力的度量，是膠體穩定性的重要指標[16]，也代表了磁性微粒表面的電荷大小及正負。Zeta 電位較高時，相互之間的排斥力大于吸引力，膠體體系相對較穩定。相反地，Zeta 電位較低時，膠體顆粒相互之間的排斥力小于吸引力，顆粒之間出現團聚[17]。

Fe3O4磁性微球的Zeta電位測試結果如圖1所示。pH 3.0～5.0 時，Zeta電位急劇升高，此時磁性微粒表面的負電荷數量急劇增大；當pH>5.0時，Zeta電位值趨于-30，此時磁性微粒表面的電荷數量處于相對穩定狀態。由圖1可知，所合成的磁微粒的Zeta電位均為負值，說明其表面在pH 3.0～9.0范圍內都帶有能與Pb2+產生靜電作用的羥基。但pH<5.0時，磁性微粒表面所帶的羥基數量較少，可能達不到完全吸附Pb2+的效果。實驗結果也證明了pH<5.0時對Pb2+無法達到完全吸附(見“2.2.1”)。

圖4 不同劑量的磁性微粒溶液對鉛的吸附效果Fig.4 Adsorption of lead by different volumes of magnetic solutionpH 5.0,adsorption time:30 min ,cPb2+=10 μg/L

圖5 洗脫劑的種類和濃度對回收率的影響Fig.5 Effect of the type and concentration of eluent on recoverya.0.5 mol/L HNO3;b.2.0 mol/L HNO3;c.1.0 mol/L HNO3;d.1.0 mol/L HNO3+0.5% citric acid;e.1.0 mol/L HNO3+0.5%DTPA;f.1.0 mol/L HNO3+0.5%EDTA;pH 5.0,adsorption time:30 min,adsorption dose:400 μL

2.1.2 ICP-MS測量Fe3O4粒徑及濃度ICP-MS中的單顆粒檢測模塊SP-ICP-MS(Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry)作為一種新型的粒徑分布檢測工具，得到了廣泛應用[18]。為保證單顆粒進樣，本文將所合成的Fe3O4磁性微球懸浮液稀釋5×106倍，用已知濃度和粒徑的金納米粒子標準溶液計算樣品傳輸效率，通過SP-ICP-MS檢測，得到所制備的磁性微粒的平均粒徑為400 nm(圖2)。由圖2可知所合成的磁性微球的粒徑大致符合高斯分布，粒徑均一。經ICP-MS檢測得知，所合成的磁性微粒懸浮液質量濃度為0.7 mg/mL。

2.2 吸附效果

2.2.1 吸附溶液pH值的優化pH值是進行磁性微粒吸附的一個重要條件，磁性微粒上官能團的性質和溶液中金屬離子的存在形式均與pH值相關[19]。本文研究了不同pH值條件下磁性微粒對Pb2+的吸附行為，結果如圖3所示。在含水體系中，鐵氧化物表面被FeOH基團覆蓋，增加pH值將導致FeOH表面基團的去質子化增強，使得FeO-和Pb2+之間的靜電吸引力變得更強。因此，當溶液pH值從3.0升至5.0時，Pb2+的吸附效率急劇增加。pH>5.0時，隨著pH值的升高，Pb2+的吸附效率保持恒定。當溶液pH值進一步增加到6.0以上時，開始有氫氧化鉛沉淀生成，可能會造成鉛的濃度損失，并導致吸附效率保持在一個較高的水平。因此最終選擇吸附溶液的pH值為5.0。

2.2.2 吸附劑用量優化吸附劑的用量決定吸附的效果，為了使Pb2+能夠盡可能多地被吸附，對吸附劑的用量進行了優化。由圖4可知，Pb2+的質量濃度為10 μg/L 時，其吸附效率隨磁性納米微粒用量的增加而增加，這是因為用量增加會提供更多的活性位點與金屬離子結合。在pH 5.0條件下，向吸附溶液中分別加入25～800 μL的磁性納米粒子溶液，考察吸附劑用量的影響。結果顯示，磁性微粒的投入量為400 μL時，吸附效率接近100%，繼續增大磁性微粒的投入量，吸附效率無明顯改變，因此選擇最優吸附劑用量為400 μL。

表2 共存離子的影響Table 2 Effect of coexisting ions

2.2.3 吸附時間優化為了保證Pb2+盡可能吸附，研究了吸附時間對Pb2+吸附效率的影響。在pH 5.0條件下，向1 μg/L的Pb標準溶液中加入400 μL吸附劑，分別吸附30 s～2 h。結果顯示，30 min即可達到飽和吸附，因此選擇最佳吸附時間為30 min。

2.3 洗脫條件優化

實驗發現，在pH<3.0時，Fe3O4納米粒子對Pb2+基本無吸附效果，因此選擇pH<3.0的酸性溶液進行洗脫。考察了0.5、1.0、2.0 mol/L硝酸、1.0 mol/L的硝酸+0.5%檸檬酸、1.0 mol/L的硝酸+0.5%EDTA和1.0 mol/L的硝酸+0.5%DTPA 6種洗脫劑對Pb2+的洗脫效果(圖5)。結果顯示，1 mol/L的硝酸+0.5%EDTA作為洗脫溶液時，洗脫效果最佳。考慮到富集倍數及進樣需求，選擇0.5 mL此種洗脫劑進行洗脫。

2.4 共存離子的影響

2.5 血清樣本檢測

根據IUPAC規定，以11次空白溶液信號強度的標準偏差乘以3并反演濃度求得方法檢出限為7 ng/L，以10倍標準偏差為定量下限，其值為23.1 ng/L。

表3 血清樣本中鉛的回收率及相對標準偏差(n=3)Table 3 Recoveries and relative standard deviations of lead in serum samples (n=3)

實驗通過對同一樣品添加3種不同濃度的標準物質，經過前處理后上機檢測，計算得出Pb2+的平均回收率為98.2%～103%，相對標準偏差(RSD)為1.1%～4.8%(表3)。說明可使用本方法進行血清中微量元素Pb2+的檢測。

3 結 論

使用Fe3O4磁性微粒實現了人血清中Pb2+的富集，大大減少了消解后血清中無機鹽的干擾，降低了待測樣本中Pb2+的稀釋倍數，增加了信號強度，提高了檢測穩定性。該法樣品需求量少，適用于臨床微量元素檢測，還可擴展到其他復雜基質中Pb2+的檢測。