基于單顆粒電感耦合等離子體質譜法測定環境基質水樣中納米銀顆粒

管 鵬，郭鵬然，潘佳釧，荀 合，梁維新

(廣東省科學院 廣東省測試分析研究所(中國廣州分析測試中心) 廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室，廣東 廣州 510070)

納米材料因其獨特的物理化學性質而具有廣闊的應用前景，已成為近幾十年來科學研究和產品開發的熱點[1-2]。其中納米銀顆粒(AgNPs)對大量的致病微生物均具有良好的抑制和殺滅作用，被廣泛用于抗菌紡織品、生活用水過濾器、化妝品、兒童玩具、食品包裝材料、醫療器械產品等領域[3-9]。與此同時，含AgNPs產品的大量生產和使用致使其環境釋放量不可避免地增加，成為新興環境污染物，其中生活污水的排放是AgNPs進入生態環境的主要途徑，并可通過地表和地下徑流的方式污染飲用水源地，而目前飲用水的處理方法無法將AgNPs完全去除[10-12]。相關研究指出，長期接觸和飲用含AgNPs的水體將可能導致AgNPs穿透細胞膜進入細胞組織內，對人體產生不利影響[6,11,13]，其影響的大小與AgNPs的數量濃度和粒徑等密切相關。

環境水體中AgNPs的濃度約在110 ng/L以下[14]，目前針對納米顆粒物常用的表征方法如掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力電子顯微鏡(AFM)等需復雜的樣品前處理步驟，無法直接對水體中AgNPs進行表征[15]。其他如體積排阻色譜(SEC)[16]、場流分級分離(FFF)[5,17]、動態光散射(DLS)[17]、拉曼光譜[18]等方法雖可直接表征測定水體中的AgNPs，但較高的檢出限制約了DLS和拉曼光譜在環境水體中AgNPs表征方面的應用[19]，而SEC、FFF需復雜的前處理或需要與其他技術聯用方可進行定性定量分析[5]。2003年，Degueldre等[20]提出單顆粒電感耦合等離子體質譜法(Single-particle ICP-MS，SP-ICP-MS)，該方法具有操作簡單、靈敏度高、檢出限低、分析時間短等特點，可同時實現納米顆粒的數量濃度以及粒徑分布的表征，并可直接對水體中納米顆粒物進行分析，近年來已被應用于環境[21-22]、食品[23]、化妝品[24]、人體組織[19]等樣品中納米顆粒物的分析。環境水體樣品具有基質成分復雜、干擾物質較多的特點，易對AgNPs的顆粒形態及其毒性造成影響，干擾測定結果。因此有必有對環境水體中潛在的干擾物質進行考察。

本文采用SP-ICP-MS方法同時測定水中AgNPs的粒徑分布、數量濃度和質量濃度，研究了水中溶解性有機質(DOM)、pH值以及離子強度等對AgNPs的顆粒態及濃度的影響，為環境水樣中AgNPs的SP-ICP-MS表征測定提供數據參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent ICP-MS/MS 8800三重四極桿電感耦合等離子體串聯質譜儀(美國安捷倫公司)；PB-10 pH計、BSA224S-CW型分析天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)；KQ-500E超聲波發生器(昆山市超聲儀器有限公司)。

60 nm AgNPs標準儲備液(20 mg/L，美國Sigma公司)；Ag離子標準儲備溶液(1 000 mg/L，國家鋼鐵研究院)；濃硝酸(電子級，德國Merck公司)；腐殖酸(上海麥克林生化科技有限公司)；氯化鈉、氫氧化鈉(AR，廣州化學試劑廠)；含有Ce 、Co、Li、Tl、Y的調諧液(1 μg/L，美國安捷倫公司)；實驗用水為二次蒸餾水。

表1 ICP-MS儀器單顆粒測定模式工作條件Table 1 Operating conditions of ICP-MS in single particle mode

1.2 SP-ICP-MS儀器操作條件

首先對ICP-MS儀器進行等離子體點火，預熱穩定30 min后采用調諧液對儀器進行調諧，使ICP-MS靈敏度達到最佳狀態。同時，采用ICP-MS的“No Gas”調諧模式對1 μg/L的107Ag進行信號監測，并調節各項調諧參數使其對107Ag的監測信號值達到最高，相關儀器操作條件見表1。

1.3 標準溶液的配制

標準離子響應溶液的配制：采用0.1%硝酸將Ag離子標準儲備液稀釋至1 μg/L，用于ICP-MS對Ag響應靈敏度的調諧。標準參比顆粒物溶液的配制：用于計算傳輸效率和評價分析結果準確性，使用超純水將AgNPs(60 nm)標準儲備液稀釋成100 ng/L的標準工作溶液。根據ISO/TS 19590[25]，60 nm的AgNPs在2～200 ng/L質量濃度范圍內標準工作溶液皆能獲得準確的傳輸效率，本研究選擇100 ng/L的標準工作溶液。

1.4 水樣的采集與處理

河流水樣：采集于廣州市某河流，水樣pH值為6.51，DOM為90 μg/L，離子強度約為0.055 mmol/L。染料廢水水樣：采集于廣州市某印染廠，pH值為2.60，DOM為3.1 mg/L，離子強度約為0.029 mmol/L。養殖廢水水樣：采集于廣州市某養殖場，pH值為6.41，DOM為20 mg/L，離子強度約為0.19 mmol/L。

采集的水樣先經0.45 μm的濾膜過濾并分為2份，用于檢測水樣中總離子濃度的一份加入濃硝酸使其濃度達到2%，并密封置于陰涼處；另一份密封置于4 ℃冰箱中保存，待用。

2 結果與討論

2.1 方法原理

SP-ICP-MS是在常規ICP-MS的基礎上，采用“單顆粒”分析模式的技術。將水溶液中的顆粒引入等離子體，當液滴在等離子體中去溶劑化時，納米顆粒經電離產生的大量離子云到達檢測器后在極短的駐留時間內形成一個極強的脈沖信號，且產生的脈沖信號的數量與溶液中納米顆粒的數量成正比，產生的脈沖信號的強度與納米顆粒的質量以及粒徑相關。如Peters等[26]通過已知顆粒濃度的標準溶液在單位時間內檢測到的脈沖信號數量以及樣品流速計算傳輸效率，并采用傳輸效率、標準離子響應強度以及脈沖信號強度計算納米顆粒的質量及粒徑，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Cp為顆粒數量濃度(particles/L)；Np為在時間范圍內檢測到的顆粒數(particles/L)；ηn為傳輸效率；V為樣品流速(mL/min)；Ip為樣品中納米粒子的信號強度(cps)；mp為納米顆粒質量(ng)；RFION為離子響應強度(cps/(μg·L-1))；td為停留時間(s)；Mp為納米粒子的摩爾質量；Ma為納米粒子中待測元素的摩爾質量；dp為待測納米粒子的粒徑(nm)；ρp為納米粒子的密度(g/mL)；Cm納米粒子質量濃度(ng/L)。

圖1 不同pH值條件下水中AgNPs顆粒濃度、質量濃度及粒徑Fig.1 AgNPs particle concentration,mass concentration,and particle size in water at different pH value conditions

2.2 SP-ICP-MS的測定及AgNPs標準物品的確證

根據文獻采用的粒度/顆粒檢出限計算方法[9]，本方法的粒度檢出限為25 nm，顆粒濃度檢出限為8×104particle/L。實驗在表1的儀器條件下對100 ng/L AgNPs(60 nm)標準溶液進行測定，驗證方法的準確性。結果顯示，采用SP-ICP-MS法測得標準物質的顆粒濃度為8.43×107particle/L,質量濃度為100 ng/L,平均粒徑為59 nm，與標準值顆粒濃度(8.43×107particle/L)、標準粒徑(60 nm，TEM值)一致。

圖2 不同DOM濃度下水中AgNPs顆粒濃度、質量濃度及粒徑Fig.2 AgNPs particle concentration,mass concentration and particle size in water at different DOM concentrations

圖3 不同NaCl濃度下水中AgNPs顆粒濃度、質量濃度及粒徑Fig.3 AgNPs particle concentration,mass concentration,and particle size in water at different NaCl concentrations

2.3 pH值對AgNPs測定的影響

溶液的pH值會影響納米顆粒的聚集和穩定性[27-30]，因此需考察其對AgNPs測定的影響。配制不同pH值(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.0)的100 ng/L AgNPs(60 nm)溶液，采用SP-ICP-MS測定其中AgNPs的顆粒濃度、質量濃度及粒徑(圖1)。從圖1中可以看出，當溶液由中性變化至酸性時，溶液中的AgNPs的顆粒濃度、質量濃度依次降低，在pH值為5.0和7.0時與標準值一致；當pH<3.0時溶液中AgNPs的顆粒濃度、質量濃度及粒徑大小均降低，這是因為溶液的酸性較大，部分顆粒態的納米銀轉化為離子態；pH值為3.0和4.0時顆粒濃度、質量濃度降低較少，粒徑幾乎不受影響，由于堿性溶液對儀器的進樣系統有所損害，因此對水中AgNPs檢測時的pH值應在5.0～7.0之間。

2.4 DOM對AgNPs測定的影響

溶解性有機質(DOM)[31]主要包括腐殖酸和富里酸等，廣泛存在于環境水體中，其在地下水和地表水中的含量在0.02～30 mg/L范圍內，能與各種納米顆粒物結合形成穩定的懸浮液，因此實驗配制100 ng/L的AgNPs(60 nm)溶液，考察了腐殖酸質量濃度(0、1、2、5、10、15、20、25、30 mg/L)對測定的影響(圖2)。從圖2中可以看出，當溶液中腐殖酸的質量濃度小于30 mg/L時對溶液中AgNPs顆粒濃度的測定結果無明顯影響，對質量濃度及粒徑測定結果影響較小。

2.5 離子強度對AgNPs測定的影響

溶液中納米顆粒的穩定性很大程度上取決于離子強度，當離子強度大時，顆粒之間更易聚集[27,29,32-33]，為此在儀器承受范圍內考察了不同離子強度(NaCl濃度為0、1、5、10、20、30、50 mmol/L)對100 ng/L AgNPs(60 nm)測定的影響(圖3)。結果顯示，當溶液中NaCl濃度為0～1 mmol/L時，AgNPs的顆粒濃度、質量濃度及粒徑的測定結果均不受影響，但當NaCl的濃度大于1 mmol/L時，AgNPs的顆粒濃度、質量濃度及粒徑均隨NaCl濃度的升高而下降，對測定結果影響較大，這可能是由于高離子強度增強了顆粒物的聚集作用使其迅速沉降。因此，采用SP-ICP-MS法測定水中的AgNPs時水中的離子強度濃度需低于1 mmol/L。

2.6 實際水樣中AgNPs的測定

采用SP-ICP-MS方法對3種不同基質條件的環境水樣(河水、染料廢水、養殖廢水)進行測定。由于測定時納米顆粒產生的脈沖信號值與樣品中納米顆粒的濃度成比例，為避免樣品顆粒濃度過高導致兩個或多個納米顆粒同時進入等離子體中受到激發，造成在同一駐留時間內脈沖信號發生疊加，在本次實驗中，待測樣品中顆粒濃度控制在106～109(particles/L)之間[9,25]。在對水樣進行單顆粒檢測及加標前，首先對3種水樣中的總離子濃度進行測定，發現3種水樣中總銀離子均未檢出，其他重金屬離子(Mn、Fe、Zn、As、Cd、Pb)的質量濃度為0～50 μg/L；再對3種實際水樣進行納米銀加標，加標濃度為100 ng/L，測定結果見表2和圖4。3個水樣中均未檢出AgNPs，經加標后出現了明顯的脈沖信號，河水、養殖廢水加標樣品的回收率分別為98.1%和93.3%，平均粒徑分別為58.5 nm和56.6 nm，與標準粒徑(60 nm，TEM值)一致；而染料廢水平均粒徑為52.7 nm，回收率為83.3%，這是由于染料廢水pH值較低(2.6)，致使水樣中AgNPs部分溶解，從而影響其粒徑及顆粒濃度，所得結論與前文一致。

表2 SP-ICP-MS法測定3個環境水樣(n=3)Table 2 Determination of three environmental water samples by SP-ICP-MS(n=3)

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圖4 加標100 ng/L的河水、染料廢水和養殖廢水的原始信號圖(A)及粒徑分布圖(B)Fig.4 Original signal diagrams(A) and particle size distribution diagrams(B) of river water,dye wastewater and aquaculture wastewater spiked with 100 ng/L1.river water;2.dye wastewater;3.aquaculture wastewater

3 結 論

本文基于單顆粒電感耦合等離子體質譜法同時測定了不同環境基質水樣中納米銀顆粒的粒徑分布以及數量濃度，發現標準物質測定結果與標準值的相對誤差小于2%，表明SP-ICP-MS方法具有很高的準確性。溶液中pH值、離子強度、DOM濃度分別在5.0～7.0、0～1 mmol/L和0～30 mg/L范圍內對測定結果影響較小。當pH值小于5.0時，AgNPs的數量濃度和粒徑隨著pH值的減小而減小。當離子強度大于1 mmol/L時，AgNPs的數量濃度和粒徑隨著離子強度的增大而減小。本研究可為環境水樣中納米顆粒物的表征分析以及納米顆粒物的環境安全性評估提供數據參考。