热电离质谱法测定龋齿牙釉质87Sr/86Sr同位素比值

李子夏, 贺茂勇, 逯 海, 金章东, 彭 彬

1)西安医学院口腔医学系, 陕西西安 710021;

2)中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室, 陕西西安 710075;

3)武汉大学口腔医学院牙体牙髓科, 湖北武汉 430079;

4)中国计量科学研究院, 北京 100013

热电离质谱法测定龋齿牙釉质87Sr/86Sr同位素比值

李子夏1,2,3), 贺茂勇2), 逯 海4), 金章东2), 彭 彬3)

1)西安医学院口腔医学系, 陕西西安 710021;

2)中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室, 陕西西安 710075;

3)武汉大学口腔医学院牙体牙髓科, 湖北武汉 430079;

4)中国计量科学研究院, 北京 100013

锶同位素已经成为国际考古学界用于探索人和动物迁移活动和食谱组成的主要方法。本文利用锶特效树脂(Sr-Spec), 建立了快速分离富集于人龋齿中的微量元素锶, 并测定87Sr/86Sr的有效方法。采用硝酸-高氯酸体系消解龋齿样品, 利用锶特效树脂(Sr-Spec)快速分离富集龋齿中微量元素锶(Sr), 最后采用IsoProbe-T固体热电离质谱计测定龋齿87Sr/86Sr同位素比值。实验结果表明, 不同年龄和性别龋齿牙釉质的87Sr/86Sr同位素比值在0.710935～0.711034之间较小区间范围, 基本趋于稳定, 说明生活在相同地质背景的人或动物, 其机体内 Sr同位素比值接近。男性龋齿牙釉质87Sr/86Sr比值随着年龄的增长有微小的波动, 从0.710935升高到0.711031, 这些微小变化可能与样本人群的环境和生活习惯相关。

龋齿; 牙釉质; 锶同位素; 锶特效树脂

Sr同位素和Rb-Sr年代学是同位素地球化学和地质年代学研究的经典方法(张虎才等, 2005; 陈曦等, 2005; Tong et al., 2006; Maxwell et al., 2009; 胡作维等, 2010)。近年来, 随着Sr同位素分析技术的提高和研究的不断深入, 该技术已经成为国际考古学界用于探索人和动物迁移活动和食谱组成的主要方法。

随着人们生活水平的提高, 食品加工日趋精细,相伴而产生的龋齿发病率日见增长, 在我国目前其发病率已达到60%～70%, 部分地区高达90%。因此,研究预防和治疗龋病的措施已显得十分重要。以往对龋齿中微量元素的研究已有很多(Brown et al., 2004; 李子夏等, 2010), 但对龋齿同位素分析还鲜有报道。

锶的化学性质和原子半径与钙相似, 人的牙齿主要由大量不可溶的羟磷灰石组成, 在牙齿形成过程中, 锶可以取代羟磷灰石中的钙, 且浓度可达100×10-6。利用牙釉质中锶同位素探索人和动物迁移活动和食谱组成主要因为牙釉质在个体的幼年时期就形成了, 形成后其结构不再发生变化, 其中的锶同位素也不会发生改变。锶在自然界中有 4种天然稳定的同位素88Sr(82.58%)、87Sr(7.00%)、86Sr(9.86%)和84Sr(0.56%), 其中87Sr是由87Rb的放射性衰变形成, 因此87Sr与矿物的含铷数量、地质历史时间有关。岩石的风化导致锶进入地表水和地下水系, 也进入地表的各类沉积物及土壤中, 植物从土壤和水中吸收锶, 将锶结合进机体, 吃这些植物的食草动物会把锶同位素摄入并保存在牙齿中, 以这些食草动物为食物来源的食肉动物, 同样会把锶同位素保存在体内系统中, 由于锶原子量比较大, 同位素间的相对质量差很小, 当锶同位素从风化的岩石进入食物链到保存在人体骨骼系统中时,87Sr和86Sr的分馏非常小, 可以忽略不计, 即87Sr/86Sr的比值基本保持不变, 因此生活在不同地区的人们, 其体内的锶同位素比值可以反映其生活地区的锶同位素特征。对于出土的人或动物标本来说, 尤其是牙齿能够很好地保持其生存地的同位素比值特征, 且很少受到污染, 因而牙齿中Sr同位素比值已经成为国际考古学界用于探索人和动物迁移活动的首选指标(尹若春, 2008; 尹若春等, 2008; 赵春燕等, 2011a, b)。

Sr同位素测定前, 必须将其从样品中分离富集,去除基体元素和同质异位素对质谱测定的干扰。常用的方法是普通的阳离子交换树脂分离地质样品中的Sr, 但这个流程不仅需要大体积的酸淋洗交换柱,工作效率不高, 而且对高Ca低Sr样品, 该方法很难将 Ca和 Sr完全分离, 在质谱测定过程中将严重影响Sr的表面电离发射, 影响Sr的测量精度(尹若春, 2008; 尹若春等, 2008; 赵春燕等, 2011b)。近年来发展起来的选择性特效树脂(Sr-Spec)可以替代普通的阳离子交换树脂进行低消耗、高效率的化学分离富集(韦刚健等, 2004; Charlier et al., 2006; Tatár et al., 2010; 唐索寒等, 2010; Maxwell et al., 2010; Yang et al., 2012)。Sr-Spec特效选择性树脂与常规方法相比,特效树脂的使用量、酸淋洗量均明显减少, 分离效率大大提高。但不足在于特效树脂的选择性强, 对上柱及淋洗的酸介质要求比较严格, 而对于具体样品经酸分解后的基体差异较大, 往往会造成分离的回收率偏低, 进而影响仪器测定的成功率。贺茂勇等(2012)利用Sr-Spec树脂建立了快速分离富集于人牙齿中的Sr的试验流程, 该方法所用淋洗试剂量少,分离流程短, 工作效率得以提高; 并可实现 Sr与基质中的Ca和Rb较彻底的分离。

本文主要对采集患有龋病的牙齿进行87Sr/86Sr同位素测定, 探讨影响龋齿牙釉质87Sr/86Sr变化的因素, 从而获得测量指标的临床意义, 为医院口腔科预防和治疗龋齿提供参考数据, 同时也为Sr同位素示踪技术运用于研究古代人群迁移、食谱结构等方面奠定基础。

1 牙齿样品的采集及前处理

1.1 牙齿样品的采集

委托陕西南部医院口腔门诊(三级乙等以上)收集龋坏牙齿6颗(有明显龋洞)。收集时要求收集一直在该地区生活人群的龋齿。牙齿标本分别为男性3颗(青年, 壮年和老年), 女性3颗(青年, 壮年和老年)。

1.2 牙齿样品前处理

牙齿样品收集以后, 要及时进行前处理, 相对古人类骨骼和牙齿样品, 现代人的牙齿处理相对简单一些(Ambrose et al., 1990; Bentley et al., 2004; 黄曜等, 2005; 周燕等, 2005; 胡耀武等, 2007, 2008;赵春燕, 2009)。

收集的牙体标本, 先用二次水冲净表面血迹,放入盛有丙酮溶液的磨口玻璃瓶浸泡 24 h, 再用手术刀将附着牙表面的软组织等有机物仔细刮净, 并用 Milli-Q 水和乙醇冲洗干净, 烘干, 编上样品编号。

采用加热敲击法将牙齿的牙釉质和牙本质分开(李子夏等, 2010)。收集分开的牙釉质, 用玛瑙钵研磨 至 0.075 mm, 碾 磨 的 牙 釉 质 粉 末 采 用HNO3-HC1O4体系消解, 具体实验方法是, 取碾磨的牙齿粉末0.1000 g放入100 mL的三角瓶中, 加1 mL浓硝酸和0.1 mL浓高氯酸。加盖后, 在电热板上低温加热, 至样品全部溶解, 三角瓶中充满棕红色烟雾, 去盖; 将样品在 150℃下加热 3 h, 再调整温度到 190℃至高氯酸白烟冒尽, 再加入硝酸(1+5) 1 mL溶解, 在 80℃下加热至溶液透亮; 然后取下,加Milli-Q水2 mL, 冷却后, 转移到25 mL的离心管中, 用Milli-Q水定容至刻度, 备用。

1.3 离子交换柱准备

分离富集牙齿样品中 Sr采用石英离子交换柱(长100 mm, 内径5 mm), 所用树脂为Sr特效树脂(Sr-Spec树脂, 粒度0.037～0.074 μm, 美国Eichrom Technologies 公司)。每根树脂柱装入0.3 g Sr特效树脂, 装好的树脂先用大于其体积 20倍的8 mol/L HNO3清洗, 再用Milli-Q水洗到中性。

1.4 离子交换法分离富集Sr元素

化学实验处理在中国计量科学研究院化学所实验室完成, 净化实验室装备洁净度百级操作台, 室内洁净度千级。

先取消解完全的牙齿溶液(含Sr约200 ng)于石英烧杯, 将烧杯置于180℃的电热板上, 蒸发浓缩至0.5 mL左右(因牙齿样品富含 Ca, 溶液蒸干后会生成难溶的盐类), 加入8 mol/L HNO3完全溶解, 上Sr特效离子交换柱, 遵循少量多次的原则, 总共用酸3 mL。Sr很快吸附在树脂柱上。再用8 mol/L HNO3洗涤, 每次2 mL, 重复4次, 可完成Rb与其它大量盐分的分离。最后以0.05 mol/L HNO3将Sr洗脱, 淋洗液收集, 每次2 mL, 重复4次。然后将收集的淋洗液蒸干, 准备点样上机测试。

2 分析方法

2.1 主要仪器和标准

IsoProbe-T固体热电离质谱计, 该质谱计配置了 9个法拉第接收器(Faraday)、1个戴利接收器(Daly), 4个离子计数器(ion counter), 以及一个专门做负离子的 FTP, 共 15个通道, 可以测量常规的和微量样品固体同位素组成。Sr同位素标准物质: NBS987, 美国 NIST(National Institute of Standard and Technology)。

2.2 Sr同位素质谱测定

Sr同位素测定采用该实验室的IsoProbe-T质谱计测定。将蒸干的样品加入少量超纯水, 逐滴涂到钽带上, 再加1 μg 10% H3PO4(超纯), 蒸干后增大电流赶走过量H3PO4, 并加热至暗红2～3 s, 装入质谱计。测样时仪器的真空度优于10-5Pa。

测定时候以Faraday接收器静态测量Sr同位素组成, 以Daly接收器监测Rb对Sr的同质异素干扰。由于Rb相对Sr电离温度低, 且Sr-Spec树脂可以近乎完全分离 Rb和 Sr, 仅点样所用试剂带来的微量Rb可以在Sr正常发射温度下消耗殆尽, 在85Rb/86Sr小于3×10−5时测量Rb对Sr的干扰可以忽略。测量时采用指数率对 Sr同位素比值进行质量分馏校正(校正参数86Sr/88Sr＝0.1194)。数据采集的积分时间为每个扫描6 s, 每次测量为100组扫描, 这样获得87Sr/86Sr比值测量精度优于0.002%。

3 分析结果

3.1 标准样品测定结果

由于每台质谱仪器都具有自身的特点, 并很难得到完全一致的测试值, 因此通常各实验室均要通过测定标准物质, 以便确定每台质谱仪器的测试精度和仪器偏差。这个标样的测试可以用来检测整个化学分离流程的有效性。

该仪器具有非常高的灵敏度, 以0.5 ng Sr标准物质 NBS 987测试,88Sr信号强度可大于 1 V,87Sr/86Sr测量精确度优于0.002%, 以Sr标准NBS987监测仪器状态, 获得平均87Sr/86Sr比值为0.710341±0.000004 (n=15)。符合微量样品同位素比值测定的要求。

3.2 牙齿样品测定结果

根据上述实验步骤, 对收集龋齿样品的牙釉质部分进行了化学分离及Sr同位素测定, 测定结果如图1所示。数据表明, 该地区龋齿样品的牙釉质中87Sr/86Sr值在0.710935～0.711034之间。

图1 龋齿牙釉质87Sr/86Sr值Fig.1 Analytical results of87Sr/86Sr of carious teeth of enamel

4 讨论

4.1 Sr与基质元素分离效果

样品中Ca和Rb等基体元素, 在用质谱仪测定Sr同位素时会严重干扰Sr的信号。Ca和Sr在元素周期表中同属一个主族且位置相邻, 且化学性质较Sr活泼, 质谱测定时, Ca比Sr更易于蒸发和电离。在高Ca低Sr样品中, 普通的阳离子树脂很难将Ca和Sr完全分离, 而牙齿样品的主要成分是羟基磷酸钙, 含Ca很高。Rb的干扰主要是因为Rb有2个同位素:87Rb和85Rb, 其中87Rb会严重干扰87Sr/86Sr的质谱测定。

Sr-Spec树脂的问世使得Sr很容易从含大量Rb和Ca的基体中分开, 减少甚至避免Rb和Ca的干扰。贺茂勇等(2012)对Sr特效树脂淋洗曲线进行讨论, 实验表明 Ca2+, Sr2+分离系数在浓度 1、3、 6 mol/L HNO3中分别为208、220、194, 经过3次萃取, Sr2+的回收率为99.7%。本实验中采用8 mL的HNO3是分四次萃取, 理论上回收率比99.7%高,能达到Sr元素与基体杂质Ca和Rb完全分离目的。

4.2 影响龋齿牙釉质87Sr/86Sr因素

牙釉质中超过 96%的部分都是无机物, 主要由羟基磷灰石组成。Sr可以取代羟基磷灰石晶格中的Ca离子, 成年个体牙釉质中的Sr浓度通常可达50 ～400 μg/g。Sr元素在牙釉质形成后基本不再发生变化, 即使个体死亡后, 也只会在牙釉质的表面发生部分的成岩作用, 牙釉质内部的物质组成仍然不会发生明显变化(尹若春, 2008)。

图1数据显示, 虽然样品采集于不同性别(其中1至3号为男性, 4至6号为女性), 不同年龄段(包括青年、壮年和老年三个年龄段的样品), 但是这些龋齿样品的牙釉质中87Sr/86Sr在0.710935～0.711034之间较小区间波动, 基本趋于稳定。可以说龋齿牙釉质的87Sr/86Sr同位素在年龄和性别因素中没有显著差异。该实验结果有力证明了用Sr同位素追溯古人类栖息地的依据, 即生活在相同地质背景的人或动物, 其机体内Sr同位素比值接近。

图 1的数据显示该地区男性龋齿牙釉质87Sr/86Sr比值随着年龄的增长有微小的波动趋势, 从 0.710935升高到0.711031。这些微小变化可能与样本人群的环境和生活习惯相关。87Sr/86Sr比值偏低的具体原因, 还需要大量样本以及环境样品的系统分析才能决定。

5 结论

利用Sr-Spec树脂以及固体热电离质谱仪, 实现了对龋齿牙釉质87Sr/86Sr同位素比值的精确测定。实验结果表明:

1)不同年龄和性别龋齿牙釉质的87Sr/86Sr同位素比值在0.710935～0.711034之间较小区间波动, 基本趋于稳定。说明生活在相同地质背景的人或动物,其机体内Sr同位素比值接近。

2)男性龋齿牙釉质87Sr/86Sr比值随着年龄的增长有微小的波动, 从 0.710935升高到 0.711031, 这些微小变化可能与样本人群的环境和生活习惯相关。

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中国地质科学院承办2012中国国际矿业大会“地质找矿与科技创新”专题论坛

由国土资源部科技与国际合作司、中国地质调查局主办, 中国地质科学院科技处承办的2012中国国际矿业大会“地质找矿与科技创新”专题论坛于11月4日下午在天津梅江会展中心举行。中国地质科学院党委书记、副院长王小烈研究员, 裴荣富院士及300多位国内外专家、学者和嘉宾参加了本次论坛。论坛由中国地质科学院副院长董树文研究员主持。

国务院参事、国土资源部原总工程师张洪涛研究员, 吉林大学仪器科学与电气工程学院院长林君教授,中国国土资源航空物探遥感中心副主任、总工程师熊盛青教授级高级工程师, 中国地质科学院地球物理与地球化学勘查研究所王学求研究员, 中国地质科学院矿产综合利用研究所所长刘亚川研究员 5人先后在论坛做了题为“青藏高原成矿规律研究与矿床勘查进展”、“地球深部探测技术与装备进展”、“中国航空物探技术最新进展”、“低密度地球化学填图新进展及应用”、“我国矿产资源综合利用技术现状与发展”的精彩报告。

本论坛是在我国地质科技工作正处于全面发展的机遇期, 全国科技创新大会召开, 找矿突破战略行动全面实施, 地质科技协同创新进行的大背景下开展的。论坛报告展示了中国在地质找矿、深部探测技术与装备、地球物理勘查、地球化学勘查、矿产资源综合利用等领域的重要进展与成果; 也展现了与世界各国深化合作、共谋发展的广阔前景, 从科学的角度对“携手应对, 共促发展”提出了很好的意见和建议, 是一个地质找矿科学技术交流的盛会, 具有十分重要的意义。

本刊编辑部 采编

Isotopic Measurement of Sr in Carious Teeth of Enamel by Thermal Ionization Mass Spectrometry

LI Zi-xia1,2,3), HE Mao-yong2), LU Hai4), JIN Zhang-dong2), PENG Bin3)
1) Department of Stomatology, Xi’an Medical University, Xi’an, Shaanxi 710021;
2) State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment,
Chinese Academy of Sciences, Xi’an, Shaanxi 710075;
3) Department of Conservative Dentistry and Endodontics, School of Stomatology, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430079;
4) National Institute of Metrology, Beijing 100013

Strontium isotope of ancient human teeth provides an important scientific basis for the study of ancient population migration and palaeodietary.A fast and effective method for separation, preconcentration and isotopic determination of low-content strontium of Ca-rich tooth samples by Sr-Spec selective specific resin was established.The carious teeth of enamel were completely dissolved with HNO3-HC1O4mixed acid.The Sr in carious teeth of enamel was separated by Sr-Spec selective specific resin, and the Sr isotope was analyzed by thermal ionization mass spectrometry.The results show that the87Sr/86Sr ratios vary in the small range of 0.710935–0.711034, and that the isotope of Sr was similar when people lived in the same geological background.The87Sr/86Sr ratios of male teeth have slight fluctuations, from 0.710935 to 0.711031, which may be attributed to living environments and eating habits.

carious teeth; enamel; strontium isotope; Sr selective specific resin

R781.1; P597.2

A

10.3975/cagsb.2012.06.07

本文由黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金项目(编号: SKLLQG1114)和西安医学院科研基金项目(编号: 10FC17)联合资助。

2012-09-04; 改回日期: 2012-09-29。责任编辑: 张改侠。

李子夏, 女, 1982年生。讲师, 医学硕士。主要从事牙体牙髓病学研究。通讯地址: 710021, 西安市未央区辛王路1号。E-mail: zxlixiyi@gmail.com。