健康齿和龋齿的锶含量和87Sr／86Sr比值特征及其指示意义

李子夏，贺茂勇，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）

微量元素虽然在人体内的含量不多，但与人的生存和健康息息相关，对人的生命起着至关重要的作用。微量元素摄入过量、不足、不平衡都会不同程度地引起人体生理的异常甚至引发疾病。牙齿作为人体一个重要器官，对微量元素具有富集作用，是揭示疾病和中毒现象的指示器官。因此，牙齿中微量元素对人类健康的作用已引起医学界和生物学界的重视。近年来，国内外学者针对龋病和微量元素的关系做过大量研究，认为微量元素可能影响龋病的发生、发展和预后过程［1－2］。

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，在我国目前已达到60%～70%，部分地区高达90%［3］。因此，研究预防和治疗龋病的措施显得十分重要。许多流行病学调查、动物实验和模型试验均证明，微量元素锶（Sr）对牙齿健康有着极为重要的影响，并且发现Sr与龋齿呈显著负关联［4－7］。同时，由于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，牙齿87Sr／86Sr比值已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［8－14］，广泛运用于科技考古、法医鉴定、古生态学等领域［8－14］。

翁希里等［15］研究表明，陕南地区是陕西省龋病低发区域，对该地区牙齿微量元素的研究有助于龋病病因解析和龋病的预防。本研究以陕南地区现代人牙齿为例，对该地区居民的健康齿和龋齿牙釉质进行Sr元素含量和87Sr／86Sr同位素比值测定，同时测定该地区代表性水源、岩石和土壤的87Sr／86Sr同位素比值。探讨影响健康齿和龋齿牙釉质Sr元素和Sr同位素变化的因素，从而获得测量指标的临床意义，为口腔疾病预防和龋齿治疗提供参考数据，同时也为Sr同位素示踪技术运用于研究古代人群的迁移、食谱结构等方面奠定基础。

1 试验部分

1.1 主要仪器与装置

Agilent 7700X电感耦合等离子体质谱仪:美国Agilent公司产品；Ethos Touch Control微波消解系统:美国 Milestone公司产品；Milli－Q超纯水系统:美国Millipore公司产品。

IsoProbe－T固体热电离质谱计:英国GV公司产品，该质谱计配置了9个法拉弟接收器、1个戴利接收器，4个离子计数器，以及一个专门做负离子的ETP，共15个通道，可以测量常规和微量样品固体同位素组成。

1.2 主要材料与试剂

骨头标准 （NIST SRM 1400）:由美国国家标准与技术研究所提供；岩石标准（BCR－2）:来自美国地质调查局；Sr同位素标准物质（NBS987）:来自美国NIST。实验所用 H2O经Milli－Q系统纯化，电阻为18.2MΩ·cm；硝酸（HNO3）:优级 纯；30% 双 氧 水 （H2O2）；HCl，HNO3:均用DST－1000亚沸蒸馏装置双瓶亚沸蒸馏器纯化。

所有实验均在超净化学实验室完成。

1.3 电感耦合等离子体质谱仪工作条件

雾化器:Agilent babinghton型高盐雾化器；雾化室:石英双通道，Piltier半导体控温在（2±0.1）℃；RF功率:1500W；冷却气流速:15 L／min；载气流速:1.26L／min；采样深度:8.2 mm；样品提升速度:0.4mL／min；采样锥孔直径:1.0mm；截取锥孔直径:0.4mm；采样锥、截取锥材料:Ni锥。

1.4 牙齿样品采集及预处理

采集久居中国陕西省南部地区当地居民离体牙。健康牙齿采集要求离体牙标本提供者不抽烟、不酗酒，因智齿阻生畸形、正畸治疗或其他原因而拔除的健康恒牙，从中挑选牙冠完整，无龋坏，斑釉及釉质发育不全，牙合面无明显磨损、缺损的离体牙；龋齿挑选有明显龋洞的牙齿。离体牙根据标本提供者年龄段分为5组，每组选取男、女性各10颗。同时按照地质采样要求，采集该地区主要的饮用水、代表性岩石和土壤样品［16－17］。

将收集的牙体标本先用 Milli－Q水冲净表面血迹，放入盛有丙酮溶液的磨口玻璃瓶浸泡24h，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，依次编号。采用加热敲击法将牙齿的牙釉质与牙本质分开［18］。收集分开的牙釉质，用玛瑙钵研磨至200目。岩石样品和土壤样品同样用玛瑙钵研磨至200目。

1.5 样品消解

1.5.1 牙齿样品消解 准确称取0.05g研磨后牙釉质样品于微波消解罐中，加入5mL 50%HNO3和2mL 30%H2O2溶液，轻轻晃动消解罐，然后滴入约2mL Milli－Q水，在1000W功率下进行微波消解。微波消解升温程序为:5 min内由室温升温至120℃，保持3min，然后在8min内继续升温至220℃，保持15min至消解结束。试样消化完全后，自然冷却；用 Milli－Q水转移至25mL容量瓶中，定容；同步做试剂空白实验；实验中用骨头标准样品进行质量控制。

1.5.2 土壤和岩石消解 准确称量0.25g土壤和岩石样品于微波消解罐中，加入3mL HNO3，1mL HF和1mL H2O2，按照文献［19］方法进行消解，实验中用岩石标准BCR－2进行质量控制。

1.6 离子交换法分离富集Sr元素

采用贺茂勇等［20］建立的Sr特效树脂方法分离富集牙齿样品中的Sr元素，对Sr－Spec树脂分离富集Sr的回收率进行研究。结果表明，Sr的回收率在98.9%～101.3%之间，完全达到定量回收Sr的标准。Sr－Spec特效选择性树脂与普通阳离子交换树脂相比，特效树脂的使用量和酸淋洗量均明显减少，分离效率大大提高，可实现Sr与基质中Ca和Rb的较彻底分离［21－25］。

具体试验方法是:取消解完全的牙齿溶液（约含200ng Sr）于石英烧杯中，置于180℃电热板上，蒸发浓缩至0.5mL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，共用酸3mL；Sr很快吸附在树脂柱上，再用8mol／L HNO3洗涤，每次2mL，重复4次，可完成铷（Rb）与其它大量盐分的分离；最后用0.05mol／L HNO3将Sr洗脱，收集淋洗液，每次2mL，重复4次，将收集的淋洗液蒸干，准备点样，上机测试。

1.7 Sr同位素质谱测定

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

以法拉弟接收器静态测量Sr同位素组成，以戴利接收器监测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，点样所用试剂带来的微量Rb可在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样品扫描6s，每次测量为100组扫描，这样获得的87Sr／86Sr比值测量精度优于0.002%。

2 结果与讨论

2.1 岩石和土壤样品微波消解质量控制

为了验证微波消解测定土壤和岩石方法的有效性，采用岩石标准BCR－2进行质量控制，结果列于表1。可以看出，所有测定元素均与标准推荐值接近，说明消解方法可靠、有效。

表1 微波消解ICP－MS测定岩石标准BCR－2（n＝4）Table 1 The results of BCR－2using microwave digestion and ICP－MS（n＝4）

2.2 健康齿和龋齿牙釉质Sr含量

采用ICP－MS对采集离体牙牙釉质的Sr含量进行测定，结果示于图1。

图1表明，虽然牙齿样品采集于不同性别、不同年龄段的标本提供者，但是，龋齿牙釉质中的Sr含量显著低于健康牙釉质。健康牙齿Sr含量在128.00～156.77μg／g之间，而龋齿Sr含量在79.70～85.80μg／g之间。实验结果说明，Sr是人体健康与否的一种指示元素，Sr含量与牙齿是否患龋有着显著相关性，这与文献［26－27］的研究结果一致。Curzon等［4－5］研究了高龋区和低龋区居民牙釉质中Sr含量，结果表明，高龋区牙釉质中Sr含量明显低于低龋区。

图1 牙齿样品中Sr含量（n＝10）Fig.1 The results of Sr concentration in samples of teeth

牙釉质中超过96%的部分为无机物，主要由钙磷酸羟基磷灰石组成。Sr的化学性质和原子半径与Ca相似，在牙齿形成过程中，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50～400μg／g。Sr抗龋的作用机制可能是:1）改变羟基磷灰石结晶的大小，结晶变大可使表面减小而不易溶解；2）在羟基磷灰石晶体表面形成一稳态表面包层，从而降低釉质的溶解度或酸溶速度。根据溶液介质的不同，可能存在下列含锶磷灰石铬合物:（Ca）6（Sr）4（PO3）6（OH）2，（Ca）6（Sr）4（PO3）6（F）2；3）抑制细菌生长，减少产酸，或致龋细菌与表面釉结合，抑制由糖引起的pH下降等。

2.3 健康齿和龋齿牙釉质87Sr／86Sr测定结果

根据上述步骤，对在陕西省南部地区采集的离体牙样品的牙釉质、水体和岩石样品进行化学分离及Sr同位素测定。该地区代表性水源、代表性岩石、土壤的87Sr／86Sr值分布示于图2，其87Sr／86Sr值分别在0.710497～0.710991，0.707715～0.0.711484，0.706742～0.711883之间。该地区健康齿样品的牙釉质中87Sr／86Sr在0.710948～0.711037之间，龋齿样品的牙釉质中87Sr／86Sr在0.710935～0.711034之间，示于图3。

图2 当地代表性水源、岩石和土壤的87Sr／86Sr比值Fig.2 The results of 87Sr／86Sr in water，rocks and soils

图3显示，健康齿和龋齿牙釉质87Sr／86Sr比值在0.710935～0.711037之间变化，且变化区间在自然水体、岩石和土壤的87Sr／86Sr范围内，该比值基本趋于稳定，并且在年龄和性别因素中没有显著差异。

研究表明，生活环境中微量元素的丰缺将造成人体微量元素摄入的多少及平衡与否，这是因为人体中的微量元素主要来自饮水、食物及生活环境，环境元素分布的不平衡是人类患地方病的根本原因。

图3 牙齿样品中87Sr／86Sr（n＝10）Fig.3 The results of 87Sr／86Sr in teeth samples

李子夏等［20］认为Sr的原子质量比较大，同位素间的相对质量差很小，当Sr同位素从风化的岩石进入食物链到保存在人体骨骼系统时，87Sr和86Sr的分馏非常小，可以忽略不计，即87Sr／86Sr比值基本保持不变，因此生活在不同地区的人们，其体内的Sr同位素比值可以反映该生活地区的Sr同位素特征。本研究中，健康齿和龋齿牙釉质87Sr／86Sr比值和当地代表性水源、岩石和土壤87Sr／86Sr比值相一致的结果也印证了上述观点。

3 结论

利用ICP－MS、Sr－Spec树脂以及正热电离质谱仪实现了对陕南地区健康齿和龋齿牙釉质中Sr同位素的精确测定，试验结果表明:

1）陕南地区不同年龄及性别的龋齿牙釉质中Sr含量均显著低于健康牙釉质，证实了Sr含量与龋病有显著负关联。

2）生活在同一地质背景的陕南居民，其牙釉质中Sr同位素比值接近，与是否患龋无明显相关性，显示出Sr同位素的地质特异性和稳定性。

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