同位素稀释-电感耦合“冷”等离子体质谱法准确测定人血清中钾、钙、镁的含量

陈　雪，王　军，冯流星，杨晓进

(1.北京化工大学化学工程学院，北京　100029；2.中国计量科学研究院，北京　100013)



同位素稀释-电感耦合“冷”等离子体质谱法准确测定人血清中钾、钙、镁的含量

陈雪1，王军2，冯流星2，杨晓进1

(1.北京化工大学化学工程学院，北京100029；2.中国计量科学研究院，北京100013)

摘要：血清电解质是骨骼和细胞健康的重要标志物，常通过分析血清中K、Ca、Mg和Na含量来监测其浓度水平的变化。本研究采用同位素稀释-电感耦合等离子体质谱法(ID-ICP-MS)，结合“冷”等离子体和碰撞反应池两种模式，加入41K、42Ca和25Mg 3种浓缩同位素稀释剂，同时测定了K、Ca和Mg含量。该方法省去了样品前处理过程中繁琐的基体分离步骤，消除了质谱测量过程中Ar基分子离子的干扰，实现了人血清中K、Ca和Mg含量的准确测定。通过测定NIST SRM956c冷冻人血清无机成分，分析标准物质中K、Ca和Mg含量，来验证该方法的可行性和准确度，测得的结果与标准值一致。本方法可用于临床研究中元素含量分析，也可用于生物基体标准物质的定值。

关键词：K；Ca；Mg；血清；同位素稀释；“冷”等离子体；电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)

doi：10.7538/zpxb.youxian.2015.0049

网络出版时间：2015-11-16；网络出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20151116.1348.004.html

Na、K、Cl、Ca、P、Mg 6种无机盐占人体无机盐总量的60%~80%，约占人体总质量的5%[1]。体液中以离子状态存在的无机盐称为电解质[2]，它在人体内具有至关重要的作用，主要表现在维持渗透平衡、酸碱平衡及神经和肌肉的正常功能等[3]。电解质浓度水平过高或过低均可能引起人体生理功能障碍，进而导致各种疾病。因此，准确测定人血清中电解质含量对临床医学具有重要的参考意义。

测定血清电解质方法的相关报道很多，主要包括火焰原子发射光谱法(FAES)测定K，火焰原子吸收光谱法(FAAS)测定Ca和Mg，离子色谱法(IC)测定K、Ca、Mg和Na[4]，以及电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定K和Ca等[5]。但这些方法在实际样品分析中都存在一定的不足，例如：采用FAES法时，样品基体组分对谱线强度的影响较为显著，尤其当待测元素含量较高时，测量准确度较差；FAAS法的线性范围较窄，不易消除基体干扰，并且测定不同的元素需更换不同的光源，无法实现多元素的同时测定[6]；采用IC法测定前，样品通常需干灰化处理，操作过程繁琐耗时[6]。近年来，电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)因其灵敏度高、检测限低、可实现多元素同时检测等优点，受到研究者的广泛关注。应用ICP-MS法测量同位素丰度比值的研究屡见不鲜，许多国家计量院均采用同位素稀释-电感耦合等离子体质谱法(ID-ICP-MS)对标准物质进行定值，如NIST冷冻人血清电解质标准参考物质SRM956c中Li、K、Ca和Mg的定值，欧盟冷冻人血清参考物质ERM-DA 250和ERM-DA 251中Mg的定值[5]。早在1995年的国际计量委员会—物质量咨询委员会(CIPM-CCQM)会议上，就确认了包括同位素稀释质谱法(IDMS)在内的5种方法具有最高计量学特性，测量结果可直接溯源到国际单位mol、kg。IDMS相对于传统的定量方法有两大优势：第一，IDMS是把样品中某一元素的化学测量转化为同位素质谱的丰度比测量，混合样品采用精密天平称量，该方法既具有同位素质谱的高精度，同时也兼顾天平称量质量的准确度[7]；第二，由于测量的是同位素信号比值而非浓度，一旦稀释剂和待测元素混合均匀，很少受到元素分离、浓缩、转移等过程的干扰。

虽然ICP-MS技术在元素分析中具有独特优势，但由于电感耦合等离子体产生的高温几乎使所处环境下的所有原子和分子发生电离，由同量异位素、基体以及在高温、高压条件下发生化学反应而生成的分子离子引起的干扰问题始终困扰着ICP-MS分析工作者。根据文献报道，ID-ICP-MS测定K和Ca的主要挑战源于分子离子38Ar1H+、40Ar+和40Ar1H+对39K+、40Ca+和41K+的干扰；其次，K、Ca和Mg为环境中的常量元素，流程空白的准确测量同样需要引起重视。虽然高分辨质谱仪器内在的高分辨能力可以解决一些质谱干扰问题[8]，但文献[9]中明确提出了对于42Ca+和44Ca+的干扰仍主要源自分子离子。Yu等[3]报道了当最小分辨率为2 687、2 735和5 688时，可消除28Si16O+对44Ca+、48Ca++对24Mg+和38Ar1H+、40Ar1H+对39K+、41K+的质谱干扰，但84Sr++和88Sr++对42Ca+和44Ca+的干扰即使在最高分辨率(约10 000)时仍无法消除。Becker等[10]发现，在测量100 μg/L 的SRM985分析用K同位素标准溶液时，41K/39K值比标准值高2.3%，经分析归因于测量过程中41K+与40Ar1H+分离不彻底。因为高分辨质谱仪不能解决质谱干扰问题，随着四极杆质谱仪的不断改进与发展，研究者试图通过改变等离子体源的电离条件，比如“冷”等离子体技术，来消除多原子质谱干扰问题。此外，碰撞反应池技术的提出，也提高了消除多元素干扰和复杂基质样品的质谱干扰功能。Murphy等[11]建立了在“冷”等离子体条件下，准确测定K和Ca含量的同位素稀释质谱法，并且采用所建立的方法对牡蛎组织标准物质SRM1566b中的K和Ca含量进行定值以及参与国际比对CCQM-P14关于血清中Ca含量的测定。测量结果显示，在“冷”等离子体模式下，不但目标监测同位素离子的分子离子干扰能够减小到低于1 000，而且39K/41K和40Ca/42Ca比值的5次平行测量结果的RSD均小于2%。

鉴于应用四极杆等离子体质谱测定K、Ca和Mg的报道中涉及消除分子离子干扰的研究较少，本工作拟采用四极杆质谱仪，通过“冷”等离子体和碰撞反应池两种模式相结合的方法，同时加入41K、42Ca和25Mg 3种浓缩同位素稀释剂，同时测定K、Ca和Mg的含量，来消除血清基体和Ar基分子离子引起的干扰，希望实现人血清中K、Ca和Mg含量的准确测定。

1实验部分

1.1仪器、试剂与样品

安捷伦7700x型ICP-MS仪：美国Agilent公司产品；Multiwave 3000型微波消解仪：奥地利Anton Paar有限公司产品，配备hf-100型聚四氟乙烯消解罐；Toledo XP205型分析天平：瑞士Mettler公司产品；Mill-Q水系统：美国 Millipore公司产品。

41KCl、42CaO、25MgO：由中国原子能科学研究院提供；K(GBW(E)082164)、Ca(GBW(E)082165)、Mg(GBW(E)080126)单元素溶液标准物质：由中国计量科学研究院提供；冷冻人血清电解质标准参考物质NIST SRM956c：由美国标准与技术研究所研制；消解血清用的硝酸经亚沸蒸馏方法提纯。

1.2样品前处理

实验在100级超净实验台中完成。实验所用烧杯、滴管等均为石英材质，经亚沸蒸馏提纯的HNO3浸泡2次，每次12 h，再经Mill-Q水冲洗2次，烘干备用。

1.2.1稀释剂制备分别取适量41KCl、42CaO、25MgO溶解于亚沸蒸馏提纯的2% HNO3中，于室温下稳定30 min后，转移定容至适当浓度，备用。

采用IDMS标定浓缩41K、42Ca和25Mg同位素稀释剂溶液，用精密天平准确称取浓缩41K、42Ca和25Mg同位素稀释剂溶液，与天然K、Ca、和Mg标准溶液混合，用亚沸蒸馏提纯的2%HNO3稀释至适当浓度。

1.2.2血清样品将消解血清样品在室温下解冻并稳定2 h，摇匀备用。同样，按照IDMS测量要求的稀释比例，利用精密天平准确称取血清和浓缩41K、42Ca和25Mg同位素稀释剂溶液，使39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值在1~2范围内；然后混合于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL亚沸蒸馏提纯的HNO3进行消解，消解参数列于表1；消解结束后，血清样品用Mill-Q水稀释至适当浓度，待测。

表1　血清样品微波消解参数

1.2.3流程空白和质量偏移校正溶液取少量浓缩41K、42Ca和25Mg同位素稀释剂溶液于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL亚沸蒸馏提纯的HNO3，与血清样品共同置于消解仪中进行消解。消解结束后，用Mill-Q水稀释至适当浓度，即得流程空白溶液。

取适量的天然K、Ca和Mg标准混合溶液，用亚沸蒸馏提纯的2%HNO3稀释至适当浓度，作为质量偏移校正溶液，备用。

1.3样品分析

ICP-MS仪器工作参数列于表2，样品测量结果均经质量偏移和仪器漂移校正。首先测定质量偏移校正溶液，将测得的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值与其天然丰度下的比值进行比对，得到质量偏移校正因子；然后采用该比值校正测量得到的稀释剂标定溶液和待测样品的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值。异于分析伊始建立的质量偏移因子的任何变化都认为是仪器漂移。在假设仪器漂移与时间呈线性相关的前提下，每3个样品间穿插测量1次质量偏移校正溶液。

表2　ICP-MS仪器工作参数

2结果与讨论

2.1消除质谱干扰

注：■ 5.5 mL/min；● 6.0 mL/min；▲ 6.5 mL/min图1　不同H2流速下，39K/41K(a)、42Ca/44Ca(b)和24Mg/25Mg(c)比值随ICP功率变化图Fig.1　Changes of39K/41K (a),42Ca/44Ca (b) and24Mg/25Mg (c) isotope ratios at different H2flow and ICP power

由图1可以看出，随着ICP功率的增大，39K/41K和24Mg/25Mg的同位素比值测量结果大体上呈先增后减的趋势，而42Ca/44Ca的同位素比值测量结果则呈先减后增的趋势。图1中，当ICP功率为750 W，H2流速为6.0 mL/min或6.5 mL/min时，同位素比值的测量结果与天然标准溶液中的理论丰度比值基本一致，但当H2流速为6.5 mL/min时，各个监测离子的信号强度比流速为6.0 mL/min时有明显降低。因此，综合考虑各因素，测量人血清中K、Ca和Mg含量时，选定的最佳ICP功率为750 W，H2流速为6.0 mL/min。

本研究对比分析了在“冷”等离子体(射频功率750 W，H2碰撞气流速6.0 mL/min)和常等离子体(射频功率1 500 W，H2碰撞气流速7.0 mL/min)两种模式下，测定同一质量偏移校正溶液得到的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值(5次测量平均值)，其结果列于表3。由表3可以看出，在常等离子体模式下，即使设置了较高的H2碰撞气流速(7.0 mL/min)，得到的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值的测量结果仍然与天然丰度比值偏差较大。其中，39K/41K比值远小于天然丰度比值，显然是由于40Ar1H+对41K+产生了严重干扰，说明单纯利用碰撞反应池模式来消除Ar基分子离子产生的干扰效果并不显著。而在“冷”等离子体模式下，尽管H2碰撞气流速(6.0 mL/min)有所降低，但得到的39K/41K、42Ca/44Ca和24Mg/25Mg比值的测量结果与天然丰度比值更加接近。

表3　“冷”等离子体和常等离子体模式下，39K/41K、

在本实验中，质量偏移校正溶液为K、Ca和Mg混合溶液，稀释剂标定溶液为天然K、Ca、Mg和浓缩41K、42Ca、25Mg同位素稀释剂混合溶液。血清样品经微波消解后，无机组成与质量偏移和稀释剂标定溶液基本类似。因此在“冷”等离子体模式下，测量上述校正溶液对后续分析样品进行质量偏移和仪器漂移校正，既避免了目标分析物基体分离纯化的复杂操作，又实现了样品基体对结果干扰的消除。此外，Murphy等[11]和Patterson等[14]都明确提到在“冷”等离子体模式下未检测到Sr++。本工作在Ca测量过程中同样未出现此干扰，测量结果令人满意。

2.2标定稀释剂浓度

测量样品前，需要标定浓缩41K、42Ca和25Mg同位素稀释剂溶液浓度。主要有如下两方面原因：第一，存在蒸发或吸附作用，导致浓缩同位素稀释剂溶液浓度发生变化的可能性；第二，测量前对仪器工作参数的优化结果因时而异，仪器的质量偏移会有显著差异。若稀释剂标定溶液和分析样品在同一条件下进行测量，将最小化地引入质量偏移校正不确定度，同时也只需考虑平行样品间的仪器漂移。此外，稀释剂标定溶液是按照分析样品的同位素组成比例配制而成，减少了对检测器死时间校正的不确定度。

实验中，稀释剂标定溶液采用重量法配制，共有5个平行样品。用于血清中K、Ca和Mg分析的浓缩41K、42Ca和25Mg同位素稀释剂溶液浓度标定，结果列于表4。

表4　浓缩41K、42Ca和25Mg

2.3流程空白

流程空白共有3个平行样品，其中K、Ca和Mg的测量结果列于表5。从表5可以看出，流程空白中，K、Ca和Mg含量的3次测量结果存在一定偏差，可能是由于K、Ca和Mg为环境中常量元素，仪器中存在一定量的残留。

表5　流程空白测量结果(ng/kg)

2.4测量结果

“冷”等离子体测量冷冻人血清电解质标准参考物质NIST SRM956c中K、Ca和Mg的结果列于表6。测量NIST SRM956c Level 2五个平行样品中Ca、Mg和K的结果与标准值符合良好。Murphy等[11]认为，采用“冷”等离子体模式能够有效地将由Ar基引起的严重干扰目标分析物的分子离子信号强度降低到1 000，但基体干扰则需要通过离子交换树脂分离实现。前期研究[15]表明，碰撞反应池ID-ICP-MS测量血清中Ca时，采用消解-稀释和消解-分离Ca-稀释两种化学前处理方法的测量结果没有显著差异。鉴于本实验的测量结果与标准值具有良好的相符性，表明本工作在碰撞反应池模式的基础上，结合“冷”等离子体模式同时加入41K、42Ca和25Mg 3种浓缩同位素稀释剂，且同时测定人血清中K、Ca和Mg的方法体系，可实现在不进行树脂分离的前提下，消除分子离子38Ar1H+、40Ar+和40Ar1H+对39K+、40Ca+和41K+的干扰，准确测定人血清中K、Ca和Mg含量。

表6　人血清标准物质NIST SRM956c Level 2中K、

注：NIST SRM956c中K、Ca和Mg的标准值分别为(3.977±0.034) mmol/L、(2.538±0.016) mmol/L、(0.857±0.010) mmol/L

3结论

本工作采用同位素稀释-电感耦合“冷”等离子体质谱结合碰撞反应池模式，同时加入41K、42Ca和25Mg 3种浓缩同位素稀释剂，且同时测定了K、Ca和Mg含量。该方法既能够很好的避免样品基体对测定结果的影响，又能够有效地消除分子离子38Ar1H+、40Ar+和40Ar1H+对39K+、40Ca+和41K+的干扰，实现了准确测定人血清中K、Ca和Mg含量。本方法可用于临床研究中元素含量分析，也可应用于生物基体标准物质的定值，为保障临床检测结果的准确性和可比性提供研究基础。

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Accurate Determination of K, Ca and Mg in Human Serum

by Isotope Dilution Inductively Coupled “Cold” Plasma Mass Spectrometry

CHEN Xue1, WANG Jun2, FENG Liu-xing2, YANG Xiao-jin1

(1.CollegeofChemicalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China;

2.NationalInstituteofMetrology,Beijing100013,China)

Abstract:Electrolytes in serum are important biomarkers for skeletal and cellular health. The levels of electrolytes are monitored by measuring the K, Ca, Mg and Na in blood serum. An accurate method for the determination of K, Ca and Mg in serum by taking advantage of the “cold” plasma mode and collision reaction cell of the isotope dilution-inductively coupled plasma mass spectrometry (ID-ICP-MS) was developed. The three kinds isotope of41K,42Ca and25Mg were added at the same time, while the contents of K, Ca and Mg were also measured. The proposed method can eliminate the need for a slow and tedious sample digestion procedure, and also can avoid the molecular ions interference. The national institute of standards and technology standard reference material 956c inorganic components in frozen human serum was analyzed by the method, and the measured elements values were in good accord with the standard values.

Key words：K; Ca; Mg; serum; isotope dilution; “cold” plasma; isotope dilution-inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS)

通信作者：王军(1965—)，女(汉族)，辽宁人，研究员，从事化学计量和同位素质谱分析研究。E-mail: wangjun@nim.ac.cn

作者简介：陈雪(1990—)，女(汉族)，北京人，硕士研究生，环境工程专业。E-mail: yitiantang0129@126.com

基金项目：科技部基础性专项(2011FY130100)资助

收稿日期：2015-03-25;修回日期：2015-06-02

中图分类号：O657.63

文献标志码：A

文章编号：1004-2997(2016)01-0031-06