多接收等离子质谱高精度测定现代人齿中Mg同位素

李子夏 贺茂勇 逯海 任同祥

摘要：Mg是构成牙齿重要组分，其含量和同位素组成可记录居民生活地域、饮食习惯以及口腔健康信息等重要信息。本研究建立了高精度多接收等离子质谱 （MCICPMS） 测定牙齿中Mg同位素方法。牙齿样品经微波消解仪消解，后采用AG50WX8阳离子树脂分离溶液中的Mg元素，以1 mol/L HNO3为介质上柱，40 mL 1 mol/L HNO3洗脱Na+等杂质离子，再以30 mL 1 mol/L HNO3收集Mg元素，60 mL 1 mol/L HNO3洗去其它杂质，蒸干Mg收集液。MCICPMS进行Mg同位素组成测定。MCICP MS仪器自身的质量分馏利用“样品标准”交叉技术（“Samplestandard” bracketing technique） 解决。实验结果表明，利用AG50WX8阳离子树脂，可在保证Mg回收率的情况下，将牙齿样品中的Mg和其它基质元素彻底分离，且不造成同位素分馏。采用此方法对现代人离体牙牙釉质中Mg同位素进行分离测定，牙齿的δ26Mg在较大的范围变化（ 1.38‰～4.59‰）。本方法为利用人牙齿中Mg同位素研究Mg的暴露水平、环境污染等信息提供重要的实验和理论依据。

关键词 ：镁同位素；牙齿；多接收器等离子体质谱

1 引 言

Mg有3种稳定同位素：24Mg， 25Mg 和26Mg，相对丰度分别为78.99%， 10.00%和11.01%[1]。Mg同位素之间存在较大的相对质量差， 如26Mg和24Mg的相对质量差可达8%，这使得在很多地质过程中Mg同位素能够发生显著的质量相关分馏， 因而Mg同位素是潜在的地球化学“示踪剂”。然而，由于早期实验技术和分析方法的限制，无法有效识别地质样品中Mg同位素组成的变化，使得Mg同位素地球化学示踪一直未能得到广泛应用。在20世纪60年代，人们开始用表面热电离质谱测量自然界中Mg同位素的变化[2]，但分析精度不高， 没有发现明显的镁同位素分馏。早期的Mg同位素研究大多集中在Mg同位素异常上，如原始陨星中放射性成因26Mg（26Mg*）的发现[3，4]。

随着多接收器电感耦合等离子体质谱（MCICPMS）的出现，Mg同位素的高精度测定成为可能，测试精度较以前提高了一个数量级[5，6]。Galy等[5]首次利用MCICPMS测定了自然样品中的Mg同位素组成，发现了自然界中Mg同位素的分馏现象。

随着Mg同位素分析技术的提高和研究的不断深入，在生物样品中Mg同位素分析逐渐受到关注。Chang等[7，8]报道了有孔虫Mg 同位素的初步研究成果，并显示出海水和有孔虫之间有明显的Mg同位素差异，有孔虫更富集轻同位素。有孔虫的δ26Mg值比海水低4.5‰，超过了钟乳石与地下水之间的差异，表明在有孔虫的形成过程中存在着重要的Mg同位素分馏。

近年来，同位素示踪在生物考古方面发挥着重要作用，但由于测试技术的制约，仅有成熟的Sr同位素技术被广泛使用[9～12]。研究者利用古人类牙齿和骨骼中Sr同位素研究了古代人群的迁移、食谱和疾病等方面内容。但是人牙齿或骨骼中Sr的含量较低，测试需要的样品量较多，影响其它指标的测试。使用较少的样品量即获得较理想的实验结果是Mg同位素技术的发展思路。由于Mg是地球上的常量元素，几乎参与了地球上的所有地球化学过程，在人体中，牙釉质和牙本质中Mg含量较高，可达到（87.0+0.3）mg/g。建立牙齿中Mg同位素前处理技术和测定方法，不仅开拓Mg同位素的应用范围，也可以为生物考古Mg同位素示踪提供选择手段。

本实验根据牙齿样品的特殊性，建立了高精度多接收等离子质谱 （MCICPMS） 测定牙齿中Mg同位素方法。首先采用AG50WX8阳离子树脂分离富集牙齿中的Mg元素，再用多接收器等离子体质谱仪（MCICPMS）进行Mg同位素组成测定。MCICPMS仪器自身的质量分馏利用“样品标准”交叉技术（“Sample standard” bracketing technique） 解决。本方法为Mg暴露水平、环境污染等信息研究提供了重要的实验和理论依据。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Neptuneplus多接收电感耦合等离子体质谱仪（MCICPMS，美国Thermo Scientific公司）， 系统结合了TRITON plus分析器和ELEMENT2等离子界面，为强大和独有的MCICPMS提供了基础。在离子光学通路上采用双聚焦（能量聚焦和质量聚焦） 设计， 并采用动态变焦（Zoom） 技术将质量色散扩大至17%。配有9个法拉第杯接收器和一个离子计数器， 除了中心杯和离子计数器外， 其余8个法拉第杯配置在中心杯的两侧， 并以马达驱动进行精确的位置调节。另外， Neptune MCICPMS采用虚拟放大器专利技术， 在每个探测器同时采集完一个Block后， 运用软件自动轮流更换其后的放大器电路， 在采集9个Block后， 各放大器电路与原探测器恢复一致。该技术可有效消除因各法拉第杯接收器后的放大器的增益不同所造成的同位素比值的误差， 提高同位素比值测定的精度。NEPTUNE plus作为“第三代”MCICPMS，首次整合了高分辨能力、可变多接受器、焦距调节和多接收离子计数能力。

2.2 牙齿样品消解

采集久居陕南地区居民的离体牙，从中挑选富有代表性的牙齿30颗。采用加热敲击法[12]将牙齿的牙釉质和牙本质分开，收集分开的牙釉质和牙本质，用玛瑙钵研磨至0.075 mm。准确称取研磨后样品0.05 g于微波消解罐中，加5 mL50% HNO3和2 mL 30% H2O2溶液，轻轻晃动消解罐，然后滴入约2 mL水，1000 W微波消解。微波消解升温程序：5 min内由室温升到120℃，并在此温度保持3 min，然后在8 min内继续升温到220℃，并在此温度下保持15 min 至消解结束。试样消化完全后，自然冷却。用水转移至25 mL容量瓶中，定容。同步做試剂空白实验。实验中用骨头标准样品对消解过程进行质量控制。

2.3 离子交换柱准备

分离实验所用的离子交换柱为石英柱（150 mm×8 mm）；所用树脂为AG50WX8阳离子树脂（美国BIORAD公司）。首次使用时先以水浸泡，弃去上浮颗粒，湿法装柱。装好的树脂使用前，先以树脂体积20倍的4 mol/L HCl清洗，再用大量水洗至中性。

2.4 离子交换法分离富集Mg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。

以文献[13]为基础，进行镁元素的分离富集：取消解好的牙齿溶液，少量多次上柱，首先用40 mL 1 mol/L HNO3洗脱Na+等杂质离子，再以30 mL 1 mol/L HNO3收集Mg元素，60 mL 1 mol/L HNO3洗去其它杂质。将收集的样品置于约200℃的电热板上蒸干。再以2% HNO3转移至离心管（遵循少量多次原则），最后将每个样品定容至2 mL。将其编号，放于冰箱中保存，待测。

2.5 Mg的含量和同位素测定

Mg的含量采用中国计量科学研究院化学所和中科院地球环境研究所的PE 300D型ICPMS对比交叉测定。

Mg同位素测定在中科院地球环境研究所的NEPTUNE plus型多接收电感耦合等离子体质谱仪。

3 结果与讨论

3.1 离子交换法分离Mg的淋洗体积

分离天然样品中Mg与其它杂质元素的常用方法是离子交换法，但不同的树脂、树脂柱的尺寸及淋洗介质存在很大差异，分离效果也不尽相同[5，7，14～17]。

牙齿中最主要的无机元素是Na， K， Ca和Mg。其中Ca含量约是Mg含量的10倍，因此将Ca与Mg充分分离是实验的关键。按照牙齿中无机元素含量比，配制混合溶液（主要含Na， K， Ca和Mg）。将混合溶液引入用1 mol/L HNO3淋洗介质平衡后的阳离子交换柱中，再用1 mol/L HNO3洗脱，淋洗曲线如图1所示。由Mg的淋洗曲线可见，大部分Mg都在40～70 mL的淋洗液中被洗脱出来。在1 mol/L HNO3做淋洗液的条件下，Na+和K+分别在20 mL和35 mL被大量洗去，Ca则出现在Mg的峰值末端70 mL及以后，相互之间几乎无重叠，所以各元素间得到了较好的分离效果。

3.2 离子交换分离Mg过程的回收率和同位素分馏

由于利用离子交换柱分离纯化Mg的过程中也会产生显著的Mg同位素分馏[18]，因此分离纯化过程要求Mg的回收率接近100%。通常会利用各种标准溶液的分离来检验化学流程过程中Mg的回收率，以及是否发生了Mg同位素的分馏。尽管低至200 ng 的Mg也可以进行单次分析， 但是通常情况下，在柱子承载范围之内会用较大的含Mg样品量来降低空白（包括酸、树脂柱和树脂）的贡献。实验中将含有20～100 μg的Mg （通常为MCICPMS分析所需样品量的10倍以上）的标准样品加入到树脂柱中。采用3.1节的方法进行分离。分离前后采用PE 300D型ICPMS测定溶液中Mg的含量。同时采用MCICPMS对分离后的样品进行同位素测定。

本课题组对该地区牙齿的Sr同位素进行了研究，与Mg同位素显示出较大的差异[19]。测定的健康齿和龋齿牙釉质87Sr/86Sr比值在0.710935～0.711037较小区间波动，基本趋于稳定，并且在年龄和性别因素中没有显著差异。同时发现，其变化区间落在当地自然水体、岩石和土壤87Sr/86Sr范围内。

He等[20]采用ICPMS对该地区牙齿硼同位素进行研究，与Mg同位素显示出相似的结果，10B/11B在较大的区间0.2007～0.2574范围变化。人体Mg主要来源是食物，食物来源的多源性以及重金屬污染等因素[21]，牙齿Mg同位素变化，不能简单地用饮食、土壤和岩石等因素解释，需要更深入的研究，或者动物牙齿培养实验加以验证。

4 结 论

采用AG50WX8阳离子树脂以及多接收器等离子体质谱仪（MCICPMS），对牙齿中Mg同位素进行了高精度测定。结果表明，采用AG50WX8阳离子树脂，通过不同体积的HNO3淋洗，收集特定体积的淋洗液，可以得到纯化的Mg；牙齿Mg同位素变化范围比较大，其变化因素还需要更详细的实验来验证。

References

1 Rosman K J R， Taylor P D P. Pure Appl. Chem.， 1998， 70（1）： 217-235

2 Catanzaro E J， Murphy T J， Garner E L， Shields W R. J. Res. Natl. Bur. Stand.， 1966， 70A： 453-458

3 Gray C M， Compston W. Nature， 1974， 251： 495-497

4 Lee T， Papanastassiou D A. Geophys Res. Lett.， 1974， 1： 225-228

5 Galy A， Belshaw N S， Halicz L， O'Nions R K. Int. J. Mass Spectrom.， 2001， 208： 89-98

6 Teng F Z， LI W Y， Rudnick RL Gardner LR. Earth Planet. Sci. Lett.， 2010， 300： 63-71

7 Chang V T C， Makishima A， Belshaw N S， O'Nions R K. J. Anal. At. Spectrom.， 2003， 18： 296-301

8 Chang V T C， Williams R， Makishima A， O'Nions R K. Biochem. Biophys. Res. Commun.， 2004， 323： 79-85

9 Matthew J K， Jennifer M， Paul O. J. Archaeol. Sci.， 2013， 40： 1689 -1699

10 Copeland S R， Sponheimer M， LeeThorp J A， Roux P J， Ruiter D J， Richards M P. J. Archaeol. Sci.， 2010， 37（7）： 1437-1446

11 Catanzaro E J， Murphy T J. J. GeophIys.Res.， 1966， 71： 1271-1274

12 LI ZiXia， HE MaoYong， LU Hai， JIN ZhangDong， PENG Bin. Acta Geoscientia Sinica， 2012， 33（6）： 893-898

李子夏， 贺茂勇， 逯 海， 金章东， 彭 彬. 地球学报， 2012， 33（6）： 893-898

13 LU Hai， LIU YiCan， WANG Jun， ZHOU YuanJing， REN TongXiang， ZHOU Tao. Chinese J. Anal. Chem.， 2012， 40（10）： 1598-1601

逯 海， 刘懿璨， 王 军， 周原晶， 任同祥， 周 涛. 分析化学， 2012， 40（10）： 1598-1601

14 Teng F Z， Wadhwa M， Helz R T. Earth Planet. Sci. Lett.， 2007， 261： 84-92

15 HE XueXian， ZHU XiangKun， YANG Chun， TANG SuoHan. Acta Geoscientica Sinica， 2005， 26 （Sup.）： 15-18

何学贤， 朱祥坤， 杨 淳， 唐索寒. 地球学报， 2005， 26 （增刊）： 15-18

16 HE XueXian， ZHU XiangKun， LI ShiZhen， TANG SuoHan. Acta Petrologica et Mineralogica， 2008， 27： 441-448

何學贤， 朱祥坤， 李世珍， 唐索寒. 岩石矿物学杂志， 2008， 27： 441-448

17 LI ShiZhen， ZHU XiangKun， HE XueXian， YANG Chun， ZHAO XinMiao， TANG SuoHan. Acta Petrologica et Mineralogica， 2008， 27： 449-456

李世珍， 朱祥坤， 何学贤， 杨 淳， 赵新苗， 唐索寒. 岩石矿物学杂志， 2008， 27： 449-456

18 An Y J， Wu F， Xiang Y X， Nan X Y， Yu X， Yang， J H， Yu H M， Xie L W， Huang F. Chem. Geol.， 2014， 390： 9-21

19 Li Z X， He M Y， Peng B， Jin Z D. Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2013， 27（17）： 1919-1924

20 He M Y， Jin Z D， Luo C G， Deng L， Xiao J， Zhang F. J. Brazil. Chem. Soc.， 2015， 26（5）： 949-954

21 LI Hua， LI HaiLong， ZHU YuEn， LIU Miao， SHI WeiYu， CHEN YiPing， WU Shan. Journal of Earth Environment， 2015， 6（1）： 60-66

李 华， 李海龙， 朱宇恩， 刘 苗， 时伟宇， 陈怡平， 吴 山. 地球环境学报， 2015， 6（1）： 60-66

Abstract Major cation Mg2+ was presented in enamel as major substituted species. The quantity of Mg and the Mg isotopic ratio in tooth can provide information on the environment， dietary habits， and oral health of individuals. As a result， a method was developed for the determination of Mg isotope based on highprecision multiple collectorinductively coupled plasmamass spectrometry （MCICPMS）. The samples were dissolved using a microwave digestion system. Separation of Mg was achieved by cation exchange chromatography of AG50WX8. The sample solutions were loaded on the resin with 1 mol/L HNO3， the other ions such as Na+ were eluted with 40 mL of HNO3 （1 mol/L）， and then the Mg was eluted with 30 mL of HNO3 （1 mol/L）， finally the resin was washed with 60 mL of HNO3 （1 mol/L）. The Mg isotope was measured using multiple collectorinductively coupled plasmamass spectrometry （MCICPMS）. The “samplestandard” bracketing technique was used to correct the instrumental mass bias. The results show that the fast and effective method can be used for the separation， preconcentration and determination of Mg isotope in calciumrich tooth samples. Giving values of 26Mg were from 1.38‰ to 4.59‰. The established method for Mg isotope determination provides an important scientific basis for ancient population migration， ancient diet analysis and disease by Mg isotope of ancient human teeth.

Keywords Magnesium isotope； Tooth； Multiple collectorinductively coupled plasmamass spectrometry