微波消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定纳米银抗菌产品中多种微量元素

王 林 杨 远 邓飞跃 杨炳红 朱丽琴 叶 明

（1湖南省地质测试研究院，长沙410007；2湖南农业大学 资源环境学院，长沙410128；3中南大学 化学化工学院，长沙410083；4长沙矿冶研究院有限责任公司，长沙410012）

引言

随着纳米科技的不断进步，纳米材料已广泛应用于不同领域。调查数据显示，到2015年，与纳米技术相关产品市场已达1 000亿美元[1]，其中金属基纳米商品为工业及日用商品的用量之首。据“新兴纳米科技”报道，约1 800种商品级纳米产品已存在于产品市场中[2-4]。纳米银（Silver nanoparticles，Ag NPs）具有良好的抗菌及抗病毒活性，是最具前景的纳米产品之一[5]，已广泛应用在纺织品、化妆品、水净化处理、医疗及运动器械等领域。然而，随着工程纳米材料使用增多，纳米级尺寸在赋予纳米材料迥异特性和新颖应用的同时，又悄然释放进入生态环境中，成为一类新型污染物[6]。研究证实纳米材料向环境的排放[7]，环境水体中已检测出纳米银的存在[8]，引发了科学界对其生态负面影响的广泛关注。因此，建立准确表征纳米抗菌产品中银总量的方法用于研究纳米银或银离子在后续环境中的迁移、转化、归趋等环境行为及对人体危害风险评估问题意义重大。

目前，常用表征金属元素的方法有：分光光度法[9]、原子吸收光谱法（AAS）[10]、原子荧光光谱法（AFS）[11]、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）[12]以及电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）[13]。其中，分光光度法和原子吸收光谱法，由于操作步骤繁琐、不能多元素同时测定，难以满足快速准确测定的要求。AFS法只适用于测定易形成氢化物的元素（如As、Sb、Hg等）。常规的ICPAES法对于As和Hg等元素的测定灵敏度较低[14]。ICP-MS法具备高灵敏度、多元素同时测定、干扰小、精密度高、线性范围宽、简单快速，更适合应用于环境、土壤、食品、医药、地质、生物等样品的测定[15]。

选取4种不同基体的典型纳米银抗菌产品，为获得良好的Hg回收率和短的样品测定时间，详细讨论了纳米银抗菌产品中Hg的前处理方法及测定时消除Hg记忆效应的方法。选用微波消解作为样品前处理的方法，在优化ICP-MS仪器参数后，同时测定了纳米银抗菌产品中 Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Cd、Hg及 Ag元素的含量，为表征纳米银抗菌材料中重金属及Ag含量提供了快速简单、高灵敏度的方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器

配备四级杆碰撞/反应池iCAP Qc ICP-MS仪（美国赛默飞世尔科技有限公司），PFA-ST Micro-Flow雾化器（美国赛默飞世尔科技有限公司），电子天平（感量0.000 1 g，BT224S，德国赛多利斯公司），MARS微波消解仪（美国CEM公司）；所用器皿均采用HNO3（1+3）溶液浸泡至少24 h，用超纯水冲洗干净，备用。

1.2 实验试剂

液氩（ωAr＞99.99%），MOS级 HNO3（北京化学试剂研究所），H2O2（优级纯，阿拉丁化学试剂公司）。

Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Cd、Ag的混合标准储备溶液1#（100 mg/L，购于上海市计量测试技术研究院）；Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Cd、Ag的混合标准储备溶液2#（100 mg/L，购于国家有色金属及电子材料分析测试中心）。

Hg标准储备溶液1#（1 000 mg/L，购于北京钢铁研究院）；Hg标准储备液2#（1 000 mg/L，购于美国O2SI公司）。

Li、Co、Y、Tl、Ce和Ba仪器调谐液[1μg/L，HNO3（2%）介质]；Bi、Ge、In、Li、Lu、Rh、Sc、Tb内标元素（100 mg/L，购于赛默飞世尔科技有限公司）。

标准物质：GBW10024扇贝总汞成分分析标准物质、GBW10051猪肝总汞成分分析标准物质和GBW10029鱼肉总汞成分分析标准物质（中国计量科学研究院）；0.45μm水相微孔滤膜（上海安谱公司）；校准溶液使用时现配现用；实验用水为二次去离子水。

1.3 实验样品

选取了4种纳米抗菌产品作为研究对象。标称含有纳米银成分的纳米银抗菌厨房洗液、纳米银抗菌凝胶、纳米银抗菌运动袜及纳米银抗菌鼻炎净均购于附近超市或药店。

1.4 实验方法

1.4.1 ICP-MS仪器操作参数

ICP-MS仪器点炬成功后，分析样品前用1μg/L仪器调谐液调谐仪器，以获得最佳仪器灵敏度和最小双电荷数（＜2%）。ICP-MS仪工作条件见表1。

表1 ICP-MS仪器工作条件Table 1 Parameters of ICP-MS

1.4.2 标准溶液配制

对混合标准储备溶液1#用HNO3（2%）进行逐级稀释，分别配制0、5、10、50、100μg/L 5个标准点，现配现用；对Hg标准储备液1#用HCl（2%）进行逐级稀释，分别配制0、0.5、1、2、5μg/L 5个标准点，现配现用。

1.4.3 样品前处理

纳米银抗菌凝胶、纳米银抗菌鼻炎净的前处理：准确称取0.5 g（精确至0.000 1 g）样品于微波消解罐中，加入5 m L HNO3和2 m L H2O2（30% ）于聚四氟乙烯消解罐中，装罐，置于微波消解仪，按表2的步骤进行消解。待样品消解完毕后，冷却至室温，将消解液转移至25 m L容量瓶内，适量超纯水冲洗消解罐壁和消解罐塞，定容，摇匀，同时做试剂空白。相同方法处理标准物质GBW10024扇贝标准物质、GBW10051猪肝及GBW10029鱼肉中总汞成分分析标准物质。

纳米银抗菌厨房洗液的前处理：将样品摇匀后，准确移取5.00 m L纳米银抗菌厨房洗液样品于消解罐中，加入5 m L HNO3和2 m L H2O2，装罐，置于微波消解仪，按表2的程序进行消解，待样品消解完毕后，冷却至室温，将消解液转移至25 m L容量瓶内，适量超纯水冲洗消解罐壁和罐塞，定容，摇匀，同时做试剂空白。

纳米银抗菌运动袜的前处理：从纺织品上随机剪取试样，剪碎至5 mm×5 mm以下，称取代表性样品0.30 g（精确至0.000 1 g）于微波消解罐中，移取5 m L HNO3和2 m L H2O2于消解罐中，装罐，置于微波消解仪中，按表2的方法进行消解，消解完毕后，冷却至室温，转移至25 m L容量瓶内，适量高纯水冲洗消解罐壁和消解罐塞，定容，摇匀，同时做试剂空白。所有样品上机测定前需采用0.45μm水相微孔滤膜过滤，防止ICP-MS仪雾化器堵塞。

表2 微波消解程序Table 2 Microwave digestionprocedure

1.4.4 样品测定

待ICP-MS点炬成功稳定后，使用ICP-MS调谐液将仪器状态调至最佳。使用三通在线加入内标溶液，建立校准曲线。采用混合标准储备溶液2#分别配制5μg/L（Low-level ICV）、50μg/L（Mid-level ICV）标准样品，验证校准曲线准确性，Low-level ICV可接受的范围是70%～130%，Mid-level ICV样品可接受的范围是90%～110%。每次分析10个实际样品后，测定50μg/L标准溶液验证标准曲线的准确性、防止ICP-MS仪器漂移。

对于Hg的测定，采用Hg标准储备溶液2#配制0.5μg/L（Low-level ICV）和1μg/L（Mid-level ICV）标准样品，验证校准曲线准确性，Low-level ICV可接受的范围是70%～130%，Mid-level ICV样品可接受的范围是90%～110%。每次分析10个实际样品后，测定1μg/L标准溶液验证标准曲线的准确性、防止ICP-MS仪器漂移。

2 结果与讨论

2.1 样品消解方法的选择

常用的样品前处理方法有：干灰化法、湿法消解法、微波消解法等[16]。干灰化法易使易挥发元素如Hg、Pb、Cu、Sn、Se损失，从而造成测定结果偏低。敞口湿法消解体系产生大量酸雾，环境不友好，对人体造成危害，空气中悬浮颗粒物易进入加热的敞口溶液中，造成样品玷污，且该方法也可能造成易挥发元素的损失。而微波消解具有密闭高压的特性，可快速地将待测样品进行消解，同时将待测元素很好地保留在消解液中。

分别采用微波消解和湿法消解对GBW10024、GBW10051及GBW10029标准物质进行消解，平行消解样品3次，用ICP-MS法测定样品。湿法消解样品的方法参照文献[17]。实验结果表明：湿法消解和微波消解均能满足绝大多数元素的测定。但对于极易挥发元素Hg的测定，微波消解的Hg测定结果接近标准物质的认证值（见图1），而湿法消解Hg的测定结果远低于认证值，回收率仅30%～40%。同时，湿法消解需消耗较长的时间。为缩短样品前处理时间及获得更准确的Hg测定结果，实验选用微波消解法作为后续的样品前处理方法。

图1 消解方法对Hg回收率的影响Figure 1 The effect of dissolving method on the recovery rate of Hg.

2.2 Hg记忆效应的消除

由于Hg具有很强的记忆效应，易吸附在管道，影响后续测定结果。实验对ICP-MS法测定Hg2+记忆效应的消除进行了探讨。实验选取超纯水、Au（100μg/L）+HCl（2%）、Au（100μg/L）、HCl（2%）和HNO3（5%）作为冲洗溶液，考察其冲洗进样系统的效果。在引入5μg/L的Hg2+标准溶液后，分别采用上述溶液对ICP-MS进样系统进行清洗，并对202Hg信号值实时监测，得到的实验结果如图2所示。由图2可知，单独采用超纯水和HNO3（5%）清洗时，202Hg信号值最强，清洗效率低，短时间内较难有效地冲洗掉进样系统中残留的Hg2+。采用 Au（100μg/L）+HCl（2%）、Au（100μg/L）、HCl（2%）清洗时，在30 s内基本能去除ICP-MS进样系统中的残留Hg2+，相比之下，Au（100μg/L）+HCl（2%）的清洗效果最好，在1 min内202Hg的信号值基本已接近基线值，说明此时进样系统中残留的汞基本已清洗干净。

图2 Hg记忆效应消除图Figure 2 Eliminating memory effect of Hg.

2.3 内标元素的选择

内标的作用在于校正响应信号的变化。其中响应信号的变化包括：基体效应、传输效应、雾化效应、电离效应、空间电荷效应、仪器漂移。其工作原理是假设分析元素与内标元素在等离子体中的行为相似。因此，选定适合的内标元素尤为重要。内标元素的选择应该考虑样品溶液中几乎不含的元素，内标元素与待测元素质量接近，内标元素电离电位与待测元素相近等因素。综上所述，待测元素同位素52Cr、55Mn、57Fe、59Co、60Ni以45Sc为内标，65Cu、66Zn、75As以72Ge为内标，107Ag、111Cd以103Rh为内标，208Pb、202Hg以209Bi为内标。实验中进样时使用三通在线加入1 mg/L内标混合溶液，由于内标管的内径约为进样管内径1/20，因此内标元素在样品内的浓度约50μg/L，使得加入内标的浓度在校准曲线的中间范围。

2.4 积分时间的选择

由于75As、202Hg这两种元素第一电离能较高，在ICP-MS中这两种元素的灵敏度较低，故应选择较长的积分时间：1 s，而其它元素选择0.3 s为积分时间。

2.5 干扰消除

ICP-MS的非质谱干扰主要来源于样品的基体，包括总固体溶解量、高质量元素影响低质量元素的信号（空间电荷效应）和有限的电离能被易电离元素如Na和K所消耗等。可采用稀释样品、内标法、标准加入法和基体消除法等方法来消除非质谱干扰。

在ICP-MS质谱干扰分析中，干扰大多数来源于等离子体中产生的分子（或多原子）离子与待测元素的质量相同而发生质谱重叠。对于通常的环境基质样品，几乎每种元素都存在多种多原子干扰问题[18]。表3列出了ICP-MS法分析中待测元素中可能存在的多原子干扰。采用四级杆碰撞反应池模式，多原子离子对待测元素的干扰被有效减少。在He模式下，采用多原子（干扰）和单原子（分析物）离子之间的大小差别达到消除多原子干扰的目的，通过多原子离子与He的碰撞来减少多原子离子的干扰。因此可不使用干扰校正方程。应用屏蔽炬技术，能确保进入碰撞池的离子能量扩散很窄（1 eV），屏蔽炬的物理接地原理提供了更好的初始离子能量控制。将屏蔽炬接口技术与八极杆碰撞池技术紧密相结合起来可有效地降低多原子对待测元素的干扰。

在无碰撞气体模式中，待测元素质谱干扰较为复杂，除同位素107Ag、202Hg、208Pb只存在轻微干扰可忽略外（干扰金属元素在样品中含量极低），其它待测元素均存在潜在质谱干扰，见表3。应用氦碰撞模式可减少存在的多原子对待测同位素52Cr、55Mn、57Fe、59Co、60Ni、65Cu、66Zn、75As的干扰。

表3 待测元素可能存在的多原子干扰Table 3 Potential polyatomic interferences on measured elements

2.6 标准曲线和方法检出限

由于待测样品中重金属含量较低，因此选择0～100μg/L混合标准溶液和0～5μg/L Hg标准溶液绘制标准曲线，保证所建立校准曲线相关系数R2＞0.999。对试剂空白进行11次测定，以待测元素响应值的3倍标准偏差除以标准曲线斜率，即可得该元素的方法检出限。表4列出了本方法的待测元素校准曲线参数及方法检出限。

表4 待测元素校准曲线参数及方法检出限Table 4 Parameters of calibration curve and method detection limits

2.7 回收率实验

为了验证方法的准确性，选取4种典型纳米银抗菌材料[a：抗菌鼻炎净（antibacterial nasal spray），b：抗 菌 厨 房 洗 液 （antibacterial kitchen cleansing spray），c：抗菌凝胶（antibacterial gel），d：抗菌运动袜（antibacterial socks）]进行加标回收实验。结果见表5，绝大多数待测元素加标回收率在95.0%～105%，说明方法能够满足这4种纳米抗菌材料的待测元素的分析检测要求。

表5 方法的加标回收率Table 5 Recoveries test of this method(n=3) /(μg·L-1)

2.8 实际样品测定及精密度实验

平行称量3份样品，按实验方法对市售4种纳米银抗菌材料[a：抗菌鼻炎净（antibacterial nasal spray），b：抗 菌 厨 房 洗 液 （antibacterial kitchen cleansing spray），c：抗菌凝胶（antibacterial gel），d：抗菌运动袜（antibacterial socks）]进行消解并测定。根据平行样的测定结果，计算对应样品的平均值及相对标准偏差（RSD）。由结果可知，方法的相对标准偏差（RSD）在0.33%～13.2%，由于部分待测元素含量较低，RSD值偏高。方法具有较好的精密度，适合于大批量样品测定。由于ICP-MS灵敏度极高，采用ICP-MS法可很好地表征纳米抗菌产品中银的总量。测定结果见表6。

3 结论

采用电感耦合等离子体质谱法同时测定了4种纳米银抗菌产品中银总量及11种杂质元素，方法快速简单、灵敏度高、抗干扰强，为纳米银抗菌产品中金属元素的风险评估提供可靠的分析方法。选取Au（100μg/L）+HCl（2%）体系作为测定 Hg元素冲洗溶液，能够在短时间内（30 s）将Hg记忆效应降至最低，有效地缩短了测定样品中Hg的时间。采用微波消解法处理样品具有试样分解快速彻底、待测元素回收率高、试剂消耗少、空白值低等特性。该方法只能提供纳米抗菌材料中银总量的表征方法，对于纳米抗菌材料的银存在的形式（如纳米银形态、银离子、硫化银或氧化银），还需与其它的表征方 法相互验证。

表6 实际样品的测定及方法的精密度Table 6 Real samples detection and their reproducibility(n=3) /(μg·g-1)

[1]ROCO M C.Broader societal issues of nanotechnology[J].Journal of Nanoparticle Research，2003，5（3-4）：181-189.

[2]吴晴晴，王玉凤，陈志兵.PS-b-PEO模板法制备Pt纳米线[J].中国无机分析化学（Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry），2017，7（1）：75-78.

[3]VANCE M E，KUIKEN T，VEJERANO E P，et al.Nanotechnology in the real world：Redeveloping the nanomaterial consumer products inventory[J].Beilstein journal of nanotechnology，2015，6（1）：1769-1780.

[4]袁永海，尹昌慧，施意华，等.石墨烯负载零价纳米铁材料的合成及去除水中Cr（VI）的研究[J].中国无机分析化学（Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry），2017，7（2）：1-5.

[5]徐署东，李卫东.聚多巴胺球支撑银纳米粒子制备无酶过氧化氢生物传感器[J].中国无机分析化学（Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry），2016，6（4）：79-83.

[6]GOTTSCHALK F，NOWACK B.The release of engineered nanomaterials to the environment[J].Journal of Environmental Monitoring，2011，13（5）：1145-1155.

[7]FARKAS J，PETER H，CHRISTIAN P，et al.Characterization of the effluent from a nanosilver producing washing machine[J].Environment International，2011，37（6）：1057-1062.

[8]YANG Y，LONG C L，YANG Z G，et al.Characterization and determination of silver nanoparticle using single particle-inductively coupled plasma-mass spectrometry[J].Chinese Journal of Analytical Chemistry，2014，42（11）：1553-1560.

[9]李丽华，张金生，高昌录，等.微波消解-双波长等吸收分光光度法同时测定催化剂中钴和镍[J].光谱学与光谱分 析 （Spectroscopy and Spectral Analysis），2001，21（4）：531-533.

[10]陈朝琼，房晨，艾应伟，等.微波消解/AAS测定铁路岩石边坡创面人工土壤中的重金属含量[J].光谱学与光谱分析（Spectroscopy and Spectral Analysis），2013，33（8）：2215-2218

[11]孟时贤，杨远，邹阳，等.响应曲面优化-原子荧光光谱法测定铅锌矿中微量汞[J].理化检验-化学分册（Physical Testing and Chemical Analysis Part B：Chemical Analgsis），2016，52（8）：922.

[12]孟时贤，邓飞跃，杨远，等.电感耦合等离子体发射光谱法测定铅锌矿中15个主次量元素[J].岩矿测试（Rock and Mineral Analysis），2015，34（1）：48-54

[13]戴雪峰，董利明，蒋宗明.电感耦合等离子体质谱（ICPMS）法测定地质样品中重稀土元素和钍、铀[J].中国无机分析化学（Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry），2016，6（4）：20-25.

[14]杨远，邓飞跃，肖立青，等.湿法消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定烟叶中22种元素[J].中国烟草学报（Acta Tabacaria Sinica），2013，19（3）：11-17.

[15]马国军，赵立峰，楼梦菲等.微波消解-电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法同时测定人发中10种微量元素[J].中国无机分析化学（Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry），2016，6（2）：64-68.

[16]周天泽，邹洪.原子光谱样品处理技术[M].北京：化学工业出版社，2006：104-111.

[17]王文青，张丽媛，魏宇锋，等.微波消解/ICP-MS法测定食品级润滑油 （脂）中的锑，砷，镉，铅，汞，硒[J].分析试验室（Chinese Journal of Analysis Laboratory），2014，33（12）：1430-1433.

[18]赵小学，张霖琳，张建平，等.ICP-MS在环境分析中的质谱干扰及其消除[J].中国环境监测（Environmental Monitoring in China），2014（3）：101-106.