电感耦合等离子体质谱法测定人体尿液中镉含量的研究

明剑辉 李致明 梁国荣 欧映红

广东省清远市清新区疾病预防控制中心检验科，广东清远 511800

随着工业的飞速发展，空气、水土等环境污染日趋严重，重金属中毒事件越来越多。传统的金属元素测定方法主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、二苯碳酰二肼比色法等，检测时间长，常难以满足临床快速检测的需求[1]。电感耦合等离子质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）是近年发展迅速的一种理化检测技术，能同时测定多种金属元素含量，分析速度快且灵敏度、精密度高，被广泛用于生物、环境和地质等领域[2-3]。镉（Cd）元素是普遍存在于自然界矿石、土壤、大气与海水中的一种稀有金属元素，被镉污染的空气、水源与食物对人体危害极大，日本曾出现镉中毒引起的痛病，患者最初表现为关节疼痛，逐渐演变为神经痛与全身骨痛，最后导致骨骼萎缩、四肢弯曲变形[4]。尿镉是重要的生物监测指示物，反映的是人体和环境中镉负荷，本研究为评价清远地区环境镉负荷量，采用ICP-MS 法对清远地区工人进行了尿液中镉含量测定，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选取2018 年1 ～12 月在清远市各大工厂进行体检的健康工人200 例作为研究对象，所有受试者无严重心、肝、肾等器质性疾病，无重大传染性疾病，无过往严重病史，每位受试者提供尿液样本至少＞50mL（将其置于-20℃冰箱保存）。200例受试者中男：女=93：107，年龄18 ～65 岁，平均（34.8±5.7）岁。

1.2 实验方法

1.2.1 仪器与试剂 高分辨电感耦合等离子质谱仪（美国Thermo Scientific 公司，型号：ICAP RQ）；密闭式智能微波消解仪（上海袁析仪器有限公司，型号：MWD-800）涡旋仪（北京科尔德实验仪器厂，型号：WH-861）；浓硝酸（德国Merck 公司，体积分数为65%）；镉单元素溶液标准物质（中国计量科学研究院GBW08612，质量浓度为1000μg/mL），采用1%稀硝酸配制成质量浓度为20μg/L 的Cd 元素标准储备液；铟-115（钢铁研究总院，质量浓度为1000μg/mL），采用1%稀硝酸配制成质量浓度为10μg/L 的内标储备液；质量浓度为 1.0μg/L 质谱调谐液标准溶液（美国Thermo Fisher 公司）；实验用水为超纯水（电阻率为18.25MΩ·cm）。

1.2.2 标准溶液与内标溶液配制 将Cd 标准溶液储备液稀释成0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、20.0μg/L 的标准系列工作溶液，将内标储备液配逐级稀释，制成100μg/L 的内标工作溶液。

1.2.3 仪器参数设定 设定高分辨电感耦合等离子质谱仪主要的参数：射频功率为1600W；采样深度8mm；等离子体气流速15L/min；矩管水平位置为-0.5mm；辅助气流速为0.25L/min；矩管垂直位置0mm；载气流速0.85L/min；扫描模式为全扫描；积分时间为0.1s；采集次数为3 次；提取透镜1 为2V；提取透镜2 为-105V；氧化物干扰＜3%；双电荷干扰＜1.5%。

1.2.4 尿样前处理 将所有患者的尿液样本置于室温解冻，涡旋混匀后分为两份，分别采用如下两种方式进行前处理。直接稀释法：用体积分数为1%的硝酸将尿样稀释20 倍后测定；微波消解法：准确量取2.5mL 尿样置于微波消解罐，加入2mL 的硝酸与1mL 的双氧水，设定微波消解程序，消解后用超纯水顶溶质至100mL。

1.2.5 样本测定 直接稀释处理样本以1%的硝酸溶液作为空白对照，微波消解样本以5%的硝酸溶液作为空白对照，分别将空白对照或标准工作液注入等离子质谱仪中，使用蠕动泵在线加入内标溶液（按照内标：待测液=1：1），用Y 接头与样品混合，测定Cd 元素分析谱线强度信号响应值，以Cd 元素与115In 响应信号值的比值为纵坐标，绘制标准曲线。

将前处理好的尿液样本溶液与内标溶液同样采用蠕动泵加入，测定待测尿样样本中Cd 元素分析谱线强度信号响应值，根据标准曲线的得到每个尿中Cd 元素浓度，平行重复测定3 次取平均值，同时作空白对照。

1.3 观察指标

观察标准物质测得的线性相关程度是否符合《尿中钒、铬、钴、镉、铊、铅的测定电感耦合等离子体质谱法》标准[1]，比较直接稀释法与微波消解法两种方法处理样本的效果，即两种方法测得人群Cd浓度的差异；观察人群尿镉水平是否在正常范围（既往研究[4]指出正常尿镉水平为0 ～25μg/L）；比较尿镉在不同性别，不同年龄之间的负荷差异。

1.4 统计学方法

应用SPSS22.0 对数据进行统计处理分析，计量资料以（）表示，采用t 检验，P ＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 标准物质检测结果

由标准物质测得的标准曲线回归方程为Y=6566.8x ＋4928.1，相关系数为0.9975，线性良好，检测范围为0.1 ～20μg/L，符合《职业卫生标准制定指南 第5 部分：生物材料中化学物质测定方法》的要求。见图1。

图1 镉的标准曲线（0.1 ～20ug/L）

2.2 两种前处理方法比较

直接稀释法测得200 例人群尿样的平均响应值为25951.58cps，Cd 平均含量为2.87μg/L，微波消解法测得平均响应值为26334.53cps，Cd 平均含量为2.93μg/L，均在正常范围内，两种方法测得结果比较，差异无统计学意义（P ＞0.05）。见表1。

表1 两种前处理方法测定结构的比较（，μg/L）

表1 两种前处理方法测定结构的比较（，μg/L）

组别 尿样份数 尿镉平均水平直接稀释组 200 2.87±1.78微波消解组 200 2.93±1.82 t 0.333 P 0.739

2.3 不同性别、年龄段人群间的尿镉水平比较

男女人群间Cd 元素含量比较，差异无统计学意义（P ＞0.05）；Cd 元素含量在＜20 岁，20 ～40岁，＞40 岁三组年龄段间呈递增趋势，差异有统计学意义（P ＜0.05）；两种前处理方法间不同性别、年龄人群的尿镉水平比较，差异无统计学意义（P ＞0.05）。见表2。

表2 不同性别、年龄段人群间尿镉水平的比较（，μg/L）

表2 不同性别、年龄段人群间尿镉水平的比较（，μg/L）

注：与＜20 岁人群比较，aP ＜0.05；与20 ～40 岁人群比较，bP ＜0.05

项目 n 直接稀释组 微波消解组 t P性别 男 93 2.95±1.86 3.01±1.92 0.216 0.829女 107 2.71±1.62 2.82±1.57 0.504 0.615 t 0.947 0.746 P 0.345 0.457年龄（岁） ＜20 41 1.85±0.79 1.87±0.76 0.117 0.907 20～40 96 2.88±1.36a 2.91±1.40a 0.151 0.880＞40 63 3.42±1.47ab 3.38±1.42ab 0.155 0.877 F 18.111 16.916 P ＜0.001 ＜0.001

3 讨论

镉是存在于自然界中的一种稀有金属，正常环境状态下含量很低，不会影响人体健康，当环境受到镉污染后，镉通过食物、水和空气进入人体富集引发慢性中毒[5]。镉在正常成人中负荷量为30 ～45mg，经尿液排出体外，检测人体尿液中镉元素含量，可从侧面评价环境镉元素暴露水平[6-7]。ICP-MS 是20 世纪80 年代发展起来无机元素与同位素分析测试技术，具有速度快、灵敏度高、精密度高及抗干扰等优点，被广泛运用于地质、环境与生物检测中[8]。本文采用ICP-MS 对清远地区工厂体检健康人群尿镉水平进行测定，来评价清远地区工厂镉负荷水平。

ICP-MS 法主要原理是通过在电感线圈上施加强大功率的高频射频信号形成高温等离子体，并由气体推动保证等离子体平衡与持续电离，将待测样雾化成气溶胶后再经蒸发、分解、激发和电离呈带电粒子进行质谱分析[9]。镉的第一电离能高，属于难电离元素，需要较高能量的电感耦合等离子体焰满足测定的灵敏度与准确度，本研究中采用1600kW 射频功率来进行电离[10]。ICP-MS 法图谱简单，易于解析，但也存在光谱干扰和基体效应，为减小基体干扰，通常选用尿液样本不存在且与镉元素的质量数和电离电位相近的同位素[11]。常用的内标元素有Li、Sc、Ge、Y、Rh、In 等，本研究采用与Cd 相对分子质量相近的115In 同位素作为内标[12]。结果显示采用ICP-MS 法测定得到标准曲线方程为Y=6566.8x+4928.1，相关系数为0.9975，线性良好，检测范围为0.1 ～20μg/L，符合《职业卫生标准制定指南第5 部分：生物材料中化学物质测定方法》的要求。

ICP-MS 法测定前采用微波消解法与直接稀释法测量结果差异不大，可能是因为尿液只含有少量沉渣（主要为细胞、管型、结晶和细菌等有形成分），其他固体物质较少，微波消解可以发挥的作用不大，而直接稀释法操作简单、快速，更适合用于处理批量尿液样本。正常人的尿镉水平为0 ～25μg/L，直接稀释法测得200 例工厂人尿样中Cd 平均含量为2.87μg/L，微波消解法测得2.93μg/L，均在正常范围内，表明清远地区工厂镉暴露水平处于正常范围，环境未受到镉污染。既往研究表明，男性抽烟会加重镉吸收入肺，导致男性的镉负荷高于女性[13]，本研究中男性尿镉水平虽稍高于女性，但差异无统计学意义，这可能与样本基数不够大，导致结果出现一定程度偏倚有关。结果还显示，随着年龄增长，尿镉水平有增加趋势，这是因为人从出生开始就不断从环境中摄取镉，而镉在人体内代谢很慢，镉不断蓄积，所以镉负荷总体水平会随着年龄增长而增加[14-15]。

综上所述，直接稀释法相比微波消解法，处理简单快速，更适用于大批量尿样中元素含量的测定。ICP-MS 测得清远地区工厂健康人群尿中镉含量均处于正常范围内，且有随着年龄增长而递增的趋势。