石墨炉原子吸收光谱法测定人尿中铝的含量

马景晶,房怡君,杜永锋,王玺凯

(西安市中心医院,西安 710003)

铝是地壳中含量最多的金属元素,主要以生物不可利用的不溶形式(硅铝酸盐)存在于矿物、岩石、黏土和土壤中,为非机体必需微量元素。在20世纪中叶以前,铝被认为是不被人体肠胃吸收的无毒元素,属于安全物质。伴随着时代进步,铝及铝的化合物逐渐被应用于各行各业及日常生活中,与人关系越发密切。而研究[1]发现,铝被人过量摄入后,会产生急性中毒症状,除约15%可能被排泄外,大部分会蓄积在机体内并与其中多种重要蛋白质、酶等结合,影响机体生化反应。当其蓄积到一定剂量时,会引起器官或组织,如中枢神经系统等的损伤。监测生物铝暴露量可通过测定尿液中铝含量实现,测定方法有原子吸收光谱法[2-3]、电感耦合等离子体原子发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法[4-6]等。其中基于电感耦合等离子体技术的仪器价格昂贵、维修成本高,不适合推广使用;原子吸收光谱法是主流方法,但存在准确度和灵敏度略低等缺点。鉴于此,本工作通过优化仪器工作条件,以氯化钯溶液作为基体改进剂,以石墨炉原子吸收光谱法测定人尿中铝的含量,方法准确、快速,有一定应用推广价值。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

GF97-AA 型石墨炉原子吸收光谱仪,配铝元素空心阴极灯和长寿命热解涂层石墨管;UPL-Ⅱ-H型超纯水机。试验所用器皿均用10%(体积分数)硝酸溶液浸泡过夜,并用水清洗后再使用。

铝标准溶液:100 mg·L－1,编号为GBW 080219。

铝标准应用液:1 000μg·L－1,用1%(体积分数,下同)硝酸溶液稀释铝标准溶液制得。

基体改进剂:500 mg·L－1氯化钯溶液,介质为2%(体积分数,下同)硝酸溶液。

基体匹配铝标准溶液系列:在5支10 mL 容量瓶中分别加入人空白尿液2.5 mL,再各加入适量铝标准应用液,用基体改进剂定容,配制成铝质量浓度分别为0,12.50,25.00,50.00,100.00μg·L－1的基体匹配铝标准溶液系列。

硝酸、氯化钯、硝酸镁、磷酸二氢铵均为优级纯;试验用水为超纯水,电阻率不小于18.2 MΩ·cm。

1.2 仪器工作条件

通带宽度0.5 nm;灯电流15 m A;进样体积10μL;检测波长309.3 nm;测定方式为峰面积;四线氘灯背景扣除。石墨炉升温程序见表1。

表1 石墨炉升温程序Tab.1 Heating program of graphite furnace

1.3 试验方法

用聚乙烯尿杯收集尿样,按样品-硝酸体积比100∶1加入硝酸,混匀。分取0.25 mL于贝克曼杯中,加入0.75 mL 基体改进剂,混匀,按照仪器工作条件测定。随同进行样品空白试验。

2 结果与讨论

2.1 基体改进剂的选择

尿样成分较为复杂,包括大量无机盐和有机物等基体成分。如果灰化温度过低,基体成分灰化不充分,背景值较高;如果灰化温度过高,则易导致铝元素损失。为改善灰化效果,尽量去除尿样中基体成分,增强原子化阶段原子吸收信号,减少背景吸收,试验选择加入基体改进剂。常见相关基体改进剂有硝酸、硝酸镁、磷酸二氢铵等[2-3]。其中硝酸经常被用作基体改进剂的助溶剂,可以分解有机物,消除基体干扰,但硝酸溶液体积分数过高时,会导致背景吸收增大,石墨管寿命缩短[7];硝酸镁主要用作助灰剂,在干燥和灰化阶段镁元素可以氧化物形式与待测元素形成稳定的共价键,从而延缓待测元素气化和减少待测元素损失,但是国产分析纯硝酸镁试剂空白值偏高,在一定程度上增加了尿样的背景吸收;磷酸二氢铵能降低氯化物对基体的干扰,是检测铅、镉元素的首选基体改进剂,但是其对吸光度测量具有干扰现象。氯化钯可以提高灰化温度、消除共存物质干扰、提高灵敏度,但其价格昂贵。鉴于此,试验选择在25.00μg·L－1基体匹配铝标准溶液中分别加入1%(体积分数)硝酸溶液、250 mg·L－1硝酸镁溶液、20 g·L－1磷酸二氢铵溶液和500 mg·L－1氯化钯溶液,每种基体改进剂均按照试验方法平行测定6次,计算不同基体改进剂所得测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

表2 不同基体改进剂所得测定结果(n＝6)Tab.2 Determination results obtained with different matrix modifiers(n＝6)

结果显示,和其他基体改进剂相比,以500 mg·L－1氯化钯溶液为基体改进剂时,背景峰低平,背景吸光度较低,基体干扰明显减少[8],同时铝吸光度较高,RSD 较低。因此,试验选择以500 mg·L－1氯化钯溶液为基体改进剂。

2.2 石墨炉升温程序参数的选择

2.2.1 干燥温度

干燥阶段主要为了去除溶剂。干燥温度过高时升温速率过快,容易导致尿样飞溅,引起样品损失,反之则干燥不彻底。试验选择以两步升温程序进行干燥,可以有效解决以上问题。

2.2.2 灰化温度

灰化阶段主要为了去除易挥发的基体和降低待测物分子吸收。为了得到最佳灰化温度,以25.00μg·L－1基体匹配铝标准溶液及25.00μg·L－1铝标准溶液为待测对象,在1 000～1 600 ℃灰化温度内测量铝吸光度,结果见图1。

图1 灰化温度对铝吸光度的影响Fig.1 Effect of ashing temperature on the absorbance of aluminum

由图1可知,当灰化温度为1 300～1 500℃时,两种标准溶液中铝吸光度均较大,随后降低。因此,试验设置了1 300,1 500 ℃两步灰化程序。

2.2.3 原子化温度

为了得到最佳原子化温度,以25.00μg·L－1基体匹配铝标准溶液及25.00μg·L－1铝标准溶液为待测对象,在2 000～2 500 ℃原子化温度内测量铝吸光度,结果见图2。

图2 原子化温度对铝吸光度的影响Fig.2 Effect of atomic temperature on the absorbance of aluminum

结果可知,当原子化温度为2 300 ℃时,两种标准溶液中铝吸光度较大且峰形较好。因此,试验选择以此温度进行原子化,并设置了较长的原子化时间,以消除铝元素峰的拖尾现象。

2.3 背景扣除方法的选择

目前,原子吸收光谱仪常用扣背景方法有氘灯扣背景法和塞曼效应扣背景法等。在检测尿液中铝时,多采用双光束-塞曼效应扣背景法,所得基线可保持长时间稳定且光能量在交流纵向磁场中损失较少,检出限较低。而氘灯扣背景法对检测波长350 nm 以下光谱带校正能力很强,光能量损失更少,灵敏度更好。因此,试验选用氘灯扣背景法进行分析。

2.4 工作曲线和检出限

按照试验方法测定基质匹配铝标准溶液系列,以铝的质量浓度为横坐标,其对应的吸光度为纵坐标绘制工作曲线。结果显示,铝工作曲线的线性范围在100 μg·L－1以内,线性回归方程为y＝6.800×10－3x＋2.150×10－2,相关系数为0.999 1。

按照试验方法重复分析样品空白11次,以3倍标准偏差(s)计算检出限(3s),所得结果为0.29μg·L－1。

2.5 精密度和回收试验

按照试验方法对人尿样进行低、中、高等3个浓度水平的加标回收试验,每个浓度水平做6个平行样,计算回收率和测定值的RSD,结果见表3。

表3 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

2.6 稳定性试验

当天分析完加标尿样(加标量25.00μg·L－1)后,将尿样分成两份,均储存于4 ℃冰箱中,再于第7,14 d分析,计算测定值与第1 d测定值的相对偏差。结果显示,第7,14 d的测定值均有所下降,相对偏差分别为－5.8%和－6.7%,绝对值均小于10%,说明尿样在14 d内可以保持稳定。

2.7 样品分析

采用本方法分析有铝暴露史20人(暴露组)以及无铝暴露史15人(对照组)的尿样。结果表明,暴露组尿样中铝检出水平(5.9～49.3μg·L－1)大于对照组的(3.9～11.3μg·L－1),说明方法可用于实际样品分析。

本工作优化了基体改进剂、石墨炉升温程序以及背景扣除方法,最大程度降低了基体干扰,方法的准确度、灵敏度和精密度较好,可用于人尿中铝含量的测定。