单颗粒ICP-MS应用：纳米管分析

随着纳米技术的应用日益频繁，各种纳米材料广泛应用于各类产品当中。碳纳米管（CNT）是使用Z广泛的纳米材料之一，其年生产量高达上千吨。其生产过程通常会用到金属催化剂，因此碳纳米管表面可能残留金属纳米粒子。

碳纳米管的透射电子显微镜（TEM）图像，深色区域为金属颗粒，附着在无定形石墨材料和长单壁碳纳米管上

测量碳纳米管上的金属含量是一项极大的挑战。XRF Z大的缺陷是它测量的是样品的金属总量，而不是单根或若干根碳纳米管上的金属。TEM 可以测量单根碳纳米管上的金属或纳米粒子，但过程十分缓慢冗长，一天之内只能测量少数几个碳纳米管样品。传统的 ICP-OES 和 ICP-MS 分析缺陷是它们需要完全消解碳纳米管，而鉴于其化学惰性，这将是一项巨大的挑战。

单颗粒 ICP-MS（SP-ICP-MS），无需样品消解，通过监测瞬态金属信号即可实现金属量的半定量测量。SP-ICP-MS 还可以在一分钟之内分别对上千根碳纳米管进行快速测量，从而预估粒子的个数和含量。

本文介绍了单壁碳纳米管（SWCNT）中钇（Y）（一种常用催化剂）的 SP-ICP-MS 测定方法。

样品

单壁碳纳米管是从溶液（Riverside，CA）中获取的，为粉末状。

仪器

NexION 2000 ICP-MS

实验结果

图2 显示了 Y 的 SP-ICP-MS 信号，其中每个信号峰代表一根单壁碳纳米管的 Y 信号。随着过滤孔径的越来越小，越来越少的碳纳米管可以通过滤膜，因此 Y 信号越来越小。这说明 Y 纳米粒子与碳纳米管结合在一起，当碳纳米管出现时，可以观察到 Y 信号，当碳纳米管被滤除时，Y 信号消失。

使用 Syngisitx 操作软件纳米模块，可自动计算分析中的峰数，显示本底脉冲和 Y 所生成脉冲的强度均值和中值。信号积分则反映出了单壁碳纳米管中的金属总量。该数值同使用酸消解后的样品信号，是一致的。

结论

使用SP-ICP-MS技术，可在无需消解碳纳米管（一个冗长繁琐的过程）的情况下准确量化碳纳米管中的金属杂质。使用金属杂质的含量可以推测单壁碳纳米管的计数浓度，有效拓展了 ICP-MS 在纳米材料领域的应用。

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随着纳米技术的应用日益频繁，各种纳米材料广泛应用于各类产品当中。碳纳米管（CNT）是使用Z广泛的纳米材料之一，其年生产量高达上千吨。其生产过程通常会用到金属催化剂，因此碳纳米管表面可能残留金属纳米粒子。

碳纳米管的透射电子显微镜（TEM）图像，深色区域为金属颗粒，附着在无定形石墨材料和长单壁碳纳米管上

测量碳纳米管上的金属含量是一项极大的挑战。XRF Z大的缺陷是它测量的是样品的金属总量，而不是单根或若干根碳纳米管上的金属。TEM 可以测量单根碳纳米管上的金属或纳米粒子，但过程十分缓慢冗长，一天之内只能测量少数几个碳纳米管样品。传统的 ICP-OES 和 ICP-MS 分析缺陷是它们需要完全消解碳纳米管，而鉴于其化学惰性，这将是一项巨大的挑战。

单颗粒 ICP-MS（SP-ICP-MS），无需样品消解，通过监测瞬态金属信号即可实现金属量的半定量测量。SP-ICP-MS 还可以在一分钟之内分别对上千根碳纳米管进行快速测量，从而预估粒子的个数和含量。

本文介绍了单壁碳纳米管（SWCNT）中钇（Y）（一种常用催化剂）的 SP-ICP-MS 测定方法。

样品

单壁碳纳米管是从溶液（Riverside，CA）中获取的，为粉末状。

仪器

NexION 2000 ICP-MS

实验结果

图2 显示了 Y 的 SP-ICP-MS 信号，其中每个信号峰代表一根单壁碳纳米管的 Y 信号。随着过滤孔径的越来越小，越来越少的碳纳米管可以通过滤膜，因此 Y 信号越来越小。这说明 Y 纳米粒子与碳纳米管结合在一起，当碳纳米管出现时，可以观察到 Y 信号，当碳纳米管被滤除时，Y 信号消失。

使用 Syngisitx 操作软件纳米模块，可自动计算分析中的峰数，显示本底脉冲和 Y 所生成脉冲的强度均值和中值。信号积分则反映出了单壁碳纳米管中的金属总量。该数值同使用酸消解后的样品信号，是一致的。

结论

使用SP-ICP-MS技术，可在无需消解碳纳米管（一个冗长繁琐的过程）的情况下准确量化碳纳米管中的金属杂质。使用金属杂质的含量可以推测单壁碳纳米管的计数浓度，有效拓展了 ICP-MS 在纳米材料领域的应用。

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二氧化铈CeO₂纳米颗粒广泛用于工业领域，一旦被排放到环境中，土壤很可能成为储存颗粒的主要介质。尽管如此，由于环境中含铈矿物丰富导致天然本底较高，而CeO₂纳米颗粒的含量非常低，因此检测和表征环境样品中的CeO₂纳米颗粒仍然是一项挑战。单颗粒ICP-MS（SP-ICP-MS）已被证明是一种检测和表征工程纳米颗粒的强大技术，特别是在极低浓度下（尤其是环境样品），因为该技术能够快速提供有关粒径、粒径分布和颗粒计数浓度的有关信息。

本文介绍了一种焦磷酸钠（TSPP）提取，并使用SP-ICP-MS技术检测土壤样品中CeO2纳米颗粒的有效方法。

样品

CeO₂纳米颗粒标准物质（30-50nm），US ResearchNanomaterials公司（美国德克萨斯州休斯顿市）。

溶解铈标准品，High-Purity Standards标液公司（美国南卡罗来纳州查尔斯顿市）。

土壤，密苏里科技大学校园内收集的5厘米表层土壤。使用前，将土壤在烘箱中100℃下干燥，随后用陶瓷研钵和研杵研磨成细粉。然后将粉末样品在室温下储存在塑料样品袋中，以备将来使用。

实验

所有样品分析均使用珀金埃尔默NexION^® ICP-MS（美国康涅狄格州谢尔顿）单颗粒模式进行。如表1所示，仪器操作条件经过优化，ZD灵敏度适于检测140Ce，这是储量最丰富的铈同位素，也不会受到干扰。

实验结果

为了确定CeO₂纳米颗粒的方法检出限（MDL），对由一系列0.5mg/L的CeO₂纳米颗粒用0.025mM焦磷酸钠溶液稀释得到的标准品中各种颗粒的浓度（范围在500至256000NPs/mL）进行了分析。如图1 所示，测得的颗粒浓度表明颗粒浓度范围在0.0078g/L至1g/L之间呈线性趋势。但当颗粒浓度进一步降低至小于0.0078g/L时，数据偏离了校准曲线。这表明目前确立的SP-ICP-MS方法能够精确检测ZD1700NPs/mL的CeO₂纳米颗粒，其灵敏度极高。

用2.5 mM焦磷酸钠对加标和未加标的土壤进行提取，然后通过SP-ICP-MS进行分析。图3显示了两个样品的结果原始数据。可以看出，在两种情况下都出现了连续和脉冲信号，表明在两种土壤样品中都存在溶解的和颗粒态的铈。

为了探究焦磷酸钠浓度对土壤中CeO₂纳米颗粒提取效率的影响，采用三种不同浓度的焦磷酸钠溶液（2.5mM，5 mM和10 mM）提取添加CeO₂纳米颗粒土壤样品，并比较提取率。表2显示2.5 mM和5 mM的焦磷酸钠可以有效地从土壤中提取颗粒和溶解的铈（包括小于粒径检测限的颗粒）。然而，10 mM的焦磷酸钠会导致回收率较高。因此，通过该SP-ICP-MS方法，用于分析土壤中CeO₂纳米颗粒的焦磷酸钠浓度应在2.5至5mM范围内。

结论

本文证明了通过使用珀金埃尔默公司的NexION ICP-MS和Syngistix纳米应用软件模块，SP-ICP-MS法可用于在土壤样品中准确检测CeO₂纳米颗粒。通过使用本文中所示的提取和检测方法，可以在不改变颗粒的理化性质的情况下，成功测定在天然土壤样品中添加CeO₂的颗粒计数浓度、粒径和粒径分布。

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随着纳米颗粒在消费品中的使用越来越广泛，纳米颗粒与人体的接触与迁移也越来越受到关注，并由此带来一个问题：消费品中的纳米颗粒会迁移到人体中吗？人们主要通过身体接触来与这些产品发生互动，所以有必要了解纳米颗粒是如何通过身体接触实现向人体迁移的。

本文探讨了纳米材料表面上的纳米颗粒如何迁移到抹布上，并集中讨论了纳米颗粒释放的几大特征：总质量浓度、颗粒数量浓度及颗粒尺寸分布。我们检测了因KJ性而被广泛使用的银纳米颗粒，及油漆涂层表面的氧化铜纳米颗粒的迁移情况。

样品

本项研究中，我们检测了两种不同的消费品：含银硅胶键盘膜和喷涂了含氧化铜涂料的木块（表1）。

表1.测试纳米颗粒经皮肤表层迁移所用的产品

实验

纳米颗粒迁移研究中，采用了以0.5毫升人工汗水浸湿的5 × 5厘米抹布通过擦拭方式进行检测的方法，按特定的重叠“S”路径擦拭，对于木块，在模拟磨损前后均进行了擦拭。按擦拭的相同方法用180目砂纸手动打磨木块三次，取得模拟磨损效果。

检查抹布上回收和提取的纳米颗粒，进行四次测试，如表2所述。这些测试均使用的是30纳米的银纳米颗粒（瑞典Cline 提供）和30-50纳米的氧化铜纳米颗粒（德国PlasmaChem公司提供）。

表2.回收和提取试验

所有样品分析均是使用PerkinElmer NexION^® ICP-MS 的单颗粒模式（SP-ICP-MS）下进行，并结合使用了Syngistix™纳米应用软件模块进行数据分析和处理。

表3.SP-ICP-MS分析的仪器参数

实验结果

首先分析键盘膜释放的银纳米颗粒。如图1所示，在三次擦拭过程中，只有一个键盘膜的银纳米颗粒数量有所增加。然而，所测试的三个键盘膜的抹布中迁移银纳米颗粒含量均不足ng/cm²单位质量浓度，可以忽略且不太可能会造成健康危害。

图1.用抹布擦拭时键盘膜上的银纳米微粒迁移情况。左边：每平方厘米迁移的微粒数量。右边：质量迁移，单位：纳克/平方厘米。误差线表示三个样本的平均值标准误差。“银对照样本”指不含银纳米微粒的键盘膜。

然后，分析喷涂涂料的木块。实际上未能从涂料中提取出氧化铜纳米颗粒，因为氧化铜纳米颗粒的数量和浓度与对照样本（不含纳米颗粒）相同，如图2所示。不过，对木块进行打磨后，氧化铜纳米颗粒的数量大幅增加（图2）。这表明，涂料磨损会使消费者接触到更多的氧化铜纳米颗粒。这尤其对儿童而言是一个问题，因为木块从手到口接触的频率较高。

图2.喷漆木块上的氧化铜纳米颗粒迁移情况。左边：每平方厘米迁移的颗粒数量。右边：质量迁移，单位：纳克/平方厘米。误差条形图表示三个样本的平均值标准误差。“氧化铜对照样本”指喷涂不含氧化铜纳米微粒涂料的木块。

结论

本研究调查了使用织物抹布替代模拟皮肤去接触消费品中的银和氧化铜纳米颗粒的迁移，并使用PerkinElmer提供的配有Syngistix纳米应用软件模块的NexION单颗粒ICP-MS进行数据收集和分析。在样本（硅胶键盘膜和涂漆木块）研究中，除表面有磨损的情况外，纳米颗粒的迁移可忽略不计。这些结果表明，消费者一般不用担心纳米颗粒会通过接触没有磨损迹象的产品而发生迁移至人体。

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精彩内容

研究建立一种对降尘中的纳米颗粒物进行提取，并使用 Agilent 8900 ICP-MS/MS 的单颗粒模式进行定量分析其质量浓度和等效球体粒径分布的方法。通过该方法可以快速准确的测定灰尘中含 10 种元素的纳米颗粒物的含量，并且可以检测经过模拟肺液暴露后的灰尘中的纳米颗粒物的变化，从而提供室内空气中的纳米颗粒物的种类、暴露量等信息。这些信息可以进而帮助研究人员更好地研究室内环境暴露风险对人体健康的作用。

室内空气标准的对细颗粒物的关注  

近期颁布的 GB/T 18883-2022 《室内空气质量标准》中新加入了细颗粒物（PM2.5）的标准，意味着对于细颗粒物对人体健康影响的重视程度的升级。近年来，大气中 PM2.5 对人体健康的影响是备受关注的研究方向，特别是对细颗粒物等进入人体呼吸系统并增加暴露人群的健康风险的颗粒物的研究。而比微米级颗粒物具有更大比表面积的纳米级粒径的颗粒物对人体健康的潜在危害要更大，但是目前国内外关于微米级的大气颗粒物的理化性质、粒径分布及来源等研究较多，但对于纳米级颗粒物的相关研究较少，其中分析方法是一个制约因素。随着近十年以来单颗粒（sp）ICP-MS 法在纳米颗粒物定量检测的应用愈加成熟，应用该方法研究大气颗粒物中的纳米级颗粒物的种类、大小、分布成为了很有吸引力的研究方向。

  室内灰尘中的纳米颗粒的提取  

本研究采集了某大学校园内的教室、食堂、宿舍等空间中的灰尘来进行。每个灰尘样品在混匀后取 20mg，用 40mL 的 0.25%（w/w）的柠檬酸钠溶液在水浴超声中分散。分散后的悬浊液在上机检测前，再次用水浴超声混匀，并用去离子水稀释 100 倍。

  模拟肺液暴露对纳米颗粒的影响  

使用 Gamble's 人工肺液溶液进行暴露实验。取 20mg 混匀后的灰尘样品置于 40mL 人工肺液溶液中，在 37°C 下震荡 24 小时。样品上机前用水浴超声分散并用去离子水稀释到适当浓度。

  单颗粒 (sp)ICP-MS 方法检测  

检测使用 Agilent 8900 串联四极杆 ICP-MS（ICP-MS/MS）。进样系统包括具有 1.0 mm 内径中心管的石英炬管（部件号：G3280-80081）、标准石英雾化室、标准玻璃同心雾化器和镍尖接口锥。样品通过蠕动泵进样。典型的仪器参数如表 1。

表 1. 该研究中 Agilent 8900 ICP-MS/MS 的仪器参数配置

大量纳米级颗粒物存在于室内空气中  

通过单颗粒 ICP-MS（spICP-MS）法定量分析室内灰尘中含有 Al、Mg、Si、Ti、Cr、Fe、Cu、Zn、Ba、Pb 等元素的纳米级颗粒物的质量浓度和粒径分布（以对应的氧化物计）。结果表明，室内灰尘中存在含有上述元素的纳米级颗粒物，并且在公共空间和个人空间中的含量有一定的差异，其中含 Mg、Al、Si、Fe 的颗粒物粒径在 100-500nm 为主，而含 Ti、Cr、Cu、Zn、Ba、Pb 的颗粒物粒径主要集中在 20-100nm 范围。

图 1. 室内公共区域灰尘中含 Ti（以 TiO2 计）、Cr（以 Cr2O3 计）、Cu（以 CuO 计）、Pb（以 PbO 计）的纳米颗粒物的粒径分布。

  肺液暴露对纳米颗粒物的影响  

与灰尘中存在的纳米颗粒物相比，暴露于肺液后的金属纳米颗粒物表现出团聚、粒径增大的趋势，并部分溶解释放出相应的金属离子。这些变化进一步增加了纳米颗粒物沉积在呼吸系统和产生大量自由基的风险。

图 2. 室内公共区域灰尘中含 Zn（以 ZnO 计）和 Cr（以 Cr2O3 计）在初始状态和经过肺液暴露后的粒径分布变化。

结 语

本研究证明了应用 spICP-MS 法定量分析大气颗粒物中的纳米级颗粒物的可行性，今后也将进一步探索该方法的定量准确性和精密度。用分析结果进行人体健康风险评估，表明了含有多元素纳米颗粒物的室内粉尘可以通过产生更多的自由基来诱导氧化应激。在这样的室内环境中长期生活可能会引发健康风险。

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      纳米技术是一个快速发展的新兴领域，其发展和前景也给科学家和工程师们带来了许多巨大的挑战。纳米颗粒正在被应用于众多材料和产品之中，如涂料（用于塑料、玻璃和布料等）、遮光剂、KJ绷带和服装、MRI造影剂、生物医学元素标签和燃料添加剂等等。然而，纳米颗粒的元素组成、颗粒数量、粒径和粒径分布的同步快速表征同样也是难题。对于无机纳米颗粒，Z为满足上述特点的技术就是在单颗粒模式下应用电感耦合等离子体质谱分析法（ICP-MS）。使用ICP-MS分析单纳米颗粒时，需要采用有别于溶解元素测量的另一种不同方式。本文介绍了单颗粒ICP-MS测量背后的理论，并通过溶解态元素的分析进行比较，提出差异。

了解单颗粒ICP-MS分析

      如需通过ICP-MS有效地检测和测量单纳米颗粒，则需以不同于溶解样品分析时的方式操作仪器。溶解样品和单纳米颗粒分析的响应信号如图1所示。在图1a中，稳态信号来自于溶解元素的测量；检测单颗粒时的信号呈现脉冲状，如图1b中60 nm银颗粒检测信号所示。在图1b中，每个峰代表一个颗粒。数据采集方式的差异是理解单颗粒分析的关键，要理解这部分内容，Z为简单的方法就是分析与比较溶解态元素和颗粒测量时所

涉及的流程。

使用ICP-MS进行溶解态分析

      在测量溶解态元素时，气溶胶进入等离子体，液滴得到去溶剂化与电离化。产生的离子进入四极杆，通过其质荷比（m/z）进行分辨。四极杆在各质荷比（m/z）停留一段时间，然后移动到下一质荷比（m/z）；各质荷比（m/z）的分析时间被称作“驻留时间”。在各驻留时间的测量完成之后，执行下一次测量之前，通过一定时间进行电子器件的稳定。该时间段被称作“稳定时间”，即暂停和处理时间。在分析溶解态元素时，产生的信号基本上属于稳态信号，如图2a所示。然而，考虑到驻留时间和稳定时间，由于存在电子器件的稳定时间，因此检测信号其实是不连续的，而这是纳米颗粒分析时的一个关键点（图2b）。

图1. a）溶解分析物测量的连续信号；b）60 nm银纳米颗粒测量的信号。

对于溶解态离子，因为元素溶解并产生连续信号，所以错过的部分信号并不重要。

使用ICP-MS进行单颗粒分析

       以相同于溶解态溶液的方式，将水溶液中的颗粒引入等离子体。当液滴在等离子体中去溶剂化时，产生的颗粒经过电离化产生大量离子（每个颗粒形成一个离子云）。随后，离子进入四极杆。然而，使用传统的ICP-MS数据收集方式，且在驻留时间和稳定时间之间交替时，无法始终检测到离子云。例如，如果离子云恰好落在驻留时间窗口内，则可以被检测到。否则，如果离子云在稳定时间内进入四极杆或到达检测器，则无法被检测到，从而导致计数不准确。如图3a所示，如果单颗粒（“信号”峰）的离子云落在驻留时间窗口之外，则可能无法被检测到。如图3b所示，当单颗粒的离子云落入驻留时间窗口内时，可以检测到该离子云。当快速连续检测到多个颗粒时，所得到的信号是一系列峰，各个峰都来自于某一颗粒，具体如图3c所示。

图2. a）溶解态元素测量的连续信号；b）连续信号，其驻留时间和稳定时间重叠，仅在停留时间内收集数据。

单颗粒ICP-MS的时间参数

       图4显示的是ICP-MS分析中涉及的时间参数。三个坐标轴分别代表信号强度、质荷比（m/z）和时间。对于常规/溶解态分析，质荷比轴和信号强度轴的重要性Z高：所得出的谱图是m/z与信号强度的图表。在考虑四极杆从质荷比到质荷比的移动速度时，时间轴具有重要意义，而此参数被称为“四极杆扫描速度”。在测量瞬态信号的多个元素（如激光烧蚀和多元素形态分析）时，四极杆扫描速度具有重要作用。

图3. a）单纳米颗粒的信号落在驻留时间/测量窗口之外，因此未被检测到；b）单纳米颗粒的信号落入驻留时间/测量窗口内，因此被检测到；c）多个纳米颗粒的信号落入驻留时间/测量窗口内并被检测到。

图4. ICP-MS分析的时间参数。

      在测量单个m/z的瞬态信号时，时间轴具有较高的重要性，因为必须获取足够的数据点以形成一个数据峰。例如，使用HPLC/ICP-MS时，通常4-10点/秒足以形成一个峰。HPLC峰与单颗粒信号之间的对比显示，各颗粒离子团的峰宽度通常是HPLC产生的峰宽的千分之一。因此，单颗粒分析获取数据的速度必须非常快。时间轴变为“瞬态数据采集速度”，其中涉及驻留时间和稳定时间。瞬态数据采集速度越快，系统就越适用于单颗粒分析。

      在单颗粒ICP-MS中，瞬态数据的采集速度由两个参数组成：驻留时间（读取时间）和稳定时间（暂停和处理时间）。十分重要的是，ICP-MS采集信号所需的驻留时间少于颗粒瞬态时间，从而避免因部分颗粒合并、颗粒重合和团聚/聚集产生的错误信号。稳定时间越短，颗粒遗漏的可能性就越小。图5展示了驻留时间（100μs）和时间窗口恒定的条件下，缩短稳定时间的重要性。如图5a所示，仅有两个100μs的窗口用以检测颗粒；其余时间暂停采集信号，无法获取数据。在这种情况下，一秒钟内仅进行约100次测量。因此，大部分时间都被浪费了。图5b采用相同的驻留时间窗口，但稳定时间为100μs。因此，测量和寻找纳米颗粒所花费的时间更长，即一秒钟内进行约5,000次测量。但是，仍然有一半的时间被浪费了。图5c显示的是不存在稳定时间的理想情况。一秒钟内可进行10,000次测量，不存在时间浪费的情况，所有时间皆用于寻找纳米颗粒，这是单颗粒ICP-MS的理想情况。

图5.稳定时间和驻留时间对ICP-MS测量的影响：a）沉稳定时间比驻留时间长得多；b）稳定时间等于驻留时间；c）不存在稳定时间。

图6.驻留时间和稳定时间对单纳米颗粒测量的影响：a）检测到两个颗粒；b）检测到一个颗粒；c）检测到一个颗粒的前半部分；d）检测到一个颗粒的后半部分；e）未检测到颗粒。

单颗粒多次测量：理想情况

       参见图6了解快速数据采集在单颗粒测量过程中的重要性。在该图中，上部表示单颗粒脉冲，其与驻留时间和稳定时间相关，而下部则表示相应的质谱仪响应（强度对时间）。如图6a所示，在单一驻留时间窗口中检测到两个颗粒，导致响应强度相当于检测到一个颗粒时的两倍，此时并非理想情况。如果仪器驻留时间超过纳米颗粒的瞬态脉冲，则很容易遇到这种情况。如图6b所示，在驻留时间窗口中检测到单个颗粒，产生的信号是图6a的一半大小，得到准确的数据。图6c和图6d显示的是不理想的情况，其中仅检测到颗粒的部分离子脉冲，信号强度因此较小，无法jing准确定颗粒的尺寸。图6e显示的是Z不理想的情况，其中的颗粒落在驻留时间窗口之外，并未被检测到。这些例子证明了快速连续数据采集功能的重要性。在该功能中，数据的连续采集不受到稳定时间的影响，保证了颗粒计数的准确性，使每个进入等离子体的颗粒都被纳入计数。

      快速连续数据采集的另一个好处是可以从单个颗粒获得多个数据点，从而消除颗粒遗漏，或仅检测到颗粒部分离子云的情况。图7显示了具体的测量方法。如图7a所示，来自单个颗粒的信号经过多次测量。将各时间片段的信号绘制成图，构成一个峰。当检测到多个颗粒时，产生的峰是一系列时间片段，具体如图7b所示。

       图8a和8b显示了数据点如何绘制为单颗粒的信号峰。如图8a所示，以快速连续模式（无稳定时间）收集数据时，驻留时间为100 µs。在前1.6秒，可以看出峰由6个点确定。如图8b所示，驻留时间减少至50 µs，可使获取的数据点达到两倍之多。因此，峰形由12个点确定，峰形更加明确。这一示例证明了尽可能多采集数据点的好处。

图7.各颗粒多个测量值的测量对以下方面的影响：a）单颗粒；及b）顺序检测的多颗粒。

图8.取得各颗粒多个测量值的能力：a）各颗粒的6个数据点；b）各颗粒的12个数据点。

总结

如上文所述，相较于溶解态元素的测量，使用ICP-MS测量单颗粒有着很大不同。在测量单颗粒时，Z重要的因素是获取数据的速度：由于颗粒电离时间大约为微秒级，因此关键的是保证快速数据采集，以及在多次测量之间消除稳定时间。连续测量功能支持单颗粒电离后被多次读数，这有助于更为准确地确定颗粒尺寸。对于单颗粒ICP-MS分析，在小于或等于100 µs的驻留时间内进行连续数据采集是纳米颗粒精确计数和粒度确定的Z重要仪器要求。

利用 NexION 1000 ICP-MS 的通用碰撞 / 反应池技术分析饮用水中微量元素

简介 

       饮用水的主要来源包括河流、湖泊和地下水。由于地质情况和供水区域的人类活动不同，这 些水体中的元素浓度差异很大 ¹ 。随着这些区域内的城镇化、工业化、矿业以及农业的发展，人们对监控饮用水中有害成分的需求正变得越来越强烈。许多国家已经制定了生活用水和饮用水必须达到的严格标准（表 1）^2-9。这些标准要求分析仪器必须能够达到检测下限，确保准确、精确定量微量元素浓度。

表 1 不同地区的水质监管条例

       * 法规未规定，仅提供建议值。

       在过去三十多年里，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS） 因具有线性动态范围宽、同位素测定能力、分析速度快、检出限低等优点，作为饮用水痕量金属的分析手段已经获得业界普遍认可。但是，与所有其他分析技术一样， ICP-MS 亦无法完全摆脱干扰的影响。基于等离子体和基体的多原子干扰，例如 ArAr⁺、ArO⁺、ArH⁺ 和 ArCl⁺ 等， 属于 ICP-MS 的固有干扰，需要使用校正方程、碰撞或反应气体的方式校正干扰。当多原子干扰与待测元素信号的比值超过四个数量级时，反应气体对分析痕量的元素极有帮助。相比之下，当干扰不那么强烈时，可以使用惰性气体，通过动能甄别技术（KED）有效克服干扰。

       通常来说，ICP-MS 仪器需要使用两种或以上的气体， 以便在单次样品分析中实现碰撞和反应模式。在本文中， 我们在 NexION^® 1000 ICP-MS 上使用一路气体混合物， 同时实现碰撞和反应模式。借助这一特殊方法，分析实验室能够提高检测效率，同时确保定量限低于上述法规要求的Z低检出限^2-9。

       实验 

       样品制备 

       按照表 2 所示浓度，在 2% HNO₃（体积比）中配制校 准标样。选择该浓度范围，目的是包含不同饮用水质标 准规定的所有目标值（表 1）。在配制过程中，选择使用六点校准法，因为该方法经过证明，产生的统计方差 Z小 ¹⁰。但值得注意的是，这一范围可以缩小，以便满 足终端用户所遵循的具体导则要求。使用在线加内标的 方式，向所有标样和样品添加内标。鉴于活性炭是许多 水处理工艺中的重要添加剂，因此按照 FDA 推荐，向内标中添加 1% 异丙醇（IPA），以减小 Se 和 As 的碳增应 ¹¹。为了有效涵盖待测元素的质量范围和电离能， 使用若干种不同内标（表 2）。内标浓度各不相同，以便 校正电离能和同位素丰度的变化。为了促进汞（Hg）的洗脱，向所有样品和标样中添加 200 mg/L 的金（Au）， 并用 2% HNO₃ 将所有样品酸化，以保护溶液中的元素。 本法中使用的同位素和分析模式参见表 3。

       在分析前，对一份初始校准确认样品（ICV）和一份标准物质（SRM）进行分析，以确保校准曲线的准确性。 通过对三份有证标准物质（CRM），即 1640a 天然水、 1643f 水（NIST™, Rockville, Maryland, USA）、和水中微量金属（High Purity Standards™, Charleston, South  Carolina, USA），进行分析（每份标准物质一式三份进行分析）证明本方法的精密度。此外，还采取了其他质量控制措施，包括每 10 份样品进行一次连续校准确认样品分析和对加标样品进行一式三份分析。由于饮用水中的 Ca 含量很高，因此未对 Ca 进行加标回收。本文文末使用耗材表汇总了分析中使用的所有耗材。

表 2 校准标样中的待测元素相对浓度表

       + 由于天然丰度不同，因此对三个 Pb 同位素浓度进行读取和汇总。 

       * 许多标准都不作要求，仅供参考。

表 3 不同元素推荐同位素和分析模式

       仪器  

       所有分析均使用 NexION 1000 ICP-MS（PerkinElmer  Inc., Shelton, Connecticut, USA），按照表 4 所示条件进行。分析是使用通用碰撞 / 反应池技术，在碰撞（KED） 和反应（DRC）模式下进行的。反应模式下的选择性带 宽过滤也有助于减少干扰，在该技术下，超出 m/z 阈值的离子被从反应池中快速排除 ¹²。因此，RPq 被分别设定为0.45（碰撞模式）和0.65（反应模式）。在两种模式下，含 7% H₂ 的 He（体积比）混合气体都非常有效，能够 GX地、有针对性地去除干扰。另外，为了保持检测效率， 使用一个方法分析所有元素，从而避免在分析过程中碰 撞 / 反应池需要不断地排气 / 充气。在碰撞模式下，使 用相同的气体混合物，通过碰撞消除多原子干扰。

表 4 NexION 1000 ICP-MS 仪器参数

       结果与讨论 

       在开始分析前，有必要确认校准曲线的准确性。因此，需要在读取校准标样之后，直接测量一份初始校准确认样品（ICV：所有元素均为 50 ppb，Hg-5 ppb 和 Th-0.5  ppb 除外）和一份标准物质（SRM：将 ICS 18 稀释至 20 ppb Se，作为中位浓度校准确认样品），确认测量值 与预期浓度相符（图 1）。 为了评估本方法的精密度，对三份有证标准物质进行一 式三份分析；平均结果如图 2 所示。所有 CRM 浓度均 在认证数值 ±10% 范围内，证明本方法的精密度是可 靠的。另外，还使用一式三份加标自来水样品分析进行 质量控制（图 3，所有元素的加标浓度为 10 ppb，Th 和 Hg 除外，均为 0.5 ppb），分析结果显示，加标回收率都在 90% - 110% 之间，证明本方法适用的线性动态范围较大。

图 1 分析开始前 ICV 和 SRM 标样回收率（%）

图 2 NIST 1640a、1643f 和水中微量金属（TRW）有证标准物质的回收率

图 3 自来水中加标元素的平均加标回收率

       证明方法的准确度和精密度后，在分析开始后，使用单 点校正法，通过在 13 小时内，每 10 个样品测量一次 CCV 的方式，评价方法长期稳定性（图 4）。CCV 测量值显示本法在13小时内具有良好稳定性，无需重新校准。图 5 展示了本方法的检出限（确定为 10 份空白样品重 复读取标准偏差的 3 倍），将这些数值与表 1 中列出的饮用水容许限值（TWQG）进行比较。比较结果显示， V、Co、Se、Ag、Hg、Ba 和 Pb 的检出限低于 10 ppt， 而 Cd、Sb、Tl、Th 和 U 的检出限低于 1 ppt。本文所示方法检出限证明，在 NexION 1000 ICP-MS 上使用通用碰撞 / 反应气体技术，能够轻松对天然饮用水中的金属和非金属元素浓度进行定量。

图 4 在不重新校准情况下，在 13 小时期限内，每 10 个样品进行一次连续校准确认样品评估

图 5 在 NexION 1000 ICP-MS 上使用通用碰撞 / 反应池比较方法检出限和饮用水金属Z低容许限值

       结论 

       本文证明，NexION 1000 ICP-MS 使用一路通用碰撞 / 反应气体，检出限低于饮用水标准规定的检出限要求。由于 ⁷⁸Se 的离子化效率和天然丰度低，因此在分析微量 Se 浓度方面 NexION 1000 ICP-MS 性能尤其zhuo越，方法检出限低于 10 ppt，而这在业内普遍被认为难以实现。通过分析有证标准物质和加标自来水样品，已经确认了本方法的准确性和精密度，同时，单点校准法亦证明了本方法在 13 小时内具有良好稳定性。NexION 1000 ICP-MS 结合其独 特的通用碰撞 / 反应气体技术，不仅能够提高检测效率，还能同时满足许多高通量实验室对低检出限的要求。

       使用耗材

       请注意，校准标样是使用单份标准溶液配制的，以便满足不同目标水质导则规定的浓度范围要求。 针对更加具体的应用，可以使用多元素溶液（20 mg/L Ag、Al、As、Ba、Be、Cd、Co、Cr、 Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Sb、Sb、Se、Th、Tl、U、V、Zn: N9303816）和 Fe 单元素溶液 （1000 mg/L：N9304237）和 B 单元素溶液（1000 mg/L：N9304210）。

       参考文献 

       1.Adomako D et al. 2008. Environ. Monit. Assess.  141:165–175. 

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       3. Health Canada. 2017. Guidelines for Canadian Drinking  Water Quality Summary Table. Water and Air Quality Bureau,  Healthy Environments and Consumer Safety Branch, Health  Canada, Ottawa, Ontario. 

       4. Ministry of Health of China. 2007. Standards for  Drinking Water, National Standard of the People’ s Republic  of China, China.  

       5. EU's drinking water standards. 1998. Quality of water  intended for human consumption. http://www.lenntech.com/ applications/drinking/standards/eu-s-drinking-water-standards.  htm#ixzz4tEtNMQzP. Accessed on 20 September 2017. 

       6. Bureau of Indian Standards. 2012. Indian Standard—Drinking  Water-Specifification 2nd Edition, New Delhi, India.

       7. Department of Water Affairs and Forestry. 1996. South  African Water Quality Guidelines 2nd Edition, Volume 1.  

       8. United States Environmental Protection Agency. 2009.  National Primary Drinking Water Regulations. Report no.  EPA 816-F-09-004. https://www.epa.gov/ground-water-and- drinking-water/national-primary-drinking-water- regulations#Inorganic Accessed on 20 September 2017.           9. World Health Organization. 2017. Guidelines for Drinking- Water Quality 4th Edition. 

       10. Ellison, S., Barwick, V., Duguid Farrant, T. (2009).  Practical statistics for the analytical scientist, a bench guide.  2nd Edition. RSC Publishing. 25-172. 

       11. FDA. 2015. Elemental Analysis Manual for Food and Related  Products Chapter 4.7 pp 1-24. 

        12. Thomas R. Practical Guide to ICP-MS: A tutorial for  beginners. 3rd Ed. pp 81.

上次我们介绍了单颗粒ICP-MS 的原理，可以高分辨的检测到每个小至纳米尺寸的颗粒中的元素类型，颗粒尺寸，并可以统计样品中纳米颗粒的粒径分布。每个纳米颗粒产生一个脉冲峰，所得信号的强度同颗粒尺寸相关，脉冲数与颗粒浓度相关。这种技术基于超快速扫描时间的四级杆质量分析器，目前已经可以达到10µs 的采样时间，1 秒钟就能采集多达100000 个数据点。

利用单颗粒ICP-MS的快速采样时间的技术，搭配专用的进样系统，就可以分析每个细胞中的金属含量，称为单细胞ICP-MS。细胞逐个进入等离子体，被电离，内部金属产生的离子云被ICP-MS 检测。在单细胞ICP-MS 分析中，每个细胞被看做是一个单独的个体或粒子，可以产生自己的离子云。

准确地定量单个细胞的金属含量，可以更好的理解单个细胞对金属和/或含金属纳米颗粒的吸收和清除机制，含金属药物与细胞相互作用的机制，以及营养物质在细胞群中的分布。传统的测量细胞中金属含量的方法使用名义质量浓度，即假设金属在细胞间的分布是相等的，从而忽略了在单细胞水平上金属分布和变化的重要信息。

使用单细胞ICP-MS，我们可以获得以下信息

每个细胞的金属含量

细胞群的金属含量分布

含有金属或纳米颗粒的细胞浓度

每个细胞的纳米颗粒数量

将纳米颗粒设计为同时携带药物和成像探针的模式，以便同时检测和ZL癌症。还可将其设计为专门针对机体病变组织和细胞的模式。纳米颗粒相对传统小分子药物，具备以下优势（i）延长体内循环时间；（ii）减少非特异性细胞摄取、意外偏离目标和副作用；以及（iii）通过特定癌细胞靶向部分来提高细胞相互作用。很多基于纳米粒子的癌症疗法已获准在临床上使用和/ 或目前正在开发中。

金纳米颗粒AuNP

制备柠檬酸盐稳定剂的50 nmAuNP，并聚乙二醇化。

癌细胞

人类T24 膀胱癌细胞。在组织培养处理过的培养皿上采用McCoy 培养基（补充10% FBS），将细胞培养为单层细胞。

摄入实验

以每孔一百万个细胞的密度接种T24 癌细胞，并在37 ℃（5% CO2）的温度下培养24 小时，以确保细胞粘附在培养皿表面。然后，在浓度为0.4nM AuNP 的McCoy 培养基（补充10% FBS）中，让细胞和50 nm聚乙二醇化的AuNP 接触4 小时。形成Z终浓度为100,000 个细胞/mL 的单细胞悬浮液。

结论

结果表明，每个细胞吸收的AuNP 分布并不均匀，特定细胞群内的某些细胞比其他细胞明显摄取更多AuNP。SC-ICP-MS 是一个强大的分析工具，可在单个细胞水平上量化元素浓度和纳米粒子的分布。这项技术在单细胞基础上，具有提供的纳米粒子-细胞相互作用差异新见解的潜力。

扫描二维码，即可下载珀金埃尔默使用单细胞ICP-MS 法定量癌症细胞对金纳米粒子的摄取率应用报告。