《Journal of Hazardous Materials Advances》：In vivo quantification of toenail manganese and mercury in environmentally exposed US adults with the portable X-ray fluorescence system
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目的：便携式X射线荧光光谱仪（portable X-ray fluorescence, XRF）是一种用于量化生物标志物中金属浓度的新技术。趾甲是评估中至长期锰（manganese, Mn）和汞（mercury, Hg）暴露的有效生物标志物。研究人员先前的工作
目的：便携式X射线荧光光谱仪（portable X-ray fluorescence, XRF）是一种用于量化生物标志物中金属浓度的新技术。趾甲是评估中至长期锰（manganese, Mn）和汞（mercury, Hg）暴露的有效生物标志物。研究人员先前的工作研究了该设备的校准方法学，并在职业暴露人群中评估了其性能。在本研究中，进一步在低水平环境暴露的一般人群中评估了该设备的性能。此外，还比较了裸趾甲和有机玻璃（Lucite）支撑两种校准方法，以评估仿体几何结构对活体（in vivo）趾甲Mn和Hg定量的影响，以及延长测量时间对系统灵敏度的改善。
材料与方法：来自美国印第安纳州一般人群的70名成年人接受了便携式XRF系统的活体趾甲测量。其中57名参与者的测量时间为3分钟，13名参与者为5分钟。随后收集趾甲剪屑，并使用电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）进行分析，以便与便携式XRF测量结果进行比较。活体浓度分别使用有无有机玻璃（Lucite）支撑的校准曲线进行计算。
结果：便携式XRF和ICP-MS测得的平均Mn浓度分别为0.41 ± 2.43 ppm和0.32 ± 0.31 ppm；相应的Hg浓度分别为2.04 ± 0.75 ppm和0.66 ± 1.02 ppm。两种技术之间观察到Mn（R = 0.33）和Hg（R = 0.30）的正相关性。裸趾甲仿体校准曲线得出的Mn和Hg浓度估计值始终高于有机玻璃（Lucite）支撑的曲线。此外，延长测量时间对系统灵敏度的提升有限。
结论：便携式XRF在低环境暴露人群中显示出用于活体趾甲Mn和Hg定量的潜力。设备校准中应加入组织等效支撑材料，以更好地代表活体测量几何结构。延长测量时间可在辐射剂量可忽略不计的情况下提高系统灵敏度。
论文解读
一、研究背景与问题提出
锰（manganese, Mn）和汞（mercury, Hg）的过量暴露对人体健康具有已知的不良影响。职业性Mn过度暴露的毒性已被广泛认知，而通过受污染食物和饮用水等途径导致的低水平环境暴露的健康风险仍存争议。Hg是一种有毒重金属，海产品中常见的有机汞化合物甲基汞（methylmercury, MeHg）是环境Hg暴露的主要来源。与Hg暴露相关的神经系统疾病在成人中可显现，但在胎儿和婴儿中更为显著，可能导致发育性脑功能障碍和早期感觉运动功能障碍。
趾甲是评估Mn和Hg累积暴露的有效生物基质，因为这些金属可在趾甲中积累数月至数年，而血液和尿液中的这些金属生物标志物主要反映过去1-2个月内的暴露。已有研究表明，趾甲Mn浓度与儿童及孕期和产后妇女饮用水中的Mn水平存在显著相关性，并且居住在铁锰精炼厂附近的居民，其趾甲Mn浓度与较差的神经心理学测试表现相关联。此外，趾甲也被广泛用于测量Hg暴露，包括评估其与认知功能、肌萎缩侧索硬化症、儿童自闭症以及婴儿呼吸系统疾病和神经发育终点等健康结局的关系。
便携式X射线荧光光谱仪（portable X-ray fluorescence, XRF）是一项新兴技术，可实现非侵入性的活体（in vivo）金属定量。与传统的电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）相比，便携式XRF无需进行趾甲剪屑的消解或基于实验室的化学分析，从而简化了样品采集和制备流程。
在前期工作中，研究人员已针对活体Mn和Hg定量校准了便携式XRF设备，并在职业暴露人群中评估了其对人体趾甲的活体Mn和Hg测量与ICP-MS结果的对比。由于该研究涉及相对较少的职业暴露参与者，且其Mn和Hg浓度较高，因此该方法在暴露水平较低的人群中的适用性尚不明确。本研究的主要目标是在一个更大的、具有环境相关Mn和Hg暴露水平的人群中评估便携式XRF的性能。此外，还比较了使用裸趾甲仿体和有机玻璃（Lucite）支撑的趾甲仿体建立的校准曲线，以评估仿体几何结构对活体趾甲Mn和Hg定量的影响。
二、研究方法概述
本研究招募了70名居住在美国印第安纳州的普通成年居民，均无已知的职业性Mn或Hg暴露史。研究人员使用同一台便携式XRF系统（Thermo Niton XL3t GOLDD+）对所有参与者进行了活体趾甲测量，前57名参与者测量时间为3分钟，后13名为5分钟。测量后收集所有脚趾的趾甲剪屑，用于ICP-MS分析。便携式XRF的活体浓度通过两种预先建立的校准曲线（一种基于裸趾甲仿体，另一种基于1 cm Lucite支撑的趾甲仿体）计算得出。数据分析采用Pearson相关分析和线性回归，以评估便携式XRF与ICP-MS测量结果之间的关系。
三、研究结果
3.1 研究人群
共有70名参与者接受便携式XRF测量，其中33名女性，37名男性，平均年龄64±11岁。其中50名参与者提供了趾甲剪屑用于ICP-MS分析，最终有48对数据纳入Mn和Hg的对比分析。
3.2 利用活体测量评估校准曲线
对于Mn，使用裸趾甲仿体校准曲线计算的活体平均浓度为0.71±2.34 ppm，而使用Lucite支撑校准曲线的结果为0.49±2.42 ppm，两者平均差值为0.22 ppm（p<0.001）。对于Hg，相应数值分别为2.07±0.73 ppm和2.01±0.71 ppm，平均差值为0.06 ppm（p<0.001）。由于活体趾甲下方存在软组织，研究人员认为1 cm Lucite支撑更接近真实测量几何条件，因此后续定量均采用Lucite支撑校准曲线。
3.3 活体趾甲Mn和Hg浓度
在48名参与者中，便携式XRF测得的平均Mn和Hg浓度分别为0.41±2.43 ppm和2.04±0.75 ppm；而ICP-MS测得的对应浓度分别为0.32±0.31 ppm和0.66±1.02 ppm。男性和女性参与者的活体Mn和Hg浓度未见显著差异。
3.4 便携式XRF与ICP-MS结果的比较
便携式XRF与ICP-MS的Mn测量结果呈正相关（R=0.33），回归分析的β系数为2.65（95%CI: 0.40至4.90, p=0.02）。排除负的XRF Mn浓度估计值后，相关系数R略升至0.35，但β系数的显著性消失（p=0.06）。Hg测量的相关系数为R=0.30，β系数为0.22（95%CI: 0.01至0.43, p=0.04），但截距高达1.90 ppm（p<0.001）。
3.5 便携式XRF灵敏度与测量时间的关系
将测量时间从3分钟延长至5分钟后，Mn测量的平均不确定度从1.78±0.23 ppm降至0.95±0.16 ppm，降低因子约为1.87±0.80；Hg测量的平均不确定度从0.24±0.01 ppm降至0.21±0.02 ppm，降低因子为1.14±0.36。由此估算的活体检测限（detection limit, DL）Mn为3.56 ppm，Hg为0.48 ppm，与前期仿体研究的DL值相当。
四、讨论与结论总结
讨论部分：研究人员发现，裸趾甲仿体校准会导致Mn和Hg浓度估计值的系统性偏高，而Lucite支撑配置因考虑了趾甲下方的软组织，被认为更能代表活体测量几何条件。本研究中便携式XRF与ICP-MS的相关性（Mn: R=0.33; Hg: R=0.30）弱于此前在职业暴露人群中的结果（Mn: R=0.58; Hg: R=0.74），这很可能归因于环境暴露人群中的金属浓度显著更低。此外，便携式XRF测量的是完整趾甲的中央部位，而ICP-MS分析的是远端趾甲剪屑，两者取样的是不同的趾甲生长时间段，这也可能削弱了相关性。Mn测量的不确定性较大，主要是由于低浓度下Mn峰难以从背景噪声中区分，且存在一个约6.2至6.3 keV的干扰峰。Hg测量中观察到的显著正截距（1.90 ppm）可能源于仪器自身钨（tungsten, W）的Lβ2峰残留贡献，其在低Hg水平下导致高估。延长测量时间带来的灵敏度改善与理论预期基本一致，且增加的辐射剂量（约3.3 μSv）远低于每日自然本底辐射（约10 μSv）。
结论部分翻译：研究人员证明了便携式XRF作为一种非侵入性工具，在活体趾甲中评估累积性Mn和Hg暴露方面的潜力。在主要为低水平的暴露条件下，Mn测量的测量不确定性较大，而Hg测量则显示出与ICP-MS结果的系统性差异。将采集时间从3分钟延长至5分钟可在保持相对于宇宙源每日自然本底辐射可忽略不计的辐射剂量的同时，略微改善测量灵敏度。在当前阶段，对于测量低水平Mn暴露人群的趾甲Mn浓度，便携式XRF尚不能充分替代ICP-MS。为了将该技术的应用扩展到评估低水平环境Mn和Hg暴露，可能需要持续优化光谱拟合和背景校正方法，以降低测量不确定性、改善检测限，并提高活体趾甲Mn和Hg暴露评估的准确性和可靠性。
