《Microchemical Journal》：Single particle ICP-MS detection of metal oxide nanoparticles in human samples, providing a powerful tool to assess the population exposure and risk assessment
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金属氧化物纳米颗粒（MONPs）在人类生物监测中的应用及SP-ICP-MS方法验证。本研究通过单颗粒电感耦合等离子体质谱（SP-ICP-MS）方法，实现了Al?O?、Cr?O?、TiO?、ZnO等十种MONPs在尿、血样本中的高效检测，灵敏度达<10 nm（尺寸）和0.01 μg/L（浓度），分析时间仅需60秒，填补了现有生物监测标准化方法的空白，为纳米材料健康风险管控提供技术支撑。
Beatrice Battistini|Chiara Cappella|Giorgia Danese|Antonio Facchiano|Beatrice Bocca
意大利罗马高等卫生研究院环境与健康系
摘要
背景
通过人体生物监测（HBM）评估金属氧化物纳米颗粒（MONPs）的暴露情况，对于评估可能接触这些物质的人群的风险水平具有关键作用。目前，关于MONPs日益增加的使用对人类健康的暴露和风险的数据尚不充分，而且目前使用的化学-物理分析方法尚未达成科学共识。为此，开发了一种基于单颗粒电感耦合等离子体质谱法（SP-ICP-MS）的分析方法，用于表征不同类型的MONPs（Al?O?、CeO?、Co?O?、Cr?O?、CuO、Mn?O?、NiO、TiO?、ZnO和ZrO?）在HBM样本中的存在。
结果
经过验证的方法能够同时检测人类尿液和血液中MONPs的成分、粒径分布以及基于数量的浓度。该方法仅需简单的样品制备步骤，无需预浓缩过程，具有出色的灵敏度（检测限LoD为10 nm至40 nm，浓度范围为0.01 μg/L至0.60 μg/L）、准确度（±20%）和中等精密度（<15%），并且分析时间极短（60秒）。将该方法应用于一组普通人群的HBM样本后，成功检测到了尿液中的Al?O?以及血液中的Cr?O?和TiO?。实验结果表明，该方法适用于MONPs浓度极低且粒径微小的生物样本，也适用于需要分析大量样本的HBM研究。
意义
这种方法的独特优势使其成为研究多种MONPs的强大且不可或缺的工具，其中许多MONPs此前尚未在HBM样本中进行过表征。其标准化确保了结果的可靠性和一致性，通过有效的暴露监测和纳米材料风险管理，从而提升了公共卫生水平。
引言
纳米技术的发展彻底改变了多个科学领域，导致金属氧化物纳米颗粒（MONPs）在消费品中的广泛应用（见表S1）。二氧化钛（TiO?）和氧化锌（ZnO）是最常用的纳米颗粒，常用于个人护理产品、化妆品、涂料和食品中；而其他MONPs如氧化铝（Al?O?）、氧化铈（CeO?）、氧化钴（Co?O?）、氧化铬（Cr?O?）、氧化铜（CuO）、氧化锰（Mn?O?）、氧化镍（NiO）和氧化锆（ZrO?）则应用于消费、工业、能源、废物处理和环境修复等领域[1]。在印刷过程中可检测到空气中的MONPs，包括二氧化硅（SiO?）、Al?O?、TiO?、氧化铁（Fe?O?）、ZnO、CuO和CeO?[2]。纺织业被认为是CuO、Al?O?、TiO?和ZnO非故意释放的来源[3]。此外，纹身墨水的皮下注射也可能导致铅氧化物（PbO）、Al?O?、Cr?O?、CuO、TiO?和ZnO纳米颗粒的暴露[4][5]。近年来，人们特别关注那些在环境中故意使用的纳米形式产品，例如纳米农药[6]。还有研究表明，MONPs可能从废物处理场所逐渐泄漏，包括工业废物、家庭废物和医院废物[7]。在职业环境中，吸入是主要的暴露途径（例如焊接、制造、基于碳粉的打印等）[8][9]。食物和食品接触材料是口服暴露的主要来源[10]。通过与含有或释放MONPs的消费品接触（如TiO?和ZnO）或使用防晒霜，也可能发生皮肤暴露[11][12]。因此，个体可能通过职业、环境或消费品相关途径接触到MONPs[13][14]。
尽管MONPs在多个领域带来了显著进步，但它们的广泛应用引发了对其对人体健康和生态系统潜在影响的担忧[15]。它们的生物活性和潜在毒性取决于关键化学性质（化学组成、表面电荷和反应性、溶解度、稳定性/溶解性、疏水性/亲水性）以及物理性质（粒径/粒径分布、晶体结构、表面积和聚集状态）。此外，纳米颗粒的小尺寸和高表面积与体积比使其在生物组织中的反应性更强，从而更容易被吸收和相互作用[16]。研究表明，MONPs的毒性主要源于活性氧（ROS）的生成及其引起的氧化应激，尽管形态、粒径和表面电荷也会影响非ROS依赖性的细胞毒性[17]。体外实验表明，MONPs可引发氧化应激、炎症和基因毒性；而体内研究则显示它们会在器官和免疫系统中积累并造成损伤（见表S2）[18]。
监管机构和欧盟认识到需要规范纳米颗粒的使用，以限制人类暴露。欧盟的具体指令限制了化妆品中纳米颗粒的使用，例如限制TiO?和ZnO纳米颗粒的使用[19]，或完全禁止使用银（Ag）、金（Au）、铜（Cu）和铂（Pt）基纳米颗粒[20]。同样，在食品领域，欧盟对所有工程纳米材料实施了严格的上市前授权制度[10]，要求根据《新食品法规》进行全面的安全评估[21]。准确评估生物流体中的MONPs变得越来越重要。尽管人体生物监测（HBM）被公认为是评估暴露情况的有效工具，但它尚未完全纳入MONPs的监管风险评估框架[1][22][23]。根据REACH法规，HBM可以支持纳米材料的风险评估，但关于其常规使用的实际指导仍缺乏。由于生物样本的复杂性、MONPs的低浓度和小尺寸以及缺乏标准化协议，HBM分析极具挑战性。该方法不仅应能检测样本中MONPs的存在（定性结果），还应能对其进行定量，并解决多分散性、伪影生成以及样品制备和分析过程中的干扰等问题[24]。同时，该方法应简单、快速且高效，适用于参与HBM研究的常规/质量控制实验室。
获取纳米颗粒完整信息的最有前景的方法之一是单颗粒电感耦合等离子体质谱法（SP-ICP-MS），但目前在人体样本中的应用还非常有限，主要限于银（Ag）、金（Au）和TiO?[25][26][27][28][29]。此外，具有适当质量控制并能使用认证参考材料的分析方法仍然较少[26]。这对于监测、监管和公共卫生监测至关重要，确保结果的代表性、可追溯性和可比性。
本研究旨在验证基于SP-ICP-MS的方法，用于表征人类尿液和血液样本中Al?O?、CeO?、Co?O?、Cr?O?、CuO、Mn?O?、NiO、TiO?、ZnO和ZrO?的颗粒成分（组成、粒径和数量）。根据ISO/IEC 17025:2017“测试和校准实验室的一般要求”[30]和ISO/TS 19590:2024“使用单颗粒电感耦合等离子体质谱法表征纳米物体”[31]，评估了检测限（LoD）、定量限（LoQ）、线性、特异性、准确度和中等精密度等关键性能参数。除了验证研究外，还分析了普通人群中一小部分个体的尿液和血液样本，以评估该方法对天然MONPs的适用性。扩大可靠的分析能力，以便在HBM样本中检测和表征MONPs，有助于支持新兴的纳米材料风险评估框架，实现更准确的暴露表征和健康风险评估。
Al?O?（30 nm）、CeO?（30–50 nm）、Co?O?（15 nm）、Cr?O?（60 nm）、CuO（25–55 nm）、Mn?O?（30 nm）、NiO（18 nm）、ZnO（30–40 nm）和ZrO?（30–40 nm）的MONPs参考标准购自US Research Nanomaterials Inc.（美国德克萨斯州休斯顿）；TiO?（< 100 nm）的参考标准由Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）提供。这些MONPs参考标准通过超纯去离子水（Milli-Q Element，美国马萨诸塞州贝德福德）进行逐级稀释。
SP-ICP-MS方法在尿液和血液样本中的分析性能（检测限LoD、定量限LoQ、线性、准确度和中等精密度）详见表3。尿液和血液中的LoD_size和LoD_conc值分别在图1a和图1b中以图形形式展示。
在尿液中，CeO?的LoD_size值为<10 nm，而大多数MONPs的LoD范围为16.3至28.3 nm，TiO?的LoD为39.5 nm。在血液中，CeO?的LoD_value...
为了确保特异性和灵敏度，并保持纳米颗粒的完整性，必须准确收集、储存和制备样品[25]。容器必须具有化学惰性，以防止MONPs的吸附或释放。由于纳米颗粒具有高度反应性，即使微小的环境变化也可能改变其物理化学性质。此外，生物材料在室温下会迅速发生化学、微生物和酶促变化。
本研究证明，SP-ICP-MS是表征MONPs的最先进和创新的技术之一，能够同时确定元素组成、粒径分布和颗粒数量浓度。凭借其高准确性和精度（取决于金属种类，检测限低至10 nm至40 nm），SP-ICP-MS甚至能在痕量水平（约2000个颗粒/mL）下对MONPs进行表征。
Beatrice Battistini：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究。
Chiara Cappella：方法学设计、数据分析、数据管理。
Giorgia Danese：方法学设计、数据分析、数据管理。
Antonio Facchiano：数据可视化、资金获取。
Beatrice Bocca：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。
本研究得到了[卫生部]“激光纹身去除（ARTOO）患者皮肤和全身毒性评估”项目（项目编号：RF-2019-12369805）的支持。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
