针对使用USN-ICP-MS在ppt级别测定全血中更多稀土元素时，样品前处理方法的深入比较

《Microchemical Journal》：Critical comparison of sample preparation methods for further rare earth elements determination in whole blood by USN-ICP-MS at ppt-level

　　

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  首次采用MIC方法对全血中的稀土元素进行进一步测定。
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  使用USN-ICP-MS对MIC、CWD-CS和CWD-OS三种方法进行了系统比较。
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  用MIC和CWD-CS方法对400毫克全血进行了消化处理。
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  采用MIC和CWD-CS方法后，空白值更低，检测下限也有所提高。
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  提出了用于全血中痕量稀土元素生物监测的可靠方法。

引言

由于稀土元素独特的物理化学性质，现代社会对其关注度日益提升[1]。除了在制药行业中的已有应用（如造影剂和标记物）外，稀土元素在地质、军事领域以及电子器件、农业和畜牧业中也发挥着重要作用[2]、[3]、[4]。尽管相关研究仍相对较少，但现有证据表明稀土元素能够引发生物体的生理变化[4]、[5]，这凸显出开发准确量化生物样本中这些元素的方法的必要性。

在人类身上，各种疾病的诊断往往需要通过分析血液、尿液、粪便、精子或皮肤样本等来确定[6]。由于血液在体内循环，采集较为方便，因此可视为监测生物体中稀土元素的主要生物基质之一[7]、[8]。然而，由于血液基质的复杂性及其所含成分（如脂质、白细胞、红细胞、血小板以及其他元素如钠、钾和铁），在此基质中测定稀土元素颇具挑战性[9]。而全血中这些元素的浓度通常仅为纳克/克级别，这一情况进一步增加了测定的难度[10]。

要准确测定全血中的稀土元素，就需要严格的分析流程以及能够检测纳克/克级别浓度的高灵敏度技术[11]、[12]。为避免样品稀释，X射线荧光法（XRF）和中子活化分析法（NAA）这类直接分析方法可作为替代方案。不过，这两种方法都需要适当的校准和参考物质（XRF需要），且样品的异质性可能会根据基质的不同导致分析结果不准确[13]。此外，NAA方法由于依赖核反应堆，难以用于常规分析[14]。

作为替代方案，电感耦合等离子体光谱技术，如电感耦合等离子体发射光谱法（ICP OES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），适用于多种基质中的稀土元素测定[12]、[15]。对于ICP OES，可能会出现因发射线重叠而产生的光谱干扰；而对于ICP-MS，使用超声雾化器这类去溶剂化雾化系统，可显著降低与氧化物形成相关的干扰[11]、[16]、[17]、[18]。超声雾化器依靠压电晶体产生的高频超声波，将样品转化为细小的液滴雾状物。这些雾状物随后会经过去溶剂化装置，在进入等离子体之前大部分溶剂会被去除。这一过程既提高了分析物的传输效率，又减少了溶剂负荷，从而提升了分析灵敏度，增强了等离子体的稳定性，同时降低了与溶剂相关的光谱及非光谱干扰[11]。不过，无论是ICP-MS还是ICP-OES，大多数分析应用都要求在测定前将样品转化为合适的溶液形式[12]、[19]、[20]。

在可用于全血稀土元素进一步测定的样品前处理方法中，包括使用螯合树脂进行预浓缩[21]、在碱性溶液中稀释

[10]、[22]，以及酸消化[23]、[24]等方法。总体而言，这些方法存在一定的局限性：它们并非适用于所有元素，会对可使用的最大样品质量有限制，而且若不进行系统评估，其检测下限也会受到影响[21]、[25]、[26]。此外，这些方法通常耗时较长[21]。鉴于全血中稀土元素的浓度大多处于纳克/克级别，因此实现较低的检测限对于其测定而言至关重要。

湿法消化是目前使用光谱技术测定全血中稀土元素最常用的方法[23]、[24]。然而，现有文献中描述的流程并未对样品前处理进行全面优化[27]、[28]，这就使得这些方法的适用性存在不确定性。还有些方法是将样品稀释在碱性介质中[10]、[22]，但含有易电离元素（如钠和钾）的溶液可能会在光谱分析中引入非光谱干扰[16]、[29]。考虑到其中的分析难题——尤其是选择性、减少干扰的需求以及确保基质完全消化——开发并优化可靠的样品前处理方法仍然十分重要。

本研究旨在比较不同方法在全血稀土元素测定中的性能。共研究了三种方法：i）封闭式系统下的传统湿法消化（CWD-CS），ii）开放式系统下的传统湿法消化（CWD-OS），以及iii）微波诱导燃烧法（MIC）。我们对这些方法进行了系统且对比性的评估，重点关注如何获得稳定且可重复的实验条件，有效控制硝酸和碳的浓度，以及确保这些方法适合通过USN-ICP-MS进行超痕量分析。研究还特别注重优化关键实验参数，包括样品质量以及消化/吸收溶液的浓度或组成。此外，还探讨了可能影响等离子体行为和分析性能的基质相关干扰因素。总体而言，通过结合方法开发与对基质效应和消化过程的深入理解，本研究提供了可靠的分析方案，并为全血稀土元素测定相关影响因素的研究带来了新见解。由于目前尚无全血稀土元素的认证参考物质，因此通过在不同浓度水平（所有稀土元素分别为0.5、1.0和10纳克/克）下添加分析物来评估方法的准确性。最终根据各方法的回收率、最低浓度以及消化液中残留的硝酸浓度，选出了最佳处理条件。优化完成后，这些方法被用于通过USN-ICP-MS测定五份全血样本中的稀土元素含量。

章节摘要

仪器设备

样品称重时使用了日本岛津公司的分析天平AY 220。CWD-OS方法是在意大利Velp Scientifica公司生产的带有42个玻璃容器的加热块DK 42中进行的，这些容器的内径为1.8厘米，高度为24.4厘米。而采用CWD-CS方法对全血进行消化时，则使用了巴西Tecnal公司生产的带有15个聚四氟乙烯容器的加热块TE015，这些容器的内部容积为40毫升。此外还使用了Anton Paar公司的Multiwave PRO?微波炉，

全血样本特性分析——通过ICP OES测定钙、铁、钾、镁、钠和锌的含量

本研究中分析的全血样本中钙、铁、钾、镁、钠和锌的浓度详见表S2。总体来看，钾和钠的浓度最高。钾的浓度范围为860±42微克/克（样本D）到2332±119微克/克（样本B），而钠的浓度范围则为1329±108微克/克（样本C）到1977±95微克/克（样本E）。相比之下，所有样本中的锌浓度均低于3.0微克/克。这些结果与以往的研究数据一致

结论

经验证，CWD-OS方法并不适用于通过USN-ICP-MS测定全血中的稀土元素，因为该方法处理后的溶液会存在固体残留物，且硝酸浓度较高。而CWD-CS和MIC方法则适合用于全血的彻底消化，以便后续通过USN-ICP-MS测定稀土元素，且在优化条件下，这些方法处理后的溶液中的碳和硝酸浓度较低。使用CWD-CS方法时，6毫升浓度为7摩尔/升的硝酸就足以消化0.4克全血，其回收率

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CRediT作者贡献说明

Gabriel T. Druzian：论文初稿撰写、可视化处理、结果验证、方法设计、实验实施、正式分析、概念构思。 Mariele S. Nascimento：论文初稿撰写、方法设计、实验实施、正式分析。 Altevir R. Viana：论文初稿撰写、方法设计、正式分析。 Rodrigo C. Bolzan：论文初稿撰写、项目管理、资金筹集、正式分析。 Marcia F. Mesko：论文审阅与编辑、实验指导、项目管理，

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者们感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）的资助项目420843/2018-3/Universal和312271/2017-4/PQ，以及生物分析国家科学技术研究所（INCTBio）（CNPq项目编号465389/2014-7）、南里奥格兰德州研究支持基金会（FAPERGS）（项目编号19/2551-0000702-7/Internac.）。此外，本研究还部分得到了巴西高等人才培养协调机构——CAPES的资助，财政代码为001。

Gabriel T. Druzian|Mariele S. Nascimento|Altevir R. Viana|Rodrigo C. Bolzan|Marcia F. Mesko|Fabio A. Duarte|Erico M.M. Flores