单颗粒ICP-MS方法测定生物组织中TiO2纳米和亚微米颗粒

《Analytica》：Single-Particle ICP-MS Method for the Determination of TiO2 Nano- and Submicrometric Particles in Biological Tissues

　　

二氧化钛(TiO₂)纳米和亚微米颗粒在不同领域的广泛使用引起了人们对人类和环境暴露的担忧。分析方法的验证对于确保风险评估研究的可靠性至关重要。本研究验证了一种单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP-MS)方法，用于生物组织中TiO₂颗粒的检测、定量和尺寸表征。暴露于TiO₂颗粒后收集的组织样本，采用HNO₃/H₂O₂混合液进行温和酸消解，在保持颗粒完整性的同时实现完全基质分解。所得消解液通过单颗粒模式ICP-MS分析，以定量和表征TiO₂颗粒尺寸。方法验证依据ISO/IEC 17025:2017进行，包括线性、重复性、回收率和检测限评估。TiO₂颗粒的检测限为0.04 μg/g，尺寸检测限为55.7 nm。TiO₂质量浓度和颗粒尺寸测定的重复性在0.5–11.5%之间。将验证后的方法应用于吸入暴露受试者的组织，结果显示TiO₂水平为80 ± 20 μg TiO₂/g，颗粒数浓度为5.0 × 10⁵ ± 1.2 × 10⁵ 个TiO₂/mg。检测到的TiO₂颗粒平均直径范围为230至330 nm。所开发和验证的spICP-MS方法可对生物基质中的TiO₂颗粒进行稳健且灵敏的定量，支持其在人体生物监测和暴露评估研究中的应用。

**论文解读：基于单颗粒ICP-MS的生物组织中TiO₂纳米与亚微米颗粒测定方法验证及应用**

**研究背景与问题**

二氧化钛（TiO₂）纳米和亚微米颗粒因其广泛工业应用（如涂料、塑料、化妆品等）而成为人类与环境暴露的关注焦点。已有研究表明，TiO₂纳米颗粒（TiO₂-NPs）可诱导炎症、氧化应激、基因表达改变及DNA损伤，其亚微米聚集体亦具有生物活性。吸入被认为是主要暴露途径，尤其对纳米材料行业工人。然而，准确检测生物组织中的纳米颗粒及其聚集体（即使痕量水平）仍是风险评估的瓶颈。现有组织前处理方法（如酶消化和碱消化）存在耗时长、成本高或可能导致颗粒溶解/团聚等缺陷。因此，亟需开发一种快速、简便、低成本且能保留颗粒完整性的分析方法，用于生物组织中TiO₂颗粒的定量与尺寸表征。

**研究目的与意义**

本研究旨在验证并应用单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）方法，用于检测生物组织中TiO₂纳米和亚微米颗粒。研究选用黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）作为模型生物（来源：罗马大学设施），以替代哺乳动物模型，遵循伦理委员会建议。方法验证依据ISO/IEC 17025:2017标准，涵盖线性、检测限、重复性、回收率等参数。该方法的成功建立为人体生物监测和暴露评估提供了可靠工具，有助于理解TiO₂颗粒在生物体内的生物累积与分布。论文发表在《Analytica》。

**关键技术与方法**

研究人员采用温和酸消解（HNO₃/H₂O₂混合液，90°C，20分钟）处理果蝇组织（干重3–8 mg），以去除有机基质同时保留颗粒完整性。消解液稀释后通过spICP-MS/MS（Agilent 8900三串联四极杆ICP-MS）分析，使用氧气（O₂）作为反应气，监测⁴⁷Ti（质量转移模式），以抑制多原子干扰。颗粒数浓度、粒径及粒径分布（PSD）由MassHunter软件（5.1版）生成，质量浓度通过校准曲线计算。方法验证包括：基质匹配校准曲线（9点，范围0.2–70 μg/g），检测限（LoD）按3倍标准偏差计算，重复性以相对标准偏差（RSD）评估，准确度通过加标回收实验（1.7 μg/g和24.2 μg/g）测定。样本来源：实验室饲养未暴露果蝇（用于验证）及吸入暴露组（HEPA过滤空气对照与TiO₂粉末机械分散暴露，平均空气颗粒数浓度570 ± 350个/cm³）。

**研究结果**

**3.1 粉末表征**
通过动态光散射（DLS）测得TiO₂粉末的流体动力学直径（D_h）为384.2 ± 2.5 nm，多分散指数（PdI）<0.2；spICP-MS测得平均直径为302.8 ± 60.0 nm；扫描电子显微镜（SEM）显示不规则球形颗粒，并观察到<100 nm的较小纳米颗粒（未被DLS和spICP-MS检测到，可能因团聚或散射掩蔽）。

**3.2 spICP-MS验证性能**
检测限：质量浓度LoD为0.04 μg/g，尺寸检测限（LoDs）为55.7 nm，颗粒数浓度LoD为8.7×10⁵ 颗粒/g。线性范围R²≥0.99（质量浓度与颗粒数浓度线性关系良好）。基质效应低于10%，可忽略。重复性（RSD）：质量浓度在0.5–11.5%之间，尺寸在1.1–9.8%之间（低浓度点略高）。加标回收率：质量浓度回收率为73%–76%（低于理想值，可能因颗粒吸附损失及小颗粒<55.7 nm未被量化）；尺寸回收率：平均尺寸比值为89%–94%，中位尺寸80%，最频尺寸（MFS）102%，表明酸消解未显著改变颗粒尺寸。方法应用于实际样品：暴露组果蝇组织TiO₂含量为80 ± 20 μg/g，颗粒数浓度为5.0×10⁵ ± 1.2×10⁵ 颗粒/mg，平均粒径230–330 nm；对照组（经空白校正）钛浓度为6.7 ± 1.3 μg/g但颗粒数浓度低于LoD，提示背景钛来源干扰。

**讨论与结论**

讨论部分指出，现有基于总钛消解的方法（如氢氟酸消解）无法区分颗粒态与溶解态钛，也无法提供粒径信息，而spICP-MS实现了颗粒特异性表征。酸消化法虽简便快速，但回收率偏低（约75%），可通过添加分散剂或优化超声时间改善。未来研究可结合透射电镜（TEM）或SEM以阐明颗粒分布与聚集状态，并扩展至其他组织或物种。
结论翻译：本研究验证了一种用于测定黑腹果蝇（经吸入暴露）组织中亚微米二氧化钛（TiO₂）颗粒的分析方法。温和酸消解程序在消除生物基质干扰的同时保持了TiO₂颗粒的物理性质，相比酶消化或碱消化方法更为快速、简单且成本低廉。该研究显示出良好的线性与精密度，与文献报道一致。spICP-MS分析能有效区分暴露与未暴露组织，同时提供生物累积颗粒的颗粒数浓度、质量浓度及粒径分布信息，这相较于传统ICP-MS分析具有显著优势。未来协议优化可考虑使用分散剂以提高回收率。最后，引入更多元素的认证参考标准（颗粒数与尺寸）将有助于推动spICP-MS作为标准化、快速且有效的纳米颗粒测定方法。