微波辅助碱提取-ICP-QQQ同时测定全血中硼、硫、溴、氯、碘用于生物监测的方法研究

《Toxics》：A Simple Microwave-Assisted Method for the Determination of Boron, Sulfur, Bromine, Chlorine, and Iodine in Whole Blood by ICP-QQQ for Biomonitoring Applications

　　

摘要：全血中非金属元素的同时测定因复杂的生物基质和宽浓度范围而仍具分析挑战性。本研究描述了一种简单的微波辅助碱性提取方法，结合三重四极杆电感耦合等离子体质谱法（triple quadrupole inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS/MS），用于同时测定人全血中的硼（boron, B）、硫（sulfur, S）、溴（bromine, Br）、氯（chlorine, Cl）和碘（iodine, I）。该方法仅需100 μL全血，直接在一次性5 mL聚丙烯（polypropylene, PP）小瓶中进行处理，随后将该小瓶引入自动进样器，省去了样品转移步骤，降低了处理和污染风险。所有分析物均采用单一仪器配置，以氧气作为反应/碰撞气体，同时特意利用35Cl18O+的形成来衰减氯信号，从而在不导致检测器饱和的情况下实现常量与痕量水平元素的同时测定。所提出的方法表现出令人满意的精密度（相对标准偏差RSD < 15%），与参考值和指定值吻合良好，加标回收率理想，基质负载影响有限，且分析溶液在室温下至少可稳定24小时。全血中的检出限（limit of detection, LOD）分别为：硼6.03 μg L?1，硫0.134 mg L?1，氯24.4 mg L?1，溴6.26 μg L?1，碘0.944 μg L?1，为人全血中常见浓度的测定提供了足够的灵敏度。总体而言，该方法为全血中非金属元素的常规生物监测提供了一种简单、稳健且高通量的途径。

一、研究背景与存在问题

人类生物监测已成为评估营养状况、环境与职业暴露以及某些疾病相关代谢改变的重要工具。全血的元素分析能够提供个体生理状态和暴露情况的宝贵信息。然而，同时测定全血中的非金属元素如硼（B）、硫（S）、溴（Br）、氯（Cl）和碘（I）面临显著的分析挑战。这些元素在生物学上具有重要功能：Cl是主要的细胞外阴离子，调节酸碱平衡和体液分布，其水平异常与心血管疾病等预后相关；I是甲状腺激素合成的必需元素，缺乏或过量均会导致健康问题；Br近年来被发现参与胶原蛋白IV支架中磺亚胺交联的形成，但过量暴露会干扰碘代谢；B被证明对关节炎、骨质疏松及脂质代谢有潜在影响；S则是氨基酸和蛋白质的重要组成部分，参与细胞信号传导和解毒过程。

尽管这些元素具有生物学相关性，但在单个全血样本中同时测定它们存在诸多困难。传统方法常依赖分离或特定分析物的技术，如离子选择性电极、库仑法、离子色谱法和电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）。此外，这些元素在全血中的浓度跨越数个数量级，从B和I的痕量水平到S和Cl的亚百分比含量。在同一分析溶液中测定它们，还受到富含蛋白质和脂质的血液基质、光谱干扰、潜在分析物损失、记忆效应以及某些样品前处理方法与等离子体基技术兼容性有限的制约。

二、研究目的与意义

为克服上述挑战，本研究的目的是开发并建立一种简单、稳健的微波辅助碱性提取方法，结合三重四极杆电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS/MS），用于同时测定全血样本中的B、S、Cl、Br和I。该方法仅需100 μL样品，提取后可直接进行分析，能在单次分析运行中结合痕量与常量元素，利用氧反应化学处理S和Cl，并通过使用低丰度的¹⁸O同位素来控制氯的灵敏度，同时对所有分析物保持脉冲模式检测。该方法的提出旨在为临床和生物监测应用中全血非金属元素的常规测定提供一种简化、高通量且可靠的分析流程。

三、关键技术方法

研究人员采用了微波辅助提取（microwave-assisted extraction, MAE）系统进行样品前处理，使用一次性5 mL聚丙烯（PP）小瓶作为提取容器。元素测定采用安捷伦8900三重四极杆电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS/MS），配备MicroMist 400同心雾化器和Peltier冷却双通道雾化室。以氧气（O₂）作为反应/碰撞气体，用于去除或最小化可能的光谱干扰。关键策略包括：使用³³S¹⁶O⁺产物离子测定S以降低信号强度，避免检测器饱和；以及特意利用³⁵Cl¹⁸O⁺的形成来衰减Cl信号，这是首次报道在ICP-MS/MS中利用¹⁸O的自然丰度进行信号衰减。校准标准通过外标法和内标校正进行定量，选择锑（Sb）和铱（Ir）作为内标。方法验证使用了来自魁北克多元素外部质量评估计划（QMEQAS）的全血能力验证材料、NIST SRM 1577c（牛肝）认证参考物质、奶粉认证参考物质（CRM-MP）以及内部质量控制样品和加标回收实验。

四、研究结果

3.1 非金属元素测定的分析策略

研究人员建立了单一ICP-MS/MS方法，在相同仪器条件下（单一调谐模式）成功测定了B、S、Cl、Br和I。通过使用O₂作为通用池气体，S和Cl以氧化物产物离子形式监测，而B、Br和I则以原子离子形式测定。对于Cl，通过监测³⁵Cl¹⁸O⁺而非³⁵Cl¹⁶O⁺，实现了约300倍的信号衰减，使Cl能与其它元素在脉冲计数模式下同时测定而不导致检测器饱和。此外，引入了等离子体选项气体（5% 20% O₂ in Ar）以促进残余有机基质的氧化，减少碳沉积并提高信号稳定性。碱性提取液含四甲基氢氧化铵（TMAH）和乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na），有助于稳定卤素、防止沉淀并降低污染。针对Br，研究人员通过加钾实验证实，在O₂池条件下，⁴⁰Ar³⁹K⁺对⁷⁹Br⁺的干扰可忽略不计。

3.2 分析方法性能

方法检出限（LOD）和定量限（LOQ）基于10个独立制备的方法空白计算。考虑50倍稀释因子后，全血样品中的LOD远低于人全血中通常遇到的浓度，表明该方法灵敏度足够。校准曲线在所有分析物的选定浓度范围内表现出良好的线性（相关系数R ≥ 0.999）。精密度和准确度评估显示，B、Br和I的精密度符合Horwitz方程预测的浓度依赖性接受标准；S和Cl的RSD虽略高于Horwitz预测值，但最高达15%，仍被认为适用于生物监测应用，且与参考值和加标回收率一致。加标回收实验获得了满意的回收率。基质负载影响评估表明，将全血量从常规的100 μL减至50 μL或增至150 μL，所得结果的相对偏差均在±15%以内，无统计学显著差异。短期稳定性实验显示，制备的分析溶液在室温下储存24-36小时后，与初始测量结果相比，相对偏差在-9.9%至14.8%之间，同样在±15%的可接受范围内。

五、讨论与结论

研究人员指出，尽管已有多种分析技术用于生物样品中非金属元素的测定，但大多专注于单一或有限组分析物。离子选择性电极（ISE）和离子色谱（IC）虽然成熟，但ISE专一性强，IC则通常限于无机离子形态，除非样品前处理能完全转化有机化合物。相比之下，原子光谱技术如ICP-MS/MS和ICP-OES，在合适的前处理方法下，能提供总元素测定。碱性提取因其能保持分析物稳定性、减少挥发损失且与等离子体技术兼容，成为首选方法之一。燃烧基前处理方法如微波诱导燃烧（MIC）虽表现优异，但仍需专门附件和额外操作步骤。而本研究提出的方法仅基于微波辅助碱性提取，在同一个一次性聚丙烯小瓶中进行，无需样品转移，简化了分析流程。

与先前报道的基于ICP-MS的生物基质中B、S、Cl、Br和I测定方法相比，本研究首次报告了在单次ICP-MS运行中同时测定全血中这五种元素。该方法结合了小样品体积（100 μL）、简单的前处理（MAE）、使用O₂进行质量位移测定S和Cl以控制光谱干扰，以及通过监测³⁵Cl¹⁸O⁺实现信号衰减等特征，为从单一全血等分试样中测定这些非金属元素提供了一种精简的途径。

结论部分翻译：

开发了一种微波辅助碱性提取方法，用于通过ICP-MS/MS测定全血中的B、S、Cl、Br和I。所提出的工作流程仅需100 μL样品，并在同一个一次性聚丙烯小瓶中进行样品前处理和仪器分析，简化了分析程序，同时提供了令人满意的分析性能。该方法的一个关键特征是使用单一调谐条件进行所有分析物的测定。特意利用¹⁸O同位素形成³⁵Cl¹⁸O⁺，提供了一种实用的策略来衰减Cl信号，使得在不发生检测器饱和的情况下同时测定常量和痕量水平的非金属元素成为可能。据研究人员所知，这是首次报道利用³⁵Cl¹⁸O⁺的形成来有意衰减Cl信号，用于生物样品中的ICP-MS/MS测定。简化的样品前处理和相对较短的仪器分析时间便于分析大批量样品，支持了该方法在生物监测和大规模流行病学研究中的潜在适用性。此外，对NIST SRM 1577c的分析结果为这一广泛使用的生物参考物质中的B、Br和I提供了额外的参考数据，有助于填补这些分析物文献数据的不足，并为未来的分析研究提供支持。总体而言，所提出的方法为全血样品中非金属元素的常规测定提供了一种实用且可靠的分析工作流程。