石碧 綜述 陳黎明 審校

(1.遵義醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563003；2.貴陽市口腔醫(yī)院，貴州 貴陽 550001)

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四種不同儀器對牙體中無機(jī)元素分析的比較

石碧1,2綜述 陳黎明2△審校

(1.遵義醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563003；2.貴陽市口腔醫(yī)院，貴州 貴陽 550001)

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法； 電子探針； 飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀； 離子選擇電極

牙體的硬組織包括牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙骨質(zhì)，其中牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的無機(jī)物主要是由磷灰石晶體構(gòu)成，晶體中的無機(jī)元素除了含有大量Ca、P等主要元素之外，還含有B、Ba、Li、Mg、Fe、Se、F等微量元素[1]，它們以取代的方式存在于牙體硬組織的磷灰石晶體之中，或吸附于磷灰石晶體表面，或以非磷灰石相存在[2]。1983年 A.W.Crawford[3]在研究中表明這些微量元素的含量與分布對牙體硬組織疾病的發(fā)生有一定的影響。其中B、Ba、Li、Mg、Mo、F和Sr具有一定的耐齲潛能，而Fe、Zn、Se、Mn和Pb等可以使釉質(zhì)對齲更加敏感[1]。因此通過對牙體中無機(jī)元素的分析與測定對牙體硬組織疾病的發(fā)病機(jī)制及防治具有一定指導(dǎo)意義。目前廣泛用于測定牙體中無機(jī)元素的方法有光譜分析法，能譜分析法和電化學(xué)分析法，本文就這三大類分析法中具有代表性的電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)，電子探針分析法(EPMA)，飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)和離子選擇電極(ISE)四種方法進(jìn)行了總結(jié)，為簡潔，準(zhǔn)確的測定牙體硬組織中的無機(jī)元素提供借鑒。

1 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)

1.1 ICP-AES的基本原理 是以電感耦合等離子矩為激發(fā)光源的光譜分析方法，ICP焰內(nèi)焰區(qū)在焰心區(qū)上方為半透明狀，淡藍(lán)色，溫度可達(dá)6 000～8 000 K，分析時(shí)試樣被氬氣帶入焰矩后，試樣中不同元素的原子在內(nèi)焰區(qū)和焰心區(qū)被電離、激發(fā)，以光的形式發(fā)射出不同波長的特征光譜，根據(jù)發(fā)射出的光譜波長不同即可對元素進(jìn)行定性分析；用特征光譜的強(qiáng)弱與標(biāo)樣相比較，可對樣品中的各種元素含量進(jìn)行定量分析。

1.2 ICP-AES方法的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)勢:(1)分析高效、快速、范圍廣，能一次同時(shí)讀出多達(dá)幾十種被測元素的特征光譜，并對其進(jìn)行定量和定性分析，除固態(tài)樣品外，還可以對液態(tài)及氣態(tài)樣品直接進(jìn)行分析；(2)靈敏度高，若富集處理測定，相對靈敏度可達(dá)10～9級[4]；(3)準(zhǔn)確度和精密度高，檢出限好，通常為0.1～100 ng/mL，當(dāng)試樣濃度>100倍檢出限時(shí)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%[5]。缺點(diǎn)：(1)存在光譜干擾問題，檢測時(shí)需要選擇合適的校正方法[5]；(2)測定某些非金屬元素時(shí)，不具備優(yōu)勢，檢出靈敏度較差；(3)不能夠?qū)悠愤M(jìn)行形態(tài)學(xué)方面的分析。

1.3 ICP-AES方法的應(yīng)用 ICP-AES法目前已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、地質(zhì)、有機(jī)物和生化樣品等，在牙體中對無機(jī)元素的測定也在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。李子夏[6]等通過ICP-AES測定健康牙和齲齒中的Zn、Fe、Cu、Sr、Mg、Al、Sr和Pb等元素；Meral Arslan Malkoc[7]通過ICP-AES法測定激光、酸蝕對牙體礦物含量的影響，得出激光，酸蝕對牙體中的Ca、P、Na和Ca/P水平無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而Mg和K有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；Sousa SMG, Silva TL[8]使用 ICP-AES法收集經(jīng)EDTA、EGTA、CDTA和檸檬酸脫礦后提取的根管內(nèi)Ca2+含量。

2 電子探針X射線顯微分析儀(EPMA)

2.1 EPMA的基本原理 該儀器以1 Pm的細(xì)聚焦電子束作為激發(fā)源，激發(fā)樣品表面微小區(qū)域內(nèi)元素的特征X射線并收集。根據(jù)收集到的特征X射線的不同強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)樣品比較，計(jì)數(shù)得出樣品組分含量。

2.2 EPMA的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)勢：(1)可進(jìn)行微區(qū)分析：最小范圍直徑為1 μm左右；(2)分析范圍廣、準(zhǔn)確度高：除了H，He等較輕的元素外，其他元素均可以被分析，相對誤差控制在1-2%以內(nèi)；(3)非破壞性分析，且可批量分析多個(gè)預(yù)置位點(diǎn)；(4)分析鍍層表面樣品形態(tài)無需制備，只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察。缺點(diǎn)：(1)只能測定固態(tài)樣品，對液態(tài)和氣態(tài)樣品無法測定；(2)是微區(qū)分析而不是微量分析，對于樣品中含量低于100 ppm級的元素檢出的準(zhǔn)確性較低。

2.3 EPMA的應(yīng)用 在冶金、地質(zhì)、電子材料、生物、醫(yī)學(xué)及考古等領(lǐng)域中得到日益廣泛地應(yīng)用，是礦物測試分析和樣品成分分析的重要工具。除此之外，EPMA已經(jīng)是用于測定牙體硬組織中微量礦物質(zhì)成分含量及變化的一種成熟檢測方法[9-10]。張穎麗等[11]已在1999使用EPMA測定正常恒牙根部的氟含量；Ana Cristina Bezerra[12]等為比較使用不同玻璃離子修復(fù)的氟化水平應(yīng)用EPMA測定牙釉質(zhì)和靠近修復(fù)體的牙本質(zhì)中的Ca、P和F等離子的濃度。

3 飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)

3.1 TOF-SIMS的基本原理 通過用帶有幾千伏能量的一次離子束高速激發(fā)樣品表面，經(jīng)過物理相互作用在撞擊區(qū)域產(chǎn)生帶正電荷和負(fù)電荷的碎片離子，這些帶電荷的離子被稱為二次離子，根據(jù)二次離子因不同的質(zhì)量而飛行到探測器的時(shí)間不同來測定離子質(zhì)量。能夠被收集到的二次離子均來自于樣品的最表面，因此所收集到的樣品信息也僅限于樣品的最表層。這就決定了TOF-SIMS是一種對表面靈敏的質(zhì)譜技術(shù)[13]。

3.2 TOF-SIMS的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：(1)樣品制備簡單，無需提純，用量少[14]；(2)可檢測包含H在內(nèi)的元素及同位素；(3)表面靈敏度高[15]，檢出限好，可以檢測到1 ppm級乃至更低的濃度；(4)優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量分辨率(約8 000 u)[16]；(5)離子利用率高：可以不破壞樣品經(jīng)過一次離子束激發(fā)表面即可獲得全譜。缺點(diǎn)：(1)定性分析優(yōu)于定量分析，TOF-SIMS的定量分析多為半定量分析；(2)譜圖數(shù)據(jù)分析困難：一是對未知樣品的結(jié)構(gòu)分析困難，二是譜圖分析時(shí)必須對樣品表面的主要成分有一定的了解[13]。

3.3 TOF-SIMS的應(yīng)用:TOF-SIMS當(dāng)今已發(fā)展為一種成熟且完善的表面分析技術(shù)[15-17]，廣泛應(yīng)用于生物材料和生命科學(xué)研究中。M.E.Dickinson[18]等使用TOF-SIMS對體外牙釉質(zhì)齲進(jìn)行研究；M.Okazki[19]在研究中使用TOF-SIMS清楚的顯示了氟磷灰石晶體中的氟；同樣使用TOF-SIMS技術(shù)，Gotliv[20]發(fā)現(xiàn)牛管周牙本質(zhì)富含Ca、Na、Mg和K，去蛋白化后管周牙本質(zhì)Mg、K含量下降，由此推斷Mg和K主要與管周牙本質(zhì)的有機(jī)基質(zhì)相關(guān)，而Na與管周牙本質(zhì)的礦物質(zhì)相關(guān)。

4 離子選擇電極(ISE)

4.1 ISE的基本原理 ISE法是電化學(xué)分析法中的一種。它是將溶液中待測離子的活度利用電極尖端的感應(yīng)膜轉(zhuǎn)化成一定的電位，其電位與該離子的活度的對數(shù)具有線性關(guān)系，通過與已知離子濃度的溶液比較可求得未知溶液的離子活度[21]。

4.2 ISE的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：(1)使用方法簡潔、價(jià)廉，應(yīng)用范圍廣；(2)測定結(jié)果不受試劑顏色、渾濁程度等的影響；(3)分析速度快、靈敏度高，可達(dá)到10-5～10-8mmol/L。缺點(diǎn)：(1)破壞性分析，不能保存固體樣品的完整性；(2)需要配置標(biāo)樣，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，所測結(jié)果不是直接的離子濃度，需要換算；(3)可能存在離子干擾問題；(4)測定時(shí)溶液的pH值對結(jié)果有較大的影響，所以要求測定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品有相同的pH值[21]。

4.3 ISE的應(yīng)用 ISE多用于測定氟離子，常稱為氟離子選擇電極(FISE)，對PH和氟離子的測定所采用的離子選擇電極法已被定為標(biāo)準(zhǔn)方法，水質(zhì)自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)中，有10多個(gè)項(xiàng)目均采用ISE法。FISE法也已用于蔬菜、水果、茶葉、蠶桑、藥材、電鍍廢水、豆類、飼料、牙膏、人血、豬肉、碘鹽、空氣和煤等[21]；韓天龍、王敏[22]利用FISE法測定了工業(yè)氟污染區(qū)小尾寒羊牙氟及骨氟含量,結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)組牙齒和骨骼中的氟含量明顯高于對照組。

5 總 結(jié)

以上各種方法目前都普遍應(yīng)用于牙體硬組織中無機(jī)元素的測定，但分析優(yōu)勢各有不同。ICP-AES和TOF-SIMS可同時(shí)對多種元素進(jìn)行定性和定量分析，分析快速、簡便，直接放入待測樣品后通過計(jì)算機(jī)操作即可讀取結(jié)果，但TOF-SIMS的定性分析較定量分析功能更具優(yōu)勢。單純定量分析多用EPMA和ISE，前者操作簡單，對于不同樣品的校準(zhǔn)標(biāo)樣可先錄入系統(tǒng)并隨時(shí)取用，在分析過程中幾乎同步獲得結(jié)果，而ISE常側(cè)重于對樣品中氟含量的測定，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程相比EPMA較為繁瑣，需要配制標(biāo)樣及繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要人工進(jìn)一步換算。對于微區(qū)分析常用EPMA和TOF-SIMS，不破壞樣品形態(tài)且可以在檢測過程中觀察到樣品的表面形貌；而ICP-AES和ISE屬于破壞性分析，對于固態(tài)樣品常需要研磨濕化消解，故對樣品形貌方面的觀察并不能實(shí)現(xiàn)，需要與其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，如掃描電子顯微鏡等。

隨著分析儀器的更新?lián)Q代，分析技術(shù)精確度及靈敏度的不斷提高，在未來對牙體組織疾病的各項(xiàng)研究中，研究內(nèi)容已不在局限于僅描述成分、含量變化或形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察，將逐漸形成多種儀器聯(lián)合運(yùn)用的分析技術(shù)鏈接體系，各儀器充分發(fā)揮各自優(yōu)勢、取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)從含量的測定到元素分布狀態(tài)的研究，再到形貌結(jié)構(gòu)的觀察環(huán)環(huán)相扣、相互銜接的一體化科研方式，為研究牙體組織疾病的發(fā)病機(jī)制和防治的工作建立充分的技術(shù)支持和可靠保證。

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