楊 遠(yuǎn) 李 晟 鄧凱云 龔震宇 鄧飛躍

(1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系，長(zhǎng)沙 410004；3中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

引 言

納米科技的迅速發(fā)展為納米材料開(kāi)拓了廣闊的市場(chǎng)空間，巨大的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)著各種新型納米材料投入生產(chǎn)并使用。據(jù)有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，2011-2015年納米商品的全球市場(chǎng)可達(dá)1 000億美元/a，納米技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力，其在生物醫(yī)藥、化學(xué)化工、環(huán)境、能源、信息、航空航天及日用化工方面均具有廣泛的應(yīng)用[1]。據(jù)報(bào)道，目前市場(chǎng)中大約存在著1 800種商品級(jí)納米材料，常見(jiàn)的納米材料有納米二氧化鈦(TiO2NPs)、納米二氧化硅(SiO2NPs)、納米氧化鋅(ZnONPs)及納米金(AuNPs)、納米銀(AgNPs)等[2]。其中，納米銀材料因其優(yōu)異的抗菌性能被廣泛應(yīng)用于化妝品、醫(yī)藥、食品包裝材料等領(lǐng)域。然而，隨著AgNPs使用量的增加，其向環(huán)境的排放已被諸多研究證實(shí)，使之成為一種新興污染物，這引發(fā)了科學(xué)界對(duì)其生態(tài)負(fù)面影響的廣泛關(guān)注[3]。

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，僅有有限的研究報(bào)道了納米銀顆粒及其釋放出的銀離子毒性。為評(píng)估工程納米材料對(duì)環(huán)境的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，就需了解其環(huán)境污染特征與生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)。然而，由于缺乏可靠的分析方法，AgNPs的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)在還非常缺乏。因此，建立一種準(zhǔn)確可信的復(fù)雜基質(zhì)中AgNPs的定性和定量分析方法，以研究其毒性效應(yīng)具有重要意義。

目前，納米材料的新興表征法主要有濁點(diǎn)萃取及電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用(CPE-ICP-MS)法、場(chǎng)流分離及ICP-MS聯(lián)用(FFF-ICP-MS)法、流動(dòng)色譜及ICP-MS聯(lián)用(HDC-ICP-MS)法以及單顆粒ICP-MS法等[4]。其中，CPE-ICP-MS被認(rèn)為是一種有效區(qū)分Ag納米粒子和Ag+組分的方法，AgNPs通過(guò)濁點(diǎn)萃取后采用微波進(jìn)行消解，然后通過(guò)ICP-MS進(jìn)行測(cè)定，Ag+濃度由總Ag濃度與Ag納米粒子濃度之差所得，但該方法相對(duì)復(fù)雜，所耗時(shí)間較長(zhǎng)，不適合納米Ag組分的分離檢測(cè)[5-6]。FFF-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)能夠?qū)α綖?～1 000 nm的大分子、膠體和工程納米材料進(jìn)行分離，而且許多文獻(xiàn)報(bào)道了采用FFF-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)表征Ag納米粒子，證明了其應(yīng)用潛力。然而，盡管納米顆粒能夠通過(guò)粒度進(jìn)行分離，但是對(duì)于低分子量的檢測(cè)，如Ag+的測(cè)定，F(xiàn)FF技術(shù)分離效果不佳，明顯限制了FFF-ICP-MS技術(shù)對(duì)于工程納米材料的分離檢測(cè)[7]。HDC-ICP-MS是另一種分離工程納米粒子的方法，Tiede等報(bào)道了HDC-ICP-MS法測(cè)定污水污泥中的納米銀，指出HDC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)在測(cè)定環(huán)境中納米Ag粒子是一種值得信賴的方法。然而，同F(xiàn)FF技術(shù)相比，HDC色譜在分離不同粒度的納米粒子，分辨率較差[8]。相比之下，SP-ICP-MS技術(shù)由于具有高選擇性、高靈敏度和多元素同時(shí)測(cè)定等優(yōu)勢(shì)，特別適合納米材料的表征分析，在測(cè)定金屬工程納米材料領(lǐng)域中被普遍認(rèn)為是值得信賴的分析工具。SP-ICP-MS技術(shù)在分析溶解性Ag+和AgNPs時(shí)，得到了青睞，這種技術(shù)不需要任何分離裝置，直接將樣品導(dǎo)入ICP-MS中，時(shí)間分辨光譜以停留時(shí)間的方式(通常為5～10 ms)記錄。能夠從這種光譜中獲得多種信息，峰值信號(hào)的頻率與樣品中存在的納米粒子數(shù)量相關(guān)，其粒度檢出限為20 nm，背景信號(hào)則包括溶解Ag(I)、儀器噪音和粒度小于20 nm的納米粒子[9-12]。同F(xiàn)FF-ICP-MS等技術(shù)相比，SP-ICP-MS能夠獲得較好檢出限，具有廣闊的應(yīng)用前景。

以上所提到的技術(shù)在分析AgNPs、Ag+及其相關(guān)組分的研究中均具有較高的潛力。本實(shí)驗(yàn)的研究目的是基于SP-ICP-MS技術(shù)，建立了復(fù)雜基質(zhì)的納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布的靈敏度高、選擇性好的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器

Agilent 7700x ICP-MS(美國(guó)安捷倫公司)，配備Micromist霧化器(美國(guó)安捷倫公司)，電子天平(感量0.000 1 g，上海舜宇儀器有限公司)，微波消解儀(上海新儀公司)；超純水儀(成都優(yōu)普儀器有限公司，電阻率>18.2MΩ·cm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

高純氬氣(純度>99.99%)，HNO3(優(yōu)級(jí)純，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，H2O2(優(yōu)級(jí)純，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，Ag離子標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(1 000 mg/L，北京鋼鐵研究院)，30、50和80 nm AgNPs標(biāo)準(zhǔn)懸濁液購(gòu)于nano Composix公司(圣迭哥，CA，美國(guó))，其理論粒徑分別為(32.3±3.2) nm、(953.4±4.40) nm和(79.0±8.7) nm，AgNPs質(zhì)量濃度為20 mg/L；購(gòu)于BBI公司的60 nm AuNPs標(biāo)準(zhǔn)懸濁液(Cardiff，英國(guó)，質(zhì)量濃度，50 mg/L，納米顆粒濃度：2.6×1010particles/mL)用于測(cè)定ICP-MS的傳輸效率。生產(chǎn)廠家提供的TEM報(bào)告已證明AgNPs和AuNPs的多分散性和納米顆粒的近似球狀。1 μg/L的Li、Co、Y、Tl、Ce和Ba儀器調(diào)諧液購(gòu)于安捷倫公司(美國(guó)，2%v/vHNO3介質(zhì))。所用器皿均采用HNO3(1+3)溶液浸泡至少24 h以上，使用之前采用超純水沖洗干凈，備用。

1.3 樣品采集

選取3種含納米銀成分的納米銀抗菌商品(納米銀抗菌廚房洗液、納米銀抗菌運(yùn)動(dòng)襪和納米銀抗菌鼻炎凈)為研究對(duì)象，該3種商品均購(gòu)于互聯(lián)網(wǎng)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 ICP-MS儀器操作條件

待ICP-MS點(diǎn)火炬穩(wěn)定30 min后，采用調(diào)諧液對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)諧，使ICP-MS儀器獲得最佳的測(cè)定狀態(tài)。ICP-MS的單顆粒模式下測(cè)定參數(shù)如表1所示。

表1 單顆粒-ICP-MS的儀器操作參數(shù)

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1.4.2.1 單顆粒-ICP-MS測(cè)定模式

1)Ag離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：對(duì)Ag離子標(biāo)準(zhǔn)溶液采用HNO3(1% )進(jìn)行稀釋，分別配制0、0.5、1.0、2.0、5.0 μg/L 5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。此過(guò)程用于測(cè)定ICP-MS法的Ag靈敏度。2)ICP-MS傳輸效率的測(cè)定：使用超純水將60 nm AuNPs標(biāo)準(zhǔn)溶液(50 mg/L)稀釋至60 nm AuNPs標(biāo)準(zhǔn)工作溶液(50 ng/L)，并在SP-ICP-MS模式下采集其數(shù)據(jù)。

1.4.2.2 Ag總量測(cè)定模式

Ag離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：對(duì)Ag離子標(biāo)準(zhǔn)溶液采用HNO3(1%)進(jìn)行稀釋，分別配制0、10、20、50、100 μg/L 5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。此過(guò)程用于測(cè)定納米抗菌商品Ag總含量。

1.4.3 SP-ICP-MS的數(shù)據(jù)處理

基于本課題組前期的工作[12-13]，主要采用5σ標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別NPs信號(hào)和儀器背景信號(hào)及Ag離子態(tài)信號(hào)。具體迭代步驟如下：1)選擇合適的參數(shù)值n=5；2)計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ和平均值μ；3)將整個(gè)數(shù)據(jù)中超過(guò)μ+5σ的數(shù)據(jù)點(diǎn)移除；4)將去除后的數(shù)據(jù)組重復(fù)步驟2)和步驟3)；5)直到無(wú)數(shù)據(jù)點(diǎn)可移除，迭代結(jié)束。大于5σ的脈沖信號(hào)可認(rèn)為是納米顆粒的信號(hào)。將篩選出納米顆粒信號(hào)值帶入到SP-ICP-MS理論公式或SPC-tool文件(網(wǎng)絡(luò)免費(fèi)下載)以獲得AgNPs粒徑分布及納米顆粒濃度。

1.5 樣品前處理

1.5.1 納米抗菌材料中Ag總量

為了準(zhǔn)確地測(cè)定納米抗菌材料中AgNPs，首先要確定總銀含量。納米抗菌材料中Ag總量的前處理主要采用微波消解法，其具體的前處理步驟可參考本課題組之前的工作[14]。

1.5.2 納米抗菌材料中AgNPs表征

在采用SP-ICP-MS分析AgNPs過(guò)程中，為避免兩個(gè)或多個(gè)金屬納米顆粒在同一個(gè)停留時(shí)間內(nèi)同時(shí)進(jìn)入到等離子體中受到激發(fā)，并錯(cuò)誤地被質(zhì)譜檢測(cè)器認(rèn)為是單個(gè)AgNPs，通常需保證在單顆粒模式下，納米顆粒的信號(hào)數(shù)量小于總信號(hào)數(shù)量的10%[12]。

對(duì)于納米銀抗菌商品中AgNPs的表征，需保證AgNPs自有的物理化學(xué)屬性在前處理和測(cè)定過(guò)程中不發(fā)生變化，一般不采用強(qiáng)酸對(duì)樣品進(jìn)行消解，原因在于強(qiáng)酸消解會(huì)破壞AgNPs結(jié)構(gòu)，將AgNPs轉(zhuǎn)變?yōu)锳g+。因此，對(duì)于液態(tài)狀納米抗菌商品中AgNPs的分析，首先測(cè)定其總Ag濃度，然后再采用超純水將樣品稀釋至一定的濃度(一般為幾十ng/L～幾百ng/L)，上機(jī)測(cè)定前，將稀釋樣品水浴超聲10 min以分散AgNPs。對(duì)于納米抗菌襪中AgNPs，通過(guò)模擬洗滌過(guò)程，將AgNPs和Ag+等組分從納米抗菌襪中釋放出來(lái)。具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟可參考Soto-Alvaredo的工作[15]：將準(zhǔn)確稱取粉碎好的運(yùn)動(dòng)襪(1.000 0 g)加入100 mL pH值為6.8的10 mmol/L醋酸銨和10 mmol/L SDS的溶液中，在避光的情況下，磁力攪拌2 h。接著收集溶液，測(cè)定其總Ag含量，根據(jù)釋放出總Ag濃度，采用超純水將樣品稀釋至一定的濃度(一般為幾十ng/L～幾百ng/L)，在采用SP-ICP-MS分析模式前，將稀釋樣品水浴超聲10 min分散AgNPs。為防止Ag在進(jìn)樣系統(tǒng)中的殘留，在樣品與樣品測(cè)定之間采用HNO3(3%)溶液清洗進(jìn)樣系統(tǒng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米抗菌商品中總Ag含量的分析

采用微波消解法進(jìn)行納米抗菌商品中總Ag含量分析的前處理方法，其原因在于：微波消解法具有高壓密閉的特性，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)將待測(cè)元素從樣品釋放進(jìn)入到溶液中，同時(shí)待測(cè)元素的回收率通常很好。另外，與傳統(tǒng)的濕法消解相比較，微波消解法不產(chǎn)生大量的酸霧，減小了對(duì)環(huán)境和人體的危害。在進(jìn)行總Ag含量的測(cè)定時(shí)，為校正測(cè)定時(shí)待測(cè)元素信號(hào)值由于基體效應(yīng)、傳輸效應(yīng)、霧化效率、電離效應(yīng)或儀器漂移發(fā)生變化，通常采用在線添加一定濃度的內(nèi)標(biāo)元素進(jìn)行校正。因此，選擇合適的內(nèi)標(biāo)元素尤為重要。一般的選擇內(nèi)標(biāo)原則是待測(cè)溶液中幾乎不存在的元素，該內(nèi)標(biāo)元素與待測(cè)元素質(zhì)量比較接近，其電離電位與待測(cè)元素的電離電位比較接近。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，選用103Rh作為內(nèi)標(biāo)元素。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，通常將1 mg/L103Rh內(nèi)標(biāo)溶液通入到三通中，由于內(nèi)標(biāo)管內(nèi)徑為進(jìn)樣管1/20，所以103Rh內(nèi)標(biāo)元素在進(jìn)樣系統(tǒng)中濃度約為50 μg/L，因此能夠有效地校正ICP-MS分析時(shí)的偏差。由于107Ag幾乎不存在多元素質(zhì)譜干擾，所以無(wú)需開(kāi)啟碰撞反應(yīng)池模式，只需在NO Gas模式下進(jìn)行測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了3種納米抗菌商品中總Ag含量，同時(shí)對(duì)前處理方法進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，回收率在93.1%～105%，說(shuō)明本方法能夠滿足納米抗菌商品中總Ag的分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2的結(jié)果可知，采用微波消解-ICP-MS法能夠準(zhǔn)確地測(cè)定納米抗菌商品中總Ag含量，納米抗菌商品中總銀含量在數(shù)十到數(shù)百μg /L之間。因此，為了準(zhǔn)確表征納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布，需要將樣品稀釋至數(shù)十ng/L～數(shù)百ng/L。

表2 實(shí)際樣品中總Ag含量及回收率測(cè)定

注：1)單位為%。

2.2 納米抗菌商品中AgNPs的表征

采用微波消解-ICP-MS法測(cè)定了3種納米抗菌商品中總銀含量，根據(jù)這3種商品中總Ag濃度，需要將運(yùn)動(dòng)襪和鼻炎凈樣品采用超純水分別稀釋500倍，將廚房洗液樣品稀釋2 000倍，3種納米抗菌商品的原始信號(hào)見(jiàn)圖1。由圖1(c)可知，107Ag信號(hào)分布均勻(130 counts/3ms附近)，基本上不存在107Ag脈沖信號(hào)，107Ag信號(hào)基本由Ag+(離子態(tài)的Ag)產(chǎn)生，說(shuō)明抗菌廚房洗液中幾乎不存在AgNPs。由圖1(a)和圖1(b)可知，通過(guò)采用SP-ICP-MS測(cè)定兩種抗菌商品，這兩種商品產(chǎn)生大量107Ag脈沖信號(hào)，說(shuō)明兩種納米抗菌商品中含有AgNPs，同時(shí)也存在一部分107Ag信號(hào)均勻地分布在30 counts附近，該部分信號(hào)應(yīng)該是由Ag+和儀器的背景信號(hào)產(chǎn)生。

在進(jìn)行SP-ICP-MS測(cè)定納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布之前，采用SP-ICP-MS法測(cè)定了10 ng/L 30 nm, 50 ng/L 50 nm和100 ng/L 80 nm AgNPs溶液驗(yàn)證本方法的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，SP-ICP-MS法測(cè)定AgNPs的結(jié)果與生產(chǎn)廠家提供的TEM值基本一致，說(shuō)明SP-ICP-MS法能夠準(zhǔn)確表征水樣中AgNPs粒徑分布。因此，采用SP-ICP-MS法測(cè)定了稀釋后的納米抗菌商品(鼻炎凈和運(yùn)動(dòng)襪樣品)，并應(yīng)用SP-ICP-MS公式將AgNPs脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為AgNPs粒徑分布如圖2所示。由圖2可以看出，SP-ICP-MS法能夠很好地表征納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布，建立的SP-ICP-MS能夠?yàn)闇?zhǔn)確表征納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布提供可靠的分析方法。

圖1 納米抗菌商品中AgNPs原始信號(hào)：(a) 稀釋500倍鼻炎凈，(b) 稀釋500倍運(yùn)動(dòng)襪提取液，(c) 稀釋2 000倍抗菌廚房洗液Figure 1 Raw signal of nano-antibacterial consumer products: (a) antibacterial nasal spray, (b) sports socks, (c) kitchen cleansing spray.

AgNPs樣品粒徑/nmTEM值/nm平均值/nm中間值/nm濃度/(ng·L-1)3032.3±3.3234.3±0.833.2±0.910.05053.4±4.452.3±1.853.8±1.950.08079.0±8.776.2±2.780.3±2.4100.0

圖2 SP-ICP-MS表征納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布：(a) 運(yùn)動(dòng)襪 (b) 鼻炎凈Figure 2 Size distribution of AgNPs in nano-antibacterial consumer products using SP-ICP-MS(a) Sports socks (b) Antibacterial nasal spray.

3 結(jié)論

建立了SP-ICP-MS法測(cè)定了納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布的方法。首先通過(guò)微波消解-ICP-MS法測(cè)定納米抗菌商品總銀含量，確定測(cè)定納米抗菌商品AgNPs稀釋倍數(shù)，再采用SP-ICP-MS法測(cè)定納米抗菌商品中AgNPs粒徑分布。該方法分析速度快、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確表征納米抗菌材料中AgNPs粒徑分布。