单颗粒-电感耦合等离子体质谱测定海水中银纳米颗粒

    张春梅 徐强 杜静 田甲申 张华

    

    

    

    摘?要?建立了单颗粒-电感耦合等离子体质谱法（SP-ICP-MS）量化与表征海水中银纳米颗粒（AgNPs）的方法。筛选了SP-ICP-MS检测海水中AgNPs时的最优驻留时间，通过探究海水基质对AgNPs检测的影响，确定了海水样品稀释倍数，并利用本方法对大连市近岸海域3个站位表层海水样品中的AgNPs进行测定。结果表明，仪器最优驻留时间为100 μs，150倍稀释海水样品可提高AgNPs浓度的测定准确度。本方法测定海水中AgNPs数量浓度检出限为9.75×103 particles/mL，粒径检出限为12 nm，标称粒径50和100 nm AgNPs的平均加标回收率均大于70%。大连市近岸海域3个站位表层海水样品中均检测出AgNPs，数量浓度最大值为（2.1±0.004）×106 particles/mL，最小值为（1.1±0.01）×105 particles/mL，粒径分布在18～200 nm之间。本方法具有样品制备简单、分析速度快、颗粒物数量浓度检出限低等优点，为近岸海水中AgNPs的监测分析提供了可靠的分析方法。

    关键词?单颗粒-电感耦合等离子体质谱; 海水; 银纳米颗粒

    1?引 言

    银纳米颗粒（AgNPs）具有抗菌性能，常被用于涂料、家用電器、纺织品和清洁剂等领域[1～3]。随着AgNPs材料的大量使用，不可避免被释放到环境中，增大了AgNPs材料的生物效应[4～6]和安全性风险[7，8]。准确测定自然环境中AgNPs的数量及粒径对于正确评估AgNPs的生态风险具有重要意义。

    扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和动态光散射（DLS）等技术被广泛用于纳米材料的表征与检测[9，10]。 上述技术适用于研究纳米颗粒的尺寸、形状和形态，但不能量化纳米颗粒的数量及质量浓度。单颗粒电感耦合等离子体质谱（SP-ICP-MS）通过对传统电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）数据采集方式和样品引入方式等方面的改进，可获得金属基纳米颗粒的数量、尺寸和粒径分布，近年来被成功应用于检测水环境中AgNPs和金纳米颗粒（AuNPs）[11～14]。已有研究表明，水环境中广泛存在AgNPs。Wu等[15]在广东省陈店湖和贵屿河采集的表层水样品中检测出AgNPs，数量浓度分别为（7.04±0.42）×107 particles/L、（4.04±0.11）×107 particles/L，粒径主要为40 nm和30 nm。 此外，污水处理厂排水中也被证实存在AgNPs。Li等[16]研究发现，城市废水经污水处理厂处理后，超过94.6%的AgNPs可被去除，但仍含有0.7～11.1 ng/L AgNPs，这些AgNPs最终被直排汇入大海。然而，海水中AgNPs的分布特征研究目前鲜有报道，其主要难点在于海水介质中的AgNPs的量化与表征。首先，海水中的AgNPs含量较低。Sun等[17]通过模型预测海水中以纳米颗粒形式存在的银质量浓度范围为0.01～100 ng/L。此外，海水高盐、基质复杂等特点也增加了AgNPs量化和表征的难度。Mylona等[18]利用SP-ICP-MS 测量海水中实验浓度为200 ng/L AgNPs的粒径分布与颗粒数量，发现对未经稀释的海水样品进行直接分析可观察到由矩阵引起的信号抑制，但并未对分析检测方法进行详细探究。因此，开发一种简单、高效、灵敏度高的海水中AgNPs检测方法，可实现海水环境中AgNPs的量化与表征，从而为更好地开展AgNPs在不同海域海水中分布特征研究提供技术支撑。

    本研究建立了SP-ICP-MS测定海水中AgNPs数量、尺寸和粒径分布的方法，并对实际海水样品中AgNPs进行了测定。

    2?实验部分

    2.1?仪器与试剂

    Nexion 300D电感耦合等离子体质谱 （美国Perkin Elmer公司），配备Nano软件（Nano app for syngisix software）对AgNPs进行检测与分析。仪器RF功率（Power）为1600 W，辅助气流（Auxiliary gas flow）为1.2 L/min，等离子气流（Plama gas flow）为18 L/min，样品提升率（Sample lifting rate）为0.292 mL/min，样品采集时间（Sample Acquisition time）为110 s，分析采用TRA模式，稳定时间（Settling time，ts）设置为零[19]，驻留时间（Dwell time，td）设置为不同值，考察检测效果。本方法可同时得到AgNPs的粒径和颗粒数量浓度，从而分析出AgNPs粒径分布及颗粒质量浓度。

    50和100 nm AgNPs溶液（nanoComposix公司），TEM测定值分别为（52±5） nm、（93±10） nm，AgNPs质量浓度分别为20 和21 mg/L，颗粒数量浓度分别为2.6×1010 particles/mL和4.7×109 particles/mL，试剂公司附带透射电子显微镜说明书证明标准溶液中AgNPs形态均为单分散的近球形。为避免造成计数错误，标准溶液用超纯水连续稀释至最终浓度约为104～105particles/mL，备用。Ag+标准溶液（国家有色金属及电子材料分析测试中心，1000 mg/L）。Ag+标准溶液用超纯水稀释系列浓度1～10 μg/L用于校准。标准海水（国家海洋标准计量中心，盐度标准值34.997）。

    所有标准溶液及配制溶液在分析前均超声处理15 min，避免粒子团聚，于暗处保存。

    2.2?样品采集

    搭载辽宁省海水水质质量监测航次，采集大连市近岸海域表层海水，取样位置如图1所示。每个站位采集100 mL表层海水样品至棕色玻璃样品瓶中，并在走航过程中选取多个采集点位。样品采集完成后，于4℃冷藏运送至实验室后，将样品超声分散30 min，随后分装至50 mL 玻璃管中，4℃冷藏保存，样品当天进行前处理操作。

    2.3?样品前处理

    通过稀释方法降低基质干扰，利用备用样品探讨稀释倍数对海水中AgNPs检测的影响。将DL01～DL03样品按最优稀释比例稀释，样品超声分散15 min后进样。进样前，用调谐液将仪器状态调至最佳，样品间用1% HNO3溶液和超纯水冲洗进样系统。

    2.4?nano軟件计算原理

    金属纳米粒子进入ICP-MS后，可在极短的时间内产生极强的脉冲信号，脉冲信号个数与纳米粒子的数量成正比，脉冲强度与纳米粒子粒径成正比[20]。单个纳米粒子的质量按照公式（1）[21，22]计算得到：

    其中，MNP为单个纳米粒子的质量（ng），DNP为单个纳米粒子的粒径（nm），ρ=10.53 g/cm3（Ag的密度）。粒径分布直方图由单个纳米粒子的粒径组成。

    已知单个纳米粒子的质量，可由公式（2）计算得到溶液中纳米粒子的质量浓度[15]：

    其中，CNP为质量浓度（ng/L），MNP为单个纳米粒子的质量（ng），NNP为所测溶液中的颗粒数量浓度（particles/mL）。

    3?结果与讨论

    3.1?驻留时间的确定

    td是SP-ICP-MS检测分析的重要参数，常被设置为ms量级[23]。Nexion 300D ICP-MS作为四极杆ICP-MS，td可设置为μs量级[19]。因此，本实验设置不同td（20 μs、100 μs、1 ms、3 ms），使用50 ng/L（数量浓度约为6.5×104 particles/mL）AgNPs溶液进样，分析结果如图2所示。td为20 μs（图2A）时，在信号强度为0～10 counts处未出现完整的脉冲信号，表明在此条件下纳米颗粒信号可能与背景信号重叠，导致计数错误。 td为3 ms（图2D）时，在信号强度为50～75 counts处出现新的信号分布曲线，表明检测器误将两个或多个AgNPs当作单粒子进行记录，对AgNPs测定结果造成影响。当td为100 μs（图2B）和1 ms（图2C）时，均出现完整脉冲信号并且未见明显的第二信号分布峰。因此，为获得准确的粒径分布和纳米粒子数量浓度，同时减小td，最终确定仪器td值为100 μs。

    3.2?SP-ICP-MS检测海水中AgNPs适用性分析

    通过对比SP-ICP-MS检测超纯水和标准海水中的AgNPs的粒径分布信息，分析SP-ICP-MS检测海水中AgNPs的适用性。在超纯水和标准海水中加入50 nm （50 ng/L）和100 nm（300 ng/L）AgNPs，应用SP-ICP-MS进行分析。由图3A～3D可知，SP-ICP-MS可以清晰分析出50和100 nm AgNPs完整的粒径分布信息，其结果与TEM标称值相近。对比超纯水和标准海水中的AgNPs粒径分布图可知，SP-ICP-MS可对海水中的AgNPs进行表征。由图3E和3F可知，SP-ICP-MS通过识别脉冲信号强度可区分不同粒径（50和100 nm）AgNPs混合液。

    3.3?海水基质对AgNPs检测的影响

    海水基质复杂，如直接进样，仪器易受基质干扰，从而影响方法的灵敏度和稳定性等参数。此外，海水样品含盐量约为35 g/L，远超出SP-ICP-MS进样系统总溶解固体量承受限值（约1 g/L），直接进样则易堵塞仪器采样锥和截取锥。基质分离法费时费力，并易造成样品污染和待测物损失。因此，本研究采用稀释进样方法，以避免上述问题。首先将备用样品分别稀释不同倍数（50、100、125、150、200倍）后进样，以未检测出AgNPs的样品作为分析海水基质。向稀释不同倍数的样品中加入50 nm AgNPs标准溶液，配制50 ng/L AgNPs悬浮液（约6.5×104 particles/mL）进样，测定结果如图4所示。由图4A可见，基质效应使实测粒子数与理论粒子数出现偏差，而样液中基质浓度越低，测试结果越接近理论值，当海

    水稀释到150倍时，测定值不再发生明显变化。由图4B可见，不同稀释倍数下50 nm AgNPs粒径的测定值与给定的TEM标称值相近，相对标准偏差（RSD）为1.6%。由透射电镜结果（图5）可知，150倍稀释海水样品中AgNPs的平均粒径为48.3 nm，与标准品TEM标称值（52±5 nm）相符。上述结果表明，海水基质对AgNPs粒径测定的影响较小，150倍稀释海水样品即可较为准确地测定AgNPs浓度。

    3.4?方法的检出限

    SP-ICP-MS的检出限包括粒径检出限（LODs）和颗粒数量浓度检出限（LODNP）。LODs反映的是仪器区分背景信号与纳米颗粒信号的能力，为了尽可能消除所有假阳性信号的干扰，将错误率降至0.1%，研究中通常采用μ+5σ迭代算法计算纳米粒子检测的粒径检出限[24，25]。本研究采用平均背景信号值与5倍标准偏差之和计算出海水中AgNPs的粒径检出限为12 nm，低于文献[23，26]报道的粒径检出限。这是由于本研究设置的驻留时间td=100 μs，低于文献[23，26]报道的 ms级，而LODs受td的影响，较短的td可提高仪器信噪比[25]，使检出限更低。

    Laborda等提出LODNP（particles/mL）与雾化效率（ηn）、样品提升率（Qsam）和数据采集时间（tsam）有关，如公式（3）所示[27]。由于海水样品需稀释进样，以稀释倍数150倍计算，本方法对海水中AgNPs的颗粒数量浓度检出限为9.75×103 particles/mL。

    3.5?方法精密度

    利用SP-ICP-MS连续3日，每日4次分析海水中50 ng/L 50 nm AgNPs（约6.5×104 particles/mL），结果如表1所示。结果表明，所检测样品中AgNPs粒径、颗粒数量浓度与质量浓度的日均RSD值均小于10%，表明利用SP-ICP-MS测定海水中AgNPs的检测结果重复性较好。

    3.6?方法加标回收率

    将不同浓度的50 nm AgNPs （25、100、250 ng/L）和100 nm AgNPs（25、100、250 ng/L）加入至稀释后的标准海水中（n=3），分析结果如表2所示，50 和100 nm AgNPs的平均加标回收率均高于70%。

    3.7?實际表层海水中AgNPs的测定

    利用本方法检测大连市近岸海域3个 站位表层海水样品中AgNPs。 海水中AgNPs的粒径分布如图6所示，分析结果见表3。结果表明，大连近岸海域表层海水中均含有AgNPs，质量浓度范围为50.2～89.2 ng/L，数量浓度最大值为（2.1±0.004）×106 particles/mL，最小值为（1.1±0.01）×105 particles/mL，粒径分布在18～200 nm之间。不同站位表层海水中AgNPs的粒径平均值及颗粒数量浓度存在差异，这可能与海水中多种因素有关。例如，海水中存在大量的氯化物，可与AgNPs发生相互作用，加速AgNPs的溶解[28]; 而纳米颗粒较大的比表面积和良好的天然有机物（NOM）吸附能力，增加了AgNPs的亲水性、空间位阻和静电斥力，从而抑制了颗粒团聚，使其更加稳定地悬浮在海水中[29]。

    4?结 论

    SP-ICP-MS适用于海水中环境浓度AgNPs的检测与分析，其td可优化至μs级。本方法具有样品制备简单、分析速度快、颗粒物数量浓度检出限低等优点，可为海洋环境中AgNPs的环境行为及定量风险评估提供技术支持。检测实际海水样品中AgNPs浓度可为进一步开展AgNPs对海洋生物的毒理学等研究提供基础数据。

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