作者
Debora Lu

发布
24/04/2020

氢气发生器作反应气应用于ICP-MS应用中降低背景干扰,氢气代替氦气作碰撞气

本研究使用了氢气发生器,在低压下按需生产氢气,内部极少的氢气存储,为ICP-MS系统提供所需的纯度和流量的反应气体。

概述:

(52Cr)是金属植入物的一种关键成分,尽管被涂上了惰性的表层涂层,但随着使用,经由长期生物腐蚀过程,可能会分解而进入人体。植入物中的金属离子迁移到周围的骨骼、组织和体液中会引起潜在的健康风险,甚至会导致严重的健康问题。

电感耦合等离子体质谱分析(ICP-MS)是临床上用来监测复杂样品基质中金属离子的重要工具,但背景中的等离子体氩(40Ar)与样品基质中的碳(12C)的重组成的40Ar12C会对铬(52Cr)的信号产生干扰。本文使用氢气作反应气,以降低干扰,使铬(52Cr)的分析结果更为准确,并优化了方法的定量限。

正文

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)是25年前建立的一种用于检测和定量人体体液中微量和超微量元素的重要手段(1)。作为一种测定血液和血浆等复杂基质中多元素的技术,其功能多样而倍受青睐(2)。其中一个临床应用就是测定人工关节或假体植入后,体液中的金属离子的含量。

金属植入物广泛应用于各种骨科和牙科,如髋关节和膝关节置换手术,第一个金属人工髋关节植入于1956(3)。在过去的20-30年中,接受植入物的患者数量已经增长到100多万,并且人们对于金属和金属合金的耐腐蚀性、机械性能以及低毒性的认识已经大大提高(4)。虽然目前的植入物表面有惰性的涂层,但随着使用,经过磨损或生物腐蚀(如化学作用、pH值变化以及植入物与周围肌肉或骨骼之间的物理作用),会向周围释金属离子,进而导致过敏或更严重的健康问题。铬是许多金属合金中的关键成分,特别是在广泛使用的钴铬合金中(其中铬约占30%)。外科或骨科用的不锈钢SS316L(唯一的生物相容性不锈钢),也含有16-18%的铬(3,4)。尽管金属铬的应用非常广泛,且毒性也很低,但如果铬离子进入人体,特别是通过血液等体液运输到各个器官,则有潜在的健康风险,并可能导致高浓度的全身中毒(5)

使用氢气以降低ICP-MS中背景干扰

光谱干扰是由与目标物具有相同质荷比的原子或分子离子引起的。通常,多原子离子来源较广,包括样品基质、样品制备试剂、等离子体气体和环境气体等。例如对铁(56Fe)、硒(78Se))、钙(40Ca)、砷(75As))和铬(52Cr)等元素进行ICP-MS分析时,由于氩 (Ar)、血浆离子 (O, N, H) 和其他基质离子(Cl, Na, Ca) 之间形成的多原子和同量异位素而产生干扰 (6)(见表一)。

ICP-MS 表1

若碰撞池中使用氦气,通过动能歧视技术(KED)可以有效地消除大部分的干扰离子,因而氦气常被用于ICP-MS系统的碰撞反应池中。然而,当出现氩基多原子时,氦气不一定能完全消除干扰,从而产生较高的背景信号。

背景等离子体中的40Ar和样品基质中的12C形成的与目标物同量异位素的多原子干扰物40Ar12C,导致52Cr的信号会受到影响(5)。本研究中血液、血浆和尿液等生物样品基质中的12C含量非常高,与40Ar结合后可对52Cr的定量结果产生严重影响。为了解决这一问题,选择氢气作为反应气可以有效地消除干扰,使52Cr的分析更加准确。

氢气在空气中的爆炸下限(LEL)浓度是4.1%,一般实验室通常需要2000-5000L的氢气才能达到LEL。为了降低实验室环境中氢气作为反应气体带来的风险,本研究使用了氢气发生器,在低压下按需生产氢气,内部极少的氢气存储,为ICP-MS系统提供所需的纯度和流量的反应气体。

hydrogen gens

实验过程

所有分析均采用Analytik Jena PlasmaQuant MS ICP-MS系统和毕克Precision 氢气300cc发生器(提供氢气作反应气)进行。

样品

使用经验证的,符合临床标准的血液、血浆和尿液基质进行铬含量的测试(ClinChek全血一级、二级和三级、血浆一级和二级、尿液一级和二级,德国Recipe)。

稀释液中含有2%氨水、0.1%EDTA0.01%Triton-X1%异丙醇和200 ppb的金元素。尿液和血浆样本按1:10的比例进行稀释。全血样本按1:20的比例进行稀释。

线性范围

建立了从0.110μg/L浓度范围的校正曲线(图1)。

仪器工作条件见表二。

校正曲线

52Cr 校正曲线

表2

结果分析

线性

使用氢气作为反应气可降低背景干扰,校正曲线的线性良好,相关系数R2=0.99999952Cr的空白背景值很低,仅为55 C/S(图1)。当使用氦气作碰撞气体时,其52Cr的空白背景值为955 C/S

结果表明,使用氦气作碰撞气进行52Cr检测时,由于背景噪声较高,其灵敏度降低,但使用氢气作反应气时,分析的灵敏度显著提升。

分析不同样品基质中52Cr的含量

加标浓度的选择须符合规定的临床可报告范围(CRR,以便出具对临床、诊断有意义的报告,若此浓度超出了分析测量范围(AMR),可通过稀释、浓缩或任何其他前处理之后,将待测物浓度处于分析测量范围内。结果如表三所示,不同基质中铬的浓度在认证控制范围内,表明本研究所用方法的准确,临床样品中52Cr的定量结果是有效的。

 

表3

总结

在过去的25年中,ICP-MS已成为监测复杂基质中金属离子含量的领先技术,在临床应用中使用广泛。生物环境的腐蚀造成植入物中的金属离子向周围组织扩散,并迁移到其他的器官中,最终在体液中检测到。金属离子会渗入周围组织中会引起金属过敏、生成肉芽肿,甚至致癌。因此,必须能够可靠地检测植入物患者体液中的金属离子水平,以便在植入物发生严重的生物腐蚀前能够及时进行干预。

52Cr离子作为金属植入物中多种合金的关键成分,通过生物腐蚀释放出来进入人体可能会对健康产生潜在影响。样品基质中的12C40Ar反应产生的多原子离子干扰,碰撞池中使用氦气时,因不能有效地消除干扰,难以准确检测52Cr的含量。然而,氢气因其与氩基多原子反应迅速,提供了一种消除干扰的改进机制。

这项研究表明,当使用氢气作为反应气时,多原子12C40Ar的背景干扰可以忽略不计,因此可以优化仪器方法。即使样品基质复杂,血液、血浆和尿液三种基质中都可以实现较好的线性结果,且样品中52Cr的测试结果符合规定的临床可报告范围。

参考文献

(1) T.D.B. Lyon, G.S. Fell, R.C. Hutton, and A.N. Eaton, J. Anal. Atom. Spec. 3, 265–271 (1988).
(2) M-A. Vaughan, A.D. Baines, and D.M. Templeton, Clin. Chem. 37(2), 210–215 (1991).
(3) H. Matusiewicz, Acta Biomater. 10, 2379–2403 (2014).
(4) D. Cadosch, E. Chan, O.P. Gautschi, and L. Filgueira, J. Biomed. Mater. Res. Part A 91A(4) 1252–1262 (2009).
(5) J.P. Goullé, E. Saussereau, J. Grosjean, C. Doche, L. Mahieu, J.M. Thouret, M. Guerbet, and C. Lacroix, Forensic Sci. Int. 217(1–3), e8-e12 (2012).
(6) T.W. May and R.H. Wiedmeyer, Atom. Spec. 19(5), 150–155 (1998).

Ed Connor is an application specialist with Peak Scientific Instruments in the UK.

Andrew Ryan is an ICP-MS product manager with Analytik Jena AG in Germany. 

Peio Riss is an ICP-MS Application Specialist with Analytik Jena AG in France.

Article as featured in Spectroscopy January 2017 Volume 32 Number 1 Pg40-43

订阅Peak电子简报以获取产品资讯和Peak最新动态