LA-ICP-MS校正标准研制及其在生物样品分析中的应用

论文摘要

深入探究化学元素在生物体的存在总量及分布规律是生物地球化学的重要研究内容,对于环境安全、农业生产以及人类健康具有重要意义,而其中分析方法的建立是开展研究的前提,同时分析方法的进步也时刻推动着生物地球化学研究向前发展。激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）是一种可同时用于元素整体含量分析和微区空间分布研究的颇具发展潜力的固体分析技术,然而由于目前专门用于LA-ICP-MS分析生物样品的校正标准缺失,限制了其在生物样品分析中的广泛应用。本次研究开发了适用于LA-ICP-MS分析生物样品的基体匹配的系列校正标准,建立了对于生物样品中元素含量和元素分布特征的分析方法,并应用于实际案例分析。主要研究内容和结果如下:1.研制了与植物基体匹配的校正标准—加标琼脂系列标准针对目前适用于LA-ICP-MS分析植物样品的校正标准缺失问题,本文采用溶胶-凝胶的方法合成了与植物基体相匹配的校正标准—加标琼脂。本工作提出了模具预成型的合成方法,明显提升了琼脂膜中加标元素的均一性。同时,本研究发现琼脂溶液的初始浓度、pH、盐度及凝胶干燥条件是影响加标元素分布均一性的重要因素。综合考虑,本实验选择pH为5、盐浓度小于0.6%、初始浓度为4%的琼脂溶液,通过模具预成方式形成半固态凝胶,然后将凝胶在鼓风烘箱中50℃下干燥1 h,合成了三维尺度上加标元素分布均一的琼脂膜,以此作为与植物基体匹配的校正标准。2.建立了适用于生物样品中多元素快速分析的方法生物体中有益元素与有害元素的含量信息有助于评估环境风险、指导农业生产和保障人类身体健康。快速的元素含量分析方法是开展深入研究的前提与助推剂,也是本工作的研究重点之一。采用已合成的加标琼脂作为LA-ICP-MS外部校正标准,结合准确的13C内标校正,建立了适用于生物样品中多元素的快速分析方法。本方法对于常量元素（Na、Mg等）检出限为0.0193.576μg g-1,对于微量元素（Cr、Fe等）检出限为0.00050.7819μg g-1。为了实现更为高效的分析,本研究开发了一种高效的粉末样品制备技术,采用多孔橡胶作为样品的载体,实现了一次性多样品同时制备的目的,60个样品可以在3.5小时内完成从制备到测试的全过程,其分析效率比传统的粉末压饼逐一放样的方式提升了3倍以上。同时,多样品以载体形式统一放入剥蚀池,提高了剥蚀池内的空间利用率,减小了因为反复更换样品引起的分析误差。采用本方法分析多种生物粉末标准样品,对于常量元素分析结果与标准值偏差在10%左右;对于微量元素,整体上90%的数据与标准值偏差都在20%以内,说明该方法具有较好的准确性与广泛的适用性。3.研制了与动物基体匹配的校正标准—加标明胶系列标准虽然加标琼脂可以在一定程度上满足动物源粉末样品的分析需求,但对于动物源样品中微量元素的测试结果准确度不及植物源样品,这可能是基体不完全匹配造成的。另外,琼脂应用于动物源样品定量校正的前提是C含量已知,对于难于测试准确C含量的样品（如动物组织切片）,该方法不能适用。因此,还有必要探索与动物基体匹配的校正标准。明胶来源于动物,主要成分为多肽,可以与动物样品实现很好基体匹配。目前已有将加标明胶作为基体匹配标准用于LA-ICP-MS分析的案例,然而加标元素在明胶中存在的色谱效应始终是悬而未解的问题。本工作详细探讨了明胶种类、合成方法及合成条件等影响因素,最终以pH为4、盐浓度小于0.6%、初始浓度为12%的猪皮明胶溶液,通过模具预成型方式合成了明胶凝胶,将凝胶在鼓风烘箱中30℃下干燥3 h合成了三维尺度上元素分布均一的加标明胶膜。以此作为LA-ICP-MS的外部定量校正标准,结合13C内标校正,建立了适用于动物源样品中微量元素的分析方法。该方法对于CdFe的检出限在0.0030.904μg g-1之间。应用该方法对前面工作中的六种动物源样品粉末进行分析,对比测试结果发现,采用明胶作为外部校正标准后,对于微量元素的测试结果明显变好,在分析数据与标准值偏差在15%以内的占到了总数据的83%,而采用琼脂作为外部校正标准时,分析数据与标准值偏差在15%以内的只占到了总数据的52%。这说明了明胶更适合作为动物源样品的外部校正标准。4.建立了植物样品中元素定量成像分析方法,应用于探究稻米中重金属分布稻米中重金属的空间分布信息对于食品安全和农业生产具有重要意义,而传统的重金属分布研究中多采用物理分离的方法,该方法具有较差的空间分辨率,不能准确区分重金属的存在位置。本工作建立了以加标琼脂作为LA-ICP-MS外部校正标准,以13C为内标校正的植物样品中元素定量成像分析方法。通过优化激光剥蚀参数、剥蚀池内体积和载气流速,将洗出时间降低至1.44 s,提高了本方法的空间分辨率。通过LA-ICP-MS对重金属污染区稻米籽粒的元素定量成像分析,发现Zn、Cd和Pb有在皮层和胚芽处富集的趋势,Zn、Cd尤为明显,其中Cd在皮层和胚芽处富集区域的含量在0.93.2μg g-1之间,浓度值最高点是稻米整体平均值的8倍,而整体平均值又是国家标准污染限量的2倍,对食用者构成一定的健康风险。建议通过精加工方式除去皮层和胚芽部分,以降低重金属摄入风险。5.建立了动物组织中元素定量成像分析方法,应用于分析重金属量子点暴露后的小鼠肝脏组织量子点以其良好的光化学特性被广泛应用于生物医学领域,而量子点的生物毒性是限制其实际应用的主要因素。建立有效的定量分析方法,检测量子点在生物体内的代谢过程,对于解释其毒性机制,促进量子的正确使用具有重要指导意义。本工作以合成的加标明胶作为定量校正标准,以13C为内标校正,建立了适用于动物组织样品的定量成像分析方法。并将其应用于分析注射有PbS/CdS量子点后的小鼠肝脏切片中Cd、Pb的分布情况。从目标区域的定量分析结果发现,Cd、Pb元素的分布趋势具有良好的相关性（R=0.78）,可以辅证量子点没有分解的结论,结合小鼠粪便中量子点的形态,证明了量子点是以整体的形式在小鼠肝脏内完成代谢过程;从量子点的分布趋势上来看,富集位置主要在肝细胞或肝血窦,在血管中有少量分布,在淋巴细胞富集区未发现。本工作为后期进一步研究量子点的毒性作用机理提供重要支持。

论文目录

• 作者简历
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 生物样品的元素分析需求
•     1.1.1 整体元素含量分析
•     1.1.2 微区元素成像分析
•   1.2 LA-ICP-MS技术简介
•     1.2.1 激光剥蚀系统（LA）
•     1.2.2 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）
•   1.3 LA-ICP-MS的定量校正方法
•     1.3.1 采用固体标准物质的外标校正法
•     1.3.2 采用标准溶液的外标校正法
•     1.3.3 采用同位素稀释校正法
•   1.4 LA-ICP-MS生物校正标准的合成方法
•     1.4.1 同基体物质加标法
•     1.4.2 干-液滴法
•     1.4.3 溶胶-凝胶法
•   1.5 LA-ICP-MS在生物样品分析中的应用
•     1.5.1 整体元素含量分析
•     1.5.2 微区元素成像分析
•   1.6 本文立题思想
• 第二章 植物样品基体匹配校正标准研制
•   2.1 引言
•   2.2 实验部分
•     2.2.1 标准及试剂
•     2.2.2 仪器及主要工作条件
•     2.2.3 加标琼脂膜的合成与测定
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 合成方式的影响
•     2.3.2 琼脂初始浓度的影响
•     2.3.3 溶液酸度的影响
•     2.3.4 溶液盐度的影响
•     2.3.5 干燥温度的影响
•     2.3.6 合成标准性能
•   2.4 小结
• 第三章 生物样品中多元素快速分析技术研究
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 生物粉末标准物质
•     3.2.2 仪器及主要工作条件
•     3.2.3 碳含量测定
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 高效的样品制备与分析技术
•     3.3.2 激光参数对于元素信号的影响
•     3.3.3 C内标校正
•     3.3.4 方法性能
•     3.3.5 样品分析
•   3.4 小结
• 第四章 动物样品基体匹配校正标准研制及其在元素分析中的应用
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•     4.2.1 标准及试剂
•     4.2.2 仪器及主要工作条件
•     4.2.3 加标明胶的合成及测定
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 加标明胶的合成研究
•     4.3.2 方法性能
•     4.3.3 样品分析
•   4.4 小结
• 第五章 植物组织定量元素成像分析:以稻米籽粒中重金属分布研究为例
•   5.1 引言
•   5.2 实验部分
•     5.2.1 样品来源及制备
•     5.2.2 仪器及主要工作条件
•     5.2.3 稻米中重金属整体含量测试
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 定量成像方法优化
•     5.3.2 样品分析与讨论
•   5.4 小结
• 第六章 动物组织定量元素成像分析:以重金属量子点暴露过的小鼠肝脏分析为例
•   6.1 引言
•   6.2 实验部分
•     6.2.1 动物样本取材
•     6.2.2 仪器及主要工作条件
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 定量成像方法优化
•     6.3.2 样品分析与讨论
•   6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李亚泰

导师: 胡圣虹

关键词: 生物样品,基体匹配校正标准,定量元素成像

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 中国地质大学

分类号: P593

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000028

总页数: 124

文件大小: 3587K

下载量: 97