微波消解ICP-MS法測定中華白海豚額隆中微量元素及其含量特征分析

張靈莉，丁玉龍，張 美，桂 端，寧 曦，李 俊，吳玉萍*

1. 南海資源開發(fā)與保護協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510275

2. 中山大學(xué)生命科學(xué)大學(xué)院，廣東 廣州 510275

3. 中山大學(xué)海洋學(xué)院，廣東 珠海 519082

微波消解ICP-MS法測定中華白海豚額隆中微量元素及其含量特征分析

張靈莉1, 2，丁玉龍1, 3，張 美1, 3，桂 端1, 3，寧 曦2, 3，李 俊1, 3，吳玉萍1, 3*

1. 南海資源開發(fā)與保護協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510275

2. 中山大學(xué)生命科學(xué)大學(xué)院，廣東 廣州 510275

3. 中山大學(xué)海洋學(xué)院，廣東 珠海 519082

中華白海豚是我國一級保護動物，處于海洋食物鏈頂端，而重金屬、持久性有機污染物等污染物易在其體內(nèi)富集。額隆是鯨豚回聲定位的重要部位，具有傳導(dǎo)信號的作用。為探究中華白海豚額隆中微量元素的基線水平以及其組成的主要特征成分，研究采用微波消解電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測定了中華白海豚額隆中V，Ni，Cr，Mn，Cu，As，Zn，Hg，Se，Cd和Pb 11種微量元素并對其含量進行特征分析。結(jié)果表明該方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，適合于中華白海豚額隆微量元素的測定分析。樣品分析顯示，額隆中11種微量元素整體含量水平不高，由于個體生理狀況不同，同種元素含量在不同個體中存在差異；其平均含量從高到低排序依次為：Zn>As>Cu>Mn>Se>Hg>Cr>Ni>Pb>V>Cd，其中As作為非必需有毒微量元素，含量水平較高(1.158 μg·g-1ww)，可能會對海豚產(chǎn)生生理毒害作用。Spearman相關(guān)性分析顯示，As(r=0.733)，Cd(r=0.615)和Hg(r=0.645)含量與海豚體長呈顯著正相關(guān)性(p<0.05)，表明As，Cd和Hg三種元素可隨海豚年齡增加而在額隆中富集；Cs與Ni呈正相關(guān)(p<0.05)，Mn與As呈負(fù)相關(guān)(p<0.01)，表明元素間也存在著一定的關(guān)聯(lián)性。此外，主成分分析結(jié)果表明，V，Mn，Ni，Se，Cu和Hg為中華白海豚額隆主要特征微量元素。研究在國內(nèi)首次使用微波消解ICP-MS法對中華白海豚額隆中微量元素進行研究，結(jié)合相關(guān)性分析和主成分分析，有效探究了中華白海豚額隆中微量元素的生物富集模式與含量特征，實驗結(jié)果為研究中華白海豚額隆中微量元素基線水平提供了參考。

中華白海豚；額?。浑姼旭詈系入x子質(zhì)譜；微量元素；微波消解

引 言

中華白海豚(Sousachinensis)，即印度太平洋駝背豚，是中國海洋鯨豚類唯一的國家一級野生保護動物。珠江口是我國中華白海豚最主要的棲息地，然而隨著沿岸城市經(jīng)濟的高速發(fā)展，使該水域污染問題日漸嚴(yán)重[1]。在鯨豚組織中，微量元素易富集，難降解，存在生物積累及放大現(xiàn)象，因此鯨豚被認(rèn)為是海洋環(huán)境理想的指示物種[2-3]。額隆作為海豚聲吶系統(tǒng)的重要部件，在聲發(fā)射過程中起著聲透鏡的作用，這種特殊生理機能與其所含飽含的脂肪酸組成密切相關(guān)[4]。而迄今尚未有關(guān)于中華白海豚額隆中微量元素的相關(guān)研究。

目前，測定油脂中微量元素的前處理技術(shù)主要有干法灰化，濕法消解，微波消解等方法，微波消解法具有耗時短，空白低，耗酸少，精密度好，準(zhǔn)確度高等優(yōu)點[5]，是處理中華白海豚額隆樣品的首選方法。油脂中微量元素含量測定的傳統(tǒng)方法主要電化學(xué)分析法，離子色譜法，原子熒光光譜法，原子吸收法，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法等，但這些方法存在分析檢測限高，周期較長，操作繁瑣等缺點。目前，電感耦合等離子體質(zhì)譜法是發(fā)展最快的痕量元素分析技術(shù)之一，具有檢出限低，線性動態(tài)范圍廣，干擾少，分析精密度高等特點，已廣泛應(yīng)用于鯨豚肌肉，肝臟和腎臟組織中微量元素的測定[6-7]。本文首次建立了微波消解ICP-MS法測定了中華白海豚額隆中V，Ni，Cr，Mn，Cu，As，Zn，Hg，Se，Cd和Pb共11種微量元素，該方法能快速，簡捷，準(zhǔn)確的測定海豚額隆中微量元素，為了解中華白海豚健康情況以及研究其元素特征模式提供了科學(xué)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器

Agilent 7700X電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent Technologies, USA)；XT-9912型密閉式智能微波消解/萃取儀(Xintuo, Shanghai)；CascadaTM超純水機(Pall, USA)；AB104-N分析天平(METTLER TOLEDO，精度0.1 mg)。

1.2 試劑與材料

硝酸(優(yōu)級純，美國Sigma)；雙氧水(優(yōu)級純，廣州化學(xué)試劑廠)；國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)龍蝦肝胰臟(TORT-2, NRCC, Canada)；美國加聯(lián)多元素標(biāo)液(Agilent Technologies, USA)；元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液(SPEX CertiPrep, Inc.，USA)；Ge，Sc，Bi和In內(nèi)標(biāo)液(Agilent Technologies, USA)。

本研究選取2007年—2014年在珠江口水域擱淺死亡的11頭中華白海豚作為研究對象。擱淺的中華白海豚經(jīng)專業(yè)人員測量記錄體長，體重及各形態(tài)學(xué)參數(shù)后，按照標(biāo)準(zhǔn)化的解剖流程進行解剖。研究所用的額隆樣品用錫箔紙包裹，避光-20 ℃保存。

1.3 儀器參數(shù)

本研究樣品采用微波消解法進行消解，具體參數(shù)見表1。

表1 微波消解步驟參數(shù)

質(zhì)譜儀工作狀態(tài)和操作參數(shù)對儀器的靈敏度，精密度等一些重要的分析性能有較大影響。本文應(yīng)用單變量法對高分辨等離子體源的各項參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的ICP-MS工作參數(shù)滿足儀器安裝標(biāo)準(zhǔn)要求的穩(wěn)定性，背景，雙電荷，氧化物和靈敏度等各項指標(biāo)。具體參數(shù)見表2。

1.4 樣品制備

實驗前，所使用儀器設(shè)備都經(jīng)過雙氧水浸泡擦拭，使用的實驗器皿均在20%硝酸中浸泡過夜，并用超純水(電阻率≥18.2 MΩ·cm)沖洗。

額隆樣品按照以下方法進行預(yù)處理：樣品解凍后準(zhǔn)確稱取0.2 g(精確至0.000 1 g)，置于酸煮洗凈的聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL 優(yōu)級純硝酸和2 mL超純水預(yù)消解12 h。然后按照設(shè)定好的消解程序進行微波消解(見表1)；期間進行第二次消解前，加入2 mL 30%優(yōu)級純雙氧水。待消解完畢后，冷卻至室溫。使用50 mL注射器配合微孔濾膜進行消解液過濾，用少量超純水洗滌消解罐內(nèi)壁，內(nèi)蓋以及注射器內(nèi)壁3～4次，洗滌液并入50 mL聚丙烯管中，并用超純水定容至50 mL。前處理液在上機前搖勻放置于4 ℃冰箱中保存。每次樣品操作時，都在相同條件下隨同試樣進行空白試驗。

表2 ICP-MS儀器參數(shù)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)；運用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對中華白海豚額隆微量元素進行spearman元素相關(guān)性分析和主成分分析，主成分提取選取特征值大于1的前m個主成分。元素含量均以濕重μg·g-1計。

2 結(jié)果與討論

2.1 消解條件優(yōu)化

有研究運用電感耦合等離子發(fā)射光譜法考察5種消解方法對植物油樣品多元素測定結(jié)果的影響，結(jié)果表明，微波消解法相對于其他四種樣品處理方法具有精密度和準(zhǔn)確度高，耗時短，消耗溶劑少，空白位低等優(yōu)勢，是最佳的消解方法。因此，本文選擇微波消解法處理樣品。

在微波消解反應(yīng)中，硝酸是常用的一種強氧化劑，可將樣品中許多痕量元素轉(zhuǎn)化為溶解度高的硝酸鹽，通常與H2O2共用，發(fā)生連鎖反應(yīng)，增強硝酸的消解能力，使樣品消解更徹底。6 mL硝酸和2 mL過氧化氫消解體系，硝酸用量少，最終獲得的樣品消解溶液澄清透明，消解程序采用2次4步式溫度梯度，應(yīng)用于鯨豚額隆樣品消解，獲得的數(shù)據(jù)重復(fù)性好，效果理想。

2.2 干擾校正

ICP-MS分析技術(shù)中常見多種干擾，主要分為非質(zhì)譜型干擾和質(zhì)譜型干擾。非質(zhì)譜干擾主要包括基體效應(yīng)，抑制干擾，物理干擾，記憶效應(yīng)等。非質(zhì)譜干擾中，基體效應(yīng)是常見的干擾，直接影響測定結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。內(nèi)標(biāo)法能有效的校正樣品測定過程中的信號漂移，同時能校正一般的基體效應(yīng)，本研究為中華白海豚額隆中微量元素的測定選擇了合適的內(nèi)標(biāo)元素：待測元素V，Cr和Mn采用Sc為內(nèi)標(biāo)元素；Cd采用In為內(nèi)標(biāo)元素；Hg和Pb采用Bi為內(nèi)標(biāo)元素；Ni，Cu，Zn，As和Se采用Ge為內(nèi)標(biāo)元素，有效的降低了基體效應(yīng)。此外，還通過優(yōu)化儀器條件等措施消除非質(zhì)譜型干擾。質(zhì)譜干擾主要包括同量異位素的疊加，多原子離子的疊加，氧化物和雙電荷干擾等。測試樣品基質(zhì)主要組成元素為V，Ni，Cr，Mn，Cu，As，Zn，Hg，Se，Cd和Pb，這11個待測元素大多屬于中質(zhì)量元素，存在一定程度的質(zhì)譜干擾，因此，本研究采用安捷倫第三代八極桿碰撞/反應(yīng)池系統(tǒng)(ORS3)，利用He氣撞擊模式有效的消除多原子離子質(zhì)譜干擾。

2.3 儀器檢出限以及線性關(guān)系分析

在優(yōu)化的實驗和儀器測定條件下，重復(fù)測定試劑空白溶液11次，其測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差3倍所對應(yīng)的濃度值即為檢出限，本方法各待測元素的檢出限如表3所示，其值在3.7×10-3～0.5 μg·L-1之間。

用V，Ni，Cr，Mn，Cu，As，Zn，Hg，Se，Cd和Pb的單元素標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液和1%HNO3溶液配制不同梯度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，并用內(nèi)標(biāo)校正，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)如表3。結(jié)果表明，各待測元素擬合系數(shù)良好，線性相關(guān)系數(shù)均不低于0.999 6。

表3 線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)

2.4 方法的準(zhǔn)確度和精密度

為考察實驗方法的準(zhǔn)確度和精密度，在相同的試驗條件和操作步驟下采用國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)龍蝦肝胰臟TORT-2進行驗證性實驗，樣品平行測定6次，結(jié)果見表4。待測11種元素測定值均在參考值范圍內(nèi)，樣品回收率在92.5%～102.9%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.24%～3.77%之間，表明本方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。

2.5 中華白海豚額隆微量元素含量分析

應(yīng)用優(yōu)化方法對11頭中華白海豚額隆樣品進行分析，測定了V，Ni，Cr，Mn，Cu，As，Zn，Hg，Se，Cd和Pb共11種微量元素在額隆中的含量(結(jié)果見表5)。結(jié)果顯示：不同個體間額隆中微量元素含量存在差異，這可能與個體狀況有關(guān)。地理分布，食物組成，年齡，性別，器官分布及代謝率等因素也會影響海洋哺乳動物體內(nèi)微量元素含量。其次，額隆中11種微量元素含量分布趨勢相似，其平均含量從高到低排序依次為：Zn>As>Cu>Mn>Se>Hg>Cr>Ni>Pb>V>Cd，平均含量最高的是Zn，濃度達到12.4 μg·g-1，遠高于其他元素含量，其次是As，為1.158 μg·g-1，含量最低的是Cd，平均含量僅為0.006 9 μg·g-1。

表4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定結(jié)果

通?？梢詫⑽⒘吭貏澐譃楸匦栉⒘吭睾头潜匦栉⒘吭?。在鯨豚中，必需微量元素主要包括Zn，Cu，Mn，Se等，通常被認(rèn)為是無毒的，但是超過閾值時也會產(chǎn)生毒害作用[9-10]。非必需微量元素主要包括Hg，Cd，Cr和Pb等，即使在低濃度水平下也可能會產(chǎn)生毒害作用[10]。值得注意的是，As作為有毒微量元素，在額隆中具有較高含量，提示可能受到As危害，其他非必需元素含量均處于較低水平，可能對海豚健康影響不大。

2.6 中華白海豚額隆中微量元素相關(guān)性分析

利用SPSS20.0軟件對中華白海豚額隆中的11種微量元素進行spearman相關(guān)性分析，結(jié)果如表6所示。通過分析可以看出，中華白海豚的體長與額隆中As(r=0.733)，Cd(r=0.615)，Hg(r=0.645)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，表明這三種元素在中華白海豚額隆中存在一定的生物富集現(xiàn)象。生物富集是指生物體在生長發(fā)育過程中，直接通過環(huán)境和食物蓄積某些元素或難以分解的化合物的過程。一般來說，微量元素隨年齡增長而增加，尤其是Hg和Cd，Cd和Hg都為重金屬元素，在鯨豚體內(nèi)大量積累會對其健康造成危害，而Se和Hg結(jié)合形成HgSe復(fù)合物[11]，而金屬硫蛋白與Cd結(jié)合進行解毒，它們形成的化合物都較難排出體外而在體內(nèi)富集。

另外，不同元素間存在著顯著的相關(guān)性，如Cr與Ni呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，Mn與As呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。Cr主要來源于鉻礦石的加工，金屬表面處理，皮革鞣制，印染等過程，而Ni主要來源于鎳礦石的冶煉，含鎳燃料在燃燒過程中排出的廢棄物，Cr與Ni都與人類活動密切相關(guān)，兩者在中華海豚體內(nèi)具有相關(guān)性對我們有一定的提示意義。Mn是海豚生長所需必需微量元素，對維持海豚的正常新陳代謝具有重要作用，而As是有毒元素，可能會對海豚產(chǎn)生神經(jīng)毒害，生殖毒害等毒害，這兩種元素呈負(fù)相關(guān)可能和兩者與體長的關(guān)系有關(guān)。

表5 中華白海豚額隆微量元素含量(μg·g-1 ww)

nd: not detected

表6 中華白海豚額隆微量元素含量與體長Spearman相關(guān)性分析

*：Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed)；**：Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed)

2.7 中華白海豚額隆微量元素因子分析

對珠江口11頭中華白海豚額隆的11種微量元素進行因子分析，額隆中微量元素的主成分分析結(jié)果見表7。SPSS因子分析結(jié)果顯示，因子分析的變量V，Cr，Mn，Ni，Cu，Zn，As，Se，Cd，Hg和Pb的公因子方差值分別是0.844，0.894，0.817，0.871，0.755，0.715，0.677，0.669，0.842和0.842，共同度很高，表明11個變量中的大部分信息均能夠被因子所提取，說明因子分析的結(jié)果是有效的。因子貢獻顯示，前4個主成分對應(yīng)的特征值大于1，累計方差貢獻率達到78.74%，因此提取前4個成分作為主因子。第一主成分貢獻率為25.767%，特點是在V，Mn，Ni和Se上有較高的因子負(fù)荷，分別為0.769，0.633，0.823，-0.638。第二主成分貢獻率為21.614%，有2種元素表現(xiàn)出高的因子負(fù)荷，與Cu高度正相關(guān)，與Zn高度負(fù)相關(guān)，因子負(fù)荷分別為0.609和-0.84，反映了必需微量元素對中華白海豚的影響。第三主成分貢獻率16.809%，主要特征是在Cu和Hg上有較高負(fù)荷，與Cu負(fù)相關(guān)，與Hg高度正相關(guān)。第四主成分貢獻率14.552%，僅在Pb一個因子上有較高的因子負(fù)荷，因子負(fù)荷為0.629。每個主成分均有與其高度相關(guān)的元素，這表明這4個主成分可較全面的反應(yīng)出中華白海豚額隆中微量元素的主要信息。由表7可知，累計方差60%以上的貢獻率來自前三個主成分，因此可認(rèn)為V，Mn，Ni，Se，Cu和Hg為中華白海豚額隆主要特征微量元素。

3 結(jié) 論

(1)建立了微波消解ICP-MS法測定中華白海豚額隆中V，Cd，Cu，Zn，As，Cr，Ni，Mn，Se，Hg和Pb 11種微量元素的方法。通過選擇Sc，Ge，In和Bi作為內(nèi)標(biāo)元素克服了基體效應(yīng)和信號漂移對元素測定的影響，采用ORS3技術(shù)有效地校正了多原子離子質(zhì)譜干擾。TORT-2標(biāo)準(zhǔn)參考物對照分析顯示，待測元素的RSD在2.24%～3.77%之間，回收率在92.5%～102.9%之間，表明該實驗方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，可用于額隆微量元素含量測定分析。

表7 中華白海豚額隆中11種微量元素主成分分析

(2)含量特征分析表明，微量元素在中華白海豚額隆中含量差異較大，這可能與個體年齡，捕食偏好，棲息地以及元素的富集模式差異有關(guān)。在額隆中，微量元素基線水平不高，必需微量元素為滿足海豚生理所需而占有主導(dǎo)地位，整體對海豚危害性可能不大，但應(yīng)對微量元素As多加關(guān)注，元素平均含量依次為Zn>As>Cu>Mn>Se>Hg>Cr>Ni>Pb>V>Cd。

(3)Spearman相關(guān)性分析結(jié)果表明，中華白海豚額隆中As，Cd和Hg三種微量元素含量與海豚體長呈顯著正相關(guān)，揭示了這些元素在其額隆中有生物富集現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)Cr與Ni呈顯著正相關(guān)，Mn與As呈顯著負(fù)相關(guān)，揭示了元素間的相互關(guān)聯(lián)性，為研究中華白海豚微量元素關(guān)系提供了參考。

(4)主成分分析結(jié)果表明，V，Mn，Ni，Se，Cu和Hg為中華白海豚額隆主要特征微量元素。這些結(jié)果為中華白海豚微量元素含量測定提供了有效的方法，同時為其保育工作提供了寶貴的參考信息。

致謝：在此感謝廣東珠江口中華白海豚國家級自然保護區(qū)管理局對本研究的大力支持。

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(Received Jun. 27, 2015; accepted Oct. 20, 2015)

*Corresponding author

Determination of Trace Elements in the Melon of Indo-Pacific Humpback Dolphins (Sousachinensis) with ICP-MS

ZHANG Ling-li1, 2, DING Yu-long1, 3, ZHANG Mei1, 3, GUI Duan1, 3, NING Xi2, 3, LI Jun1, 3, WU Yu-ping1, 3*

1. South China Sea Bio-Resource Exploitation and Utilization Collaborative Innovation Center, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

2. School of Life Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

3. School of Marine Sciences, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China

The Indo-Pacific humpback dolphins (Sousachinensis) with long life-span are top predators in marine ecosystem -and they could accumulate heavy metals and persistent organic pollutants in their tissues, while the melon is a unique lipid-rich structure within the cetacean forehead that functions in the transmission of echolocation signals. To explore the baseline levels and the main characteristics of the components, the concentrations of vanadium (V), nickel (Ni), chromium (Cr), manganese (Mn), copper (Cu), arsenic (As), zinc (Zn), mercury (Hg), selenium (Se), cadmium (Cd) and lead (Pb) were determined in the melon of the Indo-Pacific humpback dolphins with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The results showed that this method was quite suitable for the determination of trace elements in the melon of Indo-Pacific humpback dolphins with highly accuracy and precision, and the trace elements in melon existed individual differences. The average contents were in the order of Zn>As>Cu>Mn>Se>Hg>Cr>Ni>V>Pb>Cd. It is worth noting that the within (1.158 μg·g-1ww), non-essential toxic trace element may cause toxic effect on the dolphins. Spearman correlation analysis showed positively significant correlations between As, Cd, Hg and body length, indicating that the concentrations of As, Cd, Hg may increase with age. Moreover, Cr and Ni were positively correlated (p<0.05), a significant negative correlation was observed between Mn and As (p<0.01), indicating that there are certain correlation among elements. In addition, the principal component analysis results showed that V, Mn, Ni, Se, Cu, Hg are the main characteristics of trace elements for melon. This study presents a reliable method for determination of the trace element analysis in cetacean melon, and this is the first study that reports the trance elements in the melon of the Indo-Pacific humpback dolphins in PRE that could provide reasonable and effective information for its conservation work.

Indo-Pacific humpback dolphins; Melon; Trace elements; Inductively coupled plasma mass spectrometry; Microwave digestion

2015-06-27，

2015-10-20

國家自然科學(xué)基金項目(41276147，41576128)，農(nóng)業(yè)部中華白海豚保護行動計劃，香港海洋公園保育基金項目資助

張靈莉，1991年生，中山大學(xué)生命科學(xué)大學(xué)院碩士研究生 e-mail：13543018893@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail：exwyp@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3326-06