【概述】
多年以來(lái)，ICP-MS一直是人體體液（尿液、血液、血清和唾液）以及組織和骨頭中鉛（Pb）、砷（As）、汞（Hg）和銅（Cu）等元素痕量分析的工具。單個(gè)元素，有毒或營(yíng)養(yǎng)元素在*的基質(zhì)中運(yùn)行方式可為醫(yī)生提供關(guān)于患者的全面信息。近，由于植入物的普及，諸如鈦（Ti），鈷（Co）和釩（V）之類的元素已被添加到一般的測(cè)試分析列表中。
鈦（Ti）金屬被廣泛用于各種各樣的人體修復(fù)術(shù)，例如人工髖關(guān)節(jié)（圖1）、膝蓋、種植牙以及醫(yī)用夾子和螺釘?shù)取Ｈ斯りP(guān)節(jié)實(shí)際上是由不同鈦合金制成，其中經(jīng)常會(huì)混合少量鋁和釩。這些合金被稱為“醫(yī)用”鈦合金。在這個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域中使用鈦有以下幾個(gè)原因。首先，由于鈦不受體液腐蝕，因此被視為具生物相容性的金屬，也是少數(shù)能夠整合入骨頭的金屬之一（骨整合）。此外，醫(yī)用鈦合金無(wú)毒，非磁性，具有與骨頭類似的靈活性和彈性。1
圖1.插圖顯示的是醫(yī)用鈦合金制成的置換用人工髖關(guān)節(jié)。
然而，由于人體髖部的球窩關(guān)節(jié)高強(qiáng)度的工作，鈦金屬會(huì)隨著時(shí)間流逝而慢慢磨損并進(jìn)入血液。雖然鈦本身無(wú)毒，但是血液中的鈦含量水平能夠幫助醫(yī)療服務(wù)提供者了解植入體降解的程度。因此，監(jiān)控植入人工髖關(guān)節(jié)的患者血清或髖關(guān)節(jié)抽出物中鈦含量十分重要。
但是由于種種因素限制（包括濃度低、眾多潛在的光譜干擾和復(fù)雜的人體體液基質(zhì)）想要準(zhǔn)確測(cè)量血清中的鈦含量比較困難。本研究將探索如何分析血清中的鈦含量，尋找有助于克服這種困難的儀器參數(shù)和方法。本實(shí)驗(yàn)僅用于研究用途，不用作診斷評(píng)價(jià)。
【實(shí)驗(yàn)/設(shè)備條件】
所有分析都在PerkinElmer NexION® 2000 ICP-MS上進(jìn)行，分析條件如表1所示。由于鈦同位素存在諸多潛在干擾，因此分析過程中使用氨作為反應(yīng)氣體，將鈦轉(zhuǎn)換為Ti-NH3簇/[TiNH(NH3)4]（m/z 131）。為了將信號(hào)大化，四級(jí)桿離子偏轉(zhuǎn)器（QID）電壓設(shè)置用于傳輸m/z 48——豐富的鈦同位素（73.8%）。所有分析均在相似條件下使用相同的樣品導(dǎo)入成分，區(qū)別在于停留時(shí)間：總鈦測(cè)量使用的是50 ms停留時(shí)間，而SP-ICP-MS分析使用的是50 µs停留時(shí)間。將停留時(shí)間控制在低于100µs對(duì)于SP-ICP-MS分析而言十分關(guān)鍵，因?yàn)檫@樣有助于降低在相同分析時(shí)間窗內(nèi)檢測(cè)到兩個(gè)納米顆粒的可能性。所有分析和數(shù)據(jù)處理均通過ICP-MS軟件的Syngistix™和Syngistix納米顆粒應(yīng)用模塊來(lái)進(jìn)行。
表1. NexION 2000 ICP-MS分析鈦含量?jī)x器條件。
【實(shí)驗(yàn)/操作方法】
本研究中使用的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（CRM）為含有正常水平微量元素的血清（UTAK® Laboratories Inc., Valencia,California, USA）。此有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不是為鈦而認(rèn)證，而是作為實(shí)驗(yàn)中的血清基質(zhì)。此外，患者樣品（血清和髖關(guān)節(jié)抽出物）來(lái)自University Hospital Saint-Louis -Lariboisière - Fernand-Widal, Paris, France。
在所有分析中，血清和抽出物均使用0.2% HNO3（Optima Grade, Thermo Fisher Scientic, Waltham,
Massachusetts, USA）稀釋20倍。稀硝酸能讓鈦在溶液中保持穩(wěn)定，而保持低濃度有助于防止蛋白質(zhì)和細(xì)胞碎片沉淀。總鈦分析時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)加入法（MSA），其中校準(zhǔn)曲線的基質(zhì)是稀釋了20倍的血清。而對(duì)于鈦納米微粒的分析，可行性試驗(yàn)時(shí)使用的是NIST1898 TiO2納米微粒。NIST SRM 8013（60 nm金納米微粒）用于測(cè)定輸送效率（TE）。在稀釋20倍的血清中制備溶解態(tài)校準(zhǔn)曲線。
【實(shí)驗(yàn)結(jié)果/結(jié)論】
血清中總鈦測(cè)定
過往研究結(jié)果2顯示我們能夠在反應(yīng)模式——質(zhì)量轉(zhuǎn)移模式下變?yōu)榘眻F(tuán)簇（m/z 131）的鈦進(jìn)行測(cè)量。而在當(dāng)前研究中，在優(yōu)化NH3流速后（圖2），可以通過掃描確認(rèn)是否存在Ti-NH3團(tuán)簇（m/z 131）（圖3）。
在本研究中，QID電壓設(shè)為m/z 48大偏轉(zhuǎn)頻率（基于鈦大豐度同位素），而分析四極桿設(shè)為篩選m/z 131，即Ti-NH3團(tuán)簇。通過QID電壓和四極桿的質(zhì)量篩選，可以在分析反應(yīng)產(chǎn)物時(shí)優(yōu)化分析信號(hào)，同時(shí)去除潛在干擾。
圖2用于生成鈦團(tuán)簇（m/z 131）的NH3流速優(yōu)化（mL/min）。預(yù)計(jì)鈦檢出限（EDL）為1 ppt。
圖3.在130-132質(zhì)量范圍內(nèi)掃描Ti-NH3團(tuán)簇。鈦濃度為1 ppb。
雖然氙也有m/z 130、131和132的同位素，但是氙能夠通過電荷轉(zhuǎn)移與NH3發(fā)生快速反應(yīng)，因此在這些質(zhì)量下只會(huì)余下極低cps的背景。樣品中總鈦分析使用標(biāo)準(zhǔn)加入法，標(biāo)準(zhǔn)曲線使用的20倍稀釋的UTAK血清中加入0.5、1和2 µg/L鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液。圖4展示了曲線的相關(guān)系數(shù)為0.99996。
圖4. 20倍稀釋血清中的鈦標(biāo)準(zhǔn)加入法曲線（m/z 131）。
對(duì)三個(gè)樣品進(jìn)行了分析：一個(gè)是血清標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（UTAK，沒有對(duì)鈦定值），另外兩個(gè)來(lái)自接受髖關(guān)節(jié)植入的患者——
其中一個(gè)為血清，另一個(gè)為髖關(guān)節(jié)抽出物（植入體周圍抽取的體液）。這三個(gè)樣品（稀釋20倍）的結(jié)果參見表2。UTAK（正常血清）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的鈦含量沒有標(biāo)準(zhǔn)值，但是結(jié)果較低，在20倍稀釋血清中估算檢出限大約為0.004 ug/L。
對(duì)UTAK血清中進(jìn)行鈦加標(biāo)0.5 µg/L，回收率為98%，證明此方法是準(zhǔn)確的。患者樣品中的鈦含量更高，特別是在血清中。
表2. 20倍稀釋樣品中鈦分析結(jié)果。
接著，在三個(gè)樣品中分別加入1 µg/L TiO2納米顆粒（等同于0.6 µg/L鈦），并再次測(cè)定。表3所列結(jié)果顯示平均回收率為71%，但更值得注意的是RSD比沒有加標(biāo)納米顆粒TiO2（表2）的血清樣品高出許多。這表明很可能血清鈦分析中觀察到的RSD升高是由于樣品中存在鈦納米顆粒。
表3.加入1 µg/L鈦納米顆粒到血清后鈦分析結(jié)果。
血清中鈦顆粒的單顆粒分析
為了確認(rèn)能夠在m/z 131質(zhì)量下能測(cè)定TiNH(NH3)4+鈦納米顆粒，我們對(duì)0.2% HNO3中的1 µg/L TiO2納米顆粒懸浮液進(jìn)行分析。圖3顯示實(shí)時(shí)信號(hào)與時(shí)間曲線圖、粒徑與頻率柱狀圖，說(shuō)明大概率粒徑為80 nm，與NIST認(rèn)證中所示的71-83 nm非常接近。
圖5.以TiNH(NH3)4+（頂部）和對(duì)應(yīng)的TiO2粒徑分布（底部）測(cè)量TiO2納米顆粒。
接著對(duì)UTAK有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)血清、患者抽出物和患者血清進(jìn)行Ti納米顆粒和溶解態(tài)鈦評(píng)估。
表4顯示UTAK血清三次獨(dú)立分析的SP-ICP-MS結(jié)果。其中就如同預(yù)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一樣幾乎沒有檢測(cè)到鈦顆粒。此
結(jié)果與所有測(cè)量數(shù)據(jù)均保持一致。
表4. UTAK血清中鈦的SP-ICP-MS。
后分析取自患者人工髖關(guān)節(jié)的樣品。如表5所示，患者樣品中的顆粒遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，很可能是由于人工髖關(guān)節(jié)中鈦磨損所致。除此之外，患者血清中溶解鈦濃度與總鈦分析的測(cè)量結(jié)果十分相近。
表5.患者血清樣品的SP-ICP-MS結(jié)果。
結(jié)論
本研究證明我們能夠利用PerkinElmer NexION® 2000 ICP-MS的反應(yīng)-質(zhì)量轉(zhuǎn)移分析功能準(zhǔn)確測(cè)量血清中低含量的鈦。通過將NH3作為反應(yīng)池氣體，Ti+能夠反應(yīng)形成TiNH(NH3)4+（m/z 131）來(lái)避免Ti+同位素的一般干擾。此外，事實(shí)證明該反應(yīng)能夠有效測(cè)量血清中的鈦納米顆粒。綜合起來(lái)，這些結(jié)果表明鈦同時(shí)以溶解態(tài)和顆粒物狀態(tài)存在于取自患者人工髖關(guān)節(jié)的樣品中。但是還需要開展進(jìn)一步研究以確定是否可以使用SP-ICP-MS進(jìn)行植入體磨損的早期檢測(cè)，但是初步研究顯示這有很大希望。
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