采用ICP-AES法测定香烟烟气成分中金属离子
在动物体内的蓄积
钟狂飙1，桂明1，朱立勇1 , 李维1，管茶香1，郭方遒2
(1. 中南大学 湘雅三医院泌尿外科，湖南 长沙，410083；
2. 中南大学 化学化工学院，湖南 长沙，410083)
摘要：通过动物被动吸烟模型，考察大白兔在被动吸烟后不同时期肾脏组织样本中7种重金属(Hg，Se，Sn，Pb，Pd，Ni和Cr)含量的变化，用微波酸湿消化法处理试样制备测试液，用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES法)同时测定Hg，Se，Sn，Pb，Pd，Ni和Cr这7种元素的含量。研究结果表明：采用ICP-AES法，加标回收率达95.0%~104.2%，相对标准偏差为1.3%~4.1%，具有良好的准确度和精密度；大白兔在被动吸食香烟后肾脏中Hg，Se，Pb，Cd和Cr这5种金属离子含量显著提高，并以吸食NISE组香烟金属离子含量提高最大, 经12周后，以上几种元素在肾脏中含量较正常组分别高5.6，8.1，12.9，4.7和3.8倍。
关键词：ICP-AES法；肾脏组织；重金属
中图分类号：O657.31 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)07-1878-05
Heavy metals from cigarette smoke components
accumulating on animal organ through inductively coupled plasma atomic emission spectrometry
ZHONG Kuang-biao1, GUI Ming 1, ZHU Li-yong1, LI Wei1, GUAN Cha-xiang1, GUO Fang-qiu2
(1. Urology Surgery of the Third Xiangya Hospital, Central South University, Changsha 410083, China;
2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Content of heavy metals in kidney of rabbit after smoking 3 different kinds of cigarette was studied through the animal passive smoking pattern. The samples were prepared by microwave digestion and determination of 7 kinds of heavy metals, i.e., Hg, Se, Sn, Pb, Cd, Ni and Cr, were performed by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES). The proposed method was used for the determination of 7 metal elements in kidney of rabbit. The results show that the relative standard error is between 1.3% and 4.1%, recovery is in the range of 95.0%-104.2% using the ICP-AES. The contents of Hg, Se, Pb, Cd and Cr in kidney of rabbit increase remarkably after passive smoking in a certain period of time. Among 3 group of rabbits, content of heavy metal of NISE group increases at the highest level, contents of the above 5 elements are 5.6, 8.1, 12.9, 4.7 and 3.8 times higher than those in the blank group, which indicates potential damage to animal’s health after smoking.
Key words: inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES); kidney organ; heavy metal
全世界每年有300万人死于与吸烟有关的疾病，烟草给人类健康带来严重威胁。俄罗斯科学院X线放射学与毒理学科研所研究人员用原子吸附分析法对志愿者血液中的重金属Pb，Cd和Mn的含量进行了测 定，发现吸烟加剧了体内Cd等重金属的积累，这些重金属会破坏和影响细胞内受损DNA的修正与恢 复[1]。香烟烟叶由于受其生长环境的污染以及烟叶自身种类特点的影响，都会含有一定量的重金属等有害元素，如Pb，Cr，Cd和Hg等[2]。烟丝比其他植物更能从土壤中聚积Cd，烟叶中Cd的含量要比允许的含量高许多倍[3-4]。吸烟对血清中Cu，Zn，Fe，Pb和Cd等金属元素有明显的影响。据报道，吸烟者Pb和Cd含量比不吸烟者含量明显增高，且与吸烟量呈正相关[5]，金属离子尤其是Ni和Cd在肾脏组织中具有蓄积特点[6-9]。目前，人们对吸烟对动物体内组织和血液中金属元素的蓄积效应研究较少。在此，本文作者以大白兔为研究对象，测定其肾脏组织在吸烟前后多种有害金属元素的蓄积作用。电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)与经典的火焰法、电弧法、火花光谱分析法及原子吸收法相比，其线性动态范围宽4~5个数量级，且具有灵敏度高、稳定性好、基体效应小、分析速度快、可同时分析多元素等优点，已广泛应用于生物样中微量元素的测定[10-13]，为此，采用ICP-AES法测定了大白兔在吸烟前后血液和组织中多种金属元素的含量，以便为进一步研究吸烟对动物肾脏损伤的生物学研究作好前期工作。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
仪器为iCAP 6500型电感耦合等离子体原子发射光谱仪(美国热电公司)。
试剂为乙醇、硝酸、高氯酸、氢氟酸和盐酸，均为优级纯。实验用水为二次去离子水。
1.2 仪器工作条件
高频频率为27.68 MHz，发射功率为1 150 W，冷却气流量为1.5 L/min，辅助气流量为0.5 L/min，雾化室压力为179 kPa，溶液提升量为1.85 mL/min。观测高度为15 mm，积分时间为15 s，氩气纯度大于99.99%。对于分析线(波长)：Hg为194.20 nm，Se为361.38 nm，Sn为189.90 nm，Pb为220.35 nm，Cd为228.80 nm，Ni为231.60 nm，Cr为205.55 nm。
1.3 工作曲线及检出限
Hg，Cr，Ni，As，Se，Cd和Pb的标准溶液均购自国家标准物质中心，标准系列工作溶液按需要由体积分数5%的 HNO3介质逐级稀释而成，分别配制成 0，0.01. 0.05，0.10，0.20，0.50，1.00，1.50，2.00和10.00 mg/L标准质量浓度，以净光强为纵坐标，以元素的质量浓度为横坐标绘制校准曲线。对试剂空白进行 10次测定，仪器自动计算检出限。
1.4 动物吸烟模型
采用实验动物被动吸烟方式(图1)，最大限度地模拟人类吸烟。由于烟气中含有的多种有害物质在侧流烟雾中的含量还要高于主流烟雾含量[14]，故被动吸烟者完全可能造成与主动吸烟者同样的危害。采用真空泵抽吸装置模拟人类吸烟时肺内负压状态，将香烟烟气通过真空泵向动物吸烟箱内脉冲泵入；同时，氧气经流量计，与烟气融合进入动物吸烟间。吸烟间内置氧气浓度检测仪，通过检测吸烟间内氧气体积分数，控制其为20%~21%，间接估计其中烟气质量浓度。香烟烟气经过管道长度尽量缩短，以减少烟气中各成分贴壁黏附损耗。并定时(1周/次)清洗烟气管道及动物吸烟间，减少管道、室壁烟气尤其焦油残余量存留。
图1 模拟动物吸烟装置图
Fig.1 Simulated animal smoking equipment
1.5 样品制备
采用普通级实验用大白兔(购自湖南宁乡实验动物饲养厂)。实验前，均在实验室圈养20 d，再开始动物实验。兔子均为成年大白兔，体质量达1.75 kg以上。
实验动物分为4组：空白对照组(E组)、盖白沙烟组(H组)、白沙精品二代烟(J组)和NISE烟组(N组)。每组动物又分吸烟2周组、4周组、8周组、12周组和16周组，每组6只，每组给予相同的基础饲料自由采食，吸烟组按给定时间采用实验动物被动吸烟方式吸烟，到给定吸烟时间后通过断颈椎处死取肾脏样品。
肾脏组织置于经盐酸处理的洁净称量瓶内，于 80 ℃烘干至恒质量，烘干组织后将其粉碎。采用微波加热高压聚四氟乙烯罐酸湿消化法消化组织样品，称取20.0 mg恒质量后样品，置于容样杯中，然后加入5 mL 70% HNO3和1 mL 30% H2O2，采用2档消化7 min，消化完全后定容至10 mL。
2 结果与讨论
2.1 分析谱线的选择
由于电感耦合等离子体光源激发能量很高，有大量发射谱线，几乎每种元素的分析线都受到不同程度的干扰。选择分析线一方面要保证其有足够的灵敏度，另一方面要尽量避免其他谱线重叠干扰。本试验中对每个元素选取2~3条谱线测定，综合元素的检出限、共存元素干扰、背景干扰和该元素的线性范围，经实验确定的各元素分析波长分别为：Hg 194.20 nm，Se 361.38 nm，Sn 189.9 nm，Pb 220.35 nm，Cd 228.80 nm，Ni 231.60 nm，Cr 205.55 nm。
2.2 方法的检出限、回收率和精密度
根据标准曲线绘制，经试验测得各元素标准曲线在0~2.0 mg/L之间呈线性良好，相关系数(r)均大于0.999。按样品处理方法对10份空白溶液进行测定，取标准偏差的3倍为各元素的检出限，Hg，Se，Sn，Pb，Cd，Ni和Cr 的检出限分别为：Hg 5.9 μg/L，Se 22 μg/L，Sn 22 μg/L，Pb 22 μg/L，Cd 2.7 μg/L，Ni 3.7 μg/L，Cr 6.1 μg/L。按实验方法从组织样品溶液中选取第12周样品7份进行加标回收率测定，用ICP-A ES同时测定以上7种元素的含量，计算加标回收率见表1。各元素回收率为95.0%~ 104.2%，准确度较好，表明方法可用于实际样品分析。
2.3 金属元素在肾脏中的蓄积效应
金属离子尤其是Ni和Cd在动物体内具有蓄积特点[15]。已有研究表明，重金属离子对肾脏有损伤作用。本文中对大白兔经被动吸烟后2周、4周、8周、12周和16周后采用断颈法处死，收集肾脏标本，取得其肾脏组织，测得各金属离子在其中的质量浓度，结果如表2所示。
从表2可以看出：大白兔在被动吸食3种不同香烟后，肾脏中Hg，Se，Sn，Pb，Cd，Ni和Cr的质量浓度随吸食时间的增加而增加；吸食到12周以后金属离子质量浓度变化趋于稳定，其中以Hg，Se和Pb的质量浓度变化更为明显，Sn和Ni的质量浓度变化很小，几乎没有蓄积效应。如图2所示为吸食3种不同香烟NISE、精白沙、盒白沙12周后，Hg，Se，Pb，Cd和Cr这5种金属离子在大白兔肾脏中的质量浓度分布。结果表明：吸食此3种香烟后，金属离子质量浓度都有明显增加，NISE烟组的质量浓度表现最显著，NISE烟组中Hg，Se，Pb，Cd和Cr的质量浓度分别达到1.022，1.822，0.750，0.124和0.152 mg/L，为正常组的6.6，9.1，13.9，5.7和4.8倍；Ni和Sn的质量浓度变化较小，可能和烟叶中该2种组分质量浓度较小有关。金属离子在肾脏组织中具有蓄积作用，Hg，Se，Pb，Cd和Cr这5种金属离子在香烟组与对照组相比明显提高，表明其在肾脏中蓄积，可能导致肾脏炎症，纤维组织增生的原因有待进一步研究。
表1 肾脏样品中金属离子的回收率(n=7)
Table 1 Recoveries of metal ion in kidney
表2 肾组织中金属质量浓度
Table 2 Contents of metal ions in kidney of rabbit mg/L
图2 吸食不同香烟后金属离子在大白兔肾脏中的蓄积作用
Fig.2 Accumulation effect of metal ions in kidney of rabbit after smoking different kinds of cigarettes
3 结论
(1) 建立了电感耦合等离子体原子发射光谱法测定动物组织中痕量和微量重金属离子含量的方法。本方法准确度高，精密度好，适合于动物肾脏样品中微量重金属离子质量浓度的同时测定。
(2) 利用动物被动吸烟模型，考察大白兔在吸食3种不同香烟后不同时期后肾脏中7种重金属离子的质量浓度变化，发现Hg，Se，Pb，Cd和Cr离子在其肾脏中具有明显的蓄积作用，经12周后，以上几种元素在体内质量浓度较正常组分别高5.6，8.1，12.9，4.7和3.8倍。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-03-02；修回日期：2011-05-08
基金项目：国家自然科学基金资助项目(30870915)
通信作者：桂明(1973-)，女，湖南长沙人，副教授，从事泌尿外科工作；电话：0731-88618577；E-mail: zkbgm@126.com
