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使用單顆粒ICP-MS 定量分析植物葉中的農(nóng)藥銅納米顆粒
閱讀：276 發(fā)布時間：2024-9-24納米形態(tài)的農(nóng)用化學(xué)品效果可能會更好，從而可減少所需化學(xué)品的用量。這使納米肥料和納米農(nóng)藥受到越來越多的關(guān)注，使用范圍也越來越廣。過去十年間的研究增進(jìn)了我們對納米農(nóng)用化學(xué)品特性和功效的了解。但我們?nèi)孕枰私馑鼈儗r(nóng)作物的影響以及殘留在食品上的可能性的更多信息。此外，與其他工程納米顆粒 (ENP) 一樣，納米農(nóng)用化學(xué)品也需要可靠的分析方法來支持其對人類健康和環(huán)境長期影響的研究。ICP-MS可用于測量環(huán)境和食品樣品中納米顆粒 (NP) 的含量，采用的技術(shù)稱為單顆粒 ICP-MS (spICP-MS)[1]。spICP-MS 適用于納米顆粒表征，因為它可以測定顆粒數(shù)和粒徑分布，以及顆粒和溶解元素組分的濃度。
由于 ICP-MS 具有高靈敏度和特異性，與動態(tài)光散射 (DLS) 或多角度光散射 (MALS) 等技術(shù)相比，它可以提供額外且通常互補的信息。此外，與掃描/透射電子顯微鏡（SEM、TEM）、原子力顯微鏡 (AFM) 等技術(shù)或差速離心沉降 (DCS) 等分離技術(shù)相比，ICP-MS 分析速度更快，幾乎不需要樣品前處理[2]。銅是所有生物體中必需的微量元素，但過量的銅有毒性[3]。含銅農(nóng)藥（如硫酸銅、氯氧銅和碳酸銅）已有多年使用史，主要用于防止真菌感染和藻類生長。實際上，商業(yè)殺菌劑的起源可追溯到偶然發(fā)現(xiàn)“波爾多混合劑"（由硫酸銅和熟石灰制成）的防霉性。19 世紀(jì)，法國波爾多地區(qū)會在葡萄藤上噴灑亮藍(lán)色的苦味化學(xué)物質(zhì)，以防止當(dāng)?shù)鼐用裢党云咸选Ｅ既话l(fā)現(xiàn)噴灑過的植物沒有遭受該地區(qū)葡萄藤霜霉病的影響。這一現(xiàn)象使Cu2+ 的殺真菌特性公之于眾。近年來，多種基于銅的農(nóng)藥納米制劑已商品化。盡管早期研究沒有明顯關(guān)注與銅納米農(nóng)藥有關(guān)的問題，但對含銅納米顆粒進(jìn)行表征和定量分析的常規(guī)方法開發(fā)將促進(jìn)該領(lǐng)域的研究。在本研究中，使多種可食用作物的葉片接觸納米 CuO，模擬噴灑銅納米農(nóng)藥。接觸納米 CuO 后，用去離子 (DI) 水清洗植物葉片，然后使用 Agilent 7900 ICP-MS 在 spICP-MS 模式下測定清洗水中的含銅納米顆粒。
為給出膳食中銅攝入量的建議，歐洲食品安全局 (EFSA) 綜合各項研究建議，為維持健康的銅平衡，需要使總膳食攝入量保持在 0.7 mg/天至 1.5 mg/天之間[4]。歐盟 (EU) 指令 2002/46/EC 關(guān)于食品補充劑中維生素和礦物質(zhì)的建議劑量上限為 4 mg/天。世界衛(wèi)生組織建議飲用水中銅的參考值為 2 mg/L，可接受總膳食攝入量下限為 ~1.3 mg/天（來自所有來源），容許攝入量上限為10 mg/天[5]。美國醫(yī)學(xué)研究院 (IOM) 規(guī)定的建議（下限）膳食允許值 (RDA) 為 0.9 mg/天，容許攝入量上限 (UL) 為 10 mg/天。美國國家環(huán)境保護(hù)局規(guī)定飲用水中銅的污染物濃度 (MCL)為 1.3 mg/L (ppm)[6]。
實驗部分標(biāo)準(zhǔn)品主要粒徑為 20–100 nm 的未涂覆納米 CuO 購自 U.S.Research Nano-materials (Houston, TX, USA)。之前的研究[7]測定該納米顆粒在 pH 7（0.5 mmol/L 磷酸鹽緩沖液）的 DI 水中的流體動力學(xué)直徑 (HDD) 為 280 ± 15 nm。標(biāo)稱直徑 60 ± 4 nm 的金 NP 購自 nanoComposix (San Diego,CA)，用于測定 ICP-MS 霧化效率。霧化效率為檢出的顆粒數(shù)除以參比溶液中已知存在的顆粒數(shù)得到的比。需要用霧化效率值計算顆粒數(shù)濃度（每毫升包含的顆粒數(shù)量），并將測得的顆粒信號轉(zhuǎn)換為 NP 質(zhì)量及其粒徑[8]。在不含金屬聚丙烯的試管中用 DI 水將 60 nm 金 NP 標(biāo)準(zhǔn)品（99% 純度）稀釋為100 ng/L 的 Au 濃度。使用以 1% HNO3 配制的銅離子標(biāo)樣（1 µg/L，ppb）測定銅元素響應(yīng)因子（用于將原始 NP 信號轉(zhuǎn)化為顆粒粒徑的方程式中所需的另一參數(shù)）。
樣品前處理葉類蔬菜甘藍(lán) (Brassica oleracea, var. Acephala Lacinato)、生菜和羽衣甘藍(lán)(Brassica oleracea, var. Acephala) 樣品產(chǎn)自 Cal-Organic 農(nóng)場(Bakersfield, CA, USA)，分析當(dāng)天新鮮購買。將每種蔬菜葉樣品切成 75 × 75 mm 的正方形，各平行制備三份。將納米 CuO懸浮于 DI 水中，超聲處理 30 分鐘后施于蔬菜葉表面。用分析移液管將 10 滴（每滴 20 µL）納米 CuO 懸浮液（顆粒濃度1 mg/L）均勻鋪展在每個正方形葉片上，確保所有樣品接觸等量納米 CuO。風(fēng)干 2 小時后，用 10 mL DI 水清洗葉片三次。將三次清洗溶液分別收集于不含金屬的聚丙烯試管中，準(zhǔn)備分析。另使用相同步驟但不接觸納米 CuO 溶液，制得對照（未接觸）葉片樣品。采用電子顯微鏡 (FEI Tecnai G2Sphera 200 kV TEM) 研究施用前后納米 CuO 的形態(tài)和粒徑。如需了解詳細(xì)信息，請參閱“更多信息"部分中引用的完整出版物。
儀器使用 Agilent 7900 ICP-MS 在 spICP-MS 模式下測定清洗溶液樣品中納米 CuO 的粒徑和濃度。該儀器配備標(biāo)準(zhǔn)玻璃同心霧化器和石英霧化室、帶小內(nèi)徑中心管 (1.0 mm) 的石英炬管以及標(biāo)準(zhǔn)鎳接口錐。通過標(biāo)準(zhǔn)蠕動泵及泵管（內(nèi)徑 1.02 mm）將樣品直接引入 ICP-MS 中。7900 ICP-MS 具有快速時間分辨分析（快速 TRA）模式，允許以 100 µs 的采樣速率（每秒測量 10000 次）采集單個元素，測量之間無需穩(wěn)定時間。研究采用 ICP-MS MassHunter 軟件的單納米顆粒應(yīng)用模塊進(jìn)行方法設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。方法向?qū)е笇?dǎo)用戶完成整個過程并自動給出或計算所需方法參數(shù)。7900 ICP-MS 的儀器設(shè)置如表 1 所示。
分析前，用 DI 水稀釋清洗水樣，使顆粒濃度在 10–100 ng/L之間。樣品進(jìn)樣流速為 0.346 mL/min。通過實驗確定顆?；衔镔|(zhì)量分?jǐn)?shù)（顆粒化合物質(zhì)量/分析物質(zhì)量）并將其設(shè)為1.33，同時將 CuO 顆粒密度設(shè)為 6 g/cm3。在分析當(dāng)天進(jìn)行 NP 樣品前處理和稀釋，以免樣品降解，并減少 CuO 分解。樣品初始稀釋前及分析前，將所有溶液置于超聲水浴中超聲 10 分鐘。超聲可確保懸浮顆粒分布均勻。
結(jié)果與討論對照樣品 ― 未接觸 CuO NP 的葉片采用 spICP-MS 分析對照樣品（來自未接觸納米 CuO 葉片的清洗水樣）中的含銅 NP。假設(shè)檢出的任意含銅顆粒均具有與納米 CuO 相同的物理化學(xué)性質(zhì)（密度和銅含量）。在對照樣品上檢出的任意 NP 可能來源于生長環(huán)境，或隨正常生產(chǎn)分布鏈引入。采用 spICP-MS 分析來自未接觸葉片的初級（第一次）清洗水樣。在所有三種葉片類型的清洗水樣中均檢出粒徑范圍為20–50 nm 的含銅 NP，如圖 1 所示。而在第一次清洗水樣中，NP 濃度非常低，為 30–90 ng/L（圖 2）。此外還分析了另外兩次清洗收集的水樣，結(jié)果如圖 2 所示。
第一次清洗可將大多數(shù)含銅 NP 從生菜和羽衣甘藍(lán)中除去（與第一次清洗中檢出的濃度相比，第三次清洗中僅剩 5%）。甘藍(lán)的總顆粒濃度最高（所有三個清洗步驟中測得的銅 NP 濃度總和），約為其他兩種植物上檢出總納米 Cu 濃度的 4 倍或5 倍。在初始清洗步驟后，甘藍(lán)也保留了更多 NP，可能是由于其葉片較粗糙。來自未接觸甘藍(lán)葉第三次清洗水樣中的 NP濃度為第一次清洗水樣濃度的 43%。
納米 CuO 接觸葉片組織的清洗水樣使用相同的 spICP-MS 方法分析由接觸納米 CuO 的每種植物葉片樣品收集的清洗水樣。NP 粒徑中值和均值數(shù)據(jù)如表 2 所示。在第一次清洗水樣中，檢出的多數(shù)納米 CuO 顆粒直徑在30–78 nm 之間。第一次清洗中除去大部分小顆粒，意味著在生菜第二次清洗以及所有三種葉片類型第三次清洗中檢出的粒徑中值和均值會更大。結(jié)果表明，小顆粒更容易從所有三種農(nóng)作物葉片表面（特別是生菜的光滑表面）去除，而較大 NP 可能在第一次（和第二次）清洗后保留，說明它們可能殘留在葉片表面裂縫或氣孔中。來自接觸葉片第一次清洗水樣中納米 CuO 的濃度范圍為 500–750 µg/L，如圖 3 所示（注意對數(shù)坐標(biāo)）。
甘藍(lán)葉表面的疏水性和表面粗糙度大，可能使施用的 NP 懸浮液和清洗水流經(jīng)葉片的區(qū)域有限。相比之下，生菜葉片更光滑、親水性更強(qiáng)，可能允許納米農(nóng)藥在表面的擴(kuò)散范圍更廣。對于所有三種葉片類型（特別是生菜葉），第 2 次和第 3 次清洗水樣中檢出的濃度明顯低于第一次清洗水樣中檢出的納米 CuO 濃度。與未接觸葉片的結(jié)果一樣，甘藍(lán)在第一次清洗步驟之后比其他葉片類型保留了更多的納米 Cu。在所有情況下，殘留 Cu 濃度均低于 EPA 規(guī)定的飲用水中 Cu 的 MCL1.3 ppm。
結(jié)論使用 Agilent 7900 ICP-MS 在 spICP-MS 下能夠常規(guī)測定食品和環(huán)境樣品中存在的納米顆粒。使用 ICP-MS MassHunter 單顆粒應(yīng)用軟件模塊可簡化方法開發(fā)。ICP-MS MassHunter 方法向?qū)ё詣由伤胁杉蛿?shù)據(jù)分析參數(shù)，還可推薦樣品列表。利用納米 CuO 模擬 Cu 納米農(nóng)藥，采用 spICP-MS 方法對三種接觸農(nóng)作物清洗水樣中的 NP 進(jìn)行表征。使用 spICP-MS 可在單次快速分析中同時獲得粒徑分布、顆粒濃度和溶解元素濃度。其他技術(shù)通常無法提供這些信息。在清洗水樣中檢出 ppb級的 NP。該范圍低于美國 EPA 規(guī)定的飲用水中 Cu 的 MCL1.3 mg/L (ppm)。本研究表明，清洗農(nóng)作物的葉片是一種去除NP 簡單有效的方法。spICP-MS 可用于研究 ENP（如納米農(nóng)用化學(xué)品）和植物之間的相互作用。該技術(shù)也可用于監(jiān)測徑流水、植物組織和清洗水樣中的納米農(nóng)用化學(xué)品。更深入地了解上述問題可能會影響納米農(nóng)藥的開發(fā)，降低 ENP 的人類和環(huán)境暴露的風(fēng)險。