头发中锌含量的测定 综述

头发中锌含量测定
邓彪 121130012
南京大学化学化工学院，南京210046
摘要：锌是人体必需的微量元素之一，锌含量的多少会影响人体的各方面机能。

而对人体锌含量的测定可以作为多种疾病医学诊断的重要辅助方法。

头发作为人体中含锌较多的器官之一，人们经常通过检测头发中锌含量来判断人体是否缺锌。

针对头发样品，现实验室多采用湿法消解和干法消解，也有部分文献报道了有机溶剂溶解法。

而对锌元素的测定则有电化学方法、原子光谱法、分光光度法等等多种研究方法。

本文通过对多种实验方法的探究最终选择湿法处理和原子吸收光谱法是最优方法。

关键词：头发；锌；检测方法
1.引言
锌是人体必需的微量元素之一，它与促进人体的生长发育、维持人体正常食欲、增强人体免疫力、促进伤口和创伤的愈合等许多方面有关。

缺锌会导致食欲下降、免疫力低下、生长发育变慢等许多后果。

人体体内正常锌含量约为2-2.5g，60%储存在肌肉中，30%储存在骨骼中，剩下来人体锌含量较高的器官依次是：眼睛、毛发和性腺[1]。

人体毛发中锌的
正常含量范围在140-250μg/g[2]，通过检测头发中锌含量可以大致判断人体是否缺锌，为医学诊断提供依据。

2.取样与样品预处理
所用头发未实验室预先洗净的样品，无需自己收集处理。

若要自己收集头发，则要注意应取同处后脑枕部发根以上1-2cm处头发，然后将样品置于50 mL烧杯中，用质量分数为5％的氨水(pH值为8.0～8.5)浸泡30 min，用自来水漂洗3-4次，再用二次去离子水冲洗4～5次，置于温度65℃烘箱中干燥4 h，取出后放入干燥器中保存备用[3]。

实验中亦可以选取具有不同代表性的人的头发进行锌含量比对分析。

3.消解
实验室中对发样的消解主要有干法消解和湿法消解两种。

3.1湿法处理
湿法消解主要使用各种具有较强氧化性的无机酸，通过加热共煮的方法将发样中的蛋白质等有机物消解生成水、二氧化碳等气体除去，而使得锌离子溶解在溶液中，便于检测。

实验室常用的无机酸有：硫酸、硝酸、高氯酸、盐酸、磷酸，同时也可以配以过氧化氢以
增强溶液的氧化性，使得有机物更容易分解。

常用的方法有如下两种。

方案1：取样，置于烧杯中，加入5 mL浓硝酸，盖上表面皿，加热消解，待完全溶解后取下，冷却至室温，加入高氯酸1 mL，再在继续加热，冒白烟至溶液余1-2 mL (不可蒸于)时取下，冷却后用少量HCl ( 1：1) 溶解残渣，加入蒸馏水转移到容量瓶中定容至标线，摇匀。

方案2：取样，置于烧杯中，加入5ml 浓硝酸，盖上表面皿，加热煮沸后，冷却，加入1ml过氧化氢溶液，继续加热消解至液体还有少量余量，其溶液基本澄清透明为止。

冷却，转移至容量瓶中，稀释至刻度，摇匀。

高浓度高氯酸在高温下容易发生爆炸，较为危险，故实际实验中主要采用浓硝酸加过氧化氢溶液消解的方法。

除了酸溶外还可以选择强碱溶解样品，使得成为粘稠的糊状，此方法虽然较为安全，但需要浸泡较长时间。

3.2干法消化
干法消解的基本原理是通过高温煅烧，将头发中的有机物分解成水、二氧化碳等气体除去。

用干法消化样品时，先将样品放入马弗炉等高温设备中加热至500℃，保持2-3小时，灰化至样品呈白色，此时样品中大量的有机物在高温下燃烧变为CO2而挥发，从而除去了发样中大量有机物。

残留部分则为样品中的无机成份，用酸浸取后，配成溶液即可进行锌的测定。

方法比较：湿法消化比较危险，实验中要使用浓硝酸加热至沸腾，应加盖表面皿；干法消化较为安全但是由于样品中含有大量有机物，煅烧除去所用时间较长，且在煅烧过程中容易造成锌元素的损失，相比而言还是湿法分析较为合理。

4.检测方法
目前，检验头发中微量元素应用最广泛、最常见的方法是火焰原子吸收光谱仪法，此外还有石墨炉原子吸收法、冷原子吸收分光光度法、流动注射冷原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、分光光度法、中子活化法、X 射线荧光光谱法、示波极谱法、高速中子束照射法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等[4]-[6]。

4.1 电化学方法
极谱法使用滴汞电极作为微电极，溶液中扩散电流的大小由溶液中锌的浓度决定，从
而可以用于测锌溶液的浓度。

文献中出现的方法主要有单扫描极谱法和溶出法。

4.1.1 单扫描极谱法
单扫描极谱法是一种控制电位的极谱法，其特点是：在一个汞滴的最后消失的时刻，
当汞滴的面积(A)基本上保持恒定的时候，将滴汞电极的电位从一个数值改变到另一个数值，同时用阴极射线示波器观察电流随电位的变化，以进行定量分析。

实验中，从原点电位为- 1.10 V( VS1SCE) 扫描，于- 1.37 V 处测定Zn2+，而后测定并绘制工作曲线[7]。

4.1.2微分电位溶出法
微分电位溶出法( PSA )是近年来在阳极溶出伏安法的基础上发展起来的一种电化学分析方法。

在恒定电位下预电解富集，将待测元素富集到工作电极上，再利用化学试剂(氧化剂或还原剂) 的氧化或还原作用使其溶出，同时记录dt-de曲线。

每当一种金属溶出完毕时，工作电极上的电位将有一个突跃。

一种金属从开始溶出到溶出完毕所需要的时间与其浓度成正比，利用时间和浓度成正比的关系可计算金属离子的含量。

用于人体微量元素的测定，具有操作简便快速、灵敏度高、抗干扰能力强、重现性好、准确度和精确度高等特点。

实验原理：首先在待测液中加入二价汞离子，并采用玻碳电极为工作电极，其上加一恒定的电位进行电解，使得锌与汞生成锌汞齐以达到富集的目的。

之后是溶出过程：停止电解，依靠溶液中的氧化剂或还原剂的作用，沉积于工作电极表面的汞齐化金属被氧化或还原成离子，根据其氧化还原电位，依次脱离工作电极表面回到样品溶液中去。

实验方法：用NH3-NH4Cl缓冲溶液调节样品溶液pH值为7~8，选择记录下限为- 0.65V，上限为-1.35V，电解富集电位为-1.4V，电解富集时间为30s，灵敏度为30的条件，用标准加入法测定锌的含量[8]。

4.1.3 伏安法
伏安法是将一微电极插入待测发样溶液中，以电解时得到的电流一电压曲线为基础，
根据电流与溶液中Zn2+浓度的关系求得锌的含量。

其定量的基础是
i=Kc
式中，i为峰电流的大小，K是与待测溶液及通电条件有关的常数，c是待测溶液的浓度。

其他电化学方法还有离子选择性电极法、方波溶出法等等。

评价：电化学方法最大不足即可重复性较差，有些实验仪器实验室没有提供，如：锌
离子选择性电极。

4.2 原子吸收光谱法
原子吸收光谱是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法。

常用的有火焰原子吸收法和石墨炉原子吸收法。

实验中为了测定锌离子的浓度，需要先配制一组锌离子标准溶液，由稀到浓测定，绘制工作曲线。

然后测定未知液，所得数据读图求出锌离子浓度。

4.2.1 火焰原子吸收法
火焰原子化器是将吸入的试样溶液雾化形成气溶胶,蒸发并将锌离子原子化。

这种原子化法火焰噪声小，稳定性好，易于操作，但其对试样的利用率太低，造成灵敏度相对低。

4.2.2 石墨炉原子吸收法
石墨炉原子器是利用大电流通过高阻值的石墨管时产生的高温将少量试液蒸发和原子化。

它的优点在于试样几乎完全原子化，灵敏度比火焰原子化法高几个数量级。

但缺点是石墨本身的氧化也会产生较大的背景吸收，重现性较火焰原子化法差。

评价：实验中选择锌原子的共振线213.9nm做为分析线，而灯电流，狭缝，燃气流量的优化需试验得到。

从结果来看，火焰原子化法和石墨炉原子化法测定结果都与文献值接近[9]，准确度的回收率试验结果在97%-102%之间，相对标准偏差在5%之内，检出限为10-2mg/L[10]-[12]。

原子吸收光谱法具有许多优点，简便、迅速、易操作，检测限低，是各种方法中的最优方法。

4.3 分光光度法
分光光度法是测定锌常用的方法，根据所用显色剂不同，测定方法有双硫腙法、锌试剂法、PAN-S法、4-(2-吡啶偶氮)-间苯二酚法等。

其中双硫腙法灵敏度较高，但双硫腙与Zn2+形成的配合物不溶于水，须用苯、三氯甲烷、四氯化碳等有机溶剂进行萃取，分离过程复杂、环保性差[13]。

评价：总体来说，分光光度法具有检测速度快，灵敏度高的优点。

但由于头发中含有铜、铁等其他元素，如何选择合适的显色剂只与锌配位是重点。

文献查得相关显色剂由于价格过高也不宜作为本次实验实验试剂。

4.4 原子发射光谱
原子发射光谱在原理上正好与吸收光谱相反，是利用锌在一定条件下受激发射的光谱来测定锌含量。

其定量的基础是：
I=acb
式中I是锌特征谱线的强度，a与激发及试样组成有关的参数，b是自吸系数。

根据激发原理的不同，可分为核外电子在受热能或电能，光能及X-射线激发而发射的光谱。

方法评价：原子发射方法常用于某些元素的定性分析，但在定量分析中不准确，只能用于半定量分析。

4.5 电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）
这种方法本质上还是原子发射光谱，只是将激发光源还为等离子体。

一般认为，原子发射光谱定量分析准确度比原子吸收光谱低，常用作半定量分析，但随着时代发展，原子发射也可以用作高准确度定量分析。

而且ICP-AES具有多种元素同时分析、检测限低、干
扰小等优点[14]。

方法评价：ICP光源较为昂贵，实验室没有相关仪器，不建议采用该方法。

4结论与方案选择
综上，本实验采用火焰原子吸收光谱法测定头发中的锌含量。

对于取样量，由于工作曲线拟绘制在含锌浓度为0.20 μg/ml、0.40 μg/ml、0.60 μg/ml、0.800 μg/ml、1.000 μg/ml，为了使得未知液中锌含量大致落在该线性范围内，故选择称取0.3000 g头发，消解后溶于100ml容量瓶中，然后按照原子吸收实验操作。

在实验中，测量条件会对实验结果的准确度会有较大影响。

要优化选择合适的共振线、灯电流大小、燃助比、燃烧器高度等，文献已给出了最优值[12]，如表1。

表1：锌的原子吸收分析中仪器最优测试条件
待测元素分析线(nm)狭缝（nm）灯电流
（mA）
燃烧器高度
（mm）
助燃比（乙
炔/空气）
Zn213.90.24121:6
参考文献
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[2] 秦俊法，李增禧，楼蔓藤，等．头发元素分析的科学意义及医学应用价值[J]．广东微量元素科学, 2005, 12(5):21-60.
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