头发元素技术分析及应用（一）

        头发元素分析已有近150年的历史，其发展历程大致经历了3个阶段。现在已经证明，头发元素含量可以准确测定，头发元素分析在环境、职业、预防、法庭、临床等各个医学领域，以及考古学中有广阔的应用前景。但目前对头发元素分析结果的解释仍有争议，特别是在临床医学领域，全世界的科学家正为此进行着艰苦的探索和研究。

第一节头发元素分析发展简史

头发元素分析的发展大致经历了以下3个阶段。

一、初创时期

初创时期(1857~1970)为第一阶段，其主要特征是建立和发展头发元素分析技术。这一时期发生的主要事件有：

1857年， Casper为提供反映生物发生过程的证据， 测定了死后11年发掘出来的尸体头发中的砷含量。

1906年，人们为着预防和鉴定毒素的目的，用X射线法探测沉积在头发中的金属元素。1912年，Stryzowsky用微量化学法检测头发中的汞含量以监督抗梅毒剂的毒性。

1917年，德国性病学家Lutz研究了头发中的有毒金属含量与色素和颜色的关系。

1923年，研究者开始研究头发中的锰含量。

对头发中铁的分析开始于1923年，而对头发中锌和铜的分析则分别始于1934年和1937年。头发中硒含量的研究开始于20世纪40年代。研究者发现，头发硒含量水平与身体其他组织中的硒含量水平相关，也与营养状况相联系。

1951年，Griffon首次应用中子活化分析法研究砷中毒病例，Derobert通过头发砷含量测定检验吸人的毒品量及毒性作用时间。

从1959年开始，美国和苏联的研究者研究头发元素含量与年龄和性别的关系。

1962年，Smith通过头发分析发现拿破仑可能死于砷中毒。

1968年，Hambridge通过头发元素测定解释了青春期对头发发矿物质成分(例如锌)的影响，并发现少年糖尿病患者头发铬含量降低。

1969年，Kopito证明头发铅含量测定是慢性或轻微铅中毒的有价值的辅助诊断工具。

二、大发展时期

大发展时期(1971~1982)为第二阶段，其主要特征是确立了头发元素分析在重金属暴露评估和环境监督中的地位。这一时期发生的主要事件有：

1976年，国际原子能机构(IAEA) 顾问组提出利用核技术对世界各国居民头发中的微量元素进行分析，以期建立基线水平，作为环境调查的参考资料，并推荐了处理头发样本的标准洗涤方法。

1978年，在美国佐治亚州亚特兰大市召开了第二次国际人发研讨会。会上，科学家们认为头发微量元素分析在医学诊断、卫生防疫和环境监测方面具有广泛的应用价值，在生物学、生物地球化学、司法鉴定科学和其他学科领域，也逐渐开拓了头发检验的应用范围。

1979年，美国环境保护局(EPA) 在其名为“哺乳动物毛发和指甲中的有毒痕量金属”的文件中声明：“头发是锑、砷、镉、铅、铬、铜、汞、镍、钒，也许还有硒和锡的有意义的代表性组织”，并声称“在这一领域的大多数工作者一致认为，如果为正确分析合适地取样、清洗和制备，并用最好的分析方法由有经验的专业人员在清洁可靠的实验室中进行分析，所得结果是可靠的”。

1980年，美国EPA项目官员Jenkins在总结有毒痕量金属的生物学监督时得出结论：头发特别适合于作重金属的暴露评估以及全球性、地区性和局域性的生物学监测。

1982年，IAEA组织有63个实验室参加的全球人发比对工作。同年，Laker著文提出、头发应成为比血液更具吸引力的临床应用样本。

三、创新时期

创新时期(1983~)为第三阶段，其主要特征是证明了头发元素分析用作医学诊断工具的实际可能性。这一时期发生的主要事件如下。

1983年，徐辉碧、陈念贻首次将模式识别技术成功地应用于生物微量元素研究领域。同年，在中国浙江普陀山召开了全国人发中微量元素分析数据比对会。

1984年，殷泰安证明头发锌含量可以作为评价儿童锌营养状况的简便指标。

1985年，徐辉碧应用头发元素分析和多元判别分析法预报云南锡矿矿工早期肺癌获得初步成功。

1986年，Cranton著文指出Barrett在美国医学协会杂志(JAMA) 上发表的“商业化的头发分析是科学还是欺骗?”一文中，取样方法不对，数据处理有误，并指出在科学杂志上已发表169篇论文证明头发分析有临床应用价值。

1987年，华中理工大学和上海原子核研究所合作建成我国第一个大型微量元素数据库。

1988年，秦俊法用质子激发X射线发射分析法测定“野人”、动物毛发和人类头发中的10种元素含量，非线性映照法能将“野人”、现存已知灵长类动物和现代人按毛发元素谱相区别。

1991年，上海原子核研究所研制成功一级人发标准物质(GBW 09101) 。

1993年，王小如用ICP-AES法测定癌症病人和正常人头发中的13~15种元素含量， 用多种数据的试样以取代血液样本。处理技术均可得到病人与正常人分类极为消晰的二维判别图，据此认为可将头发用作癌症临床诊断中的试样以取代血液样本。

1996年，谭见安对中国克山病区和非病区进行的系统研究揭示：头发元素丰度曲线与整个地理生态系物质的元素丰度曲线类似；我国硒元素生态景观类型图可以粮食硒含量和头发硒含量为主要指标进行划分；根据头发元素分析结果可提示我国克山病和大骨节病的致病模式。

1998年，杨若明证明用头发元素相关系数和欧氏距离法能清晰区分土家族与瑶族、苗族与鑫族、蒙古族与朝鲜族的头发样本种族属性。

2000年，陈祥友用ICP法测定了2万多名健康人和各类病人头发中的35种元素含量、在此基础上总结、创立了利用头发检验诊断和预测疾病的“陈氏诊法”。徐子亮经过近万例临床实践证明，头发量子共振诊断法可快速、准确地对癌症和其他疾病做出正确诊断和预报。

第二节头发元素分析的优点及存在的问题

一、理想的生物样本

一个理想的生物监测样本应具备以下条件和要求：

(1)具有生物监测意义。即所取样本有医学及生物学的理论依据，并与环境暴露量或健康效应具有定量相关关系，其测试结果能回答研究中提出的问题。

(2)具有代表性。

(3)存在于各种地理环境和各种暴露环境中。

(4)容易采集、操作和保存。

(5)有足够的样本量，必要时可重新采样或重复检验。

(6)有足够的背景(本底)和经验数据。

(7)内含所有重要元素。

对于人体而言，最实际的生物样本是血液、尿液和头发。全血或血清(血浆)分析能显示取样时短期内的细胞外元素浓度，尿分析能鉴定被排泄的细胞外物质，头发分析则能提供细胞内元素累积的信息(Manson P，1985) 。

头发完全满足作为一个生物监督器所必须具备的选择标准。

二、头发及其元素分析的优点

与人体其他生物材料相比较，头发元素分析具有许多优点：

(1)头发的生长有赖于脉管系统、经络系统和脏腑系统提供营养来源，而神经-内分泌系统则在控制、调节头发生长中起着重要作用。头发元素来源的多渠道渗人表明头发元素水平代表着人体元素的总体水平。

(2)头发元素水平与地区、性别、年龄、社会经济状况及遗传等因素有关。头发元素水平影响因素的多样性说明头发元素分析有广阔的应用领域。例如，在法庭医学及与性别有关的特殊医学中，就需要元素与性别和年龄有关的知识。Rodushkin(2000) 用ICP-MS法测定了114例瑞典居民头发中的71种元素含量，男性和女性比例分别占42%和58%。结果表明，男性头发中含有比女性更多的硼、钠、氯，而女性头发中有15种元素的含量高于男性，特别是钙、锶、银、钡、铂、铋和铀。年龄与头发元素的关系以前已作过讨论。在Rodushkin(2000) 对1-76岁瑞典居民头发所测定的71种元素中，与年龄相关的元素有锌、汞、钍、铝、钛、金、铂、钼、钙、锶和稀土元素(REE) 。头发锌含量在儿童时代随年龄增加，其后保持相对稳定水平。头发汞含量在20~25岁前相对不变，25~60岁缓慢增加，其后急剧增大。头发钍和铝、钛、稀土元素含量2-7岁存在一确定的高峰，这种现象可能与儿童的生活习性有关，指甲中的钍含量更加突出。头发中的金和铂含量以1-10岁和40-60岁为最高。

(3)头发是一种化学性质均一的惰性物质，它是由蛋白质纤维、α角肮蛋白固定于基质或蛋白质上所形成的高聚体。这种结构十分稳定，一旦微量元素原子渗入进去就被固定在那里。所以，从本质上讲，头发就像“录像带”记录着人体的矿物质、微量元素摄人及代谢状况。

注：女/男值根据平均值计算

(4)头发生长缓慢，平均每月生长1cm左右。头发记录着过去及现在人体的元素水平，因而特别适合于观察和评价不同时期人体元素暴露量及健康效应。

(5)头发样本采集快速、简便。相对而言，采集人员无需特殊训练，也不需特殊设备。头发样本贮存方便，也无需特殊设备和条件。

(6)头发样本不会变质，可长期保存，适合于作回顾性检测和研究。

(7)头发采集对供者不造成损伤和痛苦，适合于一切人群，特别是婴儿、儿童、孕妇和老年人。

(8)头发元素含量较高，元素种类较多，因而易于准确测定和供多元素同时监测、考核和研究。

目前已在头发中检测到80多种元素， 应用双聚焦扇形场ICP-MS一次就能定量测量头发中的71种元素含量。与同地区居民血液元素平均含量相比较，除铁、磷、溴、碘、硒、铪、碱金属和碱土元素外，其余元素均是头发中显著高于血液中，其中头发金、铋、银、铀含量比血液高1000倍以上。头发钴、镍、铬、钒、汞、铝、镉、锡和稀土元素含量也比全血高100~1000倍(Rodushkin I，2000) 。

注：REE包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yo、Lu。