ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域元素形態(tài)分析的應(yīng)用

徐詩琴,符式錦,周女琬,陳 楠

(海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,?？?571126)

引 言

重金屬元素具有難降解、毒性大等特點，在進(jìn)入自然環(huán)境后易發(fā)生富集[1]和遷移，對環(huán)境或人類健康造成嚴(yán)重危害。傳統(tǒng)分析化學(xué)通常以測定樣品中目標(biāo)元素的總量來評估該元素的環(huán)境影響，但隨著環(huán)境化學(xué)及環(huán)境毒理學(xué)的不斷發(fā)展，人們認(rèn)識到環(huán)境中某個元素的毒性、生物效應(yīng)、遷移釋放活性與其存在形態(tài)密切相關(guān)，單憑總量測定并不足以判別其危害，必須進(jìn)一步進(jìn)行形態(tài)分析研究。不過，環(huán)境樣品的復(fù)雜性對元素形態(tài)的定性定量造成了較大挑戰(zhàn)。

電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)技術(shù)是近年來最先進(jìn)的元素檢測技術(shù)之一，但其檢測過程5 000～10 000K的高溫將完全破壞元素原始存在結(jié)構(gòu)，通過ICP-MS可準(zhǔn)確測定元素總量，但仍無法獲得元素形態(tài)信息。為解決這一難題，當(dāng)前主流思路是將ICP-MS與高效分離技術(shù)聯(lián)用，通過“先分離定性、后檢測定量”兩步走，實現(xiàn)元素形態(tài)的分離和測定。其中，ICP-MS與色譜技術(shù)聯(lián)用是研究最多、應(yīng)用最為廣泛的一類聯(lián)用技術(shù)，用于形態(tài)分析的色譜技術(shù)主要有氣相色譜(GC)與高效液相色譜(HPLC)[2]。

對于ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)國內(nèi)已有不少研究者作了相關(guān)綜述：張海濤等[3]對ICP-MS聯(lián)用氣相色譜技術(shù)中接口的設(shè)計方法、色譜種類、樣品制備技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)及1987～2009 年間該聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用情況等進(jìn)行了總結(jié)；黃志勇[4]、郭志英[5]等介紹了HPLC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)工作特點、接口技術(shù)、色譜類型、在元素形態(tài)分析中的研究進(jìn)展等內(nèi)容；陳邵鵬等[6]參考2000～2010年間的國內(nèi)外文獻(xiàn)，從方法學(xué)的角度論述了HPLC聯(lián)用ICP-MS 技術(shù)的發(fā)展，重點探討了該技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域，尤其是在元素形態(tài)分析中的應(yīng)用；張更宇等[7]總結(jié)了ICP-MS聯(lián)用技術(shù)在國內(nèi)外檢測領(lǐng)域的最新應(yīng)用，其中提及了HPLC-ICP-MS及GC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用。

前人對于聯(lián)用技術(shù)的接口設(shè)計、色譜類型等作了較為詳盡的介紹，同時也歸納了聯(lián)用技術(shù)在當(dāng)時的應(yīng)用進(jìn)展。但有關(guān)文獻(xiàn)多發(fā)表于數(shù)年前，關(guān)于近十年來聯(lián)用技術(shù)的最新進(jìn)展尤其是國外的研究進(jìn)展介紹很少。本文重點梳理總結(jié)了國內(nèi)外ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域元素形態(tài)分析中最新應(yīng)用進(jìn)展，并對聯(lián)用技術(shù)未來發(fā)展趨勢作出分析探討。

1 聯(lián)用技術(shù)接口的改進(jìn)優(yōu)化

接口是色譜技術(shù)與ICP-MS實現(xiàn)聯(lián)用的關(guān)鍵，甚至在一定程度上制約著聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展。近年聯(lián)用接口已趨向商品化生產(chǎn)，研究者們開始致力于接口性能的進(jìn)一步提升研究。

GC與ICP-MS聯(lián)用接口最常見的類型是加熱接口，安捷倫、鉑金埃爾默、賽默飛等儀器公司都先后開發(fā)了商品化的GC-ICP-MS加熱接口。在實際應(yīng)用過程中，研究人員通常會根據(jù)不同情況對接口作相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化。李妍等[8]對賽默飛公司的商品化全加熱接口作了改進(jìn)，省去原設(shè)計的毛細(xì)管連接柱和硅化金屬毛細(xì)管，將氣相分離毛細(xì)管直接插入電加熱套管中，簡化了接口裝置，解決了分離毛細(xì)管與硅化金屬毛細(xì)管的不相匹配和氣路不暢的問題；Joaudimir等[9]在汞形態(tài)分析時對鉑金埃爾默公司GC-ICP-MS接口進(jìn)行了優(yōu)化：通入氧氣防止碳沉積，通過測定15N+響應(yīng)實現(xiàn)炬管對齊并優(yōu)化Ar流量，注入濃度為1 ng/mL的MMHg和Hg2+混合溶液完成失活毛細(xì)管柱在GC傳輸線中位置的優(yōu)化，將毛細(xì)管從傳輸線管前端移動7 cm左右實現(xiàn)202Hg+信號的最佳響應(yīng)。

相對而言，HPLC-ICP-MS的接口設(shè)計更為簡單，通常為聚四氟乙烯管或不銹鋼管直接ICP-MS霧化器。但HPLC與ICP-MS的聯(lián)接也存在不少問題，主要是由HPLC流出物中高鹽和高濃度有機(jī)物導(dǎo)致的柱后分散效應(yīng)以及對檢測產(chǎn)生的基體干擾和記憶效應(yīng)。通過冷卻霧化室能夠有效減少有機(jī)物進(jìn)入等離體子，楊正標(biāo)等[10]在使用固相萃取-HPLC-ICP-MS法測定水中烷基汞過程中，將霧室溫度調(diào)低至2℃，同時優(yōu)化了HPLC和ICP-MS的實驗條件，在優(yōu)化條件下，甲基汞和乙基汞的檢出限分別為0.5和0.7 ng/L；使用小孔或微孔色譜柱也是一種新趨勢，Grotti等[11]總結(jié)了近年使用小孔徑HPLC聯(lián)用ICP-MS在形態(tài)分析領(lǐng)域的研究，指出使用小孔HPLC柱將能有效減少接口死體積、防止色譜峰展寬、提高等離子體穩(wěn)定性。

2 聯(lián)用技術(shù)常用前處理方法

環(huán)境樣品的復(fù)雜性大大增加了形態(tài)分離的難度，為達(dá)到理想的分離效果，在樣品進(jìn)入色譜前，通常會根據(jù)樣品特性選擇不同的前處理方法。在聯(lián)用技術(shù)中常用的前處理方法有以下幾種。

2.1 衍生化

傳統(tǒng)衍生化方法中，四烷基硼化鈉(NaBEt4、NaBPr4)衍生化操作最為簡單，應(yīng)用最廣。Bravo-Sanchez[12]采用GC聯(lián)用ICP-MS檢測海水中痕量汞的形態(tài)，前處理對比了NaBPr4和NaBEt4的衍生化性能，結(jié)果表明NaBPr4效果較好，該法下無機(jī)汞與甲基汞的檢出限均達(dá)到了ng/L級別。近年新型衍生化試劑也出現(xiàn)在聯(lián)用技術(shù)的前處理應(yīng)用中，Nsengimana[13]采用新型衍生劑 BrMgEt4B，建立了水樣中有機(jī)鉛、有機(jī)錫和有機(jī)汞化合物同時原位乙基化方法。

2.2 毛細(xì)管吹掃捕集

毛細(xì)管吹掃捕集氣相色譜在有機(jī)汞形態(tài)分析應(yīng)用最多[14～16]，如Jackson[15]通過同位素稀釋-毛細(xì)管吹掃捕集氣相色譜聯(lián)用ICP-MS測定水體中低濃度甲基汞，儀器檢出限達(dá)到0.06 pg/L，方法檢出限達(dá)到0.003 ng/L。在其他應(yīng)用中，Giráldez[17]采用雙攪拌棒吸附萃取-單脫附-毛細(xì)管吹掃捕集氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析了生物樣品中的亞硒酸鹽(Se(IV))、硒蛋氨酸(SeMet)和硒甲基硒代半胱氨酸(SeMeSeCys)，檢出限分別為0.008、0.070和0.180 ng。

2.3 固相微萃取(SPME)

Delgado等[18～20]使用固相微萃取技術(shù)，分別從沉積物和生物體、海水、飲用水中成功預(yù)富集不同形態(tài)有機(jī)錫，并通過ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)實現(xiàn)了不同基體中有機(jī)錫化合物的痕量乃至超痕量定量；Gionfriddo[21]使用 SPME-GC-ICP-MS法測定馬鈴薯中兩種形態(tài)硒時，對五種SPME纖維性能進(jìn)行了比較，得出二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷纖維的性能最佳；Chen[22]建立了一種基于管內(nèi)中空纖維固相微萃取的HPLC-ICP-MS在線分析砷形態(tài)的新方法，分離出六種不同形態(tài)砷：亞砷酸鹽(As(Ⅲ)、砷酸鹽(As(V))、一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)、砷甜菜堿(AsB)及砷膽堿(AsC)。

2.4 攪拌棒吸附萃取(SBSE)

攪拌棒吸附萃取技術(shù)基于固相微萃取技術(shù)演化而來，尤其適用于痕量化合物的萃取。研究表明，頂空模式下采用SBSE萃取效率更高，Prieto[23]利用優(yōu)化后的頂空攪拌棒吸附萃取-熱解吸同時分離地表水、沉積物和生物組織中有機(jī)汞和有機(jī)錫，分離效果較好；攪拌棒涂層材料也是影響萃取效果的重要因素：Duan[24]對比了PDMS、PDMS- PVA、聚乙二醇-PDMS-PVA、 PDMS-β-CD等多種涂層材料對揮發(fā)性有機(jī)硒的萃取效果，結(jié)果表明PDMS-PVA的萃取效率最高；Mao的團(tuán)隊[25-26]先后研究了TiO2-PPHF涂層包覆攪拌棒對雞肉中砷化合物及C18涂層包覆攪拌棒對丁基錫類化合物的提取效果，均獲得較好結(jié)果。

2.5 微波、超聲波輔助萃取

Kim[27]通過微波萃取韓國及美國水稻中不同形態(tài)砷，發(fā)現(xiàn)兩國水稻中砷的主要存在形態(tài)均為As(Ⅲ)和DMA；Nam[28]利用超聲波、微波輔助系統(tǒng)結(jié)合，用水/甲醇混合物從海產(chǎn)品中提取砷；AlSioufi[29]基于微波萃取，通過石英濾光片進(jìn)行空氣顆粒物中Sb(V)和Sb(Ⅲ)形態(tài)提??；Yu[30]采用兩種不同的提取溶劑對貝類中4種有機(jī)錫進(jìn)行超聲波提取。

2.6 其他前處理方法

幾種新型前處理方法也各具優(yōu)勢：液相微萃取[31]相較于SPME與SBSE具有無延滯效應(yīng)、萃取材料無需解吸再生等優(yōu)勢；磁性固相萃取[32]突破了傳統(tǒng)固相萃取擴(kuò)散和傳質(zhì)速率的限制；酶解法[33]具有高效、溫和、專一等特點，尤其適用于生物樣品的前處理。

3 聯(lián)用技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)可用于空氣和廢氣、天然水體、廢水、土壤和沉積物、生物體等不同環(huán)境基體的元素形態(tài)分析。在近年國內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)中，有關(guān)汞、砷、硒、鉛、銻、錫、鉻這幾個元素的形態(tài)分析研究最多，少數(shù)研究也對環(huán)境樣品中鉈、鉬、釩、鎢、硅等元素形態(tài)予以關(guān)注，其余元素見諸報道的則很少。

3.1 空氣、廢氣及顆粒物

早期研究中，F(xiàn)eldmann[34]開發(fā)了一套氣相色譜柱低溫捕獲-熱解析后進(jìn)入ICP-MS測定的氣體形態(tài)分析方法，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境空氣的元素形態(tài)分析中[35-36]。 “霧霾”問題使得近年大氣顆粒物的形態(tài)分析成為熱點。為準(zhǔn)確評估潛在有毒銻污染和銻對生態(tài)系統(tǒng)的毒理學(xué)影響，研究者們對大氣顆粒物中無機(jī)銻開展形態(tài)分析：AlSioufi[29]對比了微波提取與超聲探針提取法分離PM10中Sb(V)和Sb(Ⅲ)，采用微波提取效率達(dá)到95%以上，遠(yuǎn)高于超聲探針法(<70%)；Iijima[37]使用HPLC-ICP-MS法分析了PM10中不同粒徑范圍內(nèi)不同形態(tài)Sb的分布，形態(tài)分析首次表明，Sb在空氣顆粒物中主要分布于0.50～0.70 μm細(xì)顆粒及3.6～5.2 μm粗顆粒兩個粒徑范圍內(nèi)，其中毒性較大的Sb(Ⅲ)主要分布于粗顆粒中，而Sb(V)在粗顆粒和細(xì)顆粒中均有分布；Fang[38]在用HPLC-ICP-MS法分析PM2.5中Sb形態(tài)時，提出了還原萃取和氧化萃取相結(jié)合的兩步提取新方法，獲得了較高的提取效率。廢氣顆粒物中鉻的形態(tài)分析是重點，Stanislawska[39]使用HPLC-ICP-MS法進(jìn)行了工作場所焊接煙塵中鉻形態(tài)分析研究；cancar[40]建立了陰離子交換HPLC-ICP-MS同時分析焊接煙氣中鉻酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽和釩酸鹽的新方法，采取從100%水到100% 0.7 M NaCl的線性梯度洗脫法實現(xiàn)對不同組分的分離。研究涉及的元素形態(tài)、分析方法及檢出限等詳見表1。

表1 聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于空氣、廢氣及顆粒物形態(tài)分析Tab.1 Hyphenated technology applied to air, waste gas and particulate matter speciation analysis

3.2 水和廢水

聯(lián)用技術(shù)在水中汞的形態(tài)分析應(yīng)用最為常見[16,41～43]，使用GC-ICP-MS法測定甲基汞時常結(jié)合同位素稀釋法進(jìn)行定量，可達(dá)到pg級別檢出限[16,41-42]；使用HPLC-ICP-MS法可分離出水中無機(jī)汞(Hg(Ⅱ))、甲基汞(MeHg)、乙基汞(EtHg)及苯基汞(PhHg)等多種形態(tài)，檢出限達(dá)到ng/L級別[10,43-44]。除汞外，水體中砷、銻、硒、鉛、錫、鉻等元素的存在形態(tài)[13,45～49]也備受關(guān)注，詳見表2。有關(guān)鉈的形態(tài)分析研究十分鮮見， Szopa[45]采用梯度洗脫法成功分離出河水中Tl(I)、Tl(Ⅲ)兩種無機(jī)離子形態(tài)，并首次實現(xiàn)對砷、銻、鉈等元素?zé)o機(jī)形態(tài)的同時分離測定?？傮w來看，聯(lián)用技術(shù)同時用于水中多元素形態(tài)分離測定是近年主要趨勢。

表2 聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于水和廢水形態(tài)分析Tab.2 Hyphenated technology applied to water and waste water speciation analysis

3.3 土壤和沉積物

土壤和沉積物中有機(jī)錫污染近年來日益受到重視。有機(jī)錫類化合物最初作為PVC穩(wěn)定劑使用，后來用作殺蟲劑，進(jìn)入環(huán)境后將長期殘留，生物毒性大。有機(jī)錫常以單丁基錫(MBT)、二丁基錫(DBT)、三丁基錫(TBT)、單苯基錫(MPT)、二苯基錫(DPT)、三苯基錫(TPT)等形態(tài)存在。Bishop[20]建立了使用HPLC-ICP-MS快速測定沉積物和飲用水中有機(jī)錫的方法，研究對外標(biāo)法和同位素稀釋法定量展開比較，結(jié)果表明同位素稀釋法可將靈敏度提高3倍，檢出限從1.5～25.6 ng/L提高至0.5～1.2 ng/L；Brosillon[50]通過GC-ICP-MS對使用非均相光催化法處理后的海洋沉積物中有機(jī)錫進(jìn)行定量，評估有機(jī)錫污染物的去除效果，該研究屬于利用非均相光催化技術(shù)處理沉積物中有機(jī)錫類化合物污染的首次報道；除常見形態(tài)外，Gui[51]使用HPLC-ICP-MS法首次研究了淡水沉積物中3苯基氫氧化錫、環(huán)己錫、苯丁錫三種形態(tài)有機(jī)錫的吸附、解吸和轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明，這3種有機(jī)物在水體-沉積物體系中降解能力較好，污染風(fēng)險較低。此外，聯(lián)用技術(shù)也常用于分析土壤和沉積物中汞、砷、銻、鉻形態(tài)[46, 52]，詳見表3。

表3 聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于土壤和沉積物形態(tài)分析Tab.3 Hyphenated technology applied to soil and sediment speciation analysis

3.4 生物樣品

魚貝類及雞鴨肉等動物組織、水稻蔬菜等植物都是人類的食物來源，這些生物樣品中不同元素的存在形態(tài)與人類健康息息相關(guān)。使用聯(lián)用技術(shù)除對生物樣品中砷[26-27]、錫[30,42]、汞[42,54]等有毒元素進(jìn)行形態(tài)分析外(見表4)，近年有關(guān)營養(yǎng)元素如硒等的形態(tài)分析研究也漸漸受到重視。Thosaikham[55]利用混合離子對反相HPLC-ICP-MS分離定量富硒小白菜中硒酸鹽(Se(Ⅵ))、硒酸鹽(Se(IV))、硒半胱氨酸(SeC)、硒甲基半胱氨酸(SeMC)和硒代蛋氨酸(SeM)，檢出限低于5ng/mL；Chen[56]建立了HPLC-ICP-MS法測定富硒茶中5種硒形態(tài)(SeCys2、SeMC、Se(Ⅳ)、Se(Ⅵ)、SeMet)的方法；Moreda-Pieiro[33]使用HPLC-ICP-MS法測定富硒土壤種植植物果實中的硒形態(tài)，前處理采用加壓酶法(PAEH)和微波酶法(MAEH)對樣品中硒實現(xiàn)了準(zhǔn)確、高效提取，結(jié)果表明巴西堅果、黃金莓、棕櫚心中硒均以氨基酸的形式存在，三類果實均富含硒代蛋氨酸(SeMet)，但硒代胱氨酸(SeCyS2)僅在巴西堅果中有檢出。

表4 聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于生物體形態(tài)分析Tab.4 Hyphenated technology applied to organism speciation analysis

續(xù)表4

元素形態(tài)樣品基體分析方法檢出限文獻(xiàn)MeHg海洋生物組織GC-ICP-MS檢測下限0.0005mg/kg[54]Se(Ⅵ), Se(Ⅳ), SeC, SeMC, SeM富硒小白菜HPLC-ICP-MS<5ng/mL[55]SeCys2, SeMC, Se(Ⅳ), SeMet, Se(Ⅵ)富硒茶葉HPLC-ICP-MS0.13～1.09μg/L[56]SeMet, SeCyS2, MeSeCyS, Se(Ⅵ), Se(Ⅳ)巴西堅果、黃金莓、棕櫚心HPLC-ICP-MSSe(Ⅵ)0.066～0.16μg/g,Se(Ⅳ)0.24～0.60μg/g, SeMet0.13～0.33μg/g,SeCyS20.056～0.14μg/g,Se-MeCyS0.099～0.25μg/g[33]

4 聯(lián)用技術(shù)發(fā)展趨勢

ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)發(fā)展至今已有數(shù)十年歷史。其中，GC-ICP-MS主要適用于環(huán)境中有機(jī)汞、有機(jī)鉛、有機(jī)錫等揮發(fā)性有毒金屬化合物的形態(tài)分析，由于GC對難揮發(fā)性化合物的分離效果不夠理想，故GC-ICP-MS的應(yīng)用范圍相對較窄。HPLC-ICP-MS局限性則小得多，適用于汞、錫、鉛、砷、硒、銻、鉻等多種元素有機(jī)、無機(jī)形態(tài)的分析。

總體說來，聯(lián)用技術(shù)用于形態(tài)分析方面的研究還處在初步階段，目前的研究成果距離成熟的商業(yè)化應(yīng)用還較遠(yuǎn)。ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域元素形態(tài)分析的發(fā)展趨勢可能有以下幾點。

4.1 儀器一體化

ICP-MS聯(lián)用色譜本質(zhì)上是色譜-光譜-質(zhì)譜三大類技術(shù)的結(jié)合。這三類分析儀器在檢測特性和適用范圍上各有優(yōu)劣，聯(lián)用則能克服單獨使用時的缺陷，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。目前兩種技術(shù)聯(lián)用的一體機(jī)已經(jīng)十分普遍，如ICP-MS、GC-MS、HPLC-MS等儀器。但I(xiàn)CP-MS與色譜聯(lián)用目前還僅僅是通過外接接口聯(lián)接兩臺獨立儀器，未真正實現(xiàn)一體化。可以預(yù)見，未來形態(tài)分析儀器的設(shè)計趨勢將從二級聯(lián)用走向多級聯(lián)用，制造出功能更為強(qiáng)大的商業(yè)一體機(jī)。

4.2 方法標(biāo)準(zhǔn)化

元素形態(tài)分析研究在我國起步較晚，目前國家僅針對汞、砷少數(shù)幾個元素制定了形態(tài)分析有關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)，其余大多數(shù)元素在這個方面還處于空白。ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)是目前形態(tài)分析領(lǐng)域發(fā)展最快、受關(guān)注最多的方法之一，取代傳統(tǒng)化學(xué)法成為元素形態(tài)分析的主流方法將是必然趨勢。因此，為加快元素形態(tài)分析領(lǐng)域發(fā)展步伐，推行ICP-MS聯(lián)用色譜技術(shù)成為行業(yè)規(guī)范技術(shù)并推動其方法標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程十分必要。

4.3 應(yīng)用拓展

ICP-MS可以測定環(huán)境中幾乎所有金屬和大多數(shù)非金屬元素，色譜技術(shù)的分離功能也十分強(qiáng)大。但二者聯(lián)用應(yīng)用于形態(tài)分析的研究當(dāng)前反復(fù)聚焦于汞、砷、鉛、錫等幾個“熱門”元素身上，內(nèi)容也局限于常見形態(tài)的鑒別和簡單定量。隨著聯(lián)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，其適用元素范圍將不斷拓展，研究內(nèi)容也會往追溯不同形態(tài)物質(zhì)形成機(jī)理、分析其遷移規(guī)律等方向深入。