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重危害。傳統(tǒng)分析化學通常以測定樣品中目標元素的總量來評估該元素的環(huán)境影響，但隨著環(huán)境化學及環(huán)境毒理學的不斷發(fā)展，人們認識到環(huán)境中某個元素的毒性、生物效應、遷移釋放活性與其存在形態(tài)密切相關，單憑總量測定并不足以判別其危害，必須進一步進行形態(tài)分析研究。不過，環(huán)境樣品的復雜性對元素形態(tài)的定性定量造成了較大挑戰(zhàn)。

電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)技術是近年來最先進的元素檢測技術之一，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構，通過ICP-MS可準確測定元素總量，但仍無法獲得元素形態(tài)信息。為解決這一難題，當前主流思路是將ICP-MS與高效分離技術聯(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與色譜技術聯(lián)用是研究最多、應用最為廣泛的一類聯(lián)用技術，用于形態(tài)分析的色譜技術主要有氣相色譜(GC)與高效液相色譜(HPLC)[2]。

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

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

1 聯(lián)用技術接口的改進優(yōu)化

接口是色譜技術與ICP-MS實現(xiàn)聯(lián)用的關鍵，甚至在一定程度上制約著聯(lián)用技術的發(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。在實際應用過程中，研究人員通常會根據(jù)不同情況對接口作相應的改進和優(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，省去原設計的毛細管連接柱和硅化金屬毛細管，將氣相分離毛細管直接插入電加熱套管中，簡化了接口裝置，解決了分離毛細管與硅化金屬毛細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接口進行了優(yōu)化：通入氧氣防止碳沉積，通過測定15N+響應實現(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管柱在GC傳輸線中位置的優(yōu)化，將毛細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。

相對而言，HPLC-ICP-MS的接口設計更為簡單，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物導致的柱后分散效應以及對檢測產(chǎn)生的基體干擾和記憶效應。通過冷卻霧化室能夠有效減少有機物進入等離體子，楊正標等[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]總結了近年使用小孔徑HPLC聯(lián)用ICP-MS在形態(tài)分析領域的研究，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)用技術常用前處理方法

環(huán)境樣品的復雜性大大增加了形態(tài)分離的難度，為達到理想的分離效果，在樣品進入色譜前，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，結果表明NaBPr4效果較好，該法下無機汞與甲基汞的檢出限均達到了ng/L級別。近年新型衍生化試劑也出現(xiàn)在聯(lián)用技術的前處理應用中，Nsengimana[13]采用新型衍生劑 BrMgEt4B，建立了水樣中有機鉛、有機錫和有機汞化合物同時原位乙基化方法。

2.2 毛細管吹掃捕集

毛細管吹掃捕集氣相色譜在有機汞形態(tài)分析應用最多[14～16]，如Jackson[15]通過同位素稀釋-毛細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，儀器檢出限達到0.06 pg/L，方法檢出限達到0.003 ng/L。在其他應用中，Giráldez[17]采用雙攪拌棒吸附萃取-單脫附-毛細管吹掃捕集氣相色譜-質譜聯(lián)用技術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，分別從沉積物和生物體、海水、飲用水中成功預富集不同形態(tài)有機錫，并通過ICP-MS聯(lián)用色譜技術實現(xiàn)了不同基體中有機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基于固相微萃取技術演化而來，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汞和有機錫，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)性有機硒的萃取效果，結果表明PDMS-PVA的萃取效率最高；Mao的團隊[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，通過石英濾光片進行空氣顆粒物中Sb(V)和Sb(Ⅲ)形態(tài)提取；Yu[30]采用兩種不同的提取溶劑對貝類中4種有機錫進行超聲波提取。

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、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)固相萃取擴散和傳質速率的限制；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)用技術在環(huán)境領域的應用進展

ICP-MS聯(lián)用色譜技術可用于空氣和廢氣、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。在近年國內外公開發(fā)表的相關文獻中，有關汞、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-熱解析后進入ICP-MS測定的氣體形態(tài)分析方法，被廣泛應用于環(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。為準確評估潛在有毒銻污染和銻對生態(tài)系統(tǒng)的毒理學影響，研究者們對大氣顆粒物中無機銻開展形態(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到95%以上，遠高于超聲探針法(<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細顆粒及3.6～5.2 μm粗顆粒兩個粒徑范圍內，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)用技術應用于空氣、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)用技術在水中汞的形態(tài)分析應用最為常見[16,41～43]，使用GC-ICP-MS法測定甲基汞時常結合同位素稀釋法進行定量，可達到pg級別檢出限[16,41-42]；使用HPLC-ICP-MS法可分離出水中無機汞(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]也備受關注，詳見表2。有關鉈的形態(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)兩種無機離子形態(tài)，并首次實現(xiàn)對砷、銻、鉈等元素無機形態(tài)的同時分離測定?？傮w來看，聯(lián)用技術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)用技術應用于水和廢水形態(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錫污染近年來日益受到重視。有機錫類化合物最初作為PVC穩(wěn)定劑使用，后來用作殺蟲劑，進入環(huán)境后將長期殘留，生物毒性大。有機錫常以單丁基錫(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錫的方法，研究對外標法和同位素稀釋法定量展開比較，結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錫進行定量，評估有機錫污染物的去除效果，該研究屬于利用非均相光催化技術處理沉積物中有機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)有機錫的吸附、解吸和轉化，結果表明，這3種有機物在水體-沉積物體系中降解能力較好，污染風險較低。此外，聯(lián)用技術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)用技術應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。使用聯(lián)用技術除對生物樣品中砷[26-27]、錫[30,42]、汞[42,54]等有毒元素進行形態(tài)分析外(見表4)，近年有關營養(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)了準確、高效提取，結果表明巴西堅果、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)用技術應用于生物體形態(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)用技術發(fā)展趨勢

ICP-MS聯(lián)用色譜技術發(fā)展至今已有數(shù)十年歷史。其中，GC-ICP-MS主要適用于環(huán)境中有機汞、有機鉛、有機錫等揮發(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、無機形態(tài)的分析。

總體說來，聯(lián)用技術用于形態(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)化應用還較遠。ICP-MS聯(lián)用色譜技術應用于環(huán)境領域元素形態(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)用色譜本質上是色譜-光譜-質譜三大類技術的結合。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。目前兩種技術聯(lián)用的一體機已經(jīng)十分普遍，如ICP-MS、GC-MS、HPLC-MS等儀器。但ICP-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。可以預見，未來形態(tài)分析儀器的設計趨勢將從二級聯(lián)用走向多級聯(lián)用，制造出功能更為強大的商業(yè)一體機。

4.2 方法標準化

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)分析有關方法標準，其余大多數(shù)元素在這個方面還處于空白。ICP-MS聯(lián)用色譜技術是目前形態(tài)分析領域發(fā)展最快、受關注最多的方法之一，取代傳統(tǒng)化學法成為元素形態(tài)分析的主流方法將是必然趨勢。因此，為加快元素形態(tài)分析領域發(fā)展步伐，推行ICP-MS聯(lián)用色譜技術成為行業(yè)規(guī)范技術并推動其方法標準化進程十分必要。

4.3 應用拓展

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，色譜技術的分離功能也十分強大。但二者聯(lián)用應用于形態(tài)分析的研究當前反復聚焦于汞、砷、鉛、錫等幾個“熱門”元素身上，內容也局限于常見形態(tài)的鑒別和簡單定量。隨著聯(lián)用技術的進一步發(fā)展成熟，其適用元素范圍將不斷拓展，研究內容也會往追溯不同形態(tài)物質形成機理、分析其遷移規(guī)律等方向深入。