姜皓文, 李 健, 譚志強(qiáng),4*, 郭瑛瑛, 劉艷偉,胡立剛, 陰永光,4*, 蔡 勇, 江桂斌

(1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心， 北京 100085; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049;3. 浙江環(huán)境監(jiān)測(cè)工程有限公司， 浙江 杭州 310012; 4. 國(guó)科大杭州高等研究院環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310024;5. 佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系， 美國(guó)佛羅里達(dá)州 邁阿密 33199)

金屬納米顆粒(MCN)是指含有金屬的納米顆粒,它可以是零價(jià)金屬、金屬氧化物、金屬硫化物、多種金屬?gòu)?fù)合或金屬與自然膠體復(fù)合而成的納米顆粒[1]。根據(jù)不同的來(lái)源,可將金屬納米顆粒劃分為天然金屬納米顆粒和人工金屬納米顆粒。人工金屬納米顆粒是人為制造的一類(lèi)金屬納米材料。由于獨(dú)特的物理化學(xué)性能,人工金屬納米顆粒被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、制藥、微電子、日常用品等各個(gè)領(lǐng)域[2]，其在制造和使用過(guò)程中不可避免地釋放到環(huán)境中。例如,水沖刷可導(dǎo)致二氧化鈦納米顆粒(TiO2NPs)從涂料與防曬霜中溶出[3,4];含銀衣物清洗可導(dǎo)致納米銀(AgNPs)溶出[5],最終進(jìn)入水體環(huán)境。天然金屬納米顆粒是指在自然條件下通過(guò)一系列氧化還原、絡(luò)合、吸附/解吸等物理化學(xué)或微生物作用形成的金屬納米顆粒。例如,天然有機(jī)質(zhì)可將金離子、銀離子分別還原成納米金(AuNPs)和AgNPs[6,7];汞在溶解性有機(jī)質(zhì)或細(xì)菌的作用下可以生成硫化汞納米顆粒[8]。

人工與天然金屬納米顆粒均會(huì)與環(huán)境中的有機(jī)酸、無(wú)機(jī)鹽、大分子聚合物等相互作用,導(dǎo)致其表面特性發(fā)生改變[9]。離子強(qiáng)度、光照、pH、陽(yáng)離子類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)和自然膠體的種類(lèi)和濃度等也會(huì)影響金屬納米顆粒的分散和團(tuán)聚(如均相團(tuán)聚和異相團(tuán)聚)[9-11]。金屬納米顆粒還可在自然條件下發(fā)生一系列化學(xué)轉(zhuǎn)化,如氧化、氯化和硫化等[11]。這些金屬納米顆粒形貌結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成的變化使其原有的物理化學(xué)特性發(fā)生改變,從而進(jìn)一步影響其環(huán)境遷移、轉(zhuǎn)化與生物攝入[12]。

金屬納米顆粒常用的分析檢測(cè)技術(shù)包括電鏡、光散射、光學(xué)成像和單顆粒-電感耦合等離子體質(zhì)譜(SP-ICP-MS)等。掃描電鏡、透射電鏡(TEM)可對(duì)納米顆粒進(jìn)行形貌、粒徑和化學(xué)組分分析,但其對(duì)納米顆粒含量要求較高(通常>1 mg/L),且樣品制備過(guò)程可能導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚與形貌的改變[16,17]。動(dòng)態(tài)光散射(DLS)、多角度光散射(MALS)和納米顆粒跟蹤分析(NTA)缺乏對(duì)顆粒的特異性識(shí)別,不能有效區(qū)分不同組分的顆粒,且多分散體系分析時(shí)更傾向于呈現(xiàn)大顆粒信息[18-20]。SP-ICP-MS作為一種新興的納米顆粒分析技術(shù)可識(shí)別不同的顆粒,提供粒徑分布、顆粒濃度和離子濃度等信息,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)小粒徑金屬納米顆粒的檢測(cè),且相應(yīng)離子濃度較高時(shí)會(huì)明顯干擾小顆粒粒徑的分析(例如10～80 nm)[21]。因此,單一檢測(cè)技術(shù)往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境基質(zhì)中金屬納米顆粒的分析檢測(cè)。發(fā)展可靠的分離檢測(cè)聯(lián)用技術(shù),去除復(fù)雜基質(zhì)的干擾,提高粒徑檢測(cè)范圍和靈敏度,是環(huán)境中金屬納米顆粒分析的關(guān)鍵。液相色譜(LC)、凝膠電泳(GE)等含固定相分離技術(shù)與ICP-MS的聯(lián)用可有效對(duì)金屬納米顆粒按粒徑進(jìn)行分離,并具有較低的元素檢出限[22,23]。但這類(lèi)技術(shù)存在固定相對(duì)納米顆粒的吸附問(wèn)題,導(dǎo)致分離通道堵塞與納米顆?；厥章实蚚1]。無(wú)固定相分離技術(shù)可以有效降低或避免固定相對(duì)納米顆粒的吸附,提高金屬納米顆粒的回收率。高效無(wú)固定相分離技術(shù)與高靈敏ICP-MS/SP-ICP-MS的在線聯(lián)用成為環(huán)境中金屬納米顆粒檢測(cè)的有力工具。本文針對(duì)環(huán)境中金屬納米顆粒的分離檢測(cè),綜述了目前常用的無(wú)固定相分離技術(shù)，如流體動(dòng)力色譜(HDC)、毛細(xì)管電泳(CE)、場(chǎng)流分離(FFF)等與ICP-MS以及SP-ICP-MS的聯(lián)用,并對(duì)相應(yīng)技術(shù)的原理、應(yīng)用和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)與比較。

1 無(wú)固定相分離與傳統(tǒng)ICP-MS在線聯(lián)用技術(shù)

1.1 流體動(dòng)力色譜

1.1.1HDC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)簡(jiǎn)介

在HDC色譜柱中,不同粒徑納米顆粒所受的水動(dòng)力效應(yīng)不同,大顆粒更易遠(yuǎn)離填充顆粒表面的低流速區(qū)域,而小顆粒更傾向于貼近填充顆粒移動(dòng)?；诓煌w粒的速度梯度,HDC可以有效將金屬納米顆粒分離[24]。利用這一分離機(jī)制,HDC可使用無(wú)孔剛性顆粒填充色譜柱或使用不同孔徑的空毛細(xì)管作為色譜柱。其中,無(wú)固定相HDC可有效避免尺寸排阻色譜等存在的固定相對(duì)金屬納米顆粒物吸附的問(wèn)題[25,26]。HDC可以與不同的檢測(cè)器同時(shí)聯(lián)用,如DLS、MALS[27]、紫外-可見(jiàn)光譜(UV-Vis)[28]和ICP-MS[29,30]。DLS、MALS和UV-Vis作為ICP-MS檢測(cè)的輔助手段可提供金屬組成與濃度以外的輔助信息,如金屬納米顆粒的水合粒徑、特征紫外可見(jiàn)吸收等。HDC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性,適用于基質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境樣品,無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理[29],不受待測(cè)顆粒密度、類(lèi)型和環(huán)境溫度的影響,且顆粒表面涂層對(duì)其保留行為影響也較小,因此無(wú)需特異性尺寸校準(zhǔn)顆粒即可精確給出待測(cè)金屬納米顆粒物的粒徑信息[31]。HDC-ICP-MS具有較寬的粒徑分析范圍(20～1 200 nm)和較低的檢出限(μg/L)[29]。此外,HDC-ICP-MS進(jìn)行樣品分析的時(shí)間較短(一般小于10 min)[29]。HDC-ICP-MS也存在一定的缺陷,如對(duì)復(fù)雜多分散顆粒物分離效果較差,但儀器操作條件的優(yōu)化可以一定程度上緩解這一問(wèn)題[32]。

1.1.2HDC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用

表1總結(jié)了HDC-ICP-MS在線聯(lián)用技術(shù)在金屬納米顆粒分離檢測(cè)中的應(yīng)用。HDC-ICP-MS以去離子水或表面活性劑為載液,可以實(shí)現(xiàn)自然水體[31,33]、市政廢水[29,30,33]、土壤[34]等環(huán)境基質(zhì)中金屬納米顆粒的分離與檢測(cè),回收率可達(dá)60%～98%。采用去離子水為載液,可成功實(shí)現(xiàn)自然水體和市政廢水中AgNPs的分離表征,如加標(biāo)市政廢水的回收率也可達(dá)到60%～70%[33]。但以去離子水為載液時(shí),在分離過(guò)程中可能存在納米顆粒團(tuán)聚的問(wèn)題,因此通常向載液中加入一定量的表面活性劑,以更好地分散金屬納米顆粒。同時(shí),可向載液中加入緩沖液及甲醛(抗菌劑)[29,35],以進(jìn)一步提升分離的穩(wěn)定性。以0.002 mol/L Na2HPO4、0.05%十二烷基硫酸鈉(SDS)、0.2%非離子表面活性劑和0.2%甲醛作載液,在無(wú)需復(fù)雜樣品前處理?xiàng)l件下即可實(shí)現(xiàn)污泥上清液中AgNPs、TiO2NPs、SiO2NPs、Al2O3NPs和Fe2O3NPs的分離表征,有效避免了金屬納米顆粒在樣品前處理和分析過(guò)程中發(fā)生形貌變化,且單個(gè)樣品分析時(shí)間一般小于10 min[29-31,33]。HDC-ICP-MS在固相樣品中金屬納米顆粒的分離分析也具有極佳的性能。選用合適的提取劑可保持金屬納米顆粒物的原始狀態(tài),實(shí)現(xiàn)土壤和多種生活用品(如防曬霜)中金屬納米顆粒的快速粒徑分離和元素組成分析[34,35]。在使用0.1% Triton X-100對(duì)土壤樣品進(jìn)行提取后,以0.5 g/L SDS、1 g/L Triton X-100、1 g/L Brij L23為載液實(shí)現(xiàn)了土壤提取物中含鈦顆粒物的分離表征[34]。結(jié)合X射線熒光光譜(XRFA)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)以及電鏡分析,證明了土壤中含鈦顆粒物主要以TiO2NPs的形式存在[34]。在最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件下,HDC-ICP-MS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)防曬霜中TiO2NPs和ZnO NPs的分離定量,且回收率高達(dá)90%～98%[35]。

1.2 毛細(xì)管電泳

1.2.1CE-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)簡(jiǎn)介

CE采用彈性石英毛細(xì)管作為分離通道,在分離通道兩端添加高壓直流電場(chǎng),使帶電的納米顆粒隨電滲流向其電荷相反的方向遷移,根據(jù)不同的荷質(zhì)比即可實(shí)現(xiàn)金屬納米顆粒的電泳分離[36]。CE在極小進(jìn)樣體積下可以有效分離不同粒徑的固有荷電或吸附后荷電的金屬納米顆粒[37]。金屬納米顆粒的電泳淌度取決于其Zeta電位,而Zeta電位受顆粒的原有電荷狀態(tài)、背景電解質(zhì)等因素影響。因此,背景電解質(zhì)溶液的改變、金屬納米顆粒對(duì)配體與表面活性劑的物理/化學(xué)吸附均會(huì)改變金屬納米顆粒的Zeta電位,進(jìn)而影響CE對(duì)金屬納米顆?；诔叽绲姆蛛x[38,39]?？膳cCE連接的檢測(cè)器種類(lèi)較多,LC適用的檢測(cè)器理論上均可應(yīng)用于CE的檢測(cè)。但CE樣品注射量?jī)H為納升,對(duì)環(huán)境樣品中痕量金屬納米顆粒的分離檢測(cè)往往需要與高靈敏度的ICP-MS聯(lián)用[37]。

本文提出基于最小生成樹(shù)的K-Means算法劃分腦區(qū)或ROI。利用隱馬爾科夫模型揭示了大腦不同網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換不是完全隨機(jī)發(fā)生的，這種非隨機(jī)的大腦網(wǎng)絡(luò)序列本身是有層次結(jié)構(gòu)的，呈現(xiàn)出兩個(gè)不同的亞穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。基于SVD算法計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚力的大小，全面分析當(dāng)前大腦狀態(tài)動(dòng)力學(xué)的有關(guān)研究。

1.2.2CE-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用

1.3 場(chǎng)流分離

1.3.1FFF-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)簡(jiǎn)介

場(chǎng)流分離是由Giddings課題組[53]在1966年提出的可用于大分子、膠體和顆粒分離的一種分離技術(shù)。當(dāng)待測(cè)樣品在載流承載下流經(jīng)超薄分離通道時(shí),在垂直于樣品流動(dòng)的方向施加一個(gè)可控的外加場(chǎng),在外加場(chǎng)力和擴(kuò)散力的共同作用下,使具有不同理化性質(zhì)(粒徑、密度等)的分析物在分離通道的一定距離達(dá)到平衡[54]。根據(jù)零滑移假設(shè),距離分離通道壁近的載液流速小,而遠(yuǎn)的載液流速大,從而使處于不同流速載液中的分析物實(shí)現(xiàn)分離[54]。根據(jù)外加場(chǎng)力的不同,可將場(chǎng)流分離分為流場(chǎng)流分離(flow field-flow fractionation, FlFFF)、沉降場(chǎng)流分離(sedimentation field-flow fractionation, SdFFF)、熱場(chǎng)流分離(thermal field-flow fractionation)和電場(chǎng)流分離(electrical field-flow fractionation)等[55]。目前使用較多的是FlFFF和SdFFF。

FlFFF和SdFFF均為不含固定相的分離技術(shù),可有效避免分析物與分離通道相互作用而導(dǎo)致的損失[56]。SdFFF的外加力場(chǎng)是垂直于樣品流動(dòng)方向的離心力或重力,顆粒的分離取決于其當(dāng)量球體直徑和顆粒密度[57]。FlFFF的外加力場(chǎng)是垂直于樣品流動(dòng)方向的橫向流,顆粒的分離取決于其流體動(dòng)力學(xué)直徑[57]。SdFFF具有較強(qiáng)的粒徑分離能力,可以同時(shí)檢測(cè)相應(yīng)離子,但不適于小粒徑顆粒(<50 nm)的分離,而且計(jì)算顆粒的粒徑需要提前獲知其顆粒密度[58,59]。相對(duì)于SdFFF, FlFFF理論更為成熟,分離條件更加溫和,在分離過(guò)程中也不會(huì)破壞顆粒的形狀,并具有更低的粒徑檢出限(1 nm)[56]。FlFFF主要包括對(duì)稱(chēng)流場(chǎng)流(symmetrical FlFFF, SF4)、非對(duì)稱(chēng)流場(chǎng)流(asymmetrical FlFFF, AF4)和中空纖維流場(chǎng)流(hollow fiber FlFFF, HF5)[60]。SF4和AF4均使用大體積的長(zhǎng)方體平板膜作分離通道。但相對(duì)于SF4, AF4不僅具有交叉流作用下的樣品松弛過(guò)程,還具有樣品的聚焦過(guò)程,聚焦過(guò)程的存在使AF4具有更高的分離效率[61]。AF4還具有操作更簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn),因此AF4的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SF4。HF5采用小體積的中空纖維作分離通道,對(duì)樣品的稀釋小,所需載液體積少,分析時(shí)間短[60]。FFF-ICP-MS的分離分析性能受離子強(qiáng)度、pH、表面活性劑、聚焦時(shí)間、流速和外加場(chǎng)力等因素影響。在場(chǎng)流分離過(guò)程中,應(yīng)盡可能保持金屬納米顆粒在分析過(guò)程中的穩(wěn)定性和分散性,減少膜對(duì)金屬納米顆粒的吸附,確保獲得最佳的分離效果[62-64]。

1.3.2FFF-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用

SdFFF是最早與ICP-MS聯(lián)用的場(chǎng)流分離技術(shù)。SdFFF-ICP-MS具有較強(qiáng)的粒徑分離能力,但粒徑檢出限較高,且外加場(chǎng)易導(dǎo)致顆粒物形狀的改變,因此目前主要應(yīng)用于不易發(fā)生形狀改變的金屬納米顆粒及環(huán)境膠體的分離表征和遷移轉(zhuǎn)化研究中[56,65-67]。在使用己烷去除化妝品中有機(jī)物之后,采用SdFFF-ICP-MS可以實(shí)現(xiàn)化妝品中TiO2NPs的分離表征[65]。利用SdFFF-ICP-MS可對(duì)不同粒徑環(huán)境膠體進(jìn)行分析,可獲得這些環(huán)境膠體的元素組成(常量、微量和部分痕量元素)。SdFFF-ICP-MS揭示,表層土壤中鐵主要富集于小粒徑與大粒徑膠體中,而非中等粒徑膠體(～0.3 μm)[66]。SdFFF-ICP-MS也被用于分析不同粒徑膠體的元素比(如Fe/Al、Mg/Al),并進(jìn)一步推斷膠體的礦物組成[66,67]。元素比分析顯示，高嶺土、蛭石、伊利石礦物在較寬的土壤粒徑范圍內(nèi)均存在;相對(duì)而言,高嶺土在較大尺寸膠體中(>0.3 μm)較少[67]。利用土壤膠體粒徑和元素組成信息,可以推測(cè)土壤膠體導(dǎo)致的金屬運(yùn)移[66]。

FlFFF-ICP-MS溫和的分離方式、強(qiáng)大的顆粒分離能力和較低的檢出限使其廣泛用于日常消費(fèi)品、復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)和生物組織中金屬納米顆粒的分離表征。借助高效提取劑,FlFFF-ICP-MS可應(yīng)用于水體、土壤和沉積物中金屬納米顆粒的分離表征。例如,以Na4P2O7為提取劑,采用AF4-ICP-MS成功實(shí)現(xiàn)了表層水中AgNPs、CeO2NPs和Fe2O3NPs等納米顆粒的分離表征[68];類(lèi)似地,以Na4P2O7為提取劑,采用AF4-HR-ICP-MS可實(shí)現(xiàn)土壤中含鐵氧化物顆粒的粒徑分布和元素組成分析[69]。選擇合適的有機(jī)溶劑作載液還可以實(shí)現(xiàn)非水溶性樣品中金屬納米顆粒的分離表征。以四氫呋喃為載液,AF4-UV-MALS-ICP-MS/MS聯(lián)用實(shí)現(xiàn)了石油烴氣體冷凝物中金屬納米顆粒(如含汞納米顆粒)的分析,金屬顆粒的回收率為75%左右,相關(guān)結(jié)果得到了掃描透射電鏡-能量色散X射線光譜(STEM-EDX)的驗(yàn)證[70]。FlFFF-ICP-MS還可有效區(qū)分金屬納米顆粒及金屬納米顆粒-蛋白結(jié)合物。例如,使用SF4-ICP-MS研究AgNPs與牛血清白蛋白、球蛋白和纖維蛋白相互作用,可得到AgNPs與這些蛋白質(zhì)的結(jié)合常數(shù)[71]。另外,采用AF4-ICP-MS可以識(shí)別CdSe/ZnS核/殼量子點(diǎn)與單克隆IgG抗體的偶聯(lián)產(chǎn)物,量化量子點(diǎn)與抗體的生物偶聯(lián)效率[72]。

金屬納米顆粒在環(huán)境中的形態(tài)轉(zhuǎn)化對(duì)于理解其環(huán)境與生物效應(yīng)具有重要意義。FlFFF-ICP-MS的高粒徑分辨率和高檢測(cè)靈敏度使其可以有效分離和識(shí)別新生成的納米顆粒,進(jìn)而研究環(huán)境中顆粒物的演變,實(shí)現(xiàn)對(duì)新生成顆粒物的識(shí)別和定量。如AF4-MALS-ICP-MS能夠精準(zhǔn)識(shí)別AgNPs在光照下的粒徑變化,進(jìn)而研究AgNPs在光照下的溶解與團(tuán)聚行為[73]。DLS對(duì)納米顆粒的環(huán)境團(tuán)聚研究通常需要采用較高的濃度(～1 mg/L),其結(jié)果難以推廣至實(shí)際環(huán)境中低濃度人工納米顆粒的團(tuán)聚行為。Tan等[74]基于HF5-ICP-MS優(yōu)異的粒徑分離能力和極低的檢出限,實(shí)現(xiàn)了10 μg/L AgNPs在復(fù)雜環(huán)境基質(zhì)(溶解性有機(jī)質(zhì)、Na+/Ca2+)中的均相團(tuán)聚研究,為環(huán)境相關(guān)濃度下人工金屬納米顆粒的團(tuán)聚研究提供了新的手段。由于半透膜的存在,FlFFF聚焦與分離過(guò)程中往往會(huì)造成離子和小粒徑納米顆粒透出,因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)離子、小粒徑與大粒徑顆粒的同時(shí)分析。通過(guò)在HF5徑向流出口位置連接富集小柱(MCC)實(shí)現(xiàn)銀離子的捕集,然后通過(guò)硫代硫酸鈉對(duì)MCC進(jìn)行洗脫可以實(shí)現(xiàn)銀離子的定量分析;小粒徑(如小于2 nm)AgNPs和強(qiáng)絡(luò)合態(tài)銀離子無(wú)法被MCC捕集而直接進(jìn)入檢測(cè)器;在MCC和HF5中間連接位置額外添加2% H2O2可使90%以上的小粒徑AgNPs氧化,僅強(qiáng)絡(luò)合態(tài)銀離子直接進(jìn)入檢測(cè)器,通過(guò)兩次檢測(cè)的差值即可實(shí)現(xiàn)小粒徑AgNPs的定量[75]。采用以上手段,利用HF5-MCC-ICP-MS可成功實(shí)現(xiàn)銀離子和不同粒徑AgNPs的同時(shí)分離表征[75]。HF5-MCC-ICP-MS對(duì)多種銀形態(tài)的定量分析優(yōu)勢(shì)也使其分析環(huán)境相關(guān)濃度(10～33.97 μg/L)下銀離子和AgNPs的轉(zhuǎn)化成為可能。研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境相關(guān)濃度下銀離子在光照下可生成小粒徑AgNPs(<2 nm與2.3 nm),而銀離子和AgNPs在廢水中會(huì)部分轉(zhuǎn)化為巰基結(jié)合態(tài)一價(jià)銀[74]。HF5-MCC-ICP-MS有效彌補(bǔ)了UV-Vis、DLS、TEM等常規(guī)分析手段對(duì)環(huán)境濃度下金屬納米顆粒表征的缺陷以及AF4-ICP-MS對(duì)離子與小粒徑金屬納米顆粒分析的不足[74,75]。表3對(duì)SdFFF-ICP-MS、HF5-ICP-MS、SF4-ICP-MS和AF4-ICP-MS在金屬納米顆粒分離方面的應(yīng)用進(jìn)行了列舉。

2 無(wú)固定相分離與SP-ICP-MS在線聯(lián)用技術(shù)

2.1 無(wú)固定相分離-SP-ICP-MS簡(jiǎn)介

流體動(dòng)力學(xué)粒徑、單個(gè)顆粒金屬質(zhì)量計(jì)算粒徑等綜合信息有助于判斷金屬納米顆粒涂層厚度、純度以及顆粒的均相/異相團(tuán)聚行為。SP-ICP-MS作為一項(xiàng)新興的金屬顆粒檢測(cè)技術(shù),能夠?qū)饘偌{米顆粒的質(zhì)量計(jì)算粒徑、粒徑分布和顆粒濃度進(jìn)行表征,且具有極低的顆粒數(shù)檢出限[82]。HDC、CE和FFF等無(wú)固定相分離與SP-ICP-MS在線聯(lián)用技術(shù)可在一次分析中獲得金屬納米顆粒流體動(dòng)力學(xué)粒徑、元素質(zhì)量計(jì)算粒徑、顆粒物濃度等信息,三維圖像的繪制使金屬納米顆粒的信息更加直觀化,彌補(bǔ)了單一技術(shù)分析的不足[83-85]。

2.2 無(wú)固定相分離-SP-ICP-MS應(yīng)用

SP-ICP-MS低顆粒數(shù)檢出限的優(yōu)勢(shì)使得HDC-SP-ICP-MS可以實(shí)現(xiàn)飲用水中低至ng/L水平AuNPs的分析,流體動(dòng)力學(xué)粒徑、單顆粒質(zhì)量計(jì)算粒徑和顆粒濃度的獲取使其對(duì)AuNPs的表征更為全面[86]。HDC可以分離金屬離子和相應(yīng)納米顆粒,因此HDC的預(yù)分離過(guò)程不僅可實(shí)現(xiàn)金屬納米顆粒和溶解態(tài)離子的同時(shí)表征,還有效避免了SP-ICP-MS金屬納米顆粒分析中金屬離子的干擾,降低了金屬納米顆粒的粒徑檢出限[87]。一般而言,球狀金屬納米顆粒的流體動(dòng)力學(xué)粒徑與單顆粒質(zhì)量計(jì)算粒徑相近,而棒狀金屬納米顆粒的流體動(dòng)力學(xué)粒徑大于質(zhì)量計(jì)算粒徑[31]。因此,對(duì)于較純的球狀與棒狀金屬納米顆粒,通過(guò)HDC-SP-ICP-MS獲得的元素質(zhì)量計(jì)算粒徑和流體動(dòng)力學(xué)粒徑的對(duì)照即可區(qū)分球狀和棒狀金屬納米顆粒[31]。類(lèi)似地,均相聚集體的流體動(dòng)力學(xué)粒徑與質(zhì)量計(jì)算粒徑相近,而異相聚集體的流體動(dòng)力學(xué)粒徑遠(yuǎn)大于其質(zhì)量計(jì)算粒徑,因此HDC-SP-ICP-MS也可區(qū)分金屬納米顆粒的均相聚集體和異相聚集體[83]。

CE的進(jìn)樣體積僅在nL范圍。因此,在較小的進(jìn)樣體積下,當(dāng)分析物濃度較低時(shí),需要考慮分析過(guò)程獲得的金屬納米顆粒的顆粒數(shù)是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在這一背景下,采用在線預(yù)濃縮手段,提高顆粒物濃度顯得尤為重要。使用反電極極性堆積模式對(duì)AgNPs進(jìn)行預(yù)濃縮,可以使CE-SP-ICP-MS的靈敏度提高14.3～27.7倍[88]。具有不同涂層的金屬納米顆粒在CE中具有不同的電泳淌度,但當(dāng)其電泳淌度差異較小時(shí)往往無(wú)法被完全分離[38]。CE-SP-ICP-MS可以獲得具有相同遷移時(shí)間顆粒的質(zhì)量計(jì)算粒徑信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了20、40、60 nm檸檬酸包裹AgNPs和40、60 nm聚乙烯吡咯烷酮包裹AgNPs混合物的分離表征[85]。

雖然通常情況下,FlFFF-SP-ICP-MS無(wú)法實(shí)現(xiàn)溶解態(tài)離子的分析,但FlFFF聚焦與分離過(guò)程金屬離子的透析去除減少了離子背景對(duì)SP-ICP-MS金屬納米顆粒分析的影響,降低了SP-ICP-MS的粒徑檢出限[84,89]。通過(guò)對(duì)銀離子的去除,AF4-SP-ICP-MS可實(shí)現(xiàn)低至ng/L水平AgNPs的分離表征;通過(guò)監(jiān)測(cè)AgNPs在遷移過(guò)程中的粒徑變化并結(jié)合掃描透射電鏡和能量色散X射線光譜,證明了AgNPs遷移過(guò)程中均相聚集體和銀/聚合物異相聚集體的形成[89]。與其他基于SP-ICP-MS的聯(lián)用技術(shù)類(lèi)似,AF4-SP-ICP-MS可以獲取金屬納米顆粒的多維信息,通過(guò)三維圖像的建立可以有效區(qū)分具有相同銀質(zhì)量的AgNPs和Ag-SiO2核/殼納米顆粒[84]。表4對(duì)HDC、CE、FFF與SP-ICP-MS在線聯(lián)用技術(shù)在金屬納米顆粒分離表征方面的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

3 無(wú)固定相分離技術(shù)的比較

HDC、CE和FFF與ICP-MS聯(lián)用技術(shù)在對(duì)環(huán)境中金屬納米顆粒的分離檢測(cè)方面表現(xiàn)出了極佳的能力,但3種分離技術(shù)也有自身的優(yōu)勢(shì)和不足。FlFFF-ICP-MS為FFF-ICP-MS中理論更為成熟、應(yīng)用更為廣泛的在線聯(lián)用技術(shù)。表5對(duì)HDC-ICP-MS、CE-ICP-MS和FlFFF-ICP-MS的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。在進(jìn)行環(huán)境中金屬納米顆粒的分離檢測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的研究問(wèn)題選擇合適的無(wú)固定相分離技術(shù)。

表 5 3種無(wú)固定相分離技術(shù)與ICP-MS在線聯(lián)用技術(shù)相關(guān)特點(diǎn)總結(jié)

HDC、CE和FlFFF是分別基于水動(dòng)力效應(yīng)、電泳淌度和擴(kuò)散系數(shù)3種不同分離機(jī)制的顆粒分離技術(shù)[58]。由于分離機(jī)制的不同,不同分離技術(shù)對(duì)待測(cè)物的要求也存在差異。HDC和FlFFF對(duì)分析物沒(méi)有特殊要求,而CE則需要待測(cè)顆粒物具有不同的荷質(zhì)比,其可以通過(guò)本身荷電或化學(xué)修飾荷電,進(jìn)而獲得不同荷質(zhì)比。HDC相較于其他兩種分離技術(shù)具有更強(qiáng)的抗干擾能力和適應(yīng)性,顆粒保留系數(shù)受顆粒涂層、顆粒密度、溫度和流速變化的影響較小或不受影響,因此某一顆粒制成的尺寸校準(zhǔn)曲線可用于其他不同類(lèi)型的顆粒[31,35]。CE對(duì)金屬納米顆粒的分離基于顆粒的電泳淌度,受顆粒電荷狀態(tài)、背景電解質(zhì)的影響,因此電荷狀態(tài)、背景電解質(zhì)、電滲流和溫度的變化以及顆粒與毛細(xì)管壁的相互作用均會(huì)影響分離的可重復(fù)性,選擇合適的分離介質(zhì)條件和粒徑校正標(biāo)準(zhǔn)才能獲得未知樣品的可靠粒徑信息[38,39,91]。顆粒物在FlFFF中的保留時(shí)間受載流流速、外加場(chǎng)力、通道體積、通道高度、顆粒物尺寸以及膜對(duì)顆粒吸附的影響,在使用FlFFF對(duì)環(huán)境中金屬納米顆粒進(jìn)行分析時(shí)要選擇合適的離子強(qiáng)度、pH、表面活性劑、聚焦時(shí)間、載流流速和外加場(chǎng)力等,保證金屬納米顆粒在分析過(guò)程的穩(wěn)定性和分散性,減少膜對(duì)金屬納米顆粒的吸附[62-64]。

HDC、CE和FlFFF在粒徑分離范圍方面存在一定的差異。FlFFF(1 nm～100 μm)具有更大的粒徑分離范圍,適用于其他技術(shù)無(wú)法分離的大粒徑顆粒物的分離分析。HDC(5～1 200 nm)和CE(0.1～2 000 nm)分離粒徑相近,但HDC對(duì)小粒徑顆粒物的分離效果較差[32,37]。HDC、CE和FlFFF在進(jìn)樣量方面存在明顯差異。受限于色譜柱和毛細(xì)管的體積,HDC和CE為了避免譜峰加寬,樣品進(jìn)樣量分別為20～100 μL和1～10 nL,僅為分離裝置體積的10%左右。而FlFFF在樣品分離之前存在聚焦過(guò)程,進(jìn)入裝置的顆粒物會(huì)在樣品輸入端附近聚焦,因此大體積的樣品可以直接注入FlFFF系統(tǒng)中,而不會(huì)使譜峰加寬,樣品的進(jìn)樣體積可以從幾微升到幾十毫升[37,58,60]。大體積進(jìn)樣的特點(diǎn)使FlFFF對(duì)環(huán)境中金屬納米顆粒的檢測(cè)靈敏度明顯高于HDC和CE,使其更加適用于環(huán)境中低濃度金屬納米顆粒的分離檢測(cè)[37]。

此外,HDC、CE和FlFFF在分離時(shí)間、尺寸分辨率和樣品回收率方面存在一定的差異。聚焦過(guò)程和外加場(chǎng)力的存在使FlFFF相對(duì)于HDC具有較好的粒徑分離效果,但同樣增加了顆粒的分離時(shí)間。

FlFFF系統(tǒng)中半透膜對(duì)顆粒物的吸附導(dǎo)致其樣品回收率較低[1,58,60]。HDC操作簡(jiǎn)單易于實(shí)施,分析時(shí)間僅為10 min左右,擁有較好的樣品回收率,但存在粒徑分辨率較低的問(wèn)題[32]。相對(duì)于其他分離技術(shù),CE具有更高的粒徑分辨率,同時(shí)顆粒回收率較高[58]。HDC和CE可在一次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中同時(shí)對(duì)離子態(tài)和顆粒態(tài)金屬進(jìn)行分析[1]。FlFFF由于聚焦過(guò)程中金屬離子可透過(guò)半透膜,通常FlFFF不能直接對(duì)溶解態(tài)離子進(jìn)行分析。但FlFFF分析中,通過(guò)在線微柱富集透析出的金屬離子,經(jīng)過(guò)洗脫也可對(duì)溶解態(tài)離子進(jìn)行分離定量[74,75]。

4 結(jié)論與展望

環(huán)境中人工與天然金屬納米顆粒的表征與定量對(duì)分析方法提出了挑戰(zhàn)。無(wú)固定相分離技術(shù)與ICP-MS的在線聯(lián)用可以提供金屬納米顆粒的粒徑分布、化學(xué)組成、顆粒濃度等信息,在環(huán)境金屬納米顆粒的分離檢測(cè)中表現(xiàn)出極大的潛力。

但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,無(wú)固定相分離與ICP-MS在線聯(lián)用技術(shù)仍存在一定的缺陷和不足,雖然其具有較低的元素檢出限,但環(huán)境中一些金屬納米顆粒的含量極低,實(shí)際環(huán)境濃度下金屬納米顆粒的遷移轉(zhuǎn)化研究仍受到一定程度的制約。顆粒物的形狀對(duì)其在無(wú)固定相分離裝置中的保留時(shí)間有重要影響,而無(wú)固定相分離技術(shù)的校正曲線多基于待測(cè)顆粒物為均一密度的球體,對(duì)實(shí)際環(huán)境樣品中非球體金屬納米顆粒的分析會(huì)存在偏差。納米顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的認(rèn)證值通常為粒徑大小,濃度在某些情況下僅具有指示作用,缺乏基于納米顆粒物尺寸和顆粒數(shù)濃度認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來(lái)進(jìn)行濃度校準(zhǔn)。因此,在未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究非球體顆粒物在無(wú)固定相裝置中分離行為及其校正方法,同時(shí)發(fā)展基于顆粒物形狀、顆粒物尺寸和顆粒數(shù)濃度認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),以應(yīng)對(duì)實(shí)際環(huán)境金屬納米顆粒分離檢測(cè)的需求。

無(wú)固定分離技術(shù)與ICP-MS聯(lián)用可以充分發(fā)揮分離技術(shù)對(duì)顆粒物的粒徑分離以及ICP-MS的高靈敏度和多元素分析的優(yōu)勢(shì),進(jìn)而獲得顆粒的粒徑分布和化學(xué)組成,但其難以區(qū)分不同涂層的金屬納米顆粒,無(wú)法對(duì)單個(gè)顆粒的多元素化學(xué)組成進(jìn)行分析。無(wú)固定相分離技術(shù)與SP-ICP-MS的聯(lián)用可以通過(guò)比較顆粒物流體動(dòng)力學(xué)粒徑和質(zhì)量計(jì)算粒徑的差異對(duì)顆粒的純度進(jìn)行分析,進(jìn)而區(qū)分均相聚集體和異相聚集體。但SP-ICP-MS只能對(duì)單元素進(jìn)行分析而無(wú)法獲得單個(gè)顆粒的多元素化學(xué)組成。近年來(lái)發(fā)展的SP-ICP-TOF-MS可以對(duì)單個(gè)納米顆粒上的多種元素進(jìn)行同時(shí)分析,有望根據(jù)特定元素組成識(shí)別人工與天然金屬納米顆粒。無(wú)固定相分離技術(shù)與SP-ICP-TOF-MS的聯(lián)用將會(huì)為環(huán)境中金屬納米顆粒的分析檢測(cè)提供新的信息,促進(jìn)金屬納米顆粒的環(huán)境過(guò)程、地球化學(xué)循環(huán)、生態(tài)毒理學(xué)等相關(guān)研究的深入開(kāi)展。