環境分析監測十年變化之分析方法的變遷

2001~2011年，是環境分析測試技術發展最快的階段。分析技術推陳出新，分光光度法日益完善，而離子色譜、氣相色譜、液相色譜和質譜技術的應用逐漸增加；儀器設備更新換代，傳統的火焰原子吸收目前主要用于污染源的監測，石墨爐原子吸收和ICP/MS在環境質量監測方面更能發揮重要作用。高新設備不斷涌現，污染源和環境質量的自動在線監測與自動化的樣品前處理大大提高了效率，使分析人員更快捷、準確地獲得數據，但分析工作者面臨的壓力卻越來越大，復雜環境介質中多元素形態分析，綜合毒性監測，痕量有機污染物分析等等又給分析工作者提出新的挑戰。

分析方法不斷完善

酚類，苯胺和硝基苯測定方法的更新

酚類物、苯胺類和硝基苯類化合物的毒性大，致癌性強，是各國優先監測的有機污染物。十年前受分析技術和實驗室儀器條件的限制，上述化合物的測定都是采用分光光度法，雖然儀器設備簡單，但樣品前處理過程繁瑣，方法靈敏度有限，難以適應環境質量的監測，而且測定結果只能反映水樣中該類化合物的總量，不能對單個污染物進行分別定量。方法本身的不足已遠遠不能適應復雜水樣中痕量有機污染物的分析，取而代之的是GC和HPLC的方法。新制定的方法采用毛細管色譜柱和高效液相色譜柱可有效分離目標化合物和干擾，在方法準確性提高的同時，成倍增加了靈敏度。

元素分析從總量分析向形態分析過渡

環境樣品基體復雜、元素含量相差懸殊，其形態分析較測定元素總量更困難，要求分析方法選擇性強、分離效能好、靈敏度高。目前，環境樣品中元素形態分析最為認可的方法是將色譜儀器與光譜和質譜儀器聯用，其中高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜（HPLC/ICP-MS）聯用技術在樣品的前處理、分析靈敏度、準確性、測量速度等方面均具有優勢，而受到廣大環境分析工作者的關注，成為環境中（超）痕量元素形態分析的有力手段。

采用氣相色譜或高效液相色譜分離金屬元素的不同形態，再利用等離子體質譜進行精確的定量，通過測定化學形態評價元素毒性及其對環境的危害，并有助于了解無機金屬離子和有機形態之間的生物轉化原理。通過元素形態分析，總結出有毒元素的轉化和反應規律，指導大氣、水體、土壤和沉積物的針對性監測，加強了廢水和固體廢棄物科學管理，為重金屬的污染防治工作提供了強有力的技術支持。

質譜廣泛應用于有機污染物分析

本世紀初，氣相色譜在分析實驗室中已經普及，但相關檢測器都有個致命的弱點——定性能力差，只能根據保留時間的吻合度來判斷是否是目標化合物。而質譜檢測器不僅具有保留時間信息，同時還有特征離子的信息，二者信息同標準完全吻合而定性的方法，大大提高準確性。如今，隨著產銷量的增加和各廠家競爭的加劇，GC/MS的價格已降至70萬元以下，越來越多的實驗室裝備了質譜，環境監測系統的省級和重點城市級環境監測站都已配備GC/MS，而且許多實驗室裝備多臺質譜，質譜的普及率很高。質譜在環境分析和監測領域具有其他氣相色譜檢測器無可比擬的優勢，由于大多數定量都選擇SIM（選擇離子）模式，因此可以大大降低假陽性率。如今，越來越多標準分析方法采用質譜作為檢測器也成為質譜大行其道的重要原因之一。

分析技術和儀器設備更新換代

元素分析中原子熒光得到廣泛應用

氫化物發生—原子熒光光譜分析技術能將分析元素與大量的基體分離，其基體干擾主要產生在氫化物發生階段，基體干擾小，并且還能將分析元素充分富集，提高了進樣效率，進一步增加了方法靈敏度，從而推動了儀器的商品化和市場化。在分析領域中，原子熒光的儀器設備和應用技術我國都處于世界領先地位，氫化物發生—原子熒光光譜儀也是我國率先推出的成品儀器。目前在國內已廣泛應用于氫化發生的11個元素：砷、硒、汞、鎘、鉛、銻、鉍、鋅、碲、錫、鍺的測定。檢出限（μg/L）：As、Se、Pb、Bi、Te、Sn、Sb＜0.01；Hg、Cd＜0.001；Zn＜1.0；Ge＜0.05。

由于熒光強度在一定條件下與激發輻射強度呈正比，要獲得低檢出限，需要高強度光源。最初常用的空心陰極燈由于能量低而被淘汰，取而代之的是高壓氙燈和一系列的高強度空心陰極燈，并以大的占空比脈沖供電，以提高發射強度。現在商品化的儀器大多采用高強度空心陰極燈。儀器的自動進樣器能夠實現樣品自動稀釋功能。全封閉反應系統采用高效旋流式反應分離裝置，使反應更完全，產生的廢氣及樣品稀釋等步驟產生的有害氣體由儀器統一排出。氣液隔離裝置消除了氣泡對原子化器的影響。多通道設計能夠實現三元素或雙元素同時測定，大大節省了分析人員的分析時間，提高了工作效率。

ICP-MS逐漸進入實驗室

以ICP作為離子源的ICP-MS已發展了近30年，形成了各類的ICP-MS。按照質量篩選器的不同將ICP-MS分為：四級桿ICP-MS、高分辨ICP-MS（磁質譜）、ICP-TOF-MS（飛行時間質譜）。其中應用最成熟、最廣泛的是四級桿質譜，占據整個ICP-MS市場的90%左右。ICP/MS的四級桿質譜和有機分析四級桿質譜沒有本質的不同，只是掃描元素的質量數范圍需要從6amu到260amu，而不是有機分析掃描的幾十到上千amu。

與傳統的無機分析方法相比，ICP-MS具有元素分析最寬的動態線性范圍、極低的檢出限、分析精密度高、干擾小、分析速度快以及可同時分析多種元素。比ICP-AES、AAS和AFS更具優勢，但是單機價格高，運行成本高，使其在短期內難以撼動原子吸收，原子熒光和發射光譜的統治地位。

對于痕量和超痕量元素分析而言，ICP/MS確實具有無與倫比的優勢，ppt~ppq的檢出限，使得該方法很少報N.D.（未檢出）結果，但高靈敏的儀器弱點在于對環境條件的要求高，普通的分析純和優級純無機試劑，如硝酸、鹽酸、硫酸和蒸餾水，甚至無法滿足檢測空白要求，此外ppb~ppm級別的“高濃度樣品”會污染系統并產生交叉干擾。

目前國內配備ICP/MS的實驗室越來越多，主要依靠進口，國內也大力扶植具有獨立自主知識產權的國產ICP/MS，江蘇天瑞已經推出商品化設備，杭州聚光也在加緊研制，力爭在2014年推出成熟的產品。

三重四級桿串聯質譜發展迅猛

目前，HPLC/MS/MS在環境分析等許多領域得到廣泛的應用。傳統的有機氯農藥適合使用氣相色譜分析，但現代農業使用的除草劑和殺蟲劑，分子量較大，不易揮發，熱穩定性差，使用氣相色譜分析難度較大，而法規規定的農殘水平通常很低，要求分析儀器對目標化合物的定性、定量準確，因此，HPLC/MS/MS成為分析農藥殘留的利器。

內分泌干擾物及其降解產物，如鄰苯二甲酸酯、烷基酚、雙酚A，雌二醇等雖然可以采用GC/MS分析，但需要衍生化，操作復雜，而采用HPLC/MS/MS則使分析變得簡單而靈敏，已成為發達國家的標準分析方法。

人用和獸用抗生素的濫用導致環境中抗生素的殘留已成為嚴重的生態環境問題。目前在市場上份額較高的有大環內酯類12%、磺胺類6%、四環素5%，還有β-酰胺類、喹諾酮類、氨基糖苷類、多肽類等。這些化合物在使用前屬于藥品，使用后有相當一部分以原藥或代謝物的方式隨尿和糞便排入環境，變成有機污染物。抗生素大多為極性化合物，具有親水、揮發性差等特征，環境介質中含量極低，往往需要大量的水樣進行富集和凈化，而采用HPLC/MS/MS的方法檢測水體中各種藥物是國際上最有效的手段之一。美國EPA在2007出臺了《Method 1694》，即使用HPLC/MS/MS測定水體、土壤、沉積物和活性污泥中的藥物和個人護理產品。

近年來環境熱點研究領域中的全氟化合物（PFCs），尤其是全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）也特別適合使用HPLC/MS/MS分析。境。PFOA/PFOSs都具有非常穩定的化學性質，難以被水解、光解、生物降解，因而在環境中持久存在并能被生物富集，在全球各類環境介質以及生物體中已經普遍檢測到了PFCs的存在。由于PFOA/PFOSs極性強非常適合采用HPLC/MS/MS分析，美國EPA 537方法中采用固相萃取/液相色譜串聯質譜法測定飲用水中全氟烷基磺酸、全氟烷基酸、N-甲基全氟辛烷磺酰氟和N-乙基全氟磺酰酸等14種化合物。歐盟發起制定的ISO 25101也采用固相萃取/液相色譜串聯質譜法測定PFOA/PFOSs。在我國PFOA/PFOSs等PFCs的研究也都是用HPLC/MS/MS的技術路線。

為殺滅飲用水中有害微生物，我國的自來水工業主要采用氯化消毒的方式保證水質。氯化消毒對預防和控制水源性疾病發揮了重要作用。但氯化消毒除了會使飲用水中增加微量的氯離子外，還會產生許多對人體有致突變和致癌變作用的消毒副產物，對生活飲用水的質量構成潛在性危害。

由于氯化消毒存在先天不足，所以一些自來水廠使用二氧化氯（ClO2）進行消毒。消毒后不產生有機鹵代物，相對更安全，第三屆國際水消毒會議（1979年）把ClO2確定為氯化消毒替代方式之一，美國環保局甚至將ClO2列為替代液氯消毒劑的首選藥物。盡管ClO2消毒過程中不產生有機鹵代物，但卻生產亞氯酸鹽和氯酸鹽副產物。國內外研究結果表明亞氯酸鹽對肝功能和免疫反應功能有影響，導致含巰基團受到抑制,肝出現壞死病變，腎和心肌營養不良。亞氯酸鹽對于哺乳期的幼仔尤其不利。世界衛生組織（WHO）指出，亞氯酸鹽屬于生成高鐵血紅蛋白的化合物,在飲用水中含量標準為200μg/L，國際癌癥研究所將亞氯酸鹽歸入易見的致癌物類中。我國集中式供水單位使用ClO2消毒飲用水日趨增多， ClO2消毒飲用水造成以亞氯酸鹽為代表的氯氧化物污染，已引起國內外學者的普遍關注，并已列為我國《生活飲用水衛生規范》（GBT 5750-2001）中，標準限定值與WHO推薦值0.2mg/L一致。

此外，HPLC/MS/MS也適合富營養化水體中藻毒素的測定。微囊藻毒素是湖泊等淡水富營養化水體藻毒素的主要種類，《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）集中式生活飲用水地表水源地特定項目中限定微囊藻毒素-LR為1μg/L，只有采用HPLC/MS/MS的方法才能完全滿足這一限值。

由于動植物樣品中含有大量色素、脂肪和類脂等干擾物質，使用傳統的方法往往由于嚴重的背景干擾，很難準確定性定量，而HPLC/MS/MS在抗干擾方面的測定優勢使其被多個國標采用。

防控二噁英推動高分辨質譜成為標準檢測手段

10年前二噁英（Dioxin）還是非常陌生的詞匯，如今可以說是家喻戶曉。二噁英是一種典型的持久性有機污染物，來源于化工冶金工業、垃圾危廢焚燒、造紙以及生產殺蟲劑等產業。日常生活所用的塑料，橡膠和PVC（聚氯乙烯）制品中都含有氯，焚燒過程便會釋放出二噁英。二噁英具有“致癌、致畸、致突變”效應，還有有明顯的免疫生殖毒性，可引起細胞免疫與機體免疫功能降低。二噁英在環境中持久存在并隨食物鏈不斷傳遞和積累放大，最終對人類健康造成威脅。《斯德哥爾摩公約》已將二噁英列為首批POPs，并在全球范圍內采取防控行動。我國在《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18458-2001）中規定，二噁英的排放濃度為1ngTEQ/m3，《危險廢物焚燒污染物控制標準》（GB18484-2001）中已明確規定，二噁英的排放濃度是0.5ngTEQ/m3。

測定二噁英的方法必須要具有：

高靈敏度，檢出限達到pg（1pg= 10-12g）級或ppt（10-12）濃度以下；

高選擇性，樣品中共存干擾成分的含量往往高出二噁英類幾個數量級；

高特異性，在同系物中必須全部分離2,3,7,8-位氯代異構體，單獨定量。

目前能夠滿足這一要求的分析設備只有高分辨氣相/高分辨質譜（HRGC/HRMS）。歐美、日本等國家制定的二噁英標準分析方法均是采用了分辨率10000以上的質譜作為檢測器。2008年我國新頒布4項二噁英標準分析方法也全部采用HRGC/HRMS，為加強定性定量的準確性，同時采用了同位素稀釋法：

《水質 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜高分辨質譜法》（HJ77.1-2008）；

《環境空氣和廢氣 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜高分辨質譜法》（HJ77.2-2008）；

《固體廢物 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜高分辨質譜法》（HJ77.3-2008）；

《土壤和沉積物 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜高分辨質譜法》（HJ77.3-2008）。

迄今為止，國內已建立和正在建設的二噁英實驗室超過20家，主要有國家環境分析測試中心、中國科學院生態環境研究中心、中國檢驗檢疫科學研究院、中國疾病預防控制中心、中科院水生生物研究所、大連化學物理研究所、廣州地球化學研究所、北京大學、清華大學和浙江大學等。環境保護部在國內按照地域劃分兩批建設了華南、華東、西南、東北、華北、華中、西北等分中心。

環境中二噁英分析屬于超痕量、多組分同時分析，必須具備可靠的采樣、提取和凈化技術、異構體的高效分離定性定量、有效的質量管理等技術條件，同時對操作人員的要求極高。我國的二噁英實驗室數目雖然不多，但測試能力國際一流，第15屆國際二噁英實驗室間比對考核結果，我國實驗室測定的3個飛灰樣品中二噁英含量的Z比分數均小于1，結果滿意。

全二維色譜分析復雜有機污染物

氣相色譜的作用是分離，核心是色譜柱，最早的填充柱由于分離效果差，逐漸被毛細管色譜柱所取代。毛細管柱的設計者為了增加分離效果，使用了更小的內徑，如：0.25mm、0.18mm，甚至0.10mm，更長的柱長，如15m、30m、60m甚至100m，但對于復雜化合物，如天然香料、煤油和石化樣品等，仍不能達到滿意的分離效果。此外增加1倍柱長只能提高40%的分離效率，但卻增加了100%的分離時間，柱長的增加和內徑的減小，還引起柱壓成指數的升高，需要對進樣系統進行重新設計。

最新的全二維氣相技術解決了這一難題，是傳統氣相色譜技術的一大突破。將兩根不同極性不同長度的氣相色譜柱通過一個環形調制器串聯起來，第一根色譜柱是標準的30m柱，分離后的樣品在經過環形調制器時被低溫氮氣（液氮制冷）迅速冷卻聚焦，氣體樣品被濃縮成很窄的區帶后，再被脈沖式熱氣迅速氣化，進入第二根色譜柱（1m，與標準柱極性相異）分離，經由能夠高速數據采集的檢測器檢測。

如果在單維色譜分離時，對某一段沒有分離完全的組分進行調制解調，再經另一根色譜柱分離，就可以得到分離情況大大改善的色譜圖，這種方法可以叫做二維色譜。如果標準柱中的餾分連續不間斷地經調制解調，再經第二根色譜柱分離，則稱之為全二維色譜。對于全二維氣相色譜，以兩根色譜柱的保留時間分別為X軸和Y軸，就得到一張三維的色譜圖，實現復雜組分良好分離。二維氣相色譜技術在石油化工、農藥殘留分析、卷煙煙氣、代謝組學、香精香料、食品與風味分析、刑事技術、環境分析等領域中都有良好的應用前景。

柴油是一種烷烴和芳烴的混合物，普通的毛細管氣相色譜可以分離出100多個色譜峰，而使用全二維色譜則可發現5000多個化合物，全二維氣相色譜的強大分離能力可見一斑。

目前環境樣品中有一些有機污染物非常復雜，多氯萘有75種同系物和同分異構體，多氯聯苯（PCBs）理論上有209種同系物，常見的工業產品中Aroclor1242、1248、1254和1260中都含有120種以上的同系物；多溴聯苯醚（PBDEs）和多溴聯苯（PBBs）也有209種同系物，二噁英有210種，毒殺芬有5000多種，短鏈氯化石蠟（SCCPs）也有多成千上萬個同分異構體、同系物、對映體和非對映體。傳統的GC/MS的方法由于無法有效分離各同系物以及環境中干擾物與目標化合物，往往出現假陽性，而全二維色譜可有效解決這一問題，滿足各種環境介質中痕量復雜有機污染物的準確定性與定量。

全二維色譜幾乎可以采用除TCD以外的所有檢測器，由于單位時間內信息量非常大，使用質譜時需要高速采集頻率的質譜檢測器加以配合，飛行時間質譜（TOF）能夠非常好的滿足這一要求。2010年3月Leco（力可）公司在匹茲堡分析化學和光譜應用會議暨展覽會（Pittsburgh Conference on Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy，簡稱Pittcon）上發布全球首款GC×GC/HiResTOFMS系統，并獲得了金獎提名。但隨著四級桿質譜性能指標的不斷提高，qMS也可以配合全二維氣相色譜使用，進一步下探了全套設備的價格區間，鋪平了推廣道路。

ZOEX公司擁有全二維色譜的核心技術——調制解調，并開發了后期數據處理的專業軟件，并成為GC×GC領域的工業標準。同時ZOEX也授權專業的色譜生產商，如：Agilent、Thermo、Leco、Shimadzu等，在商品化的氣質中使用全二維技術，以方便用戶的選擇。

國家環境分析測試中心和中科院生態環境研究中心是環境領域最早使用GC×GC/MS進行復雜痕量有機污染物分析的單位，相信會有越來越多的實驗室配備這種先進的技術和設備。

氣相色譜串聯質譜，特別是串聯四級桿質譜在痕量復雜有機污染物分析中也非常有優勢。由于前級四級桿中的離子經過碰撞池進一步碎裂后，將干擾和目標化合物有效分離，可大大提高儀器的信噪比。盡管GC/MS/MS的絕對靈敏度只比GC/MS高2~5倍，但對于實際的復雜樣品GC/MS分析時目標化合物往往淹沒在連綿不斷的干擾峰中，而采用GC/MS/MS分析由于信噪比的提高，使方法檢出限成倍增加。環氧氯丙烷在《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中的限值為20μg/L，而在《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）、《城市供水水質標準》（CJT206-2005）限值為4μg/L。由于環氧氯丙烷的離子質量數小，干擾嚴重，使用傳統的GC/MS很難準確定性定量，而采用GC/MS/MS可圓滿完成測定工作。目前安捷倫（Agilent）和島津（Shimadzu）等公司都相繼推出了GC/MS/MS。