HPLC／ICP2MS環境樣品的痕量元素形態分析（一）

1.HPLC/ ICP2MS 聯用技術

HPLC 與ICP2MS 聯用可廣泛用于環境、材料和生命科學樣品中的微量、痕量元素形態的分析。根據HPLC 的保留時間的差別反映元素的不同形態, ICP2MS 作為HPLC 的檢測器,跟蹤待測元素的各種形態的變化,使色譜圖變得簡單,可進行元素形態的定性和定量分析。此聯用技術的特點: (1) 檢測限低,測定范圍廣; (2) 較少的分離步驟和較快的分離程序,使元素形態較少改變而被直接檢測; (3) 封閉系統不受污染干擾,提高了分析效率[16 ] 。HPLC 與ICP2MS 連接方式見圖1 。

HPLC 的流動相通常含有無機鹽和一定比例的有機溶劑(如甲醇和乙腈等) ,鹽和有機溶劑會造成ICP2MS 的進樣管、樣品錐和截取錐的堵塞,此外有機溶劑會在霧化室內壁吸附引起“記憶”效應,降低分析的靈敏度和穩定性,從而造成聯用技術在進行元素形態分析過程中產生誤差,尤其是當采用梯度洗脫方式時,此現象將更加嚴重[7 ] 。如果將超聲霧化器與加熱去溶裝置聯用,則超聲霧化能大大提高霧化效率而改善ICP2MS 的檢測限,與氣動霧化器和同心霧化器相比,USN 的靈敏度提高了7 倍[18 ] ,但USN 易受溶液性質的影響,而且有一定的“記憶”效應;氫化物發生接口裝置可將分析元素預濃集,并與基體分離,提高樣品的傳輸效率,降低檢測限。Tian , X. D. 等研制的流動床氫化發生裝置,巧妙地利用固液反應機理進行氫化發生,具有干擾少、進樣量小( 0. 2 μL ) 等優點, 可直接作為HPLC 與ICP2MS 的接口,但該方法對元素的有些形態不能產生信號,因而不適用于所有的元素形態分析[19 ] 。DIN 直接將全部樣品注入ICP 霧化器,再通過載氣將樣品傳輸到等離子體中,死體積小,柱外效應小,傳輸效率可達到100 %,極大地提高了測定的靈敏度。而且DIN 不使用霧化室,流動相中的有機溶劑不會在霧化室的內壁粘附形成“記憶”。DIN 較常規霧化器的檢測限降低了兩個數量級。因而,目前用HPLC/ ICP2MS 作形態分析時, 大多采用直接注射霧化器[7 ]

2.HPLC/ ICP2MS 在環境樣品分析中的應用

金屬和類金屬是大氣、水體和陸地上一類重要的污染物,多數是以無機物形式排放到環境。環境中無機形式的金屬和類金屬在微生物作用下通過烷基化可轉化為有機物。如錫、銻、汞、鉛、鎳、鍺等金屬在土壤、沉積物中微生物的作用下僅發生甲基化;類金屬如砷、硒除甲基化外,還可能發生其它形式的烷基化。通常來講金屬烷基化后毒性增加, 而類金屬烷基化后毒性降低[5 ] 。隨著環境科學研究的深入,對污染物的生態影響分析包括: (1) 通過測定化學形態評價元素毒性及其對環境的危害; (2) 了解無機金屬離子和有機形態之間的生物轉化原理[ 5 ] 。通過元素形態分析,總結有毒元素的轉化和反應規律,從而使固體廢棄物和廢水的管理和治理工作更加科學,使環保工作者對大氣、水體、土壤和沉積物的監測更有針對性。

2. 1 　環境樣品的前處理

在進行環境樣品的元素形態分析中,樣品基體復雜而且各種形態的含量低,因此要對樣品進行分離和預富集處理,而且處理過程中不能引起元素的各種形態發生改變。經典的高溫灰化法、密閉微波消解法和簡單的濕法消解法都不適宜元素形態分析,而微波輔助萃取、固相微萃取、加速溶劑萃取和聚焦微波萃取等先進的分離技術在樣品處理中已得到了廣泛應用[7 ] 。吳熙鴻等人采用STARII 聚焦微波樣品處理系統對龍膽草進行水浸取處理,并通過對作用時間、微波功率、傳輸介質等進行優化以保證萃取過程中所研究組份能有效地溶出而形態不發生變化,用C18 柱對浸取液進行分離,再用流動注射2ICP2MS 對其中的9 種元素的不同形態進行定量分析。另外,超聲波可使固體樣品分散,增大樣品與萃取溶劑的接觸面積,提高萃取效率,因此超聲波輔助萃取也可用于元素形態分析樣品的前處理中。酶具有高效、專一及條件溫和等優點,利用纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶等對植物樣品進行消化水解提取也可用于元素形態分析的樣品前處理。實際操作時應根據基體性質和待分析元素確定合適的前處理方法[7 ] 。對于海水及一些廢水樣品,由于其可溶鹽含量比較高,使用常規霧化法直接測定將造成鹽分在Torch 、樣品錐、截取錐或離子透鏡上沉積而影響分析的準確度和精密度,并使儀器的壽命縮短,因此,分析海水等樣品中的痕量元素時通常要先進行預富集和基體的分離。楊朝勇等將含鉛較高的海水用微柱固相萃取法富集、提取(用0. 45μm 濾膜過濾,濾液p H3～9 ,過雙硫腙棉花柱富集,使Pb2 + 與雙硫腙形成螯合物,再用1. 5mol/ L 的硝酸洗脫) [20 ] ,使鉛回收率達98. 0 %～99. 6 %;此外,利用82羥基喹啉容易與過渡金屬元素形成穩定絡合物的特性,使金屬在C18 柱上富集(p H8. 9) ,再用含14 %甲醇的硝酸溶液洗脫,元素的回收率為91. 3 %～100. 4 %。

2. 2 　應用舉例

環境樣品中砷、汞、鉛、硒等幾種與環境和人體健康密切相關的元素的形態分析中, HPLC/

ICP2MS 的應用進行舉例:

圖2 是Steven 等人, 取砷膽堿、As3 + 和As5 + 等六種砷化合物各10 μg/ L (其中As3 + 為20μg/ L) ,總體積為100μL ,同時進樣后繪制出的曲線。通過調整各種參數可使系統的靈敏度、分辨率和檢測限達到最佳狀態。Mihaly 等人還通過采用酶消化法提取,交替使用3 種含不同氟化物的甲醇溶液作為流動相并用反相柱梯度洗脫,分離檢測了嬰兒奶粉中的23 種含硒化合物[37 ] 。

除上述兩種常見的分離方式外, Tadashi 等人還利用離子排阻色譜進行砷元素的分離,用于對深海海水和生物基體進行分析,分離出As3 + 、As5 + 、甲基胂酸、二甲基胂酸、砷甜菜堿、三甲基氧化砷、三甲基胂酸和砷膽堿[38240 ] 。另外,HPLC/ ICP2MS 聯用技術還可以與同位素稀釋法相結合用于同位素比值的精確分析。同位素稀釋法(isotope dilution , ID) 是同位素比值分析最重要的研究與應用領域,是化學測量的基準方法之一,是公認的對于微量元素最準確、最有效的定量分析方法。目前,基于ICP2MS 測定的同位素稀釋法已經在環境地質等領域得到廣泛的應用。利用高效液相色譜2同位素稀釋2電感耦合等離子體質譜( HPLC2ID2ICP2MS) 聯用系統,通過加入特定形態或非特定形態的富集同位素試劑,可對元素形態進行在線的定量分析。這種方法已經用于鉻( Ⅲ) / 鉻( Ⅵ) 和二甲基鉛/ 三甲基鉛的形態分析中[12 ] 。S. H. Lee 等人利用同位素稀釋技術分析了魚中的Hg 的形態,準確測定出Hg 的四種同位素[41 ] 。由于同位素稀釋法固有的特點,形態物質在分離過程中即便發生丟失,也不會影響測量結果。但是大多數富集同位素標記的各種形態標準物質難以獲得,而且要保證加入的富集同位素標準物質在色譜分離過程中不會與不同形態的同位素發生化學作用和分配平衡,以上是同位素稀釋法需要解決的兩大難題。