ICP-MS联用色谱技术在环境领域元素形态分析的应用

徐诗琴,符式锦,周女琬,陈 楠

(海南省生态环境监测中心,海口 571126)

引 言

重金属元素具有难降解、毒性大等特点，在进入自然环境后易发生富集[1]和迁移，对环境或人类健康造成严重危害。传统分析化学通常以测定样品中目标元素的总量来评估该元素的环境影响，但随着环境化学及环境毒理学的不断发展，人们认识到环境中某个元素的毒性、生物效应、迁移释放活性与其存在形态密切相关，单凭总量测定并不足以判别其危害，必须进一步进行形态分析研究。不过，环境样品的复杂性对元素形态的定性定量造成了较大挑战。

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术是近年来最先进的元素检测技术之一，但其检测过程5 000～10 000K的高温将完全破坏元素原始存在结构，通过ICP-MS可准确测定元素总量，但仍无法获得元素形态信息。为解决这一难题，当前主流思路是将ICP-MS与高效分离技术联用，通过“先分离定性、后检测定量”两步走，实现元素形态的分离和测定。其中，ICP-MS与色谱技术联用是研究最多、应用最为广泛的一类联用技术，用于形态分析的色谱技术主要有气相色谱(GC)与高效液相色谱(HPLC)[2]。

对于ICP-MS联用色谱技术国内已有不少研究者作了相关综述：张海涛等[3]对ICP-MS联用气相色谱技术中接口的设计方法、色谱种类、样品制备技术、质谱技术及1987～2009 年间该联用技术的应用情况等进行了总结；黄志勇[4]、郭志英[5]等介绍了HPLC-ICP-MS联用技术工作特点、接口技术、色谱类型、在元素形态分析中的研究进展等内容；陈邵鹏等[6]参考2000～2010年间的国内外文献，从方法学的角度论述了HPLC联用ICP-MS 技术的发展，重点探讨了该技术在环境领域，尤其是在元素形态分析中的应用；张更宇等[7]总结了ICP-MS联用技术在国内外检测领域的最新应用，其中提及了HPLC-ICP-MS及GC-ICP-MS联用技术应用。

前人对于联用技术的接口设计、色谱类型等作了较为详尽的介绍，同时也归纳了联用技术在当时的应用进展。但有关文献多发表于数年前，关于近十年来联用技术的最新进展尤其是国外的研究进展介绍很少。本文重点梳理总结了国内外ICP-MS联用色谱技术在环境领域元素形态分析中最新应用进展，并对联用技术未来发展趋势作出分析探讨。

1 联用技术接口的改进优化

接口是色谱技术与ICP-MS实现联用的关键，甚至在一定程度上制约着联用技术的发展。近年联用接口已趋向商品化生产，研究者们开始致力于接口性能的进一步提升研究。

GC与ICP-MS联用接口最常见的类型是加热接口，安捷伦、铂金埃尔默、赛默飞等仪器公司都先后开发了商品化的GC-ICP-MS加热接口。在实际应用过程中，研究人员通常会根据不同情况对接口作相应的改进和优化。李妍等[8]对赛默飞公司的商品化全加热接口作了改进，省去原设计的毛细管连接柱和硅化金属毛细管，将气相分离毛细管直接插入电加热套管中，简化了接口装置，解决了分离毛细管与硅化金属毛细管的不相匹配和气路不畅的问题；Joaudimir等[9]在汞形态分析时对铂金埃尔默公司GC-ICP-MS接口进行了优化：通入氧气防止碳沉积，通过测定15N+响应实现炬管对齐并优化Ar流量，注入浓度为1 ng/mL的MMHg和Hg2+混合溶液完成失活毛细管柱在GC传输线中位置的优化，将毛细管从传输线管前端移动7 cm左右实现202Hg+信号的最佳响应。

相对而言，HPLC-ICP-MS的接口设计更为简单，通常为聚四氟乙烯管或不锈钢管直接ICP-MS雾化器。但HPLC与ICP-MS的联接也存在不少问题，主要是由HPLC流出物中高盐和高浓度有机物导致的柱后分散效应以及对检测产生的基体干扰和记忆效应。通过冷却雾化室能够有效减少有机物进入等离体子，杨正标等[10]在使用固相萃取-HPLC-ICP-MS法测定水中烷基汞过程中，将雾室温度调低至2℃，同时优化了HPLC和ICP-MS的实验条件，在优化条件下，甲基汞和乙基汞的检出限分别为0.5和0.7 ng/L；使用小孔或微孔色谱柱也是一种新趋势，Grotti等[11]总结了近年使用小孔径HPLC联用ICP-MS在形态分析领域的研究，指出使用小孔HPLC柱将能有效减少接口死体积、防止色谱峰展宽、提高等离子体稳定性。

2 联用技术常用前处理方法

环境样品的复杂性大大增加了形态分离的难度，为达到理想的分离效果，在样品进入色谱前，通常会根据样品特性选择不同的前处理方法。在联用技术中常用的前处理方法有以下几种。

2.1 衍生化

传统衍生化方法中，四烷基硼化钠(NaBEt4、NaBPr4)衍生化操作最为简单，应用最广。Bravo-Sanchez[12]采用GC联用ICP-MS检测海水中痕量汞的形态，前处理对比了NaBPr4和NaBEt4的衍生化性能，结果表明NaBPr4效果较好，该法下无机汞与甲基汞的检出限均达到了ng/L级别。近年新型衍生化试剂也出现在联用技术的前处理应用中，Nsengimana[13]采用新型衍生剂 BrMgEt4B，建立了水样中有机铅、有机锡和有机汞化合物同时原位乙基化方法。

2.2 毛细管吹扫捕集

毛细管吹扫捕集气相色谱在有机汞形态分析应用最多[14～16]，如Jackson[15]通过同位素稀释-毛细管吹扫捕集气相色谱联用ICP-MS测定水体中低浓度甲基汞，仪器检出限达到0.06 pg/L，方法检出限达到0.003 ng/L。在其他应用中，Giráldez[17]采用双搅拌棒吸附萃取-单脱附-毛细管吹扫捕集气相色谱-质谱联用技术分析了生物样品中的亚硒酸盐(Se(IV))、硒蛋氨酸(SeMet)和硒甲基硒代半胱氨酸(SeMeSeCys)，检出限分别为0.008、0.070和0.180 ng。

2.3 固相微萃取(SPME)

Delgado等[18～20]使用固相微萃取技术，分别从沉积物和生物体、海水、饮用水中成功预富集不同形态有机锡，并通过ICP-MS联用色谱技术实现了不同基体中有机锡化合物的痕量乃至超痕量定量；Gionfriddo[21]使用 SPME-GC-ICP-MS法测定马铃薯中两种形态硒时，对五种SPME纤维性能进行了比较，得出二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷纤维的性能最佳；Chen[22]建立了一种基于管内中空纤维固相微萃取的HPLC-ICP-MS在线分析砷形态的新方法，分离出六种不同形态砷：亚砷酸盐(As(Ⅲ)、砷酸盐(As(V))、一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)、砷甜菜碱(AsB)及砷胆碱(AsC)。

2.4 搅拌棒吸附萃取(SBSE)

搅拌棒吸附萃取技术基于固相微萃取技术演化而来，尤其适用于痕量化合物的萃取。研究表明，顶空模式下采用SBSE萃取效率更高，Prieto[23]利用优化后的顶空搅拌棒吸附萃取-热解吸同时分离地表水、沉积物和生物组织中有机汞和有机锡，分离效果较好；搅拌棒涂层材料也是影响萃取效果的重要因素：Duan[24]对比了PDMS、PDMS- PVA、聚乙二醇-PDMS-PVA、 PDMS-β-CD等多种涂层材料对挥发性有机硒的萃取效果，结果表明PDMS-PVA的萃取效率最高；Mao的团队[25-26]先后研究了TiO2-PPHF涂层包覆搅拌棒对鸡肉中砷化合物及C18涂层包覆搅拌棒对丁基锡类化合物的提取效果，均获得较好结果。

2.5 微波、超声波辅助萃取

Kim[27]通过微波萃取韩国及美国水稻中不同形态砷，发现两国水稻中砷的主要存在形态均为As(Ⅲ)和DMA；Nam[28]利用超声波、微波辅助系统结合，用水/甲醇混合物从海产品中提取砷；AlSioufi[29]基于微波萃取，通过石英滤光片进行空气颗粒物中Sb(V)和Sb(Ⅲ)形态提取；Yu[30]采用两种不同的提取溶剂对贝类中4种有机锡进行超声波提取。

2.6 其他前处理方法

几种新型前处理方法也各具优势：液相微萃取[31]相较于SPME与SBSE具有无延滞效应、萃取材料无需解吸再生等优势；磁性固相萃取[32]突破了传统固相萃取扩散和传质速率的限制；酶解法[33]具有高效、温和、专一等特点，尤其适用于生物样品的前处理。

3 联用技术在环境领域的应用进展

ICP-MS联用色谱技术可用于空气和废气、天然水体、废水、土壤和沉积物、生物体等不同环境基体的元素形态分析。在近年国内外公开发表的相关文献中，有关汞、砷、硒、铅、锑、锡、铬这几个元素的形态分析研究最多，少数研究也对环境样品中铊、钼、钒、钨、硅等元素形态予以关注，其余元素见诸报道的则很少。

3.1 空气、废气及颗粒物

早期研究中，Feldmann[34]开发了一套气相色谱柱低温捕获-热解析后进入ICP-MS测定的气体形态分析方法，被广泛应用于环境空气的元素形态分析中[35-36]。 “雾霾”问题使得近年大气颗粒物的形态分析成为热点。为准确评估潜在有毒锑污染和锑对生态系统的毒理学影响，研究者们对大气颗粒物中无机锑开展形态分析：AlSioufi[29]对比了微波提取与超声探针提取法分离PM10中Sb(V)和Sb(Ⅲ)，采用微波提取效率达到95%以上，远高于超声探针法(<70%)；Iijima[37]使用HPLC-ICP-MS法分析了PM10中不同粒径范围内不同形态Sb的分布，形态分析首次表明，Sb在空气颗粒物中主要分布于0.50～0.70 μm细颗粒及3.6～5.2 μm粗颗粒两个粒径范围内，其中毒性较大的Sb(Ⅲ)主要分布于粗颗粒中，而Sb(V)在粗颗粒和细颗粒中均有分布；Fang[38]在用HPLC-ICP-MS法分析PM2.5中Sb形态时，提出了还原萃取和氧化萃取相结合的两步提取新方法，获得了较高的提取效率。废气颗粒物中铬的形态分析是重点，Stanislawska[39]使用HPLC-ICP-MS法进行了工作场所焊接烟尘中铬形态分析研究；cancar[40]建立了阴离子交换HPLC-ICP-MS同时分析焊接烟气中铬酸盐、钼酸盐、钨酸盐和钒酸盐的新方法，采取从100%水到100% 0.7 M NaCl的线性梯度洗脱法实现对不同组分的分离。研究涉及的元素形态、分析方法及检出限等详见表1。

表1 联用技术应用于空气、废气及颗粒物形态分析Tab.1 Hyphenated technology applied to air, waste gas and particulate matter speciation analysis

3.2 水和废水

联用技术在水中汞的形态分析应用最为常见[16,41～43]，使用GC-ICP-MS法测定甲基汞时常结合同位素稀释法进行定量，可达到pg级别检出限[16,41-42]；使用HPLC-ICP-MS法可分离出水中无机汞(Hg(Ⅱ))、甲基汞(MeHg)、乙基汞(EtHg)及苯基汞(PhHg)等多种形态，检出限达到ng/L级别[10,43-44]。除汞外，水体中砷、锑、硒、铅、锡、铬等元素的存在形态[13,45～49]也备受关注，详见表2。有关铊的形态分析研究十分鲜见， Szopa[45]采用梯度洗脱法成功分离出河水中Tl(I)、Tl(Ⅲ)两种无机离子形态，并首次实现对砷、锑、铊等元素无机形态的同时分离测定。总体来看，联用技术同时用于水中多元素形态分离测定是近年主要趋势。

表2 联用技术应用于水和废水形态分析Tab.2 Hyphenated technology applied to water and waste water speciation analysis

3.3 土壤和沉积物

土壤和沉积物中有机锡污染近年来日益受到重视。有机锡类化合物最初作为PVC稳定剂使用，后来用作杀虫剂，进入环境后将长期残留，生物毒性大。有机锡常以单丁基锡(MBT)、二丁基锡(DBT)、三丁基锡(TBT)、单苯基锡(MPT)、二苯基锡(DPT)、三苯基锡(TPT)等形态存在。Bishop[20]建立了使用HPLC-ICP-MS快速测定沉积物和饮用水中有机锡的方法，研究对外标法和同位素稀释法定量展开比较，结果表明同位素稀释法可将灵敏度提高3倍，检出限从1.5～25.6 ng/L提高至0.5～1.2 ng/L；Brosillon[50]通过GC-ICP-MS对使用非均相光催化法处理后的海洋沉积物中有机锡进行定量，评估有机锡污染物的去除效果，该研究属于利用非均相光催化技术处理沉积物中有机锡类化合物污染的首次报道；除常见形态外，Gui[51]使用HPLC-ICP-MS法首次研究了淡水沉积物中3苯基氢氧化锡、环己锡、苯丁锡三种形态有机锡的吸附、解吸和转化，结果表明，这3种有机物在水体-沉积物体系中降解能力较好，污染风险较低。此外，联用技术也常用于分析土壤和沉积物中汞、砷、锑、铬形态[46, 52]，详见表3。

表3 联用技术应用于土壤和沉积物形态分析Tab.3 Hyphenated technology applied to soil and sediment speciation analysis

3.4 生物样品

鱼贝类及鸡鸭肉等动物组织、水稻蔬菜等植物都是人类的食物来源，这些生物样品中不同元素的存在形态与人类健康息息相关。使用联用技术除对生物样品中砷[26-27]、锡[30,42]、汞[42,54]等有毒元素进行形态分析外(见表4)，近年有关营养元素如硒等的形态分析研究也渐渐受到重视。Thosaikham[55]利用混合离子对反相HPLC-ICP-MS分离定量富硒小白菜中硒酸盐(Se(Ⅵ))、硒酸盐(Se(IV))、硒半胱氨酸(SeC)、硒甲基半胱氨酸(SeMC)和硒代蛋氨酸(SeM)，检出限低于5ng/mL；Chen[56]建立了HPLC-ICP-MS法测定富硒茶中5种硒形态(SeCys2、SeMC、Se(Ⅳ)、Se(Ⅵ)、SeMet)的方法；Moreda-Pieiro[33]使用HPLC-ICP-MS法测定富硒土壤种植植物果实中的硒形态，前处理采用加压酶法(PAEH)和微波酶法(MAEH)对样品中硒实现了准确、高效提取，结果表明巴西坚果、黄金莓、棕榈心中硒均以氨基酸的形式存在，三类果实均富含硒代蛋氨酸(SeMet)，但硒代胱氨酸(SeCyS2)仅在巴西坚果中有检出。

表4 联用技术应用于生物体形态分析Tab.4 Hyphenated technology applied to organism speciation analysis

续表4

元素形态样品基体分析方法检出限文献MeHg海洋生物组织GC-ICP-MS检测下限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)富硒茶叶HPLC-ICP-MS0.13～1.09μg/L[56]SeMet, SeCyS2, MeSeCyS, Se(Ⅵ), Se(Ⅳ)巴西坚果、黄金莓、棕榈心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 联用技术发展趋势

ICP-MS联用色谱技术发展至今已有数十年历史。其中，GC-ICP-MS主要适用于环境中有机汞、有机铅、有机锡等挥发性有毒金属化合物的形态分析，由于GC对难挥发性化合物的分离效果不够理想，故GC-ICP-MS的应用范围相对较窄。HPLC-ICP-MS局限性则小得多，适用于汞、锡、铅、砷、硒、锑、铬等多种元素有机、无机形态的分析。

总体说来，联用技术用于形态分析方面的研究还处在初步阶段，目前的研究成果距离成熟的商业化应用还较远。ICP-MS联用色谱技术应用于环境领域元素形态分析的发展趋势可能有以下几点。

4.1 仪器一体化

ICP-MS联用色谱本质上是色谱-光谱-质谱三大类技术的结合。这三类分析仪器在检测特性和适用范围上各有优劣，联用则能克服单独使用时的缺陷，实现优势互补。目前两种技术联用的一体机已经十分普遍，如ICP-MS、GC-MS、HPLC-MS等仪器。但ICP-MS与色谱联用目前还仅仅是通过外接接口联接两台独立仪器，未真正实现一体化。可以预见，未来形态分析仪器的设计趋势将从二级联用走向多级联用，制造出功能更为强大的商业一体机。

4.2 方法标准化

元素形态分析研究在我国起步较晚，目前国家仅针对汞、砷少数几个元素制定了形态分析有关方法标准，其余大多数元素在这个方面还处于空白。ICP-MS联用色谱技术是目前形态分析领域发展最快、受关注最多的方法之一，取代传统化学法成为元素形态分析的主流方法将是必然趋势。因此，为加快元素形态分析领域发展步伐，推行ICP-MS联用色谱技术成为行业规范技术并推动其方法标准化进程十分必要。

4.3 应用拓展

ICP-MS可以测定环境中几乎所有金属和大多数非金属元素，色谱技术的分离功能也十分强大。但二者联用应用于形态分析的研究当前反复聚焦于汞、砷、铅、锡等几个“热门”元素身上，内容也局限于常见形态的鉴别和简单定量。随着联用技术的进一步发展成熟，其适用元素范围将不断拓展，研究内容也会往追溯不同形态物质形成机理、分析其迁移规律等方向深入。