HPLC/ ICP2MS 环境样品的痕量元素形态分析

1.HPLC/ ICP2MS 联用技术

HPLC 与ICP2MS 联用可广泛用于环境、材料和生命科学样品中的微量、痕量元素形态的分析。根据HPLC 的保留时间的差别反映元素的不同形态, ICP2MS 作为HPLC 的检测器,跟踪待测元素的各种形态的变化,使色谱图变得简单,可进行元素形态的定性和定量分析。此联用技术的特点: (1) 检测限低,测定范围广; (2) 较少的分离步骤和较快的分离程序,使元素形态较少改变而被直接检测; (3) 封闭系统不受污染干扰,提高了分析效率[16 ] 。HPLC 与ICP2MS 连接方式见图1 。

HPLC 的流动相通常含有无机盐和一定比例的有机溶剂(如甲醇和乙腈等) ,盐和有机溶剂会造成ICP2MS 的进样管、样品锥和截取锥的堵塞,此外有机溶剂会在雾化室内壁吸附引起“记忆”效应,降低分析的灵敏度和稳定性,从而造成联用技术在进行元素形态分析过程中产生误差,尤其是当采用梯度洗脱方式时,此现象将更加严重[7 ] 。如果将超声雾化器与加热去溶装置联用,则超声雾化能大大提高雾化效率而改善ICP2MS 的检测限,与气动雾化器和同心雾化器相比,USN 的灵敏度提高了7 倍[18 ] ,但USN 易受溶液性质的影响,而且有一定的“记忆”效应;氢化物发生接口装置可将分析元素预浓集,并与基体分离,提高样品的传输效率,降低检测限。Tian , X. D. 等研制的流动床氢化发生装置,巧妙地利用固液反应机理进行氢化发生,具有干扰少、进样量小( 0. 2 μL ) 等优点, 可直接作为HPLC 与ICP2MS 的接口,但该方法对元素的有些形态不能产生信号,因而不适用于所有的元素形态分析[19 ] 。DIN 直接将全部样品注入ICP 雾化器,再通过载气将样品传输到等离子体中,死体积小,柱外效应小,传输效率可达到100 %,极大地提高了测定的灵敏度。而且DIN 不使用雾化室,流动相中的有机溶剂不会在雾化室的内壁粘附形成“记忆”。DIN 较常规雾化器的检测限降低了两个数量级。因而,目前用HPLC/ ICP2MS 作形态分析时, 大多采用直接注射雾化器[7 ]

2.HPLC/ ICP2MS 在环境样品分析中的应用

金属和类金属是大气、水体和陆地上一类重要的污染物,多数是以无机物形式排放到环境。环境中无机形式的金属和类金属在微生物作用下通过烷基化可转化为有机物。如锡、锑、汞、铅、镍、锗等金属在土壤、沉积物中微生物的作用下仅发生甲基化;类金属如砷、硒除甲基化外,还可能发生其它形式的烷基化。通常来讲金属烷基化后毒性增加, 而类金属烷基化后毒性降低[5 ] 。随着环境科学研究的深入,对污染物的生态影响分析包括: (1) 通过测定化学形态评价元素毒性及其对环境的危害; (2) 了解无机金属离子和有机形态之间的生物转化原理[ 5 ] 。通过元素形态分析,总结有毒元素的转化和反应规律,从而使固体废弃物和废水的管理和治理工作更加科学,使环保工作者对大气、水体、土壤和沉积物的监测更有针对性。

2. 1 　环境样品的前处理

在进行环境样品的元素形态分析中,样品基体复杂而且各种形态的含量低,因此要对样品进行分离和预富集处理,而且处理过程中不能引起元素的各种形态发生改变。经典的高温灰化法、密闭微波消解法和简单的湿法消解法都不适宜元素形态分析,而微波辅助萃取、固相微萃取、加速溶剂萃取和聚焦微波萃取等先进的分离技术在样品处理中已得到了广泛应用[7 ] 。吴熙鸿等人采用STARII 聚焦微波样品处理系统对龙胆草进行水浸取处理,并通过对作用时间、微波功率、传输介质等进行优化以保证萃取过程中所研究组份能有效地溶出而形态不发生变化,用C18 柱对浸取液进行分离,再用流动注射2ICP2MS 对其中的9 种元素的不同形态进行定量分析。另外,超声波可使固体样品分散,增大样品与萃取溶剂的接触面积,提高萃取效率,因此超声波辅助萃取也可用于元素形态分析样品的前处理中。酶具有高效、专一及条件温和等优点,利用纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶等对植物样品进行消化水解提取也可用于元素形态分析的样品前处理。实际操作时应根据基体性质和待分析元素确定合适的前处理方法[7 ] 。对于海水及一些废水样品,由于其可溶盐含量比较高,使用常规雾化法直接测定将造成盐分在Torch 、样品锥、截取锥或离子透镜上沉积而影响分析的准确度和精密度,并使仪器的寿命缩短,因此,分析海水等样品中的痕量元素时通常要先进行预富集和基体的分离。杨朝勇等将含铅较高的海水用微柱固相萃取法富集、提取(用0. 45μm 滤膜过滤,滤液p H3～9 ,过双硫腙棉花柱富集,使Pb2 + 与双硫腙形成螯合物,再用1. 5mol/ L 的硝酸洗脱) [20 ] ,使铅回收率达98. 0 %～99. 6 %;此外,利用82羟基喹啉容易与过渡金属元素形成稳定络合物的特性,使金属在C18 柱上富集(p H8. 9) ,再用含14 %甲醇的硝酸溶液洗脱,元素的回收率为91. 3 %～100. 4 %。

2. 2 　应用举例

环境样品中砷、汞、铅、硒等几种与环境和人体健康密切相关的元素的形态分析中, HPLC/

ICP2MS 的应用进行举例:

图2 是Steven 等人, 取砷胆碱、As3 + 和As5 + 等六种砷化合物各10 μg/ L (其中As3 + 为20μg/ L) ,总体积为100μL ,同时进样后绘制出的曲线。通过调整各种参数可使系统的灵敏度、分辨率和检测限达到最佳状态。Mihaly 等人还通过采用酶消化法提取,交替使用3 种含不同氟化物的甲醇溶液作为流动相并用反相柱梯度洗脱,分离检测了婴儿奶粉中的23 种含硒化合物[37 ] 。

除上述两种常见的分离方式外, Tadashi 等人还利用离子排阻色谱进行砷元素的分离,用于对深海海水和生物基体进行分析,分离出As3 + 、As5 + 、甲基胂酸、二甲基胂酸、砷甜菜碱、三甲基氧化砷、三甲基胂酸和砷胆碱[38240 ] 。另外,HPLC/ ICP2MS 联用技术还可以与同位素稀释法相结合用于同位素比值的精确分析。同位素稀释法(isotope dilution , ID) 是同位素比值分析最重要的研究与应用领域,是化学测量的基准方法之一,是公认的对于微量元素最准确、最有效的定量分析方法。目前,基于ICP2MS 测定的同位素稀释法已经在环境地质等领域得到广泛的应用。利用高效液相色谱2同位素稀释2电感耦合等离子体质谱( HPLC2ID2ICP2MS) 联用系统,通过加入特定形态或非特定形态的富集同位素试剂,可对元素形态进行在线的定量分析。这种方法已经用于铬( Ⅲ) / 铬( Ⅵ) 和二甲基铅/ 三甲基铅的形态分析中[12 ] 。S. H. Lee 等人利用同位素稀释技术分析了鱼中的Hg 的形态,准确测定出Hg 的四种同位素[41 ] 。由于同位素稀释法固有的特点,形态物质在分离过程中即便发生丢失,也不会影响测量结果。但是大多数富集同位素标记的各种形态标准物质难以获得,而且要保证加入的富集同位素标准物质在色谱分离过程中不会与不同形态的同位素发生化学作用和分配平衡,以上是同位素稀释法需要解决的两大难题。