HPLC／ICP-MS在环境样品的痕量元素形态分析中的应用

第２７卷第１期　２００６年２月　质谱学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｖ０１．２７　Ｎｏ．１　

Ｆｅｂ．２００６　

ＨＰＬＣ／ＩＣＰ－ＭＳ在环境样品的痕量元素形态分析中的应用　郭志英，于　水　（军事医学科学院仪器测试分析中心。北京　１００８５０）　

摘要：综述了高效液相色谱一电感耦合等离子体质谱联用技术（ＨＰＬＣ／ＩＣＰ－ＭＳ）的最新进展和工作特点，介绍　了该技术在环境样品分析中的应用概况、接口类型和应用同位素稀释技术进行元素形态分析等。　关键词：环境样品ｆ元素形态分析；联用技术；高效液相色谱一电感耦合等离子体质谱（ＨＰＩ　Ｃ／１ＣＰ－ＭＳ）　中圈分类号：０６５７．６３；０６５６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—２９９７（２００６）０１　５６—０９　

ＨＰＬＣ／ＩＣＰ－ＭＳ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｓａｍｐｌｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｓｐｅｃｉａｔｉｏｎ　

ＧＵＯ　Ｚｈｉ—ｙｉｎｇ，ＹＵ　Ｓｈｕｉ　（Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８５０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ；Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎ—　ｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｐｌａｓｍａ　ｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＨＰＬＣ／ＩＣＰ—ＭＳ）ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｐｅｃｉａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｓａｍｐｌｅ，ｃｏｎｎｅｃｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｓｏｔｏｐｅ　ｄｉｌｕｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｗｅｒｅ　ｇｅｎｅｒａｌｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｓａｍｐｌｅ；ｓｐｅｃｉａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｈｙｐｈｅｎａｔｅｄ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ—ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｐｌａｓｍａ　ｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＨＰＬＣ／　ＩＣＰ—ＭＳ）　

根据国际纯粹化学和应用化学联合会（ｔＵ—　ＰＡＣ）的定义＿１］，元素形态是指某一元素以特定　的分子、电子和原子核结构存在的形式，包括同　位素、不同价态、无机化合物、有机络合物、有机　金属化合物、大分子络合物等。元素的生理活性　和生物毒性与元素的形态密切相关，同一元素的　不同形态对环境和人体健康具有不同的影响，甚　至会有很大的差别。例如：Ａｓ件比Ａｓ针更容易　与蛋白质中的巯基结合，所以其毒性最大，甲胂　酸和二甲基胂酸只具有中等毒性，而食物中的砷　甜菜碱和砷胆碱几乎无毒性＿２　；适量的Ｃｒ。　是　人体必需的微量元素，而Ｃｒ　是有毒的，　Ｃｒ。０　一是强致癌物质　；甲基汞、四乙基铅、烷　基砷等以有机态存在的重金属远比其无机态毒　性强。因而定性、定量测定环境样品中特定元素　的形态是确定污染真实程度、评价元素毒性、研　究其迁移和转化规律的重要依据。　环境样品基体复杂、元素含量相差悬殊，其　形态分析较测定元素总量更困难。它要求分析　方法选择性强、分离效能好、灵敏度高。已经用　

收稿日期：２００５—０６—０９＃修回日期：２００５—１１—２２　ｔ　作者筒介：郭志英（１９７７￣），女（汉族），山西省文水县人。硕士研究生，放射医学专业　Ｅ—ｍａｉｌ；ｇｕｏｚｙ８１８＠ｙａｈｏｏ．ｔｏｍ．ｃｎ　。通讯作者：于水（１９６５￣），男（汉族），内蒙占巴盟人，研究员，放射医学专业。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕ＠ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ．ｃｏｍ．ｃｎ　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　郭志英等：ＨＰＬＣ／ＩＣＰ—ＭＳ在环境样品的痕量元素形态分析中的应用　５７　于元素形态分析的方法有电分析法、光谱法、质　谱法、中子活化分析、色谱法、仪器联用分析等。　目前，环境样品中元素形态分析最为认可的方法　是将色谱仪器与原子光谱仪器联用，其中高效液　相色谱一电感耦合等离子体质谱（ＨＰＬＣ／ＩＣＰ—　ＭＳ）联用技术在样品的前处理、分析灵敏度、准　确性、测量速度等方面均具有优势ｒ　。　１联用设备概况　１．１用于元素形态分析的ＨＰＬＣ特点　ＨＰＬＣ用于元素形态分析较晚，与气相色谱　（ＧＣ）相比，液相色谱最大的优点是对挥发性低　或热稳定性差的化合物可直接分离，无需衍生化　处理；固定相和流动相种类多，可供选择的参数　多，简单快速，故更适合于金属络合物、有机金　属、类金属的分离及形态分析。液相色谱一般在　室温下操作，可有效避免元素发生氧化而改变元　素价态，使其在元素形态分析方面比ＧＣ更具有　灵活性和广泛性，所以更适合于环境样品的分析　研究　］。用于元素形态分析的ＨＰＬＣ通常有：　分配色谱、反相离子对色谱、离子交换色谱、体积　排阻色谱、胶束色谱和手性液相色谱。反相离子　对色谱操作简便、柱效高，已广泛用于极性元素　形态分离。反相离子对色谱是把离子对试剂加　入极性流动相中，被分析的样品离子在流动相中　与离子对试剂的反离子生成不带电的中性离子　对，从而增加了样品离子在非极性固定相中的溶　解度，使分配系数增加，改善分离效果　］。在元　素形态分析中，通常是将水、甲醇、乙腈等含低浓　度反离子的缓冲液加入到普通的反相色谱中作　为流动相，根据元素形态的酸碱性不同，调整流　动相的ｐＨ值、反离子的种类及浓度，从而控制　各种形态的保留时间，实现分离。常用的反离子　试剂有：烷基磺酸盐和烷基铵盐。反相离子对色　谱可用于２ｏ种已发现的无机和有机砷的形态分　析［　。　１．２　ＩＣＰ－ＭＳ的发展及其分析特性　１９８０年，美国的Ｈｏｕｋ和Ｆａｌｌｅｌ等及英国的　Ｇｒａｙ等联合发表了第一篇关于电感耦合等离子　体质谱（ＩＣＰ—ＭＳ）的文献，提出了原子质谱可能　是唯一能在周期表中覆盖元素宽、具有元素特异　性和高灵敏度的光谱技术。该技术自上世纪９Ｏ　年代以来得到了迅猛的发展＿８］。它是以独特的　接口技术将ＩＣＰ的高温电离特性与四极杆质谱　的灵敏快速扫描的优点相结合，而形成的一种新　型的元素和同位素分析技术。１９８３年世界上研　制了两种作为商品仪器出售的电感耦合等离子　体质谱分析仪，一种是英国ＶＧ同位素有限公司　的Ｐｌａｓｍａ　Ｑｕａｄ；另一种是加拿大ＳＣＩＥＸ公司　的Ｅｌａｎ（后者现由Ｐｅｒｋｉｎ　Ｅｌｍｅｒ公司经销）１９３。　此后，各国公司也相继推出了自己的新产品。在　ＩＣＰ—ＭＳ中，ＩＣＰ是作为质谱的高温离子源　（７　０００　Ｋ），样品在通道中进行蒸发、解离、原子　化、电离等过程。离子通过锥接口和离子传输系　统进入高真空的质谱部分。质谱部分为四极杆　快速扫描质谱仪，它通过高速顺序扫描来分离测　定所有离子，可测量的元素质量范围从２　ｕ到　２６０　ｕ。质谱可以对通过高速双通道分离后的离　子进行检测，样品浓度的线性动态范围达９个数　量级（从１０　ｇ／ｇ到ｌＯ　ｇ／ｇ直接测定）。与　传统的无机分析技术相比，ＩＣＰ—ＭＳ技术提供了　最低的检出限、最宽的动态线性范围、干扰最少、　分析精密度高、分析速度快、可进行多元素同时　测定以及可提供精确的同位素信息等分析特　性［】　。ＩＣＰ—ＭＳ仪器更新换代较快，从外型到内　部构造、检测系统都更趋于完善、合理，在提高灵　敏度和扣除背景干扰等方面都有了很大的发展。　当然，目前“ＩＣＰ—ＭＳ”的概念，已经不仅仅是　最早起步的普通四极杆质谱仪（ＩＣＰ—ＱＭｓ）了。　它包括后来相继推出的其它类型的等离子体质　谱技术：如多接收器的高分辨磁扇形等离子体质　谱（ＩＣＰ－ＭＣＭＳ）、等离子体飞行时间质谱仪　（ＩＣＰ—ＴＯＦＭＳ）以及等离子体离子阱质谱仪　等［】　。其中，四极杆ＩＣＰ—ＭＳ在元素分析方面　已经成为常规的分析技术，但是常规的四极杆质　谱仪在应用中所存在的特殊的干扰问题，使　ＩＣＰ—ＭＳ在实际样品分析中的应用受到一定的　限制。　ＩＣＰ—ＭＳ的干扰分为质谱干扰和非质谱干　扰两大类。其中，非质谱干扰可以通过控制样品　的盐度以及仔细的样品前处理过程来消除。质　谱干扰又可以分为：同质异位素重叠干扰、多原　子或加合物离子重叠干扰和双电荷离子干扰等。　在实际工作中，多原子或加合物离子重叠干扰最　为严重。在实验中，等离子体、样品和溶剂中引　入的Ａｒ、Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｃ１和样品本底元素等在等　离子体中发生离子分子反应而结合形成多原子　离子，如　Ａｒ。卜４０　Ａｒ　０　、髂Ａｒ　Ｈ　、　Ｃ　Ｃ’卜、　¨Ｎ２　４０Ａｒ。　和　。Ａｒ　Ｃ１　分别可以对带单电荷　的　Ｃａ、５６Ｆｅ、　Ｋ、　Ｍｇ、　Ｓｉ、８。Ｓｅ和　Ａｓ等元素　

维普资讯 http://www.cqvip.com ５８　质谱学报　第２７卷　形成严重干扰，使得在常规条件下上述元素的检　测限只能在ｎｇ／Ｌ级。由于元素同位素的存在，　在一般的常规检测中，可以选择其他不受干扰的　同位索或者采用干扰校正方程的方法进行校正。　但是对于同位索比值测定、元素形态分析和要求　精密度很高的半导体工业来说，上述干扰问题是　要迫切解决的问题。为了解决ＩＣＰ—ＭＳ的多原　子离子干扰的问题，碰撞／反应池技术应运而生，　该技术是在等离子体和四极质谱分析器之间插　入一个撞击池（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｃｅｌ１）或多极动态反应池　（ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｃｅｌｌ　ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ）等装置。碰撞／反应　池技术可以选择性地减少基体的干扰，使背景等　效浓度（ＢＥＣ）和检测限取得显著改进，因此该技　术的应用成为解决ＩＣＰ—ＭＳ干扰的一个重要手　段　。　碰撞池／反应池技术是基于多原子离子与填　充气体（如氦气、氢气或氙气）进行碰撞或反应，　继而消除多原子离子，以选择性地减少基体干　扰。其消除干扰的模式主要有电荷转移、质子转　移、原子转移和化合反应等几种。以氢气模式为　例，在碰撞／反应系统中Ｈｚ可以和Ａｒ　、Ａｒｚ　、　ＡｒＯ　和ＡｒＣ１　分别发生电荷、质子和原子转移　而分别形成Ａｒ和Ａｒ：Ｈ　以消除对　Ｃａ　８０Ｓｅ、　Ｆｅ和　Ａｓ的干扰Ｉｌ　。　动态反应池是在离子透镜和检测四极杆之　间加入一套与检测四极杆相同的四极杆，在该四　极杆周围包有反应腔。美国Ｐｅｒｋｉｎ　Ｅｌｍｅｒ公司　最新推出的Ｅｌａｎ　ＤＲＣ　ＩＩ　ＩＣＰ—ＭＳ就采用了动态　反应池技术，它以ＮＨ　、ＣＨ　等气体与多原子离　子进行化学反应，可将多原子离子干扰的强度降　低７个数量级Ⅲ１引。与碰撞／反应池技术相比，动　态反应池技术消除干扰更加彻底，而且在消除干　扰的同时不再产生新的干扰，进一步提高了仪器　的性能和可靠性［】¨　近几年关于ＩＣＰ—ＭＳ抗干扰技术的应用和　研究，国内外都有报道。Ｙａｓｕｍｉｔｓｕ　Ｏｇｒａ等人　利用ＨＰＬＣ／ＩＣＰ—ＭＳ分离测定生物样品（细胞　外液、血清和尿液）中的ｓｅ时应用了氢气模式，　消除了基体中的Ｃｌ的干扰而可以分离出ｍ／ｚ　７７、７８、８Ｏ和８２四种质荷比的Ｓｅ，并使。。Ｓｅ的检　测浓度达到ｎｇ・ｍＬ＿１级，对于含有Ｂｒ的基体　用　Ｈ（Ｄ）来代替　Ｈ以防止生成的　。Ｒｒ　Ｈ　和　¨Ｂｒ　Ｈ’ｆ对质荷比８Ｏ和８２的Ｓｅ的影响［１４３。荆　淼等运用八级杆碰撞池ＩＣＰ—ＭＳ系统测定海水　中的痕量元素，能够有效地减少海水中Ｎａ、Ｍｇ、　Ｃａ和Ｃｌ等基体元素引起的干扰　。　１．３　ＨＰＬＣ／ＩＣＰ－ＭＳ联用技术　ＨＰＩ　Ｃ与ＩＣＰ—ＭＳ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ＨＰＩ　Ｃ的保留时间的差别反映元素的　不同形态，ＩＣＰ—ＭＳ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［】　。ＨＰＬＣ与ＩＣＰ—ＭＳ连接方　式见图１ｔ¨］。　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ＩＣＰ—ＭＳ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