聯(lián)用技術(shù)在砷形態(tài)分析中的研究進(jìn)展

李林林，朱英存

（蘇州科技大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院，江蘇蘇州215011）

分析分離技術(shù)是以有效分離和分辨復(fù)雜樣品中的各種組成成分，從而獲得定性和定量的信息為目的的一種有效及時(shí)的方式。傳統(tǒng)分析化學(xué)與環(huán)境監(jiān)測(cè)通常只測(cè)定樣品中待測(cè)定元素的總量或總濃度，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，只測(cè)定元素的總量已經(jīng)無(wú)法充分反映元素的生物化學(xué)作用機(jī)理和環(huán)境健康效應(yīng)，因此表征和測(cè)定元素的不同存在形態(tài)具有重要的意義。高效的分離技術(shù)本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)樣品組成的定性和定量分析，單一的檢測(cè)技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)元素的定量檢測(cè)而無(wú)法區(qū)別分析，因此檢測(cè)技術(shù)與分離技術(shù)的并行發(fā)展就成為了分析檢測(cè)領(lǐng)域的新課題。聯(lián)用技術(shù)即是將高效的分離技術(shù)與多種檢測(cè)器結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)樣品中各種成分的分離和檢測(cè)。

砷元素在自然界中以許多不同種類(lèi)的化合物形式存在[1]?？諝?、土壤、沉積物和水中發(fā)現(xiàn)的主要砷化物有亞砷酸鹽、砷酸鹽等無(wú)機(jī)砷和一甲基砷、二甲基砷等簡(jiǎn)單烷基化有機(jī)砷。海產(chǎn)品中則主要以砷甜菜堿和砷糖等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)砷形式存在。不同的砷形態(tài)具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，特別是其毒性依賴(lài)于其化學(xué)形態(tài)。砷的無(wú)機(jī)化合物一般都具有毒性，其毒性隨化合價(jià)和結(jié)合基團(tuán)不同而不同，其中砷化氫＞三氧化二砷（砒霜）＞亞砷酸＞砷酸，而砷的有機(jī)化合物毒性一般比無(wú)機(jī)砷要小的多，甚至有些烷基化程度較高的有機(jī)砷化合物，如砷甜菜堿、砷糖等，幾乎沒(méi)有毒性[1]。因此，砷的測(cè)定及形態(tài)分析對(duì)于了解不同形態(tài)的砷化物在生物體和環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要意義。

1 砷形態(tài)分析現(xiàn)狀

1.1 砷的富集及分離技術(shù)

砷的富集分離技術(shù)中使用較多的是氫化物發(fā)生法，其原理是不同的砷化物在不同的條件下被硼氫化鈉或硼氫化鉀選擇性還原，生成相應(yīng)的砷化氫及其有機(jī)衍生物，由此可以測(cè)定不同形態(tài)的砷含量。近年來(lái)，常常將氫化物發(fā)生與原子光譜技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用，用于砷形態(tài)分析[3，5]。

氣相色譜法（GC）和高效液相色譜法（HPLC）均可分離砷的不同形態(tài)。迄今為止仍未找到一種有效GC衍生法能使各種砷形態(tài)同時(shí)被衍生成低沸點(diǎn)化合物，使得該法在砷形態(tài)分離上受到限制。HPLC分離砷形態(tài)時(shí)不需要樣品衍生，且HPLC可選擇多種固定相和流動(dòng)相，可根據(jù)分析形態(tài)的性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)纳V體系，因此在砷形態(tài)分析領(lǐng)域比GC法更具優(yōu)勢(shì)。目前在砷形態(tài)分離領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[4-10]。

毛細(xì)管電泳（CE）是基于樣品組分表觀淌度的差異，保證了形態(tài)粒子的穩(wěn)定性和形態(tài)物質(zhì)在分離測(cè)定中的穩(wěn)定性，不受儀器的干擾和色譜固定相的作用影響。它具有高效、快速、選擇性高和抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，與UV、ICP-AES等聯(lián)用在砷形態(tài)分析領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[16，17]。

1.2 砷的檢測(cè)方法

早期，砷的測(cè)定多采用分光光度法，常見(jiàn)的有銀鹽法和新銀鹽法，但是兩種方法操作復(fù)雜，靈敏度低。現(xiàn)在砷的測(cè)定多采用原子光譜法、電化學(xué)方法和質(zhì)譜法以及聯(lián)用技術(shù)。

原子光譜法，包括原子吸收光譜（AAS）、原子發(fā)射光譜（AES）和原子熒光光譜（AFS）等，均只能測(cè)定砷的總量，不能直接用于砷的形態(tài)分析，常需要與其他分離富集技術(shù)相結(jié)合，即將元素砷的不同形態(tài)分離后，再用光譜法進(jìn)行測(cè)定，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)砷的形態(tài)分析。

電化學(xué)方法具有儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、靈敏度高、易自動(dòng)化、不用進(jìn)行形態(tài)分離、既可測(cè)定元素總量又能進(jìn)行元素形態(tài)分析、可設(shè)計(jì)成很小的固體電極、消耗樣品量少、破壞性小等特點(diǎn)。其特別適合用于連續(xù)自動(dòng)和實(shí)時(shí)分析。目前用于元素砷形態(tài)分析的方法主要包括陽(yáng)極溶出伏安法（ASV）和離子選擇電極（ISE）電位法兩大類(lèi)，如藍(lán)月存等[23]采用金-鈀雙金屬納米顆粒修飾玻碳電極陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定了水中的三價(jià)砷，檢測(cè)限為0.15μg·L-1，且具有較好的重現(xiàn)性。

質(zhì)譜法特別是電感耦合等離子體-質(zhì)譜（ICP-MS）近年來(lái)用于砷形態(tài)分析的報(bào)道較多。該技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)就是靈敏度高，砷的檢出限低于ng/ml水平，因此特別適合痕量砷化物的分析。但是使用ICP-MS檢測(cè)砷時(shí)存在40Ar35Cl的干擾，因?yàn)?0Ar35Cl的質(zhì)量數(shù)也是75，因此需要研究有效的技術(shù)來(lái)消除氯的干擾。

2 聯(lián)用技術(shù)在砷形態(tài)分析中的研究進(jìn)展

現(xiàn)用于元素形態(tài)分析的技術(shù)主要是聯(lián)用技術(shù)，即先用有效的在線分離技術(shù)將某種元素的各種化學(xué)形態(tài)進(jìn)行選擇性分離，然后用高靈敏度的無(wú)機(jī)元素檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。最常用的技術(shù)是依據(jù)被分析物的物理化學(xué)特征，如揮發(fā)性、電荷、極性、質(zhì)量及分子的空間結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，選擇GC、HPLC、SFC和CE等現(xiàn)代色譜分離技術(shù)對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行形態(tài)分離，然后用AAS、AFS、MIPAES、ICP-AES和ICP-MS等高靈敏度、高選擇性的無(wú)機(jī)元素檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。

目前用于砷元素形態(tài)分析的方法主要是HPLC與ICP-MS、ICP-AES等檢測(cè)技術(shù)的聯(lián)用，迄今為止仍未有一種好的GC衍生法能使各種砷形態(tài)同時(shí)被衍生成低沸點(diǎn)化合物，使得GC法在砷形態(tài)分離上受到限制。

2.1 HPLC-ICP-MS聯(lián)用在砷形態(tài)測(cè)定中的應(yīng)用[2-12]

用于砷元素形態(tài)分離的高效液相色譜主要有反相離子對(duì)色譜法、離子交換色譜法和排阻色譜法三類(lèi)。反相離子對(duì)色譜法是將含低濃度（0.001～0.005 mol/L） 的反離子水溶性緩沖溶液加入到普通的反相色譜流動(dòng)相如水、甲醇、乙腈等溶劑中作為流動(dòng)相。根據(jù)砷不同形態(tài)的酸堿性不同，只需改變流動(dòng)相的pH值、反離子的種類(lèi)及濃度，即可實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)的分離。干寧等[5]用含有3 mmol/L的四丁基磷酸銨和8 mmol/L醋酸銨的水溶液和甲醇（φ=5%）為流動(dòng)相，調(diào)整其pH值到6.0，可分離電子企業(yè)廢水中的砷酸鹽As（Ⅴ）、亞砷酸鹽As（Ⅲ）、一甲基砷酸（MMA）和二甲基砷酸（DMA）4種砷形態(tài)，同時(shí)用ICPMS進(jìn)行測(cè)定，4種砷形態(tài)的檢出限均在0.01 ng/L以下。Ute等[6]采用HPLC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)，用含有0.05mmol/L的1，2苯磺酸二鉀鹽的硝酸溶液作為流動(dòng)相，分離測(cè)定了海藻類(lèi)食品和大米中的7種砷的不同形態(tài)化合物。

離子交換色譜法（IC）是砷形態(tài)分析應(yīng)用最廣泛的分析方法，利用陰陽(yáng)離子交換機(jī)理對(duì)不同砷的形態(tài)進(jìn)行分離，Yun-Ling Chu等[7]用陰離子交換柱Hamilton PRP-X100，以（NH4）2CO3和甲醇為流動(dòng)相，調(diào)節(jié)pH值在8.5，在8min內(nèi)分離了食用油中的6種砷的不同形態(tài)化合物。李衛(wèi)華等[8]采用陰/陽(yáng)離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，以pH10.3的20 mmol/LNH4HCO3和pH2.0的5mmol/L吡啶溶液為流動(dòng)相，成功分離測(cè)定了魚(yú)和貝類(lèi)海產(chǎn)品中的三價(jià)砷As（Ⅲ）、五價(jià)砷As（Ⅴ）、一甲基砷酸MMA、二甲基砷酸DMA、砷甜菜堿AsB、砷糖PO4、砷糖OH、砷糖SO3和砷糖SO49種不同的砷形態(tài)化合物。用ICP-MS檢測(cè)75As（m/z）含量時(shí)，某些生物和環(huán)境樣品基體中含有大量的氯元素，在ICP-MS中將產(chǎn)生40Ar35Cl+（m/z）干擾。Chia-Ying等[9]采用離子色譜-動(dòng)態(tài)反應(yīng)池-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，以含有1%甲醇的0.5 mmol/L檸檬酸銨（pH4.5）和含有1%甲醇的15 mmol/L檸檬酸銨（pH8.0）作為流動(dòng)相，分離測(cè)定了谷物中的砷和硒兩種元素的不同形態(tài)，利用1.0ml/minCH4作為動(dòng)態(tài)反應(yīng)池的反應(yīng)氣，成功去除了氯離子的干擾，方法檢出限在0.006～0.009 ng/ml之間。

排阻色譜法（SEC）主要用于分離蛋白質(zhì)或聚合物等大分子量的試樣，其分離原理是基于分子的尺寸和形狀。J.Gailer等[10]采用排阻色譜法分離測(cè)定了As-GSH類(lèi)砷的形態(tài)，研究了pH值、溫度和谷胱甘肽在流動(dòng)相中的濃度對(duì)砷形態(tài)分離效果的影響。Badal等[11]采用SEC-HPLC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)成功分離測(cè)定了人體指甲和尿樣中的4種含硫的砷代謝產(chǎn)物。Anne等[12]采用SEC-ESI-MS聯(lián)用技術(shù)分析和定量表征了砷多肽和砷蛋白類(lèi)物質(zhì)，該聯(lián)用技術(shù)使不同分子和不同配體間的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)成為可能。

2.2 其他聯(lián)用技術(shù)在砷形態(tài)分析中的應(yīng)用

液相色譜與原子熒光光譜聯(lián)用是在砷形態(tài)分析中發(fā)展較快的一種新技術(shù)[13]，它與質(zhì)譜法相比，成本較低，分析效果也比較好，檢出限可以跟ICP-MS相媲美。顧海東等[14]利用高效液相色譜-原子熒光光譜聯(lián)用技術(shù)分析了土壤中亞砷酸鹽、二甲基砷、一甲基砷和砷酸鹽4種形態(tài)砷。武鑠等[15]采用液相色譜-氫化物發(fā)生/原子熒光聯(lián)用技術(shù)分離測(cè)定了啤酒中4種砷形態(tài)，4種砷形態(tài)的方法檢出限在0.8～1.2 ng/ml之間。

毛細(xì)管電泳（CE）與電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）的聯(lián)用是一種新的分離檢測(cè)技術(shù)，它綜合了毛細(xì)管電泳技術(shù)的高效、快速分離和質(zhì)譜的強(qiáng)大元素選擇檢測(cè)功能及低檢出限等優(yōu)點(diǎn)，在砷形態(tài)分析領(lǐng)域已成為重要工具之一。陳玉紅等[16]應(yīng)用CE-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)同時(shí)分離測(cè)定砷甜菜堿、砷膽堿、三價(jià)砷、五價(jià)砷、一甲基砷、二甲基砷、阿散酸、洛克沙胂8種砷的化合物，檢出限在0.3～0.8 ng/g之間。楊桂娣等[17]采用毛細(xì)管電泳紫外吸收法分離檢測(cè)了海洋生物產(chǎn)品中5種不同形態(tài)的砷化合物，分離電壓在20 kV，以20 mmol/LNaH2PO4-5 mmol/L Na2B4O7（pH=6.25）緩沖溶液作為緩沖體系，5種砷形態(tài)化合物在11min內(nèi)完全分離。

2.3 電噴霧離子源質(zhì)譜（ESI-MS）的聯(lián)用技術(shù)和鑒別未知的砷化物[18-22]

HPLC-ICP-MS、CE-ICP-MS和HPLC-HGAFS等聯(lián)用技術(shù)在絕大多數(shù)樣品砷形態(tài)的測(cè)定中都具有較高的靈敏度和較好的分離效果，但是不能充分提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息來(lái)鑒定已知、未知或者無(wú)法預(yù)測(cè)的物質(zhì)。因此需要更加有效的分離技術(shù)和更加靈敏的檢測(cè)器來(lái)發(fā)現(xiàn)更多的未知化合物。Cristina等[19]利用SEC-HPLC-ESI-MS/MS聯(lián)用技術(shù)分析測(cè)定了食用海藻中的砷形態(tài)，并研究了其生物有效性，發(fā)現(xiàn)了甘油糖、磷酸糖、磺酸鹽糖、硫酸鹽糖4種砷糖物質(zhì)。ZHAO等[20]采用HPLCESI-MS聯(lián)用技術(shù)分析了As（GS）3（Arsenic Triglutathione） 在水溶液中的兩種代謝產(chǎn)物GSH和GSSG，并且確定了這兩種代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)信息。McSheehy S等[22]采用液相色譜與電子噴霧-飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用（LC-ES-TOF-MS）表征了文蛤腎臟中20幾種砷形態(tài)，并對(duì)這些砷化物之間的代謝關(guān)系作了簡(jiǎn)單的探討，對(duì)未來(lái)研究不同形態(tài)砷的生物毒性和有效性都有較大的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，分離技術(shù)中分離能力強(qiáng)、重現(xiàn)性高的HPLC技術(shù)和檢出限低、適用性廣的ICP-MS法是砷形態(tài)檢測(cè)分析中最有效的方法，HPLC和ICP-MS的聯(lián)用技術(shù)將會(huì)是今后砷形態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域的主要方向，HPLC-ESI-MS/MS的聯(lián)用在未知砷化物鑒定的領(lǐng)域?qū)⒂休^好的應(yīng)用前景。目前砷形態(tài)檢測(cè)分析中仍存在一定問(wèn)題，如何建立快速、有效、完整的提取樣品中各種形態(tài)砷的樣品前處理體系和實(shí)現(xiàn)砷形態(tài)的在線分離富集，盡量減少砷形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，提高聯(lián)用技術(shù)水平，使各形態(tài)砷在得到較好分離的基礎(chǔ)上滿(mǎn)足超痕量分析的要求，是今后砷形態(tài)分析研究的重點(diǎn)。

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