ICP-MS及其聯(lián)用技術(shù)在植物重金屬分析中的應(yīng)用研究進展①

鄒曉娟，尹曉明*，李 榮，2，楊超光

（1 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095；2 江蘇省固體有機廢棄物資源化利用高技術(shù)研究重點實驗室，南京 210095）

ICP-MS及其聯(lián)用技術(shù)在植物重金屬分析中的應(yīng)用研究進展①

鄒曉娟1，尹曉明1*，李 榮1，2，楊超光1

（1 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095；2 江蘇省固體有機廢棄物資源化利用高技術(shù)研究重點實驗室，南京 210095）

電感耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）是20世紀80年代發(fā)展起來的無機元素分析技術(shù)，它具有高分辨率和靈敏度、低檢出限、樣品耗用少、可同時檢測多元素等特點，被廣泛地用于無機元素特別是金屬元素的分析。ICP與質(zhì)譜（mass spectrometry， MS）聯(lián)用極大地促進了無機多元素分析技術(shù)的發(fā)展。本文綜述了ICP-MS及其幾種聯(lián)用技術(shù)的原理與性能特點、排除光譜干擾的方法以及在植物重金屬分析中的應(yīng)用實例32篇，以期為植物重金屬分析技術(shù)的研究提供有益參考。

電感耦合等離子體質(zhì)譜；聯(lián)用技術(shù)；重金屬；植物

隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，工業(yè)污水和垃圾、汽車尾氣等廢棄物排放量不斷增加，這些廢棄物中含有的 Cd、Cr、Pb、Cu、As 等重金屬，通過各種途徑遷移、擴散進入土壤，導(dǎo)致土壤重金屬元素不同程度的富集，成為土壤退化的重要表現(xiàn)形式［1］。城鄉(xiāng)結(jié)合部作為城鎮(zhèn)化過程的特殊區(qū)域，承擔著廣大城鄉(xiāng)居民的食物供給。然而，有不少研究表明這些地區(qū)正面臨土壤重金屬污染的問題，例如南京城鄉(xiāng)結(jié)合部土壤Cd、Cr和Cu等主要在工廠密集區(qū)積累，Pb和Hg可能主要來源于交通運輸，Cd、As可能主要來自養(yǎng)殖業(yè)廢物和生活污水的排放［2］。因此，土壤重金屬污染問題已成為影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境和質(zhì)量安全的突出問題。所以，不僅要對土壤重金屬污染進行研究和防控，更為重要的是要對農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全進行風險評估。因此，精準、高效的植物重金屬含量的檢測方法對于監(jiān)督和加強食品安全具有重要意義。

ICP是一種有效的揮發(fā)-原子化-激發(fā)-電離器，這種新光源基體效應(yīng)很小，它所具有的“環(huán)狀結(jié)構(gòu)”為分析物樣品易于導(dǎo)入提供了方便條件［3］。ICP與MS的聯(lián)用大大地促進了ICP技術(shù)的發(fā)展，ICP-MS已經(jīng)成為無機特別是重金屬元素及其形態(tài)分析的理想技術(shù)，是對生物及環(huán)境樣品進行分析的重要手段。近年來，隨著進樣系統(tǒng)的多樣化、接口性能的不斷改進及檢測系統(tǒng)的日趨多元化，ICP-MS技術(shù)在許多方面都有了飛速的發(fā)展。本文就ICP-MS及其幾種聯(lián)用技術(shù)的性能、不足之處及排除光譜干擾的方法進行綜述，以期為今后深入研究植物重金屬元素的分析技術(shù)提供參考。

1 電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）

1.1 ICP-MS的應(yīng)用

ICP-MS興起于20世紀80年代，它是以獨特的接口技術(shù)將ICP高溫（7 000 K ）電離特性與四極桿質(zhì)譜靈敏快速掃描的優(yōu)點相結(jié)合而形成的一種新型的元素分析技術(shù)。它主要由樣品引入系統(tǒng)、離子源、接口、離子聚焦系統(tǒng)、質(zhì)量分析系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等部分組成。ICP-MS檢測最大的優(yōu)點是靈敏度高、選擇性好、具有多元素和同位素的檢測能力［3］。由于可以把突變體元素的變化與基因表達和功能聯(lián)系起來，它又是研究功能基因組學的有力工具，同時由于其獨一無二的靈敏度，可用于分析底物專一性和膜轉(zhuǎn)運蛋白調(diào)節(jié)的特征［4］。把ICP-MS應(yīng)用于植物重金屬元素的分析報道也有不少。

1.2 ICP-MS光譜干擾的排除方法

ICP-MS的局限之處在于質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾或稱基體效應(yīng)。常用的克服基體效應(yīng)的方法主要有：①將樣品稀釋使基體元素濃度低于500 ～ 1 000 g/ml，以減輕基體干擾程度，但這樣會影響檢出限；②采用內(nèi)標法補償基體效應(yīng)（比較有效的方法）；③校準標準和樣品基體相匹配；④采用標準加入法補償基體效應(yīng)［3］。

ICP-MS的干擾主要是光譜干擾即來自Ar等離子體的前體物質(zhì)、樣品基質(zhì)、空氣和水以及與分析物具有相同質(zhì)量/電荷（m/z）的離子?？朔庾V干擾的方法有數(shù)學校正法［5］、扇形磁場SF-ICP-MS（sector field SF-ICP-MS）［6］、冷等離子體法［7］、碰撞反應(yīng)池（collision/reaction cell，CRC）［8］、動態(tài)反應(yīng)池（dynamic reaction cell，DRC） 和碰撞-反應(yīng)接頭技術(shù)（collisionreaction interface，CRI）［9］。CRI 是把He或H2作為碰撞/反應(yīng)氣體，利用一到兩個采樣錐把He或H2泵入八級桿質(zhì)譜的增壓室［10］，加速了氣體與干擾離子的物理碰撞和反應(yīng)，然后通過聚集透鏡系統(tǒng)把干擾離子從等離子體清除［9］。對某些干擾離子可以通過冷ICP-QMS方法排除，冷等離子體方法就是讓等離子體在低功率、高Ar氣流速、深的采樣深度條件下工作［11］。與常規(guī)方法相比，冷等離子體降低了Ar的離子化程度、從而降低了元素的檢測限，比較適用于Fe、Ca和Cu的測定。一些不能用數(shù)學校正法排除干擾的多原子離子可以利用碰撞反應(yīng)池CRC與冷等離子體方法結(jié)合來消除，以提高檢測限，降低背景信號［12］。An等［13］通過樣品外加3%（v/v）甲醇（10 μg/L As），結(jié)合CRC方法，提高了As檢測靈敏度約2.5個點。

微波消解ICP-MS由于其分析的高通量性和多元素同時測定能力，近年來被廣泛地用于生物樣品的測定。然而該技術(shù)一個明顯的局限是等量異位素或多原子干擾。例如飼料中Cd的兩種常見同位素111Cd 和114Cd顯著地受到95Mo16O+、94Mo16OH+、94Zr16OH+、98Mo16O+、96Mo18O+、98Ru16O+和97Mo16OH+等氧化物和氫化物的干擾［14］，金屬氧化物或氫化物干擾的消除可以利用動態(tài)反應(yīng)池DRC方法，它的原理是在離子聚焦透鏡與四級桿分析器之間外加一個四級桿以增強反應(yīng)池氣體（如CH4或O2）的壓力，通過電荷轉(zhuǎn)移、氧化和碰撞誘導(dǎo)解離，從而抑制干擾離子的形成［15］。Guo等［16］通過矯正DRC動態(tài)帶通系數(shù)（RPq）以及調(diào)節(jié)O2流速的參數(shù)（RPq=0.75、O2=2.0 ml/min），同時用數(shù)學矯正法校正了114Sn 對114Cd的干擾，對飼料中糙麥、糙米中111Cd 、114Cd檢出限分別達0.8、1.0 ng/g。如前所述，ICP-MS的光譜干擾主要來自等離子體中的Ar產(chǎn)生的各種多原子離子，如40Ar12C、40Ar16O、40Ar35Cl和40Ar40Ar等，它們的質(zhì)量一般在40 ～ 80 amu，由于這些多原子離子與52Cr、56Fe、75As和80Se等多種同位素的質(zhì)荷比重疊，因此影響了ICPQMS對Cr、Fe、As和 Se等元素測定的檢出限［17］。Pick等［17］用微波消解ICP-DRC-MS 分析了植物和動物飼料中As、Cr、Fe、Ni和Se，選用CH4流速1.1 ～1.6 ml/min、RPq=0.65 ～ 0.8用于Cr、Fe、Ni和Se的測定：O2流速0.6 ml/min、RPq=0.55用于As測定，結(jié)果表明幾種金屬的檢測限都在0.03 ～ 0.65 μg/L，低于普通ICP-MS的測定結(jié)果。ICP-MS的干擾還與待測樣品的成分有關(guān)。當待測樣品含有較高的Cl時， 它可以與Ar形成與As具有相同質(zhì)荷比（m/z=75）的40Ar35Cl+而影響ICP-MS對As的測定［18］。對于含堿性元素的樣品，Cu的測定容易受到Na+、Mg2+和Ca2+的影響，這可以通過堿性沉淀或離子交換樹脂等方法去除干擾［19］。

自2012年以來，全波譜四級桿ICP-MS又有了進一步的發(fā)展，出現(xiàn)了ICP與多級質(zhì)譜串聯(lián)即ICPMS/MS［20］，也稱三重四級桿ICP-MS 或ICP-QQQ。ICP-MS/MS與ICP-CRC-QMS的主要區(qū)別在于前者使用了八級桿動態(tài)反應(yīng)池CRC，并在CRC之前加了一個四級桿（Q1）做為質(zhì)譜過濾器，因此只允許有一種質(zhì)荷比的離子進入池發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物因信號強弱的差異被另一質(zhì)譜（Q2）選擇性地掃描。一般的ICP-CRC-MS只是起到了動態(tài)質(zhì)譜帶通的作用，缺乏一個真正的質(zhì)譜過濾器，很難抑制所有干擾離子的形成。ICP-MS/MS外加的四級桿質(zhì)譜（Q1）可以過濾器排除所有與待測離子不同的來自等離子體和基體的離子，從而確保了測定的精準性［21］。

2 ICP-MS聯(lián)用技術(shù)

2.1 高效液相色譜電感耦合等離子體質(zhì)譜（HPLCICP-MS）

2.1.1 HPLC-ICP-MS 在As、Al、Se等元素分析中的應(yīng)用 HPLC-ICP-MS技術(shù)的運用大大提高了人們對植物金屬元素及其大分子的認識。該技術(shù)把HPLC簡便的操作、強大的分離效果與ICP-MS優(yōu)良的靈敏度巧妙地結(jié)合起來，是目前廣泛使用的研究元素化學形態(tài)的方法。然而，不同的樣品前處理方法、色譜條件對元素測定的結(jié)果影響較大。As是環(huán)境中最具毒性的元素之一。除了引用水之外，食用大米是人體吸收As的主要途徑，長期接觸As會導(dǎo)致癌癥和其他健康問題。HPLC-ICP-MS用于水稻As測定的樣品前處理方法主要有超純水提取法和酸提取法（如硝酸、三氟已酸）。用水作為提取液最大的好處是不會產(chǎn)生化學物質(zhì)，特別是不會改變AsIII/AsV比例。但是水提取之后要用高濃度溶液離心過濾，用酸提取大多數(shù)糙米提取率很難到達95% 以上，并且酸可能會破壞As的化學形態(tài)，即把AsV氧化成毒性更大的AsIII，因此一般認為用酸提取的是無機總As［22］。不同的水稻樣品在不同的前處理方法、不同的HPLC條件下（色譜柱類型、流動相的選擇等）As的含量差異較大［22-25］（表1）。另外，不同植物的樣品、不同的前處理方法及液相色譜條件對Se、Cr和Al等含量的影響也較大［23，26-33］（表2）。

表1 不同的樣品前處理方法和HPLC-ICP-MS液相色譜條件對水稻As含量的影響Table1 Effects of different ways of sample pre-treatments and HPLC conditions of HPLC-ICP-MS on contents of As in rice

隨著代謝組學在生物學研究領(lǐng)域的興起，金屬組學的研究日益受到科學家們的關(guān)注。ICP-MS因其精準的離子檢測功能，在定量蛋白組學研究中發(fā)揮越來越重要的作用，但是ICP-MS是一種硬離子源、不適用于分子種類的鑒定。電噴灑離子源（electrospray ionization mode，ESI） 作為一種軟離子源可以提供難以分散的分子從而保證了金屬/類金屬與蛋白質(zhì)/生物分子結(jié)合的完整性［34］。因此，ESI-MS作為一種研究生物樣品金屬分布的常用方法是ICP-MS的很好補充。植物螯合肽通過形成金屬-肽復(fù)合體在金屬脫毒中起重要作用，學者們用反相高效液相色譜電噴霧質(zhì)譜RP-HPLC-ESI-MS/ICP-MS測定了水稻［35］等植物的Hg螯合肽，這種方法可以獲得元素含量和分子結(jié)構(gòu)的信息。Krupp等［35］分離到Hg2+誘導(dǎo)的水稻多種Hg螯合肽包括（Ser）PC2Hg，des-GlyPC2Hg 和 （Glu）PC2Hg。RP-HPLC-ESI-MS/ICP-MS還可以用于分析植物As螯合肽，低pH的流動相（0.1% 甲酸） 有助于穩(wěn)定As螯合肽復(fù)合體［36］。Preud’homme等［37］用尺寸排阻反相液相色譜（size-exclusion-reversed phase liquid chromatography）與ICP-MS和電噴灑離子阱多級質(zhì)譜聯(lián)用 （ESI Orbitrap MSn），分析了富Se酵母亞硒酸鹽SeIV轉(zhuǎn)化成有機Se化合物代謝的過程。Casal等［38］利用強離子交換HPLC-ICP-MS和ESI Orbitrap MSn聯(lián)用研究了富硒酵母Se的代謝途徑，HPLCICP-MS全波譜掃描分離到27種含Se的代謝物。Arnaudguilhema 等［39］用反相HPLC-ICP-MS檢測到酵母64 種Se代謝物，其中含Se-Se 或Se-S 橋的化合物30種，硒醚（selenoethers）14 種， HPLC-ICP- MS與HPLC-ESI-MS 檢測結(jié)果一致，兩者的檢出限分別為1 ng/g和2 ng/g。

表2 不同樣品前處理方法和HPLC-ICP-MS液相色譜條件對不同植物Se、Cr和Al等含量的影響Table2 Effects of different ways of sample pre-treatments and HPLC conditions of HPLC-ICP-MS on contents of Se， Cr and Al in various plants

2.1.2 HPLC與ICP-MS連接的接口及其應(yīng)用

HPLC通常通過接口如Teflon 聚四氟乙烯管或PEEK 樹脂管與ICP-MS霧化器連接。這種連結(jié)方式簡單易行，但是由于死體積較大，降低了測定靈敏度。由于HPLC 柱流速一般在100 μl/min ～ 1 ml/min，而ICP-MS 霧化器流速通常在 0 ～ 1 ml/ min，甚至超過1 ml/min，這就要求色譜柱的流速最大限度地與霧化器流速相匹配，以保證樣品的有效分離和霧化［40］。

光誘導(dǎo)的化學蒸發(fā)器可以作為LC或原子吸收光譜AFS與ICP-MS連接的接口用作Hg的測定，其基本原理是HPLC中的餾分先與有機酸結(jié)合，在紫外照射下有機Hg （MeHg、EtHg、PhHg）被轉(zhuǎn)化成氣態(tài)Hg，然后進入ICP-MS檢測［41］。然而當生物樣品含有較高的甜菜堿（AsB）時就會影響AsIII的精確度，改用KBH4-HCl發(fā)生器（HG）作為接口可以有效提高AsIII的精確度和專一性，因為AsIII、AsV、單砷酸鹽MMAV和二砷酸鹽DMAV可以被氧化形成AsH3、MeAsH2和Me2AsH，而AsB不能形成氫化物［42］。最近，一種納米半導(dǎo)體材料的光催化蒸發(fā)發(fā)生器（photocatalytic vapor generation，PCVG）被用作HPLC 或 AFS與ICP-MS的接口。各種PCVG系統(tǒng)如UV/HCOOH，UV/TiO2-HCOOH，UV/Ag-TiO2-HCOOH和 UV/ZrO2-HCOOH等被用于Se形態(tài)的測定：比如以UV/ZrO2-HCOOH為接口對Se的檢測靈敏度可達SeVI0.016 ng/ml，SeIV0.014 ng/ml、Se Cys2 0.018 ng/ml， SeMet 0.007 ng/ml，相對標準偏差RSDs小于4.4%［43］。

總之，HPLC-ICP-MS是一種常用的元素化學形態(tài)的分析手段，但是它亦有如下局限：①有機溶劑使樣品在霧化器和霧室中產(chǎn)生記憶效應(yīng)。研究認為氣旋霧室可減弱記憶效應(yīng)，但分析重現(xiàn)性變差［40］。②與ICP-MS 中ml級的進樣量相比，HPLC-ICP-MS 中μl級的進樣量降低了靈敏度。研究認為可以通過減小色譜與霧化器間的傳輸距離提高霧化效率，如采用直接注射霧化器等提高靈敏度［40］。③色譜柱與霧化器流速的差異造成檢測的靈敏度降低。這可以通過注射泵添加柱外尾吹，以及在尾吹流中加入內(nèi)標來校正儀器漂移、減少梯度洗脫或同位素稀釋帶來的基體效應(yīng)［23］。

2.2 飛行時間質(zhì)譜（TOF-MS）

2.2.1 TOF-MS工作原理 TOF-MS是一種帶電離子的質(zhì)量鑒定方法，即初始能量相同的帶電原子/分子漂移固定距離（飛行區(qū)與檢測器之間）所用的時間與它們本身的質(zhì)量有關(guān)，通過測定漂移時間達到分離離子的目的。TOF-MS每一個獲得的譜圖都代表了在同一時間間隔內(nèi)從等離子體中提取的離子所產(chǎn)生的信號。因此，在一次接收過程中對于任何元素的一對同位素TOF-MS都能夠獲得很好的精密度［44］。在聯(lián)用技術(shù)中，TOF-MS與進樣系統(tǒng)的連接就顯得重要：以流動注射為例，垂直加速飛行時間質(zhì)譜（orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometry，ICP-oa-TOF-MS）內(nèi)置同心霧化器，霧化器一端連接氣旋噴灑池，另一端與流動注射系統(tǒng)通過聚四氟乙烯管（內(nèi)徑約0.25 mm）連接［45］。

2.2.2 ICP-TOF-MS的應(yīng)用及干擾的消除 ICPTOF-MS在植物重金屬分析中的應(yīng)用不如HPLCICP-MS普遍，可以查閱的文獻也較少。Qin等［46］利用 ICP-oa-TOF-MS測定了箸葉（Indocalamus tesselatus）As、Pb、Cr和Cd等9種金屬元素的含量：Cr為0.08 ～0.55 mg/kg，As為0.99 ～ 1.84 mg/kg，Hg在0.025 ～0.14 mg/kg，Cu和Pb分別為3.2 ～ 7.43 mg/kg、0.81 ～2.92 mg/kg，回收率在96.4% ～ 104.5%，并用國標（GBW07605-Tea）得以驗證。Fragni 等［47］用ICP-oa-TOF-MS測定了來自意大利、中國和西班牙的41份番茄制品中15種元素，52Cr、63Cu、75As、114Cd、208Pb 的檢測限分別為4.2、9.2、15.7 5.7和 8.8 ng/L，可見，ICP-oa-TOF-MS是一種多元素快速精準的分析方法。近幾年，四級桿飛行時間質(zhì)譜Q-TOF-MS和離子阱飛行時間質(zhì)譜（ion trap-time-of-flight，IT-TOF）聯(lián)用，已經(jīng)用于定性、定量地分析金屬復(fù)合物與蛋白質(zhì)、核酸、多肽和有機類金屬之間的互作［34］。

TOF-MS具有微秒級的快速檢測速度（counts/ sec/1ng/L）和高離子傳輸速率，大大降低了離子束漂移方向上離子初速度的發(fā)散，提高了分辨率（即譜峰最大強度一半處的全峰寬，在一般的儀器條件下約為6Li 500 ～238U 2 200）。但TOF-MS主要局限是樣品源中的漂移、閃爍噪聲成分和干擾問題。ICP-oa-TOF-MS 中“oa”是垂直加速的意思，指的是垂直飛行時間質(zhì)量分析器的構(gòu)造：離子透鏡與推斥板垂直，后者與加速區(qū)、無場飛行區(qū)、反射區(qū)和檢測器垂直，離子在傳輸電極作用下垂直進入質(zhì)量分析器，這樣有效避免了樣品源漂移、提高了信號值；通過同位素豐度比值測量和信號平均技術(shù)可以減小非隨機性閃爍噪聲的影響［44］。但TOF-MS的分辨率仍難以消除Ni、Cu和Co 等信號的干擾，目前已經(jīng)有專門用于清除OptiMass 8000 ICP-TOF-MS 光譜干擾的智能離子空白系統(tǒng)（SMARTGATE ion blanking system），它利用智能離子覆蓋的光譜范圍如11.5 ～ 12.5（12C+）、14 ～ 25 （14N+、16O+、17OH-、18H2O+、28N2+）、29 ～ 32.5（30NO+、32O2+、32S+）、37.5 ～ 42 （40Ar+、41ArH+、80Ar2+）及55.5 ～ 57 （56ArO+） amu，消除由Ar引起的多原子離子以及基體中的大量元素的干擾，還可用于豐度較低的基體元素的數(shù)學校正［48］。Fragni等［47］用SMARTGATE來清除番茄樣品中Ar、C、O、Na和 S等引起的光譜干擾，用Be、In和 Bi 作為內(nèi)標有效地清除了基體的干擾、校正了基線的漂移，靈敏度在0.35 ～ 1.51 counts/（sec·ng·L）。

2.3 電熱蒸發(fā)質(zhì)譜（ETV-ICP-MS）

2.3.1 ETV-ICP-MS工作原理與應(yīng)用 Electrothermalvaporisation （ETV）作為一種熱化學反應(yīng)器是實現(xiàn)ICP-MS固體進樣的一種具有較高傳送效率的方法，樣品被送到等離子體之前在高溫條件下經(jīng)過干燥、灰化和蒸發(fā)形成元素而實現(xiàn)分離。作為一種固體直接進樣系統(tǒng)，比原子發(fā)射光譜具有更高的靈敏度，可以瞬間測定多種元素（同位素），近年來越來越受到眾多學者的重視。ETV與ICP-MS連接需要一種設(shè)計合理的熔爐裝置，它既要能滿足固體樣品蒸發(fā)的需要又不能干擾等離子體。目前廣泛使用的一種裝置是船管形石墨爐［49］，為了形成穩(wěn)定的氣溶膠需要不斷吹入冷氣流使之與樣品混合，有助于蒸發(fā)的氣溶膠冷凝成離子、避免了與管壁的相互作用。這種船管形石墨爐可以通過玻璃、聚乙烯或聚四氟乙烯管連接ICP，一般較短（約30 ～ 60 cm）而內(nèi)徑?。s3 ～ 4 mm）、可承載高速氣流（0.3 ～ 0.8 L/min）的連接管是比較理想的［50］。

樣品經(jīng)高溫蒸發(fā)形成元素或元素與氧、鹵素結(jié)合成化合物的形式，因此減少了等離子體中氧的形成以及基體中多原子離子的產(chǎn)生，避免了基體物質(zhì)的峰譜干擾［51］。Lin 和Jiang［52］用超聲波懸浮電熱蒸發(fā)質(zhì)譜（ultrasonic slurry sampling electrothermalvaporisation，USS-ETV-ICP-MS） 分析了中草藥樣品As、Cd、Hg和Pb的含量，可檢測As、Cd、Hg 和Pb分別為0.3、0.1、0.1 和 0.2 ng/g，比HPLC-ICP-MS測定中草藥的檢測限低了一個數(shù)量級。Huang 等［53］用USS-ETVICP-DRC-MS測定了小麥、水稻等谷物Cr、Fe、Cu、Zn 和Se含量，檢出限分別為1、10、4、12 和 2 ng/g。微流控芯片（Microfluidic chips） 進樣技術(shù)是進幾年發(fā)展起來的分析微量樣品如細胞的方法，Wang 等［54］把這種技術(shù)與ETV-ICP-MS聯(lián)用分析細胞樣品（μl或μg級）中的 Cu、Zn、Cd、Hg、Pb和Bi：檢出檢測限（LODs） 在6.6 ～ 89.3 pg/ml，RSD在4.23% ～ 8.15%（n = 7，c = 1 ng/ml），該方法與HPCL-ICP-MS、ICP-oa-TOF-MS相比，具有更高的靈密度，非常適合用于珍貴樣品的分析。

2.3.2 ETV-ICP-MS樣品制備方法 草本植物As、Cd、Hg 和Pb的超聲電熱蒸發(fā)樣品制備方法一般步驟為：0.5 g粉碎的植物材料加入10 ml純凈水溶解，取1 ml漿樣到10 ml 樣品管，加入1% （m/v） 8-羥基喹啉（8-Hydroxyquinoline）作為萃取劑，加入As、Cd、Hg 和Pb 標準溶液，純凈水定容至10 ml，然后超聲波震蕩10 min。1 ml用于測定，含1% （m/v） 8-羥基喹啉的空白用于對照［52］。超聲電熱蒸發(fā)制備谷物樣品的方法與草本植物基本相同，只是用三氯甲烷TAC代替8-羥基喹啉作為萃取劑［53］。

2.3.3 ETV-ICP-MS 干擾的消除 在樣品灰化和蒸發(fā)過程中，基體成分不可避免地被送入等離子體，這不僅影響樣品的傳送效率，也影響檢測的靈敏度。固體樣品與基體可能發(fā)生反應(yīng)而改變樣品的揮發(fā)特性，有研究認為可以通過樣品中加入基體校準物來控制，基體校準物的加入促進了基體揮發(fā)又不影響樣品的揮發(fā)［49］；還可以加入鹵化物來加速非基體物質(zhì)的蒸發(fā)，如0.1% CHF3或CCl4可以加速Cr、Mo、Zr的蒸發(fā)［55］。ETV-ICP-MS作為一種固體直接進樣的手段，是ICP-MS分析方法的重要補充。今后這一技術(shù)將在樣品高純度分析、同質(zhì)性鑒定等更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮作用。

2.4 毛細管電泳電感耦合等離子體質(zhì)譜（CE-ICP-MS）

2.4.1 CE-ICP-MS工作原理與應(yīng)用 毛細管電泳（capillary electrophoresis，CE）是20世紀80年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它根據(jù)待分離物組分間淌度和分配行為的差異而實現(xiàn)分離。CE分離用的電解質(zhì)、緩沖液及pH值在許多元素形態(tài)的穩(wěn)定范圍內(nèi)，是保持分離過程中樣品化學特性的一種難得的分離技術(shù)。與色譜技術(shù)相比，毛細管電泳質(zhì)譜具有較高的分離效率、所需樣品量少、不存在樣品與固定相相互作用的干擾、儀器消耗少等優(yōu)勢。Zhao 等［56］用CE-ICP-MS分離大米SeVI、SeIV、SeCys2 （selenocystine） 及SeMet（selenomethionine），其檢出限都在0.1 ～ 0.9 ng/ml，回收率 90% ～ 103%，相對標準差RSD 3% ～ 7% （n = 6）。與ETV-ICP-MS類似，CE-ICP-MS同樣有較高的分辨率。

2.4.2 CE與ICP-MS聯(lián)用的接口及其應(yīng)用 CE與ICP-MS在線聯(lián)用需要設(shè)計合適的接口，保證CE已分離的樣品有效轉(zhuǎn)移到質(zhì)譜儀中，同時實現(xiàn)樣品快速的離子化。目前廣泛使用的是鞘液接口，它通過一個微型同心霧化器及一個圓錐形的噴室（死體積小）與ICP-MS相連。同心霧化器與毛細管的液流流速的差異使毛細管出口端產(chǎn)生負壓，自動將毛細管內(nèi)液體吸到出口處即自吸現(xiàn)象，從而在毛細管內(nèi)產(chǎn)生層流，導(dǎo)致CE的分辨率降低、譜峰變寬。解決層流的方法是在CE的出口端外加鞘液，鞘液的流速盡可能與霧化器的自吸量相同以平衡霧化時在毛細管出口端產(chǎn)生的負壓，保證 ICP-MS的分離效果［57］。鞘液接口一方面?zhèn)魉碗姖B流，另一方面連接電泳陰極起到地線的作用，保證毛細管內(nèi)電流導(dǎo)通。對于一般的霧化器，鞘液接口同樣具有兼容性以滿足ICP-MS對樣品流速的要求。然而，由于自吸現(xiàn)象，鞘液流速會發(fā)生變化，研究發(fā)現(xiàn)通過外加蠕動泵或注射泵可獲得穩(wěn)定持續(xù)的鞘液流速［58-59］。毛細管末端與霧化器不適配是死體積存在的另一因素，死體積導(dǎo)致峰形變寬、峰高變低。Liu等［57］以一個噴灑頭用做霧化器，毛細管出口被精確固定在噴灑頭末端，這種接口把待測物直接送入霧化器，有效地減小了死體積，在30 min 內(nèi)成功分離了杭白菊等樣品10種As的化合物，檢測限在0.9 ～ 3 ng/g。Kovachev等［60］研制了一種毛細管電泳池聚焦霧化器系統(tǒng)（capillary electrophoresis flow focusing nebulization system，CEFFS）作為新型接口。它主要由4部分組成：載體電解質(zhì)模塊、熔融石英毛細管、精密的池聚焦霧化器和一個高壓電源。載體電解質(zhì)模塊主要包含一個十字形PEEK接頭，一端連接高壓電源，另一端連接毛細管，毛細管和一根 Pt電線通過第二個接頭連接到噴灑池的底部，Pt電線可作為分離的電極。這種裝置的優(yōu)點是利用以電壓產(chǎn)生負荷電流，不像一般的毛細管電泳是通過電滲來驅(qū)動。即其電泳速度高于普通的毛細管電泳，因此縮短了分離時間，但是分辨率也降低了，這可以通過提高分離電壓提高分辨率。實驗表明，在 2 min 之內(nèi)它可以完成不同形態(tài)Cr標準品的分離，檢測限分別為0.1 μg/L CrIII、0.2 μg/L CrVI及 0.03 μg/L總Cr［60］。

CE-ICP-MS不僅能分離分析環(huán)境中重金屬與有機物反應(yīng)和遷移的化學機理，還可以分離分析金屬配位絡(luò)合物的元素形態(tài)，從而進行元素形態(tài)的確認和定量分析。但是它仍受接口問題、樣品的損失、基體效應(yīng)和分離過程中可能引起的元素形態(tài)變化等問題的限制。CE-ICP-MS未來的發(fā)展趨勢一方面集中在提高CE的分離能力上，另一方面體現(xiàn)在新型接口的研制，如微流控芯片CE與MS接口，這些將會顯著促進CE-ICP-MS技術(shù)的發(fā)展，以實現(xiàn)多維分離和高通量分析［61］。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了ICP-MS及其幾種聯(lián)用技術(shù)的性能特點、在植物重金屬分析中的應(yīng)用以及光譜干擾的排除方法。ICP-MS已經(jīng)成為重金屬元素快速精確有力的分析工具，隨著科學的發(fā)展和技術(shù)的不斷進步，它在環(huán)境和生物科學等研究領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的作用。作者認為今后ICP-MS及其聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于植物重金屬的研究應(yīng)從以下幾個方面考慮：開發(fā)多功能的多通道進樣系統(tǒng)（包括各種多通道霧化器和噴室）以及對于各種ICP-MS都有較好的兼容性的接口系統(tǒng)（操作方便、死體積?。┮詼p少儀器開支費用，充分挖掘ICP-MS的應(yīng)用潛力；研究不同形態(tài)的樣品霧化過程的熱力學、化學特性及其機理；研究霧化過程干擾離子形成的機理，定性、定量地研究干擾離子的種類以及對儀器性能和分析結(jié)果的影響；研究多種技術(shù)聯(lián)用的可行性的科學依據(jù)，以實現(xiàn)元素的多維分離和高通量分析。

［1］ 張?zhí)伊? 科學認識和防治耕地土壤重金屬污染［J］. 土壤，2015， 47（3）： 435-439

［2］ 傅傳城， 王文勇， 潘劍君， 等. 城鄉(xiāng)結(jié)合帶土壤重金屬時空變異研究與源解析-以南京市柘塘鎮(zhèn)為例［J］. 土壤學報， 2014， 51（5）： 1 066-1 067

［3］ 李冰， 周劍雄， 詹秀春. 無機多元素現(xiàn)代儀器分析技術(shù)［J］. 地質(zhì)學報， 2011， 85（11）： 1 878-1 916

［4］ Husted S， Persson D P， Laursen K H， et al. The role of atomic spectrometry in plant science［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry， 2011， 26（1）： 52-79

［5］ Leiterer M， Einax J W， L?ser C， et al. Trace analysis of metals in plant samples with inductively coupled plasmamass spectrometry［J］. Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry， 1997， 359： 423-426

［6］ Rodushkin I， ?dman F， Branth S. Multi-element analysis of whole blood by high resolution inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry， 1999， 364： 338-364

［7］ Fietzke J， Eisenhauer A， Gussone N， et al. Directmeasurement of44Ca/40Ca ratios by MC-ICP-MS using the cool plasma technique［J］. Chemical Geology， 2004， 206： 11-20

［8］ Dufailly V， Laurent L N， Guérin T. Determination of chromium， iron and selenium in foodstuffs of animal origin by collision cell technology， inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS）， after closed vessel microwave digestion［J］. Analytica Chimica Acta， 2006， 565： 214-221

［9］ Kalinitchenko I， Wang X D， Sturman B. Simple and effective control of spectral overlap interferences in ICP-MS［J］. Spectroscopy， 2008（Suppl.）： 38-46

［10］ Pereira C D， Garcia E E， da Silva F V， et al. Behaviour of arsenic and selenium in an ICP-QMS with collision and reaction interface［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry， 2010， 25： 1 763-1 768

［11］ Tanner S D. Characterization of ionization and matrix suppression in inductively coupled ‘cold’ plasma mass spectrometry［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry，1995， 10： 905-921

［12］ Lucimar L， Fialho， Pereira C D， et al. Combination of cool plasma and collision-reaction interface for correction of polyatomic interferences on copper signals in inductively coupled plasma quadrupole mass spectrometry［J］. Spectrochimica Acta Part B， 2011， 66： 389-393

［13］ An J S， Lee J， Lee G， et al. Combined use of collision cell technique and methanol addition for the analysis of arsenic in a high-chloride-containing sample by ICP-MS［J］. Microchemical Journal， 2015， 120： 77-81

［14］ Way T W， Wiedmeyer R H. A table of polyatomic interferences in ICP-MS［J］. Atomic Spectroscopy， 1998， 19：150-155

［15］ Hattendorf B， Günther D. Strategies for method development for an inductively coupled plasma mass spectrometer with bandpass reaction cell： approaches with different reaction gases for the determination of selenium［J］. Spectrochimica Acta B， 2003， 58： 1-13

［16］ Guo W， Hu S H， Zhao J， et al. Removal of spectral interferences and accuracy monitoring of trace cadmium in feeds by dynamic reaction cell inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Microchemical Journal， 2011， 97：154-159

［17］ Pick D， Leiterer M， Einax J W. Reduction of polyatomic interferences in biological material using dynamic reaction cell ICP-MS［J］. Microchemical Journal， 2010， 95： 315-319

［18］ Chrastny V， Komárek M. Copper determination using ICP-MS with hexapole collision cell［J］. Chemical Papers，2009， 63： 512-519

［19］ Leentvaar L， Rebhun M. Effect of magnesium and calcium precipitation on coagulation flocculation with lime［J］.Water Research， 1982， 16： 655-662

［20］ Balcaen L， Woods G， Resano M， et al. Accurate determination of S in organic matrices using isotope dilution ICP-MS/MS［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry， 2013， 28： 33-39

［21］ Balcaen L， Fernandez E B， Resano M， et al. Inductively coupled plasmae Tandem mass spectrometry （ICP-MS/MS）：A powerful and universal tool for the interference-free determination of （ultra） trace elements-A tutorial review［J］. Analytica Chimica Acta， 2015， 894： 7-19

［22］ Narukawa T， Matsumotto E， Nishimura T， et al. Determination of sixteen elements and arsenic species in brown， polished and milled rice［J］. Analytical Sciences，2014， 30： 245-250

［23］ Liu X J， Zhao Q L， Sun G X， et al. Arsenic speciation in Chinese herbal Medicines and human health implication for inorganic arsenic［J］. Environmental Pollution， 2013， 172：149-154

［24］ Kim J Y， Kim W-Il， Kunhikrishnan A. Determination of arsenic species in rice grains using HPLC-ICP-MS［J］. Food Science and Biotechnology， 2013， 22： 1 509-1 513

［25］ Baba K， Arao T， Yamaguchi N， et al. Chromatographic separation of arsenic species with pentafluorophenyl column and application to rice［J］. Journal of Chromatography A， 2014， 1354： 109-116

［26］ Galinha C， Sánchez-Martínez M， Pacheco A M G， et al. Characterization of selenium-enriched wheat by agronomic biofortification［J］. Journal of Food Science and Technology，2015， 52 （7）： 4 236-4 245

［27］ Novotnik B， Zuliani T， Sˇcanˇcar J， et al. Content of trace elements and chromium speciation in Neem powder and tea infusions［J］. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology， 2015， 31： 98-106

［28］ Vacchina V， de la Calle I， Séby F. Cr（VI） speciation in foods by HPLC-ICP-MS： investigation of Cr（VI）/food interactions by size exclusion and Cr（VI） determination and stability by ion-exchange on-line separations［J］. Analytical and Bioanalytical Chemistry， 2015， 407： 3 831-3 839

［29］ Thosaikhama W， Jitmanee K， Sittipout R， et al. Evaluation of selenium species in selenium-enriched pakchoi（Brassica chinensis Jusl var parachinensis （Bailey） Tsen & Lee） using mixed ion-pair reversed phase HPLC-ICPMS［J］. Food Chemistry， 2014， 145： 736-742

［30］ Todolí J L， Grotti M. Fast determination of arsenosugars in algal extracts by narrow bore high-performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Journal of Chromatography A， 2010， 1217：7 428-7 433

［31］ Guo X N， Liu W， Bai X J. Speciation of chromium in chromium yeast［J］. World Journal of Microbiology and Biotechnology， 2014， 30： 3 245-3 250

［32］ Hedegaard R V， Rokkj?r I， Sloth J J. Total and inorganic arsenic in dietary supplements based on herbs， other botanicals and algae——a possible contributor to inorganic arsenic exposure［J］. Analytical and Bioanalytical Chemistry，2013， 405： 4 429-4 435

［33］ Shang D R， Zhao Y F， Zhai Y X. Development of a new method for analyzing free aluminum ions （Al3+） in seafood using HPLC-ICP-MS［J］. Chinese Science Bulletin， 2013，58： 4 437-4 442

［34］ Vogiatzis C G， Zachariadis G A. Tandem mass spectrometry in metallomics and the involving role of ICP-MS detection：A review［J］. Analytica Chimica Acta， 2014， 819： 1-14

［35］ Krupp E M， Mestrot A， Wielgus J. The molecular form of mercury in biota： Identification of novel mercury peptide complexes in plants［J］. Chemical Communications， 2009，28： 4 257-4 259

［36］ Bluemlein K， Raab A， Feldmann J. Stability of arsenic peptides in plant extracts： Off-line versus on-line parallel elemental and molecular mass spectrometric detection for liquid chromatographic separation［J］. Analytical & Bioanalytical Chemistry， 2009， 393： 357-366

［37］ Preud'homme H，F(xiàn)ar J，Casal G S，et al. Large-scale identification of selenium metabolites by online sizeexclusion-reversed phase liquid chromatography with combined inductively coupled plasma （ICP-MS） and electrospray ionization linear trap-Orbitrap mass spectrometry （ESI-MSn） ［J］. Metallomics， 2012，4（5）：422-432

［38］ Casal S G， Far J， Bierla K ， et al. Study of the Secontaining metabolomes in Se-rich yeast by size-exclusioncation-exchange HPLC with the parallel ICP-MS and electrospray orbital ion trap detection［J］. Metallomics，2010， 2（8）： 535-548

［39］ Arnaudguilhema C， Bierlaa K， Ouerdanea L， et al. Selenium metabolomics in yeast using complementary reversed-phase/ hydrophilic ion interaction （HILIC） liquidchromatographyelectrospray hybrid quadrupole trap/Orbitrap Massspectrometry［J］. Analytica Chimica Acta， 2012， 757： 26-38

［40］ Handbook of Hyphenated ICP-MS Applications. Agilent Technologies. http：//www.chem.agilent.com

［41］ Chen K J， Hsu I H， Sun Y C. Determination of methylmercury and inorganic mercury by coupling short-column ion chromatographic separation， on-line photocatalyst-assisted vapor generation， and inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Journal of Chromatography A， 2009， 1216： 8 933-8 938

［42］ Yin Y G， Liu J F， Jiang G B. Recent advances in speciation analysis of mercury， arsenic and selenium［J］. Chinese Science Bulletin， 2013， 58（2）： 150-161

［43］ Li H M， Luo Y C， Li Z X. Nanosemiconductor-based photo-catalytic vapor generation systems for subsequent selenium determination and speciation with atomic fluorescence spectrometry and inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Analytical Chemistry， 2012， 84：2 974-2 981

［44］ GBC Scientific Equipment Pty Ltd. Technical note： The advantages of time-of-flight mass spectrometry for elemental analysis. http：//www.gbcsci.com/

［45］ Willie S N， Sturgeon R E. Determination of transition and rare earth elements in seawater by flow injection inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometry［J］. Spectrochimica Acta Part B， Atomic Spectroscopy， 2001， 56： 1 707-1 716

［46］ Qin Y Y， Zhang Z H， Li L， et al. Inductively coupled plasma orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometry （ICP-oa-TOF-MS） analysis of heavy metal content in Indocalamus tesselatus samples［J］. Food Chemistry， 2013， 141： 2 154-2 157

［47］ Fragni R， Trifirò A， Nucci A. Towards the development of a multi-element analysis by ICP-oa-TOF-MS for tracing the geographical origin of processed tomato products［J］. Food Control， 2015， 48： 96-101

［48］ Husáková L， Urbanová I， Audrlická-Vavru?ová L. Multielement analysis of urine by inductively coupledplasma orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometry［J］. Microchimica Acta， 2011， 173： 173-181

［49］ Martín-Esteban A， Slowikowski B. Electrothermal vaporization-Inductively coupled plasma-mass spectrometry（ETV-ICP-MS）： A valuable tool for direct multi-element determination in solid samples［J］. Critical Reviews in Analytical Chemistry， 2003， 33（1）： 43-55

［50］ Venable J， Holcomble J A. Peak broadening from an electrothermal vaporization sample introduction source into an inductively coupled plasma［J］. Spectrochimica Acta Part B： Atomic Spectroscopy， 2001， 56： 1 421-1 440

［51］ Aramendia M， Resano M， Vanhaecke F. Determination of toxic trace impurities in titanium dioxide by solid sampling-electrothermal vaporization-inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry， 2009， 24（4）： 1-50

［52］ Lin M L， Jiang S J. Determination of As， Cd， Hg and Pb in herbs using slurry sampling electrothermal vaporisation inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Food Chemistry， 2013， 141： 2 158-2 162

［53］ Huang S Y， Jiang S J， Sahayamc A C. Ultrasonic slurry sampling electrothermal vaporization inductively coupled plasmamass spectrometry for the determination of Cr， Fe，Cu， Zn and Se in cereals［J］. Spectrochimica Acta， Part B，2014， 101： 46-50

［54］ Wang H， Wu Z K， Zhang Y. et al. Chip-based liquid phase microextraction combined with electrothermal vaporizationinductively coupled plasma mass spectrometry for trace metal determination in cell samples［J］. Journal of Analytical Atomic Spectrometry， 2013， 28： 1 660-1 665

［55］ Kirkbright G F， Snook R D. Volatilization of refractory compound elements from a graphite eletrothermal atomization device for sample introduction into an inductively coupled argon plasma［J］. Analytical Chemistry，1979， 51（12）： 1 938-1 941

［56］ Zhao Y Q， Zheng J P， Fang L， et al. Speciation analysis of mercury in natural water and fish samples by using capillary electrophoresis-inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Talanta， 2012， 89： 280-285

［57］ Liu L H， He B， Yun Z J， et al. Speciation analysis of arsenic compounds by capillary electrophoresis on-line coupledwith inductively coupled plasma mass spectrometry using a novel interface［J］. Journal of Chromatography A， 2013，1304： 227-233

［58］ Yang G， Xu X， Wang W， et al. A new interface used to couple capillary electrophoresis with inductively coupled plasma mass spectrometry for speciation analysis［J］. Electrophoresis， 2008， 29： 2 862-2 868

［59］ Li J X， Umemura T， Odake T， et al. A high-efficiency cross-flow micronebulizer interface for capillary electrophoresis and inductively coupled plasma mass spectrometry［J］. Analytical Chemistry， 2001， 73： 5 992-5 999

［60］ Kovachev N， Aguirre M á， Hidalgo M， et al. Elemental speciation by capillary electrophoresis with inductively coupled plasma spectrometry： A new approach by flow focusing nebulization［J］. Microchemical Journal， 2014， 117：27-33

［61］ 李金英， 魯盛會， 石磊， 等. 毛細管電泳-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)及其元素形態(tài)分析的新進展［J］. 質(zhì)譜學報， 2012， 33（4）： 193-201

Applications and Advances of Hyphenated Techniques of Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry in Analyzing Heavy Metals of Plants

ZOU Xiaojuan1， YIN Xiaoming1*， LI Rong1，2， YANG Chaoguang1
（1 College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China；2 Jiangsu Key Laboratory for Solid Organic Waste Utilization， Nanjing 210095， China）

Since the introduction in 1980 inductively coupled plasma （ICP） has become an universal technique with high resolution and sensitivity， lower detection limits， and minimal sample consumption for inorganic especially heavy metal element analysis and is widely used in the determination for large ranges of samples. The hyphenated techniques of ICP to mass spectrometry （MS） largely promoted the technology for inorganic multi-element analysis. This paper reviewed the theories，performances， ways to reduce spectral interferences of ICP-MS and related hyphenated techniques from 32 related

in the analysis of heavy metals in plants， so as to provide valuable references for the technology of heavy metal analysis in plants.

Inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS）； Hyphenated technique； Heavy metals； Plants

X56

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.002

卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計劃項目和南京農(nóng)業(yè)大學中央高校基本科研業(yè)務(wù)費科技平臺實驗技術(shù)項目（KJSY0201500236）資助。

*通訊作者（yxm@njau.edu.cn）

鄒曉娟（1991—），女，江西九江人，碩士研究生，主要從事環(huán)境生物學研究。E-mail： 2013803191@njau.edu.cn