儀器聯(lián)用技術(shù)在As、Hg、Se形態(tài)分析中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李慧新，崔 鶴*，匡少平，董麗臻貝 峰，馬甲民

（1.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.山東出入境檢驗(yàn)檢疫局，山東 青島 266002；3.泰安出入境檢驗(yàn)檢疫局，山東 泰安 271000）

儀器聯(lián)用技術(shù)在As、Hg、Se形態(tài)分析中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李慧新1，崔 鶴2，*，匡少平1，董麗臻2，貝 峰3，馬甲民2

（1.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.山東出入境檢驗(yàn)檢疫局，山東 青島 266002；3.泰安出入境檢驗(yàn)檢疫局，山東 泰安 271000）

隨著時(shí)代發(fā)展和儀器分析技術(shù)的進(jìn)步，微量重金屬元素As、Hg、Se等對(duì)健康的影響越來(lái)越受民眾關(guān)注，在各種“超標(biāo)事件”層出不窮的今天，元素形態(tài)分析技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。聯(lián)用技術(shù)集高效分離與高靈敏度檢測(cè)技術(shù)于一體，是形態(tài)分析技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文圍繞As、Hg、Se元素的形態(tài)分析對(duì)現(xiàn)代常用的儀器聯(lián)用技術(shù)及相應(yīng)的樣品預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行綜述，并討論各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和未來(lái)元素形態(tài)分析的發(fā)展前景，為研究者檢測(cè)元素形態(tài)方法的選擇提供參考。

聯(lián)用技術(shù)；形態(tài)分析；預(yù)處理；分離；檢測(cè)

微量元素的化學(xué)形態(tài)分析是當(dāng)今科學(xué)研究的活躍領(lǐng)域，形態(tài)分析對(duì)揭示微量元素在環(huán)境和生命科學(xué)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其生物化學(xué)作用都是非常必要的。元素形態(tài)分析的基本要求是獨(dú)立定量多種形態(tài)化合物的同時(shí)不干擾其他形態(tài)的測(cè)定。理想的形態(tài)分析方法是在分離過(guò)程中形態(tài)化合物保持其原始形態(tài)不發(fā)生互相轉(zhuǎn)化［1］。As、Hg、Se常見(jiàn)的元素形態(tài)簡(jiǎn)寫及結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

砷的毒性取決于砷的賦存形態(tài)。多種毒性或微弱或劇烈的砷化物及其衍生物通過(guò)地質(zhì)沉積等地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)入到土壤和飲用水水源。動(dòng)植物在生長(zhǎng)過(guò)程中或多或少地?cái)z入砷，造成了砷在生 物體中分布的不同。由于重金屬在食物鏈的富集作用，作為食物鏈頂端，人類的健康受到巨大威脅。除此之外，類金屬在抗癌方面具有較明顯作用，例如三氧化二砷（As2O3）在治療急性早幼粒細(xì)胞白血病中有很好的臨床效果。盡管金屬類藥物仍在使用，而此類藥物在人體內(nèi)的作用機(jī)制和代謝途徑依舊迷霧重重，為了更好地解決臨床醫(yī)學(xué)問(wèn)題，元素的形態(tài)分析必不可少［2］。汞是唯一在常溫下呈液態(tài)的金屬，有流動(dòng)性，是一種易于揮發(fā)的元素。從毒理學(xué)來(lái)看，重金屬的形態(tài)在它的毒性方面占有至關(guān)重要的地位。在微生物作用下，甲基化后毒性更大。甲基汞在海洋生物體內(nèi)占絕大部分，而且其含量是隨著食物鏈中的營(yíng)養(yǎng)級(jí)的變化而轉(zhuǎn)化。食品中含汞量最高的就是海產(chǎn)品，而這其中甲基汞占有最多比例［3-4］。硒是生物體必需的微量元素，具有多種生物學(xué)功能。不管是過(guò)量攝入或者缺乏都會(huì)引起嚴(yán)重的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)問(wèn)題，例如硒過(guò)量攝入會(huì)導(dǎo)致硒中毒，缺乏則會(huì)引發(fā)慢性克山?。?-6］。硒的毒性取決于它的氧化形態(tài)和數(shù)量。硒的多種存在形態(tài)中，單質(zhì)硒實(shí)際上是無(wú)毒的，因?yàn)樗炔灰兹芙庥植灰孜?，Se4+毒性最強(qiáng)，Se6+次之，硒代氨基酸（如SeCys、SeMet等）反而對(duì)人體有益［7］。

表1　常見(jiàn)As、Hg、See形態(tài)Table 1 Common speciation of As， Hg and Se

根據(jù)傳統(tǒng)分析方法所提供的元素總量的信息已經(jīng)不能對(duì)某一元素的毒性、生物效應(yīng)以及對(duì)環(huán)境的影響做出科學(xué)的評(píng)價(jià)，分析工作者必須提供元素的不同存在形態(tài)的相關(guān)信息以保證結(jié)論的有效性。儀器聯(lián)用技術(shù)作為一項(xiàng)新型的檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合了毛細(xì)管電泳（capillary electrophoresis，CE）、液相色譜（liquid chromatography，LC）、氣相色譜（gas chromatography，GC）和離子色譜（ion chromatography，IC）的高效在線分離性能和電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）、原子吸收（atomic absorption spectroscopy，AAS）和原子熒光（atomic fluorescence spectroscopy，AFS）（AFS和AAS一般還需要附加氫化物發(fā)生或冷阱等裝置）等低檢出限、高抗干擾性的元素檢測(cè)能力，是當(dāng)前形態(tài)分析的主流方法。目前此類相關(guān)文獻(xiàn)很多，元素形態(tài)分析方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也集中在這個(gè)方面。本文分別從As、Hg、Se 3 種元素的分離和檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜述。

1　砷的形態(tài)分析

砷元素在自然界中廣泛存在，砷在自然界中的豐度排第20位［8］。雖然有少數(shù)幾種細(xì)菌能夠?qū)⑸榛衔镒鳛楹粑x物［9］，但是對(duì)于多細(xì)胞生物而言砷是有毒物質(zhì)。受砷污染的地下水是影響全世界幾百萬(wàn)人健康的環(huán)境問(wèn)題。以砷化物的半致死量（LD50）計(jì)，毒性最強(qiáng)的是亞砷酸（As3+）和砷酸（As5+），毒性較小的是二甲基砷酸（DMA）和一甲基砷酸（MMA），而砷甜菜堿（AsB）和砷膽堿（AsC）則被認(rèn)為無(wú)毒［10］。陸生植物中的大部分砷都是有毒的，這是由它們生長(zhǎng)的土壤中砷的濃度和結(jié)構(gòu)所決定的［11］；而海產(chǎn)品中則主要以砷甜菜堿（AsB）和砷膽堿（AsC）形式存在［12-13］。近年來(lái)無(wú)機(jī)砷的分析技術(shù)日漸成熟，而對(duì)于無(wú)機(jī)砷的形態(tài)分析技術(shù)尤以儀器聯(lián)用最為突出。高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）、離子色譜和毛細(xì)管電泳是常用的分離手段。高效液相色譜適用于食品樣品中難揮發(fā)的化合物的分析，具有進(jìn)樣量小、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)；離子色譜法作為一種有效的分離和檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)在砷、汞等的測(cè)定中得到了較多應(yīng)用；毛細(xì)管電泳雖然分離效率高，但是在分離過(guò)程中樣品中分析物的原始形態(tài)可能由于電解質(zhì)或pH值的調(diào)節(jié)而發(fā)生變化，同時(shí)分離效果也受到樣品組成的影響，因此有一定的局限性［14］。近10 年砷形態(tài)分析技術(shù)的發(fā)展歷程見(jiàn)表2。

由表2可知，對(duì)于不同基質(zhì)中砷形態(tài)的提取方法有所不同，在生物樣品中提取更多砷的形態(tài)，一般采取相應(yīng)濃度的酸或有機(jī)溶劑提取，而酶結(jié)合其他方式提取是元素形態(tài)提取未來(lái)發(fā)展方向之一。在砷的形態(tài)分離中主要用陰離子色譜柱分離砷的無(wú)機(jī)形態(tài)［1］，在陰離子色譜柱中HamiltonPRP-X100是使用最多的分析柱，它的分離效能主要受到離子強(qiáng)度、pH值、流動(dòng)相成分等多重因素的影響。當(dāng)流動(dòng)相是磷酸鹽淋洗液時(shí)，溶液大多為中性偏酸，出峰順序?yàn)锳s5+、DMA、MMA和As3+；而當(dāng)流動(dòng)相是碳酸鹽緩沖液時(shí)，溶液偏堿性，使將AsB、AsC等有機(jī)形態(tài)與無(wú)機(jī)砷分離成為可能。另外，pH值改變也會(huì)改變出峰順序［29］，梯度洗脫可以更高效地分離砷的不同形態(tài)。質(zhì)譜和原子熒光檢測(cè)器具有很高的靈敏度，是目前砷形態(tài)分析常用方法。但是由于一些砷的形態(tài)在進(jìn)入原子化器之前不能轉(zhuǎn)化為原子熒光能檢測(cè)到的AsH3氣體，所以在形態(tài)的種類和靈敏度方面用ICP-MS檢測(cè)更具優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)多種形態(tài)定性分析時(shí)，可采用ICP-MS檢測(cè)器；而對(duì)目前更受關(guān)注的無(wú)機(jī)砷等進(jìn)行定量時(shí)，AFS完全可以勝任，而且考慮到儀器運(yùn)行費(fèi)用，AFS的應(yīng)用更為廣泛。

表2　砷的形態(tài)分析方法Table 2 Analytical methods for arsenic speciation analysis

2　汞的形態(tài)分析

汞具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，是一種劇毒的重金屬元素，通過(guò)在空氣中的傳輸擴(kuò)散，沉降到水和土壤中，是環(huán)境中廣泛存在的一類持久性污染物。汞可以在生物體內(nèi)積累，很容易被皮膚以及呼吸道和消化道吸收。由于甲基汞的親脂性、生物累積效應(yīng)和生物放大效應(yīng)，其毒性是無(wú)機(jī)汞的幾十倍。水生系統(tǒng)中可以通過(guò)生物和非生物甲基化作用轉(zhuǎn)化為甲基汞化合物，從而增強(qiáng)毒性，直接對(duì)人類構(gòu)成威脅。無(wú)機(jī)汞的甲基化過(guò)程是汞元素生物地球化學(xué)循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。分離方法與元素選擇性檢測(cè)器在線耦合是汞形態(tài)分析的發(fā)展趨勢(shì)［30］，這種分析技術(shù)的發(fā)展見(jiàn)表3。

近年來(lái)對(duì)于汞元素形態(tài)分析的發(fā)展主要在與前處理和分離兩方面，而這兩個(gè)方面的發(fā)展是相輔相成的。由表3可知，幾年前，前處理方法主要是酸提取、堿提取或有機(jī)溶劑提取。在各種色譜技術(shù)中，除液相色譜外，氣相色譜在測(cè)汞時(shí)也時(shí)有使用。氣相色譜適用于易揮發(fā)或中等揮發(fā)的有機(jī)金屬化合物的分離，而且分離之前的衍生化步驟不僅使分離與分析過(guò)程復(fù)雜化，還增加了待測(cè)形態(tài)丟失或玷污的可能性［14］。反相C18色譜柱是汞元素形態(tài)分離的主要工具，流動(dòng)相也一直是乙酸銨體系，在乙酸銨-二巰基乙醇-乙腈的混合溶液環(huán)境下分離，所得的汞元素形態(tài)提取效率低、種類少；近年來(lái)，在前處理時(shí)加入了L-半胱氨酸結(jié)合酸或有機(jī)溶劑進(jìn)行提取，分離時(shí)毒性較弱的L-半胱氨酸和甲醇分別取代了2-巰基乙醇和乙腈并得到了更準(zhǔn)確、全面的檢測(cè)結(jié)果。在汞的檢測(cè)方面，ICP-MS和AFS各有優(yōu)點(diǎn)。ICP-MS靈敏度高，選擇性好，可多元素同時(shí)測(cè)定，而我國(guó)自主研發(fā)的可結(jié)合UV/HG的AFS，從其發(fā)光機(jī)理看屬于一種原子發(fā)射光譜（AES），而基態(tài)原子的受激過(guò)程又與原子吸收（AAS）相同，它兼具AES和AAS的優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)儀器參數(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化后，可得到與ICP-MS相當(dāng)?shù)撵`敏度和檢出限，在國(guó)內(nèi)的形態(tài)分析方面具有廣闊的發(fā)展空間。但是ICP-MS的缺點(diǎn)是儀器價(jià)格及運(yùn)行費(fèi)用高，并且存在多離子干擾（如測(cè)砷時(shí)的ArCl+干擾，測(cè)硒時(shí)的干擾等），還要考慮鹽分和沉積碳的影響；AFS雖然較之前者成本低廉、易于維護(hù)、光譜干擾及化學(xué)干擾小，在特定的元素形態(tài)轉(zhuǎn)化為檢測(cè)氣體時(shí)的轉(zhuǎn)化率也受到限制。

表3　汞的形態(tài)分析方法Tablee 3 Analytical methods for mercury speciation analysis

3　硒的形態(tài)分析

硒作為人體必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素，是紅細(xì)胞谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的組成成分，主要作用是參與了酶的合成，保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能免受過(guò)度氧化損傷［41］，而且硒和VE相互作用可以起到抗癌的作用等［42］。近些年來(lái)隨著這一領(lǐng)域研究的進(jìn)一步開(kāi)展，硒形態(tài)分析方法研究不斷深入，在線聯(lián)用技術(shù)已經(jīng)成為硒形態(tài)分析中常用的技術(shù)，各種新技術(shù)和新方法層出不窮［43］。人體中硒的生物化學(xué)功能主要取決于硒蛋白的種類和含量這個(gè)結(jié)論已經(jīng)得到了證明。但由于缺少足夠的標(biāo)準(zhǔn)品，在生物硒的測(cè)定方面存在較大困難。因此，在硒蛋白的檢測(cè)方面，建立一個(gè)成熟的硒形態(tài)分析方法已經(jīng)成為迫切需求［44］。近年來(lái)生物樣品中硒的形態(tài)分析方法見(jiàn)表4。

表4較全面地呈現(xiàn)了聯(lián)用技術(shù)在硒形態(tài)分析方法中近10 年的發(fā)展歷程。從前處理和分離方面進(jìn)行闡述。經(jīng)歷了Tris-HCl、酸、酶提取3 個(gè)階段：Tris-HCl和酸雖然能提高提取效率，但是卻有腐蝕性，其中Tris-HCl還可致癌；而酶解法能在較溫和的環(huán)境下高效率提取硒尤其是硒蛋白，是未來(lái)硒形態(tài)提取的主流方法。在硒形態(tài)分離用的分析柱中，常用的是HamiltonPRP-X100和C8/C18等液相色譜柱。HamiltonPRP-X100色譜柱的流動(dòng)相為檸檬酸或者磷酸鹽緩沖液，常用在弱酸性環(huán)境下的分離；而液相色譜柱C8/C18等的流動(dòng)相則比較簡(jiǎn)單，為純水加不同比例的有機(jī)溶劑輔助分離。流動(dòng)相成分由腐蝕性強(qiáng)的組分（如七氟丁酸）或配制麻煩的溶液向容易配制、對(duì)人體危害極小的成分轉(zhuǎn)變。

表4　硒的形態(tài)分析方法Table 4 Analytical methods for selenium speciation analysis

4　結(jié) 論

經(jīng)過(guò)近10 年的發(fā)展，元素的形態(tài)分析技術(shù)越發(fā)成熟，在前處理過(guò)程中趨向使用對(duì)健康無(wú)害的化學(xué)試劑與酶結(jié)合的方法。在分離方面，主要采用的還是色譜分離方法，將不同形態(tài)物質(zhì)引入色譜柱，根據(jù)其在色譜柱上的分配系數(shù)進(jìn)行分離，受基質(zhì)的限制，GC分離不常用，常用的是HPLC法和IC法。分離過(guò)程中流動(dòng)相的成分同樣向簡(jiǎn)便無(wú)害的方向發(fā)展，樣品中常見(jiàn)元素形態(tài)的分離也逐漸由梯度洗脫向等度洗脫轉(zhuǎn)變，而流動(dòng)相的酸堿度（即pH值）對(duì)分離效率有重大影響?？傊?，元素形態(tài)分析的研究在化學(xué)、生物學(xué)、臨床化學(xué)、毒理學(xué)等專業(yè)知識(shí)交互碰撞下正在快速發(fā)展。

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Application of Hyphenated Instrumental Techniques in Speciation Analysis of Arsenic， Mercury and Selenium

LI Huixin1， CUI He2，*， KUANG Shaoping1， DONG Lizhen2， BEI Feng3， MA Jiamin2
（1. College of Chemistry and Molecular Engineering， Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266042， China；2. Shandong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Qing dao 266002， China；3. Taian Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Taian 271000， China）

With time going on and instrumental analytical techniques progressing， the health effects of common trace elements （for example As， Hg and Se） have gained more attention. As an increasing number of ‘exceeding standard' incidents occur， the development of analytical techniques for element speciation studies is of great significance. Hyphenated analytical techniques enabling highly efficient separation and highly sensitive detection are the inevitable trend of element speciation analysis. The aim of this article is to review modern hyphenated instrumental techniques with sample pretreatment procedures for element speciation analysis. The advantages and disadvantages of various analytical techniques and the future prospects of element speciation analysis are also discussed aiming to provide sufficient

for the choice of analytical methods for element speciation analysis.

hyphenated techniques； speciation analysis； pretreatment； separation； detection

O6

A

1002-6630（2015）15-0266-06

10.7506/spkx1002-6630-201515049

2014-11-07

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)（2012YQ090229）

李慧新（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)閮x器分析。E-mail：lihuixin2008@163.com

崔鶴（1962—），男，研究員，博士，研究方向?yàn)殡x子色譜開(kāi)發(fā)。E-mail：cuihe88@aliyun.com