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高效液相色谱_电感耦合等离子体质谱联用技术用于元素形态分析的研究进展

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分析化学(FENXIHUAXUE　评述与进展第11期
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2002年11月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1387～1393第30卷
评述与进展
高效液相色谱Π电感耦合等离子体质谱联用技术
用于元素形态分析的研究进展
黄志勇　吴熙鸿　胡广林　庄峙厦　王小如
(厦门大学现代分析科学教育部重点实验室,厦门361005
3
摘　要　介绍了高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱(HPLC2ICP2MS联用技术在环境、材料和生命科学样品的元素形态分析中的研究进展,着重介绍该联用方法的接口技术及几种与ICP2MS联用的主要色谱类型,阐述了几种样品预处理方法,并对样品引入系统、复杂基体分离和元素形态定量和结构分析等联用技术在元素形态分析中所面临的问题进行讨论。
关键词　高效液相色谱2电感耦合等离子体质谱,联用技术,形态分析,评述
1　引　　言
元素形态概念的提出是现代环境、材料和生命科学等学科的发展需要,仅测量体系中元素的总量已不能满足研究该元素在体系中的生理、毒理作用的需要。元素的行为效应并不仅仅取决于该元素的总量,特定的元素只有在特定的浓度范围和一定的存在形态才能对生命系统和生物体发挥作用。依据
国际纯粹化学和应用化学联合会(IUPAC定义:元素的形态是该元素在不同种类化合物中的表现或分布;形态分析是样品中元素的一个或多个化学形态的定性和定量分析活动。元素形态分析需要用现代分析技术对环境、生化样品中的元素形态进行原位、在线、微区和瞬时的高灵敏度和高分辨率的综合分析,只用单一仪器或技术已很难完成分析任务,因此联用技术是现代分析科学的重要研究手段。自
[3]
1980年由Hirschfeld首次提出联用技术以来,各种联用手段迅速发展,其中高效液相色谱(HPLC和电感耦合等离子体质谱(ICP2MS联用是发展较为完善的技术之一。将ICP2MS用作HPLC的检测器,跟踪被测元素同位素在各形态中的信号变化,将使得色谱图变得简单,有助于元素形态的确认和进行定量分析
[4]
[2]
[1]
。目前该技术已广泛应用于环境、材料和生命科学样品中元素的形态分析。
2　HPLC与ICP2MS联用的接口技术
HPLC与ICP2MS联用技术的关键是接口问题,即样品溶液经HPLC分离后在线地引入ICP的雾化系
统。由于HPLC流动相的流速通常为0.1～1mLΠmin,这与ICP常用的气动式雾化器、交叉流(crossflow雾化器、Babington雾化器和同心(concentric雾化器的样品导入流速是相匹配的,而且,HPLC的柱后流出液压力与ICP2MS的样品导入系统都是在常压下进行的。因此HPLC与ICP2MS的接口不仅容易匹配而且变得十分简单。HPLC与ICP2MS的接口通常用一聚四氟乙烯(PTFE管(I.D.0.14～0.17mm或不锈钢管将色谱柱的流出液直接导入ICP的雾化器,连接的管子应尽可能短,以减少传输管线的死体积、防止色谱峰变宽。但由于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、采样锥和截取锥的堵塞,且有机溶剂在雾化室内壁粘附造成分析信号的“记忆”效应,降低分析的灵敏度和稳定性,是造成该联用技术分析元素形态时误差的主要来源,尤其是当采用梯度洗脱方式时,这种现象将更加严重。常见的几种样品引入方式有:2.1　采用ICP常规的气动雾化系统
　2001210217收稿;2002205205接受
本文系国家自然科学基金委重点项目(No.29735160、福建省科技重大项目(No.2000F001和福建省科技重点项目(No.2002Y024

　　1388分析化学第30卷
在采用常规的气动雾化器时,往载气流中添加入一定比例的氧气,可防止在锥孔形成碳粒造成堵塞。氧气的添加量视流动相中有机物组成和流动相流速而定,一般约占Ar气流量的10%。如Zoorob[5]
等在分离Cr∆和CrΓ时流动相为甲醇2水(80∶20,VΠV,流速1mL/min,载气中Ar为0.7L/min,O2
[6]
为0.07L/min。Andrle等分离相同的Cr形态时流动相为乙腈2水(67∶33,VΠV,流速0.5mLΠmin,载
[7]
气中Ar为0.85LΠmin,O2为0.08L/min。Takatera等用10%或50%的甲醇为流动相分离碘形态时,雾
化气体中Ar为0.70L/min,O2为0.057L/min。2.2　超声雾化器(ultrasonicnebulizer,USN
USN是用超声波的振动作用将样品溶液雾化成气溶胶,它不受载气流速的影响,又能以很高效率获
得雾滴颗粒小、分布均匀的高质量的气溶胶,雾化效率可达20%左右,如果与加热去溶装置联用,则超
[8]
声雾化能大大提高雾化效率而改善ICP2MS的检测限。FangshiLi等用HPLC分离硒形态化合物时用ICP2MS进行在线检测,比较了同心雾化器(Meinhard和超声雾化器(USN对硒形态检测的影响,用含100mgΠLSe的各形态峰面积为信号强度,结果表明:用Meinhard雾化器时三甲基硒离子(trimethylselenonium,TMSe、亚硒酸SeΕ、硒代蛋氨酸(selenomethionine,SeMet和硒酸SeΓ4种形态的峰面积几乎相等,而用USN雾化时,亚硒酸的信号强度提高了7倍,TMSe、SeMet和硒酸的分析信号提高了24～31倍,分析灵敏度提高是由于在超声雾化的去溶过程中各化合物表现出的化学活性、稳定性等性
质不同所致。JianZheng等在反相柱LiChrosorbRP18上用混合离子对试剂2.5mmolΠL12丁基磺酸钠和8mmolΠL氢氧化四甲基铵作为流动相,以流速为1.0mLΠmin等度洗脱分离了硒的8种形态SeΕ、SeΓ、硒代胱氨酸(selenocystine,SeCys、硒尿(selenourea,SeUr、SeMet、硒代乙硫氨基酪酸(selenoethionine,SeEt、硒代胱胺(selenocystamine,SeCM和TMSe,他们比较了Barbington雾化器(气动雾化器和USN雾化器,得出了与FangshiLi相似的结果。但USN易受溶液性质(如粘性、颗粒等的影响,且有一定的“记忆”效应。
[10～12]
2.3　氢化物发生(hydridegeneration接口装置
氢化物发生法是利用产生的初生态氢还原剂或其它化学试剂,将样品溶液中的待测元素如As、Sn、Se、Bi、Hg和Sb还原成挥发性的氢化物,然后借助载气流将其导入ICP系统。该方法可将分析元素预浓集,并与基体分离,提高样品的传输效率,以降低检测限,已被用作元素形态分析的样品导入方法。本实
[13～18]
验室对氢化物发生导入方法进行了大量的研究工作,王小如等建立了连续氢化发生气体传输等离子体放电中的数学模型,设计、研制了新型气液分离器并成功地用做流动注射氢化物发生器,特别是近
[16～18]
年来研制的流动床氢化发生装置,它巧妙地利用固液反应机理进行氢化发生,具有干扰小、所需样品量少(可达0.2μL等优点,可直接作为HPLC与ICP2MS的接口。但氢化物发生法不是对元素的所有形态都能适用,有些形态不能产生信号因而无法检测。
[19～20]
2.4　直接注射雾化器(directinjectionnebulizer,DIN
该雾化器是直接将全部样品注入ICP雾化器中,而后通过载气将样品传输到等离子体中,与样品在常规雾化室的传输效率只有1%～2%相比,它的样品传输效率可接近100%,大大提高了测定的灵敏度。且由于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造成“记忆”现象,分析信
[21]
号稳定。Shum等用排阻色谱分离人体血清蛋白,并用ICP2MS测定不同分子量蛋白质中的金属含量,实验证明:用DIN雾化器比用常规雾化器其绝对检出限改善了1～2个数量级。
[22～24]
2.5　微型同心雾化器(microconcentricnebulizer,MCN
小柱径是HPLC色谱柱技术的发展方向,它可降低流动相的消耗量并且降低组分在色谱柱的分散变宽,提高柱效。与传统柱径如4.6mm(I.D.相比,小柱径的种类很多,如(I.D.2.0mm、1.0mm的微柱及300μm的毛细管柱,相应地其流动相的流速在0.1～0.01mL/min之间,小流量的流出液导致了
[22]
ICP雾化系统的发展。Tangen等使用MCN雾化器,它与10μLΠmin的毛细管柱流出液相匹配。2.6　热喷雾雾化器(thermosprayspray,TSP
[25]
[9]
TSP用作HPLC与ICP2MS的接口技术已相当成熟,它是将HPLC流出液经加热的石英毛细管以极
细的雾滴形式喷出,雾滴大小可通过改变石英管温度和液滴蒸发速率来调节,为防止过多的溶剂对等离

第11期黄志勇等:高效液相色谱Π电感耦合等离子体质谱联用技术用于元素形态分析的研究进展13　　89
子体负载过大的影响,通常设计了冷却去溶装置。其优点是雾化效率高,能允许流速达2mLΠmin的流
出液雾化,但由于毛细管的内径小,易造成堵塞,不太适合于大流量的高盐溶剂雾化。本实验室杨成隆[26]
等研制的TSP装置,热喷雾产生的气溶胶温度可达70℃以上,加上产生的气溶胶液滴极细,其中的有机溶剂在加热管中被蒸发,通过去溶装置,蒸气被冷却后形成大液滴而排出,仅有极少量的有机溶剂进入微波等离子体炬(MPT中,实验结果表明,当甲醇含量高达20%的洗脱液进入TSP雾化系统时,MPT的放电稳定性几乎不受影响。2.7　电热蒸发(electrothermolvaporization,ETV接口技术
[27]
ETV由Nixon首次提出用作ICP2AES的接口技术以来,以其抗基体干扰、提高分析灵敏度的优点,
[28]
广泛用于ICP2AES和ICP2MS的接口装置中。由本实验室研制的ETV卤化装置,与ICP2AES联用在线进行多元素的同时测定,结果表明大多数挥发性元素的灵敏度及信号轮廓有很大的改善。将ETV技术用作HPLC2ICP2MS联用的接口装置,应是值得一试的接口技术。2.8　其它雾化器
[29]
如液压式高压雾化器(hydraulichigh2pressurenebulizer,HHPN、振动毛细管雾化器(oscillating
[30][20]
capillarynebulizer,OCN和高效雾化器(highefficiencynebulizer,HEN等也常用作HPLC2ICP2MS的接口装置。
3　用于元素形态分离的HPLC类型
3.1　分配色谱(partitionchromatography
用于元素形态分析的分配色谱常为反相键合色谱,其流动相多用甲醇、乙腈、水和无机盐化合物,常
[5]
用两元或三元的混合物作为洗脱液。如Zoorob等用ODS柱分离偶氮染料中的Cr∆和CrΦ,用甲醇/
[31]
水(80∶20,VΠV作洗脱液,以流速为1.0mLΠLmin作等度洗脱。Thomas等在C18柱上用混有30mmolΠ甲酸铵的甲醇Π水(5∶90,VΠV为流动相,分离硒代胱氨酸(SeCys、硒代胱胺(SeCM、硒代蛋氨酸(SeMet和硒代乙基硫氨酸(SeEt4种Se的形态化合物。大多数汞形态化合物的HPLC分离方法都是用反相色谱(除个别用阳离子交换色谱法,且流动相大多为甲醇、水、磷酸氢盐或醋酸铵缓冲溶液及少许的巯基
[32]
乙醇作为螯合剂。Huang等在C18柱(250×4.6mm,i.d.10μm上,流动相为醋酸铵(60mmolΠL、甲醇(3%、乙腈(1.5%、ME(1.0%,调pH=6.8,超声雾化后用ICP2MS测定化合物中汞含量,其检出限(μgΠL分别为HgΧ0.08,甲基汞(MMM0.14,乙基汞(MEM0.16。此外用反相分配色谱法还可用来分
离Co、Zn、Fe、Pt、Te及I等元素的形态化合物。3.2　反相离子对色谱(reverse2phaseion2pairchromatography
用于元素形态分离的离子对色谱的类型为键合反相离子对色谱,将含低浓度(0.001～0.005molΠL的反离子水溶性缓冲溶液加入到普通的反相色谱流动相如水、甲醇、乙腈等溶剂中为流动相。根据分离形态的酸碱性不同,只要改变流动相的pH值、反离子的种类及浓度即可控制各形态的保留值,常用的反离子试剂有:烷基磺酸盐和烷基铵盐两类。由于反相离子对色谱操作简便、柱效高,广泛用于极性的元素形态分离中。如砷在生化和环境物质中的形态现已发现有20多种,用反相键合相离子对色谱法可
[33]
分离其中各种无机砷和有机砷的形态。Shibata等用含有4mmolΠL四甲基氢氧化铵和4mmolΠL丙二酸的水溶液和甲醇(95.95∶0.05,VΠV为流动相,调整其pH值3.0分离尿样中的15种砷的不同形态化
[34]
合物。Thomas等用含有0.5mmolΠL四丁基磷酸铵的4mmolΠLNa2HPO42NaH2PO4缓冲溶液为流动相,其pH值用氨水调到9可分离矿泉水水样中的砷酸盐As(V、亚砷酸盐As∆、一甲基砷酸(MMA、二甲基砷酸(DMA、偶砷基甜菜碱(arsenobetaine,AsB和砷胆碱(arsenocholine,AsC6种砷形态。此外,反相离
[35]
子色谱法也可用于其它元素的形态分析。如Brown等在ODS柱上梯度洗脱分离了无机铅、三甲基铅和三乙基铅的含铅形态,流动相由甲醇和含有4mmolΠL戊烷磺酸盐的0.1molΠL醋酸和醋酸钠缓冲溶液
[36]
构成,进行梯度洗脱。Harrington等用10mmolΠL的四丁基溴化铵作为反离子试剂在反相柱上分离了无机汞和三甲基汞。用反相键合离子对色谱法分离元素形态的主要缺点是:流动相的pH值一般只能控制在2～8之间,否则将影响固定相的稳定性。

　　1390分析化学第30卷
3.3　离子交换色谱法(ion2exchangechromatography
在离子交换色谱法分离元素形态的应用中,砷的形态分析应用可能是最多的元素,Broeck等用阴离子交换柱WatersIC2PAK(75mm×4.6mm,以80%的NaH2PO4和20%Na2HPO4为流动相组成,调其pH值为6分离了作为砷污染的生物指示剂绿豆苗中的As∆、AsΦ、MMA、DMA、AsB和AsC6种砷形态,
75
用ICP2MS检测,发现砷大部分富集在根部,并且AsΦ可在根部还原为As∆。用ICP2MS检测As(mΠz
[37]
含量时,由于分析的样品大多属于生物和环境样品,其基体中含有大量的氯元素,在ICP2MS中将产生4035+[38]ArCl(mΠz=75干扰,须对样品进行预处理,如Lintschinger等在阴离子交换树脂上用2mmolΠL氢氧化四甲基铵和10mmolΠL碳酸铵分离了尿样中的5种砷形态,在分离前,样品先用水稀释5倍并过滤
[39]
以减少基体干扰。为了能在一次色谱条件下将带不同电荷的形态物质分离,Pongratz用阴离子交换色谱和反相色谱联用,用ICP2MS测定被砷污染的土壤中砷的形态As∆、AsΦ、MMA、DMA、AsB和AsC。此外,离子交换色谱还应用于其它元素离子的形态分离分析中,如Cr∆与CrΓ,Se的形态等。3.4　排阻色谱法(size2exclusionchromatography,SEC
SEC主要用于分离蛋白质或聚合物等大分子量的试样,其分离原理多数是基于分子的尺寸和形状。如果用已知分子量大小的物质先校准色谱柱,则该色谱柱在用于元素形态分离时即可知道各形态的分
[40]
子量范围。本实验室胡广林等在研究灌胃中药朱砂后大鼠血清中的汞形态时,用SephadexG275为色谱柱,以pH7.36的Tris2HCl缓冲溶液为洗脱剂实现了大鼠血清蛋白质的分级分离,用ICP2MS在线检测流出液汞的含量,协同SEC2UV在280nm处的检测,判断大鼠血清中的汞是以一种蛋白质的键合态形式存在,接着用反相柱SepherisorbC18(250mm×4.6mm,5μm与电喷雾电离质谱(ESI2MS联用精确地确定
[41]了该蛋白质的分子量为66044Da,是一种血清白蛋白。Leopold等用SEC2ICP2MS(以pH7的10mmolΠL醋酸铵为流动相研究重金属污染的植物体内HM2PC化合物时,发现有些耐重金属(HMs的植物如西
[42]
纶等并不是通过形成植物螯合物(phytochelatins,PCs来解毒。Crews等用凝胶色谱柱分离猪肾中的Cd形态:金属巯基类蛋白(metallothionein2likeprotein,采用的流动相是pH为7.5的0.12molΠLTris2HCl,用ICP2MS检测结果表明,在猪肾脏的可溶性Cd中,绝大部分是与金属巯基类蛋白质结合的。Gercken[43]
等分析血液中的铅蛋白时用凝胶柱TSKG3000SWcolumn(300mm×7mm,调pH为7.2的0.1molΠLTris2HCl作为洗脱液,用交叉流雾化器及带Scott雾化室的ICP2MS测定各种铅蛋白中的Pb含量,
[44]
检测限可达0.15mgΠL。Szpunar等用凝胶柱SupelcoProgelTSK(4.0cm×6mm,30mmolΠLTris2HCl缓冲液为流动相(pH7.2等度洗脱分别测定两种含Pt和3种含Ru的抗癌金属基药物,发现含Pt药物顺氯氨铂(cisplatin和羰基铂(carboplatin在结合了血浆蛋白之后,其抗癌作用显著下降;而含Ru药物
(Na2trans[RuCl42ind2]和(HInd2trans[RuCl42ind2]在结合一个血浆蛋白分子之(HIm2trans[RuCl42im2]、
后,其抗癌能力不仅没有减弱,反而比结合前更强。
3.5　胶束色谱法(Micellarchromatography,MLC
[45]
胶束色谱法本属于反相离子对色谱,所不同的是反离子是一种高浓度的表面活性剂。Suyani等在ODS柱上用0.1molΠL的十二烷基磺酸钠(SDS为流动相分离了4种锡的烷基化合物,用ICP2MS检测Sn的检测限可达到pg级,要注意的是流动相SDS的浓度不能超过0.1molΠL,否则将会造成采样锥的堵塞。3.6　手性液相色谱(chiralliquidchromatography,CLC
CLC是用手性化合物为流动相或以手性物质为固定相来实现分离,已商品化的手性固定相色谱柱已有很多,如以环糊精、大环抗生素、蛋白质、纤维、淀粉和手性冠醚等为固定相的色谱柱已广泛用于各
[46][47]
种手性物质的分离中。Mendez等在β2环糊精柱上成功地分离了D,L2硒代蛋氨酸(D,L2selenomethionine对映体。
4　形态分析中的样品预处理方法
在环境、材料和生命样品的元素形态分析中,由于基体复杂且各形态的含量低,需要对样品进行分离和富集处理,处理过程中不应引起各形态发生变化。很显然,经典的干法灰化、湿法酸消解以及密闭

第11期黄志勇等:高效液相色谱Π电感耦合等离子体质谱联用技术用于元素形态分析的研究进展13　　91
微波消解法都不适宜于形态分析。近年来,微波辅助萃取、固相微萃取、加速溶剂萃取等先进的分离技
[1]
术在样品处理中得到广泛应用。如以敞开式的聚焦微波样品处理技术在元素形态分析方面展现了良好的应用前景,该技术是使低能量微波通过一定途径聚焦于样品,并通过对作用时间、微波功率、传播介质等进行优化以保证萃取过程中的研究组分有效溶出且不遭破坏。本实验室吴熙鸿等采用STARII(美国CEM公司聚焦微波样品处理系统对龙胆草进行水浸取处理,用C18柱对浸取液进行分离,再用流动注射2ICP2MS测定了其中的9种元素的游离态及结合态含量。此外,超声波辅助萃取也是元素形态分析样品处理的有效手段,它是用超声波能量使固体样品分散,增大样品与萃取溶剂的接触面以提高传质速率。微型柱富集技术具有高富集效率(富集因子为8～250、试样耗量少、操作方便等优点。通常用于预富集的柱填料有:羟基聚氮杂环聚亚甲基异腈酸盐(CPPI、聚二硫代氨基甲酸(PDTC、Chelex2100、活
[48～52]
性炭和C18、硅胶等,这种方法已在本实验室被广泛应用于复杂基体中的痕量元素的测定中。流动注射2微型柱与HPLC2ICP2MS联用作为样品前处理的富集方法,能在线地对各形态富集并与基体分离,是形态分析中前处理的有效途径。
酶具有高效、专一和条件温和等优点,利用酶进行水解提取也是形态分析样品处理的方法。如用纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶对植物样品进行水解,可获得元素与大分子结合的相关信息。本实验室吴熙鸿等采用模拟胃液(含1%胃蛋白酶和模拟肠液(含0.5%胰蛋白酶对矿物药朱砂中的As和Hg在人体消化道的溶解和存在形态进行了研究。将酶与现代提取手段相结合将是形态分析中样品处理方法的发展方向。
5　HPLC2ICP2MS联用技术展望
HPLC2ICP2MS联用技术是元素形态分析的有效途径,它融合了HPLC高效分离的特点及ICP2MS具
有的低检测限、宽动态线性范围及能跟踪多元素同位素信号变化等优点。通过对元素形态信息的了解,有助于研究各形态在环境、材料及生命科学中的作用机理。但接口技术、基体干扰及标准参考物质的匮缺等仍是该联用技术面临的关键问题。HPLC2ICP2MS只是跟踪元素形态中的金属信号变化,要确定形态分子的组成还需参照其它分析信息,其中NMR技术和HPLC与ESI2MS联用技术是确定形态分子组成、结构的有效方法,借助于这些分离、分析技术可发现未知的元素形态分子并确定其组成。其中ESI2
[53]
MS是确定分子量的有效手段,本实验室胡广林等用多个联用系统,对中药中有毒金属元素蛋白质化合物进行表征,用ESI2MS获得了蛋白质的准确分子量。
随着色谱技术的发展,小柱径色谱柱和有效、科学的流动相组成、洗脱方式以及不同色谱柱之间的联用都是HPLC的探讨内容,其目的在于提高分离效果,而流动相中的有机溶剂是影响分析灵敏度的主要因素之一。因此,相应的与ICP2MS联用的接口装置是该联用技术的发展重点,USN、氢化物发生法、DIN、MCN、STP、ETV和HHPN等样品导入装置是形态分析重要的联用接口技术。
致谢　部分工作在Angilent公司捐赠的LC2MS(HPseries1100MSD上完成,特表谢意。References
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　　1392分析化学第30卷
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SpeciationAnalysiswithHyphenatedTechniqueofHighPerformanceLiquidChromatographyandInductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry
HuangZhiyong,WuXihong,HuGuanglin,ZhuangZhixia,WangXiaoru
3
(KeyLaboratoryofAnalyticalScienceofMinistryofEducation,XiamenUniversity,Xiamen361005
Abstract　Thispapermainlydescribesthedevelopmentofspeciationanalysisinenvironmental,materialandlifescientificsamplesbythehyphenatedtechniqueofhighperformanceliquidchromatographyandinductivelycoupledplasmamassspectrometry(HPLC2ICP2MS.TheemphasisismadeontheinterfacebetweenseparationtechniqueandICP2MSaswellasthemaintypesoftheliquidchromatography.Somemethodsofsamplepretreatmentareelucidated.Inaddition,theproblemsrelatedtothespeciationanalysisbyHPLC2ICP2MS,suchasthesampleintroducingsystems,thematrixseparationandthespeciationanalysisofqualitativeidentificationandquantificationarebrieflydiscussed.
Keywords　Highperformanceliquidchromatography2inductivelycoupledplasmamassspectrometry,hyphenatedtechnique,speciationanalysis,review
(Received17October2001;accepted5May2002

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/4ed76b68a98271fe910ef9db.html

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