（分析化学专业论文）离子色谱电感耦合等离子体质谱联用技术在形态分析中的应用.pdf

摘要 本文对三种元素：铬，溴，碘进行形态分析研究。应用离子色谱 和电感耦合等离子质谱联用方法分别对这三种元素的元素价态及各 种成分类型进行测定。通过改变影响离子色谱分离的主要因素：淋洗 液种类、淋洗液浓度、淋洗液的p h 值、淋洗液的流速等，根据实验 结果研究这些因素的变化对离子色谱和电感耦合等离子质谱联用测 定铬，溴，碘进行形态分析的影响规律，总结出用离子色谱和电感耦 合等离子质谱联用对铬，溴，碘进行形态分析的最佳条件。铬在p h 值为2 和流速为1 51 1 1 l m i n 条件下，用6 0 1 1 1 m o l l 的硝酸作为淋洗液， 对c r 进行检测。c r ( i ) 最低检出限为o 0 5 蟾- l ，线性范围为 o 0 5 5 0 0 心l ，r 2 为o 9 9 7 ，峰面积重现性为2 7 8 ；c r ( ) 最低检 出限为o 5 峪l ，线性范围为o 5 5 0 0 憎l 一，r 2 为o 9 9 9 9 ，峰面 积重现性为2 0 8 。碘在流速为1m l m i n 条件下，用3 0 胁0 1 l 的n a 2 s 。0 。 作为淋洗液，对i 。进行检测。i o 。一最低检出限为o 5 瞻l ，线性 范围为o 5 5 0 0 l ，r 2 为0 9 9 8 4 ，峰面积重现性为2 8 9 ；i 一最低 检出限为1 o r ，线性范围为1 o 5 0 0 腿l ，r 2 为o 9 9 9 8 ，峰 高重现性为1 7 0 。溴在流速为1m l m i n 条件下，用4 m m o l 几的n a 。s 。o 。 作为淋洗液，对b r ，。进行检测。b r 0 。一最低检出限为1 o l l ，线 性范围为1 。o 一5 0 0 g l ，r 2 为o 9 9 9 7 ，峰面积重现性为2 1 7 ；b r 一 最低检出限为o 8 “g l 一，线性范围为o 8 5 0 0 g l ，r 2 为o 9 9 9 8 ， 峰高重现性为2 7 4 。在这些最佳条件下对实际样品进行检测，结果 满意。 3 a b s t f 翟c t t h r e ea 1 1 a l y t i c a lm e t h o d sf o rm es 印a r a t i o n a n dd e t e 加1 i n a t i o no f c m i u m ( i i i ) ，吐r o 皿u m ( ) ，i o d a t e ( 1 0 3 - ) ，i o 砌e a n db r o m a t e ( b r 0 3 _ ) ，b r o m i d e ( b r ) u s i n gi o nc h r o m a t o g r a p h yw i t l lj n d u c t i v e l y c o u p i e dp i a s m am a s s s p e d r o m e t r i cd e t e c t i o n ( i c i c p m s ) w a s d e v e l o p e d d i o n e xi o n p a c a g1 4a ( d j o n e x ，u s a ) o r 1 0 n p a c a s1 4 a ( d i o n e x ，u s a ) a ss e p a r a t i o nc o l u n m al n o b i l ep h a s ec o n s i s t i n go f 6 0m m 0 1 l 。l h n c 3w a su s e dt o s e p a r a t ea n dd e t e r m i n a t i o nt h e m i x t u r eo ft h ec h r o m i u m ( c r ) s p e c i e si i l c l u d i i l gc r 3 + a n dc r 0 4 。a m o b j l ep h a s ec o n s i s t i n go f 5m 加 o l l 一1s o d i u mt h i o s u l f a t ew a s u s e dt o s e p a r a e h em i x t u r eo ft h eb r o m i n e ( b r ) s p e c i e si n d u d i l l gb r 0 3 a n d b r - a n dam o b i i ep h a s ec o n s i s t i l l go f3 0m m o l l - 1s o d i u mt h i o s u l f a t e w 8 8u 5 e 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3 ) f o rb r 0 3 。a n db r w e f e1 ou g l 1a n d0 8 陷l - 1 髓e l i n e a rr a n g ew a s3o r d e r so fm a g l l i t u d e 怕m1 o 斗g l _ 1t o5 0 0 吵g l - 1 w i t hr e g a r dt or e p r o d u c i b i l i t y ，r s d ( n = 7 ) w a sb e t t e rt h a n3 d e t e c t i o nl i m i t s ( s n = 3 ) f o r1 0 3 a j l di w c r eo 5 g l - 1a n d1 0 肛g l 1 7 i h el i n e a r r a n g ew a s3 o r d e r so fm a g n i m d ef r o m0 5 g l _ 1t o5 0 0 g l _ 1 w i t hr e g a r dt or 印r o d u c i b i l i t y ，r s d ( n = 6 ) w a sl e s st h a n4 t h em e t h o d sw e r ea p p l i e dt ot h ea n a l y s i so f1 0 3 ，i 。a n dc r ( i i i ) ，c r ( v i ) i nw a t e r ，u r i n e ，a n dv e g e t a b l es a m p l e s 5 第一章前言 形态分析是分析化学的一个分支，它包括物理形态分析和化学形态分析，本 文仅涉及化学形态分析。尽管元素化学形态分析已经有3 0 多年的研究发展史， 但由于其复杂性，长期以来，人们对形态分析的认识还不是很明确，概念和术语也 比较混乱。自上世纪8 0 年代以来，一直有各种有关形态分析定义的讨论。国际纯 粹应用化学联合会( i u p a c ) 于2 0 0 0 年统一规定了痕量元素形态分析的定义：化学 形式一种元素的特有形式，如：同位素组成，电子或氧化状态，化合物或分子 结构等。形态一种元素的形态即该元素在一个体系中特定化学形式的分布。 形态分析识别和( 或) 定量测量样品中的一种或多种化学形式的分析工作。分 步提取根据物理( 如粒度、溶解度等) 或化学性质( 如结合状态、反应活性等) 把样品中一种或一组被测定物质进行分类提取的过程。 随着现代科学技术的不断发展，人们对分析化学的要求已不能满足于元素总 浓度的测定。因为总浓度不能反映元素在样品中存在的实际状态，因而不能给出 元素的化学活性、生物活性以及毒性等在生物、环保、l 临床医学、毒理学等各个 研究领域十分需要了解的信息。因此，开展元素形态分析研究，推动分析化学向 更深层次发展，已成为各国分析化学家所面临的挑战性新课题。 1 元素形态的定义与分类 1 1 形态的定义 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( i u p a c ) 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。元素形态即是指某种元素的各个物理一化学形态，其总和构成样品的总浓 度 1 。物理形态是指元素在样品中的物理状态如溶解态、胶体和颗粒状等。化 6 学形态是指元素在样品中以某种离子或分子存在的实际形式，它包括元素的价 态、化合态、结合态、聚合态、结构状态等。元素的形态分析就是确定元素在样 品中的各种形态以及各形态的分布与含量。 1 2 形态的分类 由于元素在样品中的形态比较复杂，至今尚无分类的统一标准。一些作者根 据元素在样品中的稳定程度将其分为稳定态和不稳定态。也有作者根据元素在水 溶液中的电化学活性，将其分为活性态和非活性态。现在较公认的一个准则是将 能通过o 4 5l lm 孔径滤膜的称为溶解态，被截留的称为颗粒态，但这样划分的 不足是在溶解态中往往会出现可穿滤的胶体微粒 2 。一个较为系统的分类设想 是将元素形态分为六组：溶解态和非溶解态，胶态和非胶态，有机态和无机态， 离子态和非离子态，络合态和非络合态以及价态 3 。 1 3 形态分析的层次 形态分析层次是指形态分析按不同的要求和复杂程度所划分的级别，划分依 据由分离和测定的具体规模和内容来确定，一般分为三个层次 3 ：初级形态分 析、次级形态分析和高层次形态分析。初级形态分析是指先用某种溶剂进行萃取， 经o 4 5pm 膜过滤后，分别测定溶液和残渣中某元素的总量，这一级分析主要考 察元素某形态的溶解情况，解决区分溶解态和非溶解态，部分有机态和无机态的 问题。次级形态分析则为对残渣用不同溶剂作进一步萃取，或对溶液作进一步分 离，再测出不同相中有关元素的含量，目的在于区分离子态和非离子态、络合态 和非络合态、有机态和无机态，并确定相应量的范围。高层次形态分析是指对各 种形态在分子水平上的研究，例如对残渣作表面分析以及确定溶液中的络合物组 成、离子的电荷、元素的价态及各种成分的优势分布等。本文主要确认元素的价 态及各种成分类型，并确定相应量的范围，属于高层次形态分析。 1 4 元素形态的分析方法 元素形态分析的基本方法可分为两类：计算法和实验法，现分别介绍如下。 7 1 4 1 计算法 计算法 5 主要应用于水样中元素形态的分析，当水样中金属离子及配位体 的类型和浓度都己知、体系处于平衡状态时，利用络合物稳定常数、氧化还原电 位、温度、p h 值等热力学数据，建立合理的计算程序，由计算机计算体系中不 同形态的平衡分布，继而求出其百分比。该法简便、快速，可模拟水质因素的影 响，对变化趋势作出判断。近年来由于计算机的普及，使计算法得到了较大的发 展。但由于缺乏足够的溶液热力学数据和平衡模式，该法的应用也受到定的限 制。 1 4 2 实验法 实验法即采用各种分析测试手段测定元素形态的方法，主要包括分离与测定 两部分。由于元素在试样中的存在形式复杂含量非常低，给测定带来很大困难。 因此要求所用方法具备以下条件：检出限低、选择性高、无取样损失、样品易于 处理与制备。 1 4 2 1 元素形态的分离 分离是形态分析的前处理步骤，分离可使体系简化而易于测定。常用的分离 方法有萃取、离子交换、超滤、渗析、共沉淀、离心、色谱分离等 6 。 萃取或浸取是形态分析中应用最多的分离手段。尤其是对固体样品，人们发 现元素常以如下几种形式存在于土壤和沉积物样品中 6 ：( 1 ) 以可交换离子态存 在于样品表面；( 2 ) 以吸附形式存在于试样表面；( 3 ) 以沉淀形式存在于试样之中： ( 4 ) 以共沉淀形式存在；( 5 ) 以有机络合物形式存在；( 6 ) 以矿物晶格成分存在。 对以上几种形式，用不同的萃取剂可以有选择的萃取某种元素或元素的某一成 分，例如，以中性盐( 钙、镁的氯化物) 溶液，提取可交换的金属离子；以弱酸性 缓冲液，溶解表面上吸附的金属成分；以络合剂或有机溶液，萃取与有机配位体 键含的成分；以强酸或碱性溶剂分解处理硫化物、硅酸盐等难溶部分。此外，还 可根据需要对样品进行连续萃取、分步检测。连续萃取按萃取剂的萃取能力由弱 ( 如水) 到强( 如浓酸) 来进行。 离子交换也是常用的分离方法，其优点在于操作简便、污染小、样品破坏小。 采用阳离子交换树脂可以富集溶液中的“自由”金属离子，稳定的有机金属络合 物直接流过柱子不被富集。分别测定树脂内和流出液的金属含量，可得出元素有 8 机组分和无机组分的浓度 7 。超滤膜孔径一般为1 1 5 n m ，它可用于从胶体中 分离分子形态，或对分子大小的胶体微粒进行分类，是一项值得研究的技术。超 滤遇到的主要问题是滤膜极易受到污染，故前处理工作十分重要。渗析用膜孔径 为1 5 n m ，其作用与超滤基本相同，但分离速度比超滤慢许多 4 。共沉淀主要 用于分离水样中元素的某种形态，如在p h = 8 的条件下，以氢氧化镁作载体沉淀 铬( m ) ，而铬( v i ) 留在溶液中，过滤后可分别进行测定 8 。 色谱分离目前是形态分析中比较重要的分离手段，常用的色谱分离有：气相 色谱、高效液相色谱、离子色谱、毛细管电泳等。其中离子色谱是阴、阳离子分 析的重要手段，主要用于天然水、卤水、岩石、土壤、沉积物、硫化矿等样品中 f 一、c l 、b r + 、i 、n o 。、p 吼”、s o 。”等的测定。气相色谱可以进行微单矿物中h 。0 、 c o 。测定和药物成分分析，拥有对无机和有机化合物的测定方法以及水样中金属 形态分析研究。气相色谱一质谱联用系统是当今优秀的分析手段之一，它具有高 效分离和准确鉴定的特点，该技术将在有机地球化学研究、石油、化工、医药等 有机化合物形态分析中起重要作用。液相色谱在手性化合物分离，药物检测，环 境检测等方面起了重要的作用。液相色谱一质谱联用目前是形态分析的重要分离 手段之一。 1 4 2 2 元素形态的测定 元素形态经分离后即可用各种方法进行测定。早期一些作者用化学分析法测 定土壤中非金属元素的形态 9 。化学法灵敏度较低，操作繁锁。随着仪器分析 技术的发展，仪器分析在形态分析中起着越来越重要的作用。 原则上各种仪器分析方法只要有足够的灵敏度，都可用于元素形态的测定。 常用的方法有电化学分析法，光谱分析法以及质谱分析法。 电化学分析法主要用于元素的价态分析 1 0 ，阳极溶出和离子选择电极法由 于不破坏样品中不同形态之间的平衡，可用于未分离水样的直接测定。阳极溶出 法灵敏度高、检出限低，更适用于痕量分析，应用也较多。离子选择电极的选择 性高，对测定污染液中某一离子有特殊作用，但离子电极的检出限一般仅为 l o l o m 0 1 l ，使其应用受到限制。近年来发展起来的化学修饰电极，由于 具有电化学传感、选择富集与分离等功能，是形态分析中一项十分有潜力的技术 9 1 1 。 光谱分析中的分光光度法、原子吸收光谱法、发射光谱法及x 射线荧光光谱法在 元素形态分析中都得到了应用，其中原子吸收光谱法尤为突出。分光光度法主要 用于不太复杂的形态分析，通常是价态分析，如先测某种价态金属离子与某显色 剂形成的络合物，接着将试样经氧化还原处理，使待测元素全部转化成可与显色 剂作用的价态，然后测元素总量，用差减法计算出元素各价态的含量。在原子吸 收光谱法中，利用氢化物发生技术，根据不同价态元素产生氢化物的能力和氢化 物气化点的不同，可选择性地检测某一价态元素的含量 7 。 此外表面分析技术如x 射线、紫外光电子能谱、扫描电镜、激光微探针质谱 等可以揭示表面的原子结构和物质的化学组成，也是表征颗粒表面元素形态和分 布的有用工具。 1 0 第二章形态分析中的常用技术和检测元素 2 1 联用技术 化学形态分析对了解环境元素的毒性及其对生态系统的影响极为重要，已成 为近年来越来越引入关注的课题。对于环境中的痕量无机元素的价态、化合态、 金属有机化合态进行分析，是近年来化学分析中非常活跃的领域。形态分析的主 要挑战是样品处理问题，即如何完整无损的将原始样品中存在的各种形态定量分 离。最合理的形态分析应该是通过直接探测天然环境中原始样品的在线实时分 析。但目前多数方法需要采集样品并在实验室中预处理之后进行分离和测定。显 然，这种方法存在着一些缺陷，在分析期间存在形态改变的可能性。目前固体样品 的前处理一般采用选择性浸取，辅以加压、超声、微波等手段。 准确形态分析的主要手段是联用技术，即先用有效的在线分离技术将某种元 素的各种化学形式进行选择性分离，然后用高灵敏度的无机元素检测技术进行测 定。这些联用技术正在环境科学、临床化学、毒理学和营养学等领域不断扩大应 用范围。 联用技术是指将分离与测定结合为一体的分析方法。例如，气相色谱、高效 液相色谱是良好的分离技术，而原子光谱法是灵敏度和选择性都比较好的检测方 法，若将两种方法和仪器联用，就可以发挥两者的特长，成为鉴定化合物的有效 手段，可以解决形态分析中的许多难题 1 2 ，1 3 。目前在有机金属化合物的形态 研究中，多采用联用技术 1 4 。常用的联用技术有：气相色谱、高压液相色谱、 离子色谱与原子吸收、原子发射光谱联用：气相色谱、液相色谱与质谱联用。最 常用的做法是依据被分析物的物理化学特征，如挥发性、电荷、极性、质量及分 子的空间结构等性质，选择气相色谱、高效液相色谱、超临界流体色谱和毛细管 电泳等现代色谱学分离技术进行被测物质的形态分离，然后用原子吸收光谱、原 予荧光光谱、微波诱导等离子体原子发射光谱、电感耦合等离子体原子发射光谱 ( i c p a e s ) 和电感耦合等离子体质谱( i c p m s ) 等高灵敏度、高选择性的无机元素 检测技术进行狈t 定。形态分析的研究真正引起广泛莺视并得到迅速发展是在过去 1 1 l o 年期间。这主要是因为i c p 州s 技术的发展，该技术极高的检测灵敏度以及可 以方便地与分离技术联用的特点为形态分析提供了强有力的检测手段。最近几年 来，形态分析的研究报道急速增长，每年发表4 0 0 5 0 0 篇文章。据统计，大约有 l 3 的形态分析文献采用的是i c p m s 检测。i c p m s 还可应用同位素稀释法分析， 以使测定结果不受样品基体的干扰，应用同位素标记法显示元素在分析过程中形 态的转变，用以验证联用方法的有效性。近年来出现的离子色谱或高压液相色谱 与电感耦合等离子体质谱联用被认为是形态分析检出限最佳的技术，而离子色谱 和电感耦合等离子体质谱联用因为其流速的匹配，淋洗液的容易选择而更具有优 势。本文就是应用离子色谱和电感耦合等离子体质谱联用对元素形态进行研究 的。在下文中会单独介绍这两种仪器的简单构造和原理。 2 1 1g c 在形态分析中的应用 g c 的本质决定了它比较适合于挥发性金属及金属有机化合物的分析，对予 难挥发金属及其金属有机物，需要转交成挥发性的化合物，通常是利用各种衍生 化方法使其转变成金属共价氢化物或螯合物，保留时间被用作鉴定的依据。 2 1 1 1g c 分离系统 g c 色谱柱和毛细管柱均已广泛用于手性化合物的分离。填充柱的优点是在 有油脂或有机物残渣沉积后，可通过更换部分填料而消除污染。不足之处是柱效 低而且不适合于在热的金属表面易发生分解的有机金属化合物的分离。此外，毛 细管柱及大口径开管柱也被广泛地应用。其柱效高，分辨率好，尖锐的峰形可导致 灵敏度的提高。 2 1 1 2g c 检测系统 a a s 原子吸收光谱法选择性较高，石英炉或石墨炉电热( e t ) 从s ，是金属有 机化合物形态测定中广泛使用的检测技术。主要缺点是，灵敏度随着待测形态挥 发性而改变。冷蒸汽( c v ) 从s 可用于各种有机汞的g c 流出物测定 1 5 。a f s 具有 很高的灵敏度，适于易挥发元素的测定。a e s 广泛应用于发射激发的等离子体 有：直流电流等离子体( d c p ) ，微波诱导等离子体及电感耦合等离子体。其中 m i p a e s 具有良好的绝对检出限( 一般低于l p g ) ，适宜作g c 的检测器 1 6 。 m s ( 主要是i c p m s )由于g c 的高分辨率和i c p _ m s 的高灵敏度和选择性，使 g c i c p m s 成为形态分析理想的联用技术。g c i c p m s 已用于水、沉积物等环境 样品中的s n 、h g 、p b 金属有机形态的测定 1 7 。但是，g c i c p m s 联用最大的 难度是必须使被分析物在从g c 传输到i c p m s 时保持气态。 2 1 2 珈p l c 在形态分析中的应用 与g c 相比，h p l c 通常是在室温下进行，对高沸点和热不稳定化合物的分离不 需经过衍生化，因而使得h p l c 更适合于环境分析以及生物活性物质分析。同 时，h p l c 拥有较多的可改变的因素( 包括固定相和流动相等) ，使得h p l c 的适用性 更为广泛。 2 1 0 1h p l c 分离系统 在化学形态分析中应用较多的是离子色谱( i c ) ，因其具有分离游离或络合物 离子型化合物的能力。反相( r p ) h p l c 由于利用了离子对试剂，因而也能广泛用于 分子型化合物的分离。随着h p l c 与各种检测器联用技术的发展，各种h p l c 形式 的微柱分离系统也得到发展。h p l c 和( r p ) h p l c 可用于s e 、h g 、a s 、s n 、p b 1 8 、 1 9 等元素的多种化学形态的分离。 2 1 2 2h p l 检测系统 目前，所有与珊l c 联用的检测系统中，原子光谱和质谱已证实最适合于痕量 元素的化学形态分析。火焰f a a s 不仅具有极好的金属问选择性，同时还具有易 接受液体样品的特点。 刑z f 从s 联用技术在化学形态分析中的应用实例很多， 它的最大缺点是灵敏度较低。与g c 不同的是，h p l c 主要和原子发射光谱中的 i c p a e s 联用。i c p m s 是目前公认的最灵敏、最可靠的质谱检测系统，尤其 适合元素及同位素分析。珊l c i c p m s 技术已日趋成熟，并已广泛用于环境化 学中的形态分析，其技术最大的困难是：大量有机溶剂的引入抑制了i c p m s 的 灵敏度，缓冲液中的盐类及大量有机物质可能阻塞进样系统和接口锥孔。 2 1 3 超临界流体色谱 在形态分析中的应用金属有机化合物的超临界流体( s f ) 萃取近年来被广泛 报道。s f 是指超临界温度低于2 1 0 ，并且在压力为( 7 4 2 ) 1 0 5 p a 时密度为 o 1 1 9 l 的流体，超临界流体色谱( s f c ) 应用这种流体为流动相。由于c 0 。具有 适中的超临界常数以及其惰性和易获得纯品，因此在s f c 中是一种最常用的流动 相。s f c 如萃取金属的主要优点是能减少有机废液的产生，而且能直接从固体样 品中获取分析物。虽然近来大部分s f c 报告是关于有机物的分析，但第一个sf c 的应用报告却是金属有机化合物的分析报告。 2 1 4 毛细管电泳 毛细管电泳( c e ) 法在最近几年快速发展，很有发展前景。它用于形态分析具 有通用性好，分析时间短，样品消耗量少，分离效率高且分析成本低的优点。但受 进样量限制而最低检出浓度大，分析方法还有待完善。 2 2 流动注射分析技术 流动注射是近年来发展较快的分析技术 2 0 、2 1 。其方法是：先将液体样品 注入到一流动的、非间隔连续载流中，注入的样品形成一个带，被传送到检测器 中，根据检测器物理量的变化，进行化合物的分析测定。流动注射分析的特点是 分析速度快、试剂和试样的消耗量少、仪器结构简单、操作简便。它是一种高效 率的溶液处理技术，可以将溶液和显色剂、氧化还原剂的混合、分析溶液的输送 结合为一体，可用于分离检测元素的各种化学形态。 2 3 其他分析方法 2 3 1 放射性同位素示踪技术 应用放射性同位素作示踪原子，可以考察元素形态在生物体内吸收、分布、 排泄、转移及转变的情况。由于放射性同位素及其化合物与普通元素及其化合物 的化学性质和生物性质完全相同，因此所发生的化学变化与生物过程也完全相 同。这样，利用同位素作为一种标记，制成含有同位素标记的化合物来代替普通 食物、药物或代谢物质，根据每种放射性同位素能不断地放出一定特征的射线， 通过放射性探测仪，追踪放射性同位素标记物在体内或体外的位置、数量及其转 变。 放射性同位素示踪法 2 2 、2 3 的特点是灵敏度高( 可测出1 0 14 1 0 1 4 1 3 m 0 1 r ) ，测量简便，不受其他非放射性杂质的干扰，省略了许多复杂的样品处 理及分离手段，能在不破坏体内生理平衡的状态下进行原位测定，可确定标记物 在生物体内的定量分布。 2 3 2 电化学方法 电化学分析方法的优点：灵敏度高、分析快速、不需分离处理、仪器廉价等 这些优点使其在环境和生物样品中的应用方面有广阔的前景，目前常用的方法主 要有以下两种。 2 3 2 1 阳极溶出伏安法( a s v ) a s v 可用于最简单的形态分析区分自由金属离子和螯合物中的金属 离子。a s v 分析灵敏度高，应用于环境水样中a 1 形态分析时，检出限可以达到l o 一 8 m o l 几，若用微积分脉冲阳极溶出伏安法( d p a s v ) 则检出限可以达到1 0 m o l l 。 a s v 的不足是容易受到基体的影响，导致极谱峰的分裂，给定量分析带来较大的 误差。 2 3 2 2 微积分脉冲伏安法p v ) 使用聚氯乙烯校正电极的d p v 方法用于天然水中铝( a 1 ) 元素形态分析。该 法的优点是简单易操作、电极易制造、对环境要求温和而且可避免化学物质加入 引起的样品天然条件的改变。d p v 应用于环境水样中a l 形态分析 2 ，检出限 为5 1 0 m 0 1 几。用d p v 作天然水和生物体液中a 1 ( i i i ) 的形态分析，6 种儿茶 酚为电活性试剂。其原理是在不同的p h 条件下a l ( i ) 与儿茶酚和有机试剂具 有不同的亲和势即不同的配位能力。 2 3 3 分子活化分析( m a a ) 分子活化分析是从分子或细胞水平上实现元素化学分析的一种现代核分析 技术，它将化学分离或生物化学分离等特效的元素形态分离技术与具有商灵敏度 的传统的中子活化分析法( n 从) 相结合，既具有常规活化分析的灵敏度高、准确 度和精密度好、超微量取样、基体效应小、可实现多元素分析等优点，又可以给 出元素的化学形态，因而在形态分析研究中得到广泛的应用。当然，m 从技术也存 在分析费时、工作量大并需尖端仪器等不足。m 从技术应用于环境和生命科学等 领域中微量元素( 如硒、汞、砷、铬、锌、铁、稀土、铅、铱等) 化学形态方面 研究，取得了显著进展。已报道的m 从技术有离子交换色层法一n 从、共沉淀一n 从、 化学逐步溶解法一n a a 、超速离子分离技术一n 从、凝胶柱色层分离一n a a 、聚丙 烯酰胺凝胶电泳( p a g e ) 一n 从等等。把m 从技术应用于元素形态分析时，关键 在于分析过程中不能使原始的元素化学形态发生变化，同时也不能形成原先不存 在的新的元素化学形态。 2 4 离子色谱一电感耦合等离子体质谱法( i c i c p m s ) 2 4 1 离子色谱法( i c ) 离子色谱法 2 4 是7 0 年代中期发展起来的一项新的色谱技术，它类似于高 效液相色谱分析技术。它可以根据其检测方式的不同分为抑制型离子色谱和单柱 型离子色谱；而根据其所采用分离方式的不同可分为：高效离子色谱( h p i c ) 、离 子排斥色谱( h p i c e ) 和流动相离子色谱( m p i c ) 。其检测方式除了传统的电导检测 外，还采用紫外可见光检测：电化学检测和荧光检测，以及柱前、柱后衍生等多 种手段。由于离子色谱的多样性使其在食品分析领域的适用性很强，是目前分离 测定阳离子和阴离子最有效的方法。 1 9 7 5 年，h s m a l l 等人首先提出离子色谱法( 简称i c ) 。十多年来，i c 已发 展成为能分析3 0 0 余种阴、阳无机和有机离子的一种高效分析方法。i c 基本内 容有两个方面：一是对被测离子进行色谱分离；二是选用最灵敏的检测器对分离 了的离子进行定量检测。然而，i c 的早期定义是：采用分离柱，抑制柱和电导检 测器装置，对阴、阳离子进行分离定量的方法。现在，就这个定义，以无机阴、 阳离子为例，来说明l c 的工作原理。见图1 。 1 6 t 硅)讣) 图l 离子色谱仪示意图( a ) 双柱法( b ) 单柱法 1 洗脱液储存器；2 洗脱液输液泵：3 进样阀：4 分离柱； 5 检测器：6 再生液储存器：7 再生液输液泵；8 抑制柱。 2 4 2 离子色谱工作原理 1 ，阴离子分析：i c 分析水中f 一、c 1 - 、i 、b r 。、n 0 。及s o 。2 。时，用n a o h ( 或 n a ：c o 。n a h c 0 。) 稀溶液作为洗脱液；在分离柱里填充有低交换容量的o h - 型阴离子 交换树脂。试液注入后，在分离柱上发生下列反应： r n + o h 一+ n a + x 一r n a + x 一+ n + o h 一 与树脂结合的阴离子x 一要反复交换分配向前移动，因此阴离子x 一在柱上的停留 时间取决于它们与树脂的亲和力，亲和力大的停留时间长；反之亦然。因而这些 阴离子在柱上得以逐渐分离，并依次从柱端流出。洗脱液载着分离后的离子流入 抑制柱，并和填充于柱内的高容量阳离子交换树脂发生下列反应： 对洗脱液r s o 。一h + + n a + o h 一一r s 吼一n a + + h 2 0 对阴离子r s o ；一h + + n a + x 一一r s o 。一n a + + h + x 一 所以，在抑制柱端流出的是水( 以n a 0 h 作洗脱液) 或是含碳酸的水( 以 n a 2 c 0 。n a h c 0 3 作洗脱液) ，以及在不同时间内流出被测离子组成的游离酸。以水 为本底背景，这些酸具有较大的电导率，它们依次进入电导池检测器，产生大小 不同的响应信号。这就是如图2 所示的被记录仪记录下来的被测阴离子色谱图。 由谱带流出的时间可判断出是何种离子；由谱带的峰高或蜂面积可计算出某离子 的含量( 定量) 。 1 7 ( a ) 阴离子色谱图 1 f ，2 c l 一，3 n 0 2 一，4 b r 一。5 n 0 。一，6 p o 。3 ，7s 0 ， 024681 01 21 4 ( b ) 阳离子色谱图 图2 阴、阳离子色谱图 2 ，阳离子分析：以i c 分析一价阳离子为例：用稀h c l 或h n 0 。作为洗脱液， 在分离柱里填充低交换容量的h + 型阳离子交换树脂，在抑制柱里填充高容量强 碱性阴离子交换树脂。在分离柱上发生下列反应。 r s 0 。一h + + y + c l 一一r s o 。一y + + h c l 一 由于各种阳离子与树脂的亲和力不同而得以分离。在抑制柱上发生下列反应： 对洗脱液r n + o h 一+ h + c 1 一一r n + c 1 一+ h 。o 对测定离子r n + o h 一十y + c 1 一一r n + c 1 一+ y + o h 一 1 8 4 3 2 ， o 在抑制柱中，洗脱液变为低电导率的水，被测阳离子变为氢氧化物，进入电导池 检测嚣后记录到阳离子色谱图，如图2 ( b ) 所示，解析图谱迸行定性、定景分析。 2 4 3 离子色谱仪简介 离子色谱仪分两类：有抑制柱( 亦称双柱法) 离子色谱仪和无抑制往( 又称单 柱法) 离子色谱仪。上述工作原理的例子是指双柱法。目前这两种方法都得到广 泛应用。而在本文中主要用单柱法 ( 一)有抑制柱离子色谱仪 如图l ( a ) 所示，仪器由洗脱液储存器、高压输液泵、样品进样阀、分离柱、 抑制柱、电导池和记录器等部件组成。 仪器各部件的特征与功能 1 洗脱液储存器 洗脱液储存器由聚乙烯制成的封闭式容器，使洗脱液与空气接触达到最小， 以保持洗脱液的稳定和避免污染。储存器由聚四氟乙烯输液管与泵连接。 2 洗脱液 测定如图2 阴离子常用的n a 2 c o ，n a h c o 。洗脱液。测定阴离子常用盐酸作洗 脱液。选择洗脱液是个复杂的问题，道常要其备三个基本条件：具有良好的物 理化学惰性，不能破坏树脂，对被测离子具有不同的洗脱速度，能从分离柱依 次取代出这些离子，在抑制柱中能迅速进行交换反应，形成水和弱酸，降低本 底电导。而在本文中因为是用i c p m s 作为检测器，故不需要抑制柱，所以也不 需要形成水和弱酸，以降低本底电导。因为在本文中是用i c p m s 作为检测器， 为了不对i c p m s 仪器造成损坏，选取洗脱液还要以i c p m s 的仪器要求为前提： a ，i c p m s 用石英雾化器和雾室，不能用碱性洗脱液；b ，i c p m s 采样锥口较 小，为防止积盐堵塞，洗脱液盐浓度不能大于o 1 。任何洗脱液在使用之前， 一定要过滤和作去气处理。在试剂和水中不允许有微细固体杂质，它将堵塞毛细 管道和柱子，导致柱压逐渐升高，对实验不利，溶解在洗脱液中的气体能析出于 管道之中，引起工作压力不稳定、分离重视性差、负峰位置改变、噪声高、曲线 出现“毛刺”。过滤是用0 4 5um 滤膜作抽气过滤，去气是将盛有洗脱液的容器 置于超声波洗涤器中，同时作减压抽气处理。 1 9 3 高压输液泵 为降低谱带宽度和减小检测器流动池噪声，泵的压力和流量耍稳定a 输液泵 主要有两种类型：单活塞无脉动泵和双活塞往复式无脉动泵。压力在l o o 一 4 9 0 0 p s i 内可调，洗脱液流速在0 1 9 9 毫升分钟内可调。其中为了适应i c p m s 的进样速度，洗脱液流速在o 5 2 o 毫升分钟内可调。泵是仪器中易受损坏的 部件，应注意维护，特别是在使用腐蚀性洗脱液后，应及时用水洗涤，免得损坏 泵活塞密封圈。为了保持工作时平滑稳定，每两周应向泵的油孔中加轻机械油两 滴，但不宜过多。 4 进样阀 为了防止污染，保证试液准确进样和洗脱液在柱中的连续性，离子色谱仪均 采用进样阀进样。最简单的六通进样阀如图3 所示。在图3 ( a ) 中分两路通道：一 路将洗脱液送入分离柱，使仪器处于正常工作状态，另一路连接一根有固定体积 的试样环，一般为5 0 一1 0 0 微升。用注射器将试液注入试样环，多余的试样从阀 门流出。进样阀经切换后，洗脱液被切换到有试样环的通道，并将试样导入分离 柱，见图3 ( b ) 。为了分析超微量级样品，可用浓缩柱代替试样环，试样体积可 增加到5 1 0 毫升，富集后的离子浓度可提高5 5 0 0 倍。 龟j c b ) 图3 六通进样阀 ( a ) 样品注入试样环( b ) 进样 1 洗脱液入口；2 样品入口：3 样品出口；4 试徉环：5 色谱柱 5 前置柱 置于分离柱之前，用于保护分离柱，尺寸较短，填充树脂与分离柱相同。 6 分离柱 分离柱是i c 的关键部件。柱材料、填充树脂、柱尺寸以及装柱技术等对柱 性能均有影响，只有性能优良的柱子才能达到高效分离。关于树脂问题在以后要 详细介绍。柱材料必须耐温、耐压和具化学稳定性，常用不锈钢、聚四氟乙烯和 聚三氟氯乙烯塑料管。这两种塑料管内壁光洁，并有一定的塑性，使球状树脂在 受压下仍能保持原来的几何形状，因而减少柱壁效应。一般聚四氟乙烯管用于大 孔径低压泵供应线路，耐压在9 0 0 一1 0 0 0 p s i ，它的小直径管冲击压额定值约为 2 0 0 0 3 0 0 0 p s i 以上。分离柱内径一般为4 舳，柱长取决于填充料效能，一般在 5 0 一2 5 0 册。柱两端均置有聚四氟乙烯过滤膜，以防止试料或洗脱液中微细颗粒 进入柱中，影响柱中树脂的渗透性。当出现操作压力增大时应及时更换滤膜，正 确操作使用仪器和注意对分离柱的保护能延长柱子的寿命。使用过后要放置两周 以上的柱子容易损坏，导致分离柱损坏的原因主要来自三个方面：柱中滋生了 微生物细菌，某些树脂的化学不稳定性，柱中有空气封存时使树脂发干。由 于柱子滋生了细菌，仪器背压反常无法运转，或在阴离子体系中出现明显的拖尾， 甚至看不到i 一、b r 一、n o 。一的谱带。树脂的不稳定性影响基线不稳定。分离柱的 保存视洗脱液而定，碳酸盐系统洗脱液和作金属离子分离时的草酸盐，柠檬酸盐 以及酒石酸盐洗脱液都是滋生微生物的最理想煤介。这样的柱子若想长期保存， 应先用水冲洗，然后泵送o 1 的n a 0 h 。取下柱子，两端塞紧存放。若重新使用， 在使用前用所需的洗脱液平衡3 0 分钟。 7 抑制柱 其作用是消除洗脱液中的背景电导，是双柱i c 中不可缺少的部件。抑制柱 中填充的树腊是与测定离子相反的大容量树脂。例如分析阴离子时用强酸性阳离 子树脂填充抑制柱。洗脱液与之迅速作用，生成水等低电导物质。但因为本文联 用了i c p m s 作为检测器故不需要抑制柱来降低背景电导。 8 检测器 电导检测器是典型的通用检测器。被测定离子在低浓度时和电导是简单的函 数关系，并与之成线性。一个理想的检测器应灵敏度高、噪声低、线性响应范围 宽，而且不受柱温和洗脱液流速的影响。电导检侧器能满足这些要求。电导检测 器由电导池、电导计和记录仪组成。池的体积很小，仅1 4 6 微升，用铂或不锈 钢作电极，池中离子的变化，导致放大器信号的改变，引起电导计偏转而被记录 下来。而本文联用了i c p m s 作为检测器可以使检测灵敏度更高，干扰更小。 ( 二) 无抑侧柱离子色谱仪 如图1 ( b ) 所示，这种仪器的原理和设想首先由g l e r d 和f r i t z 等人提出。他 们采用了更低交换容量的离子交换剂填充分离柱。测定类似图2 的阴离子时，用 低浓度、低电导的有机酸或其盐( 例1 3 州葡萄糖酸钾等) 作洗脱液，测定一价阳 离子时，用硝酸作洗脱液。洗脱液流出分离柱直接进入电导池进行检测，不需要 抑制柱来消除洗脱液的背景电导。单柱的优点是：可改善色谱的分离度，减少 因抑制柱而引起的峰加宽现象，省掉了抑制柱的再生或更换，仪器较为简单， 可用普通高效液相色谱仪改装，测定多价金属阳离子的应用前景好。但不足之 处是：试样总离子浓度不宜过大。 目前自动化的离子色谱仪有微机程控以选择各实验参数。这些参数包括自动 进样、恒压、调温、洗脱液流速、再生、检侧范围、记录仪、数据处理、洗脱梯 度、流速梯度、自动调零等。此外积分仪能自动测量峰高、峰面积和保留时间。 2 4 4 影响离子色谱分离的因素 a 淋洗液种类： 不同淋洗液由于其物理化学性质不同，因此对试样的影响能 力不同，从而导致离子色谱分离选择性的变化。 b 淋洗液浓度： 淋洗液其浓度大小对分离有很大的影响。随着淋洗液浓度的 增加，淋洗强度一般是增加。 c 淋洗液p h 值：淋洗液的p h 值对分离会有较大的影响。 d 有机溶剂添加剂：有机溶剂的加入，不仅影响“流动相”的性质，对固定相及 管壁的性质都有不同程度的影响：，有机溶剂对分离的影响是 以上因素的综合表现。注意，有机溶剂的含量不宜过高，否则 会造成其它不利影响。 e 其它操作条件：湿度、温度、进样流速等。 分离度的优化可以通过改变p h 、淋洗液浓度、种类、进样流速等条件使得 各种检测物之间有一定的分离度，分析时间又不是很长。这样，既能满足分析上