元素形态分析-张彦峰(现代环境检测技术)

元素形态分析

ElementalspeciationAnalysis1.形态分析的含义2.形态分析的意义3.形态分析的方法4.形态分析的举例1.形态分析的含义元素的化学形态与其毒性、生物可利用性、迁移性密切相关，因此痕（微）量元素的化学形态研究在环境科学、生命科学、食品安全、药学、微量元素医学等领域备受关注。。国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)于2000年统一规定了痕量元素形态分析的定义(IUPACGuidelinesforTermsRelatedtoSpeciationofTraceElements)化学物种(chemicalspecies)：化学元素的某种特有形式，如：同位素组成，电子或氧化状态，配合物或分子结构等。元素形态(speciation)：一种元素的不同物种在特定体系中的分布情况。形态分析(speciationanalysis)：识别和(或)测定某一样品中的一种或多种化学物种的分析过程。这些化学物种可以通过核（同位素）组成、电子或氧化态、无机化合物和配合物、金属有机化合物、有机和高分子配合物等形式的不同而相互区分。分步提取(fractionation)：又叫顺序提取，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。形态分析三个不同的层次

1)氧化态的区别，如Fe(III)/Fe(II)、As(V)/As(III)等。

2)有机形态化合物，如各种有机铅、有机汞、有机砷及其他有机金属化合物。

3)通过配合键与配体形成的稳定或不稳定络合形式的形态。2.形态分析的意义环境样品中元素的形态信息可用于环境危害性评价，阐明污染物在环境中的迁移和转化机理。生物样品的元素形态分析有助于人们从元素化学形态水平上了解微量元素与人类健康和疾病的关系，探讨与健康和重大疾病相联系的痕量元素的化学形态变化等。金属药物与生物分子的相互作用及其引起的金属物种的变化研究，对于理解药物的作用机理和指导新药物的设计具有重要意义。在食品科学及营养学领域，元素形态分析可以帮助人们了解人体吸收和生物可利用性与元素化学形态之间的关系，以便改善人体必需元素或降低有毒元素的生物可利用性。弄清元素的化学形态与毒性的关系对于制订商品中有毒元素限量的新标准具有重要意义。3.形态分析的方法（1）分离-原子光（质）谱联用技术（2）有机质谱技术（3）非色谱分离形态分析技术（4）电化学形态分析技术（5）直接形态分析技术（固体形态分析技术）形态分析的主要方法形态分析联用技术顺序提取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分离技术检测技术是模拟自然的和人为的环境条件变化,按从弱到强的原则,合理使用一系列选择性试剂连续溶解不同吸持痕量元素的矿物相,将样品中不同赋存状态的元素解析出来,分别测定。把原来单一分析元素全量的评价指标变成为元素各形态的分析，从而提高了评价质量。直接测量模拟计算模拟实验以化学平衡为基础建立相应的模型进行计算是形态分析中很重要的一种方法。但模拟计算因同时考虑平衡关系和不同组分间相互影响较多，计算复杂，需要建立相关的热力学、动力学数学模型解决问题，因此主要用于水体系的形态分析（1）分离-原子光（质）谱联用技术高效分离技术如色谱和毛细管电泳与原子光（质）谱分析技术联用仍是形态分析最常用的分析手段。其中接口技术一直是联用技术研究的焦点。GC、HPLC、CE、SFC与AAS、AES、AFS、ICP-MS联用用于形态分析的联用技术分离技术

检测手段

适用元素缺点GCAAS、AES（ICP-AES、MIP/AES）、MS（ICP/MS）挥发性金属有机化合物对难挥发物质需衍生化HPLCAAS、AES（ICP-AES）、MS（ICP/MS）高沸点和热不稳定化合物大量有机溶剂的引入抑制了ICP-MS的灵敏度,缓冲抑制了ICP-MS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SFCAESG(ICP-AES、MIP-AES）、MS（ICP/MS）

金属螯合物不适用于无机态金属CEAES（ICP-AES、MIP-AES）、MS（ICP/MS）

通用性受进样量限制而灵敏度低（2）有机质谱技术无机质谱（如ICP-MS）的联用技术具有灵敏度高和分析速度快等优点，缺点是无法给出分析物的结构信息。在缺少标准物质的情况下，无法鉴定分析物的结构。有机质谱能够得到物质的分子质量和离子碎片的信息，从而有助于推断分析物的结构。将能获得丰富结构信息的HPLC-MS与能准确、灵敏定量的ICP-MS联机使用，可以完成复杂的形态分析。比如，HPLC或CE结合ICP-MS与电喷雾离子化质谱（ESI-MS）平行检测已经成功应用于金属硫蛋白中金属络合物的表征。（3）非色谱分离形态分析技术优点：不需要色谱分离，费用更低；在分离的同时进行富集，灵敏度更高；分离速度快，对不同物种平衡的扰动低。种类：基于不同物种对检测器响应差异的比例方程法；溶剂和固相萃取；配位反应；沉淀和共沉淀；基于氧化还原态的分离；蒸馏或挥发；组分离法。典型代表：金属元素的顺序提取。模拟自然环境条件的变化，使用一系列选择性试剂，按照结合性从弱到强的顺序连续溶出不同结合相的金属物种。可以提供土壤和底泥中重金属元素对水体的潜在影响的信息。Tessier法和BCR法。（4）电化学形态分析技术电化学分析技术具有简单、经济和灵敏等特点，而且便于原位和在线分析，避免试剂污染和容器吸附所导致的损失。用于元素形态分析具有以下优点：便于调制且费用低，可开发长期自动监测的常规方法；便于集成为生物分析传感器的检测器；可以高分辨率地记录环境界面（如底泥-水，生物膜-水和空气-水）的变化；可以实现价态分析和多元素同时检测。例如伏安法用于金属离子的价态分析。（5）直接形态分析技术（固体形态分析技术）固体样品中的原子核、原子、分子和晶格吸收的特定能量可以在原子水平反映物质结构，因此利用微区和表面分析技术可以实现固体样品的直接元素形态分析，获得样品的分子结构和元素组成的信息。活化分析，如中子活化分析；X射线法，如X射线荧光、X射线吸收光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、X射线散射；磁波谱类方法，如核磁共振技术、电子顺磁自旋共振、穆斯堡尔谱；电子技术，如扫描电镜-X射线能量散射、扫描透射电镜、俄歇电子能谱；振动光谱，如红外、拉曼光谱；激光烧蚀ICP-MS举例：X射线吸收光谱用于研究As(Ⅴ)在萝卜中的吸收、传输和转化；核磁共振技术用于研究植物体内金属配合物的原位结构，发现荞麦叶片含有Al和草酸的复合物，并且以1:3形式存在。4.形态分析的举例砷的形态分析土壤、沉积物中重金属的顺序提取以砷为例As（Arsenic）砷无机砷有机砷三价砷五价砷甲基砷生物态砷一甲基胂二甲基胂砷甜菜碱、砷胆碱、砷糖和砷脂毒性降低砒霜分子式是是三价砷，亚砷的氧化物。Question饮用水砷含量必须