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元素形態(tài)分析及其必要性

1．元素形態(tài)

元素的形態(tài)是指某一元素以不同的同位素組成、不同的電子組態(tài)或價(jià)態(tài)以及不同的分子結(jié)構(gòu)等存在的特定形式。元素形態(tài)又分為物理形態(tài)和化學(xué)形態(tài)，其中物理形態(tài)是指元素在樣品中的物理狀態(tài)如溶解態(tài)、膠體和顆粒狀等；化學(xué)形態(tài)是指元素以某種離子或分子的形式存在，其中包括元素的價(jià)態(tài)、結(jié)合態(tài)、聚合態(tài)及其結(jié)構(gòu)等。一般意義上所說的元素形態(tài)泛指化學(xué)形態(tài)，元素形態(tài)不同于元素價(jià)態(tài)，同一元素的相同價(jià)態(tài)可能有多種形態(tài)，如價(jià)態(tài)為五的砷元素，其元素形態(tài)可分為無機(jī)態(tài)和多種有機(jī)態(tài)的砷形態(tài)。不同元素的主要常見形態(tài)如表1所示：

表1不同元素的主要常見形態(tài)

元素的不同存在形態(tài)決定了其在環(huán)境和生命過程中表現(xiàn)出不同的行為；不同的元素形態(tài)由于具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)和生物活性，在環(huán)境和生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著不同的作用。元素總量或者濃度的相關(guān)信息已經(jīng)不能滿足環(huán)境和生命科學(xué)研究的需要，有時(shí)候甚至?xí)o出一些錯(cuò)誤的信息。

甲基汞的毒性要遠(yuǎn)高于無機(jī)汞，并且具有*的生物親和力，同時(shí)無機(jī)汞易于在生物體內(nèi)富集并轉(zhuǎn)化為甲基汞。人們認(rèn)識(shí)到甲基汞的危害是在1955年，在日本的Minamata，因孕婦食用遭受甲基汞污染的魚類，造成22名新生兒嚴(yán)重的腦損傷。在1971－1972年，伊拉克發(fā)生了大面積的甲基汞中毒事件，其原因在于當(dāng)?shù)厝耸秤昧私?jīng)過甲基汞處理過的小麥做成的面粉。

Cr（III）是維持生物體內(nèi)葡萄糖平衡以及脂肪蛋白質(zhì)代謝的必需元素之一，而Cr（VI）卻對(duì)生物體具有很大的毒性和致癌作用,原因在于其更強(qiáng)的氧化性和化學(xué)活性及遷移性；砷是一種有毒元素，但是不同形態(tài)砷的毒性卻差別比較大，一般無機(jī)態(tài)砷毒性比較大，三價(jià)砷的毒性要大于五價(jià)砷；而有機(jī)態(tài)的砷中，甲基砷的毒性要強(qiáng)于其他的有機(jī)態(tài)砷，砷甜菜堿、砷膽堿和砷糖等則基本上沒有毒性；對(duì)汞、錫和鉛等重金屬元素來說，有機(jī)態(tài)的化合物的毒性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無機(jī)態(tài)。作為人體必須的元素，鐵僅僅是在二價(jià)時(shí)才能被生物體吸收和利用，食品中的總鐵并不能代表可吸收利用的有效鐵；硒是人體必需的元素，但是吸收過量時(shí)會(huì)導(dǎo)致硒中毒，不同形態(tài)硒的生物可利用性和毒性也差別較大；鋁的毒性也和其形態(tài)密切相關(guān)，自由態(tài)的鋁離子、水化羥基化合物Al（OH）2+和Al（OH）2+等是致毒形態(tài)，多核羥基鋁也具有一定的毒性，而鋁的氟配合物以及有機(jī)態(tài)配合物則基本無毒。

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)，為此，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。元素形態(tài)具有多樣性、易變性、遷移性等不同于常規(guī)分析對(duì)象的特點(diǎn)，因此其分析方法也成為一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，即“元素形態(tài)分析”。

2．元素形態(tài)分析

元素形態(tài)分析是分析科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)極其重要的研究方向，IUPAC將其定義為定量測(cè)定樣品中一個(gè)或多個(gè)化學(xué)形態(tài)的過程。Lobinski將其定義為確定某一元素在樣品中不同化學(xué)形態(tài)分布的過程；Caroli指出，形態(tài)分析為識(shí)別和定量檢測(cè)對(duì)人體健康和環(huán)境有危害的不同形態(tài)的無機(jī)分析物；Hieftje則將獲得相關(guān)目標(biāo)分析物原子的氧化態(tài)、鍵合特征、電荷態(tài)及原子締合體的過程定義為形態(tài)分析；Welz則認(rèn)為所謂元素形態(tài)分析是指測(cè)定特定條件下不同化合物的氧化態(tài)或可溶態(tài)的過程。曾有人根據(jù)Tessier連續(xù)萃取法將土壤中元素形態(tài)分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵－錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)等五種，但這并不是嚴(yán)格意義上的形態(tài)分析，這一萃取過程并不能提供涉及分子結(jié)構(gòu)和電荷狀態(tài)的元素形態(tài)的詳細(xì)信息。

在20世紀(jì)70年代末至80年代初，Van Loon和Suzuki分別在期刊Anal. Chem.和Anal. Biochem.上發(fā)表了元素形態(tài)分析領(lǐng)域的開創(chuàng)性的工作，將廣大的分析工作者的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至元素形態(tài)分析技術(shù)的開發(fā)上來。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，元素形態(tài)分析已經(jīng)成為分析科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)為環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、毒理學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等領(lǐng)域提供了越來越多的有用信息。

3. 元素形態(tài)分析的技術(shù)特點(diǎn)

元素形態(tài)分析技術(shù)主要由樣品采集、樣品制備、分離/富集、定性/定量、分析報(bào)告等五部分組成。在整個(gè)形態(tài)分析過程中，樣品制備過程是形態(tài)分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要注意保持待測(cè)元素形態(tài)，同時(shí)避免污染，這使得樣品制備過程較常規(guī)總量分析更加復(fù)雜和困難。因此，對(duì)操作人員提出了更高的要求，同時(shí)延長(zhǎng)了前處理時(shí)間。此外，由于元素的某一形態(tài)，僅僅是元素總量的一部分，甚至是極少的一部分，因此對(duì)分析方法的靈敏度提出了更高的要求，只有高靈敏的檢測(cè)技術(shù)才能滿足元素形態(tài)分析的要求。此外，用于元素形態(tài)分析的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)參考物還需要倚賴進(jìn)口，在一定程度上影響了形態(tài)分析技術(shù)的推廣。

4．元素形態(tài)分析方法

由于一種元素存在幾種甚至是幾十種元素形態(tài)，因此分析方法已不同于傳統(tǒng)的總量分析。在前處理方法上需要保持元素的現(xiàn)有形態(tài)，因此也不能沿用傳統(tǒng)的酸消解方法；在測(cè)定方法上，形態(tài)分析也遠(yuǎn)不同于傳統(tǒng)的總量分析，對(duì)方法的檢出能力和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

早期的形態(tài)分析方法一般采用差減法進(jìn)行測(cè)定，通過控制某些測(cè)量條件，實(shí)現(xiàn)總量和某些元素形態(tài)的測(cè)量，然后通過差減的方法得到其它元素形態(tài)的含量信息。如通過測(cè)量總砷和三價(jià)砷，二者相減即可得到五價(jià)砷的濃度；如通過四價(jià)硒和總硒的測(cè)量，即可測(cè)得六價(jià)硒的含量。差減法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，整個(gè)分析過程對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求不高，但是該方法僅僅適用于元素形態(tài)較少的條件，且操作較為繁瑣。

元素形態(tài)分析的通用方法是先對(duì)元素的各種形態(tài)/組態(tài)進(jìn)行有效分離，然后再進(jìn)行檢測(cè)。近年來，人們?cè)谧非笤匦螒B(tài)分析方法的高靈敏度、高選擇性的同時(shí)，也一直在致力于提高分析過程的效率，縮短分析過程的時(shí)間，力圖實(shí)現(xiàn)整個(gè)分析過程的自動(dòng)化。傳統(tǒng)的元素形態(tài)分析方法將元素形態(tài)的分離與測(cè)定分別進(jìn)行，使得操作過程變得比較繁瑣，同時(shí)在操作過程中可能會(huì)造成樣品的損失以及元素形態(tài)的變化，對(duì)zui終的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生比較大的影響。聯(lián)用技術(shù)將的分離技術(shù)與高靈敏的檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，元素形態(tài)經(jīng)過分離后通過在線“接口”直接進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，這樣靈敏度、準(zhǔn)確度和分析過程的效率都得到很大提高。         

5．HPLC-ICPMS聯(lián)用

自1983年*臺(tái)商品儀器問世以來，ICP-MS經(jīng)過近20多年的發(fā)展，已經(jīng)成為各行業(yè)用于元素分析和同位素分析zui有力工具，具有極低的檢出限（10-15～10-12量級(jí)）和極寬的線性范圍（8～9個(gè)數(shù)量級(jí)）以及*的多元素快速檢測(cè)能力。由于檢測(cè)的是質(zhì)量/電荷比（m/z），不存在光譜分析中的光譜干擾問題，但存在同量異位素、多原子分子離子以及多電荷離子的干擾問題，如40Ar35Cl干擾7s、40Ar40Ar干擾80Se、36Ar18O干擾54Fe的測(cè)定。

HPLC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)已經(jīng)成為分析化學(xué)中zui熱門的研究領(lǐng)域之一，已經(jīng)被認(rèn)為是目前zui有效和zui有發(fā)展前景的形態(tài)分析技術(shù)，已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是ICP-MS對(duì)色譜分離中所普遍使用的高鹽組分和高含量有機(jī)組分，如甲醇、乙腈等承受能力有限，大大限制了其在與色譜聯(lián)用中的應(yīng)用。此外，ICP-MS昂貴的價(jià)格、對(duì)操作人員的較高要求以及*的運(yùn)行和維護(hù)成本限制了ICP-MS在元素形態(tài)分析領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。中國(guó)經(jīng)濟(jì)相對(duì)不發(fā)達(dá)的現(xiàn)狀，決定了HPLC-ICP-MS不可能在中國(guó)進(jìn)行普及和推廣。

6．HPLC-VG-AFS聯(lián)用

原子熒光光譜儀是具有中國(guó)特色的分析儀器，它具有分析靈敏度高、線性范圍寬、儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于維護(hù)、光譜干擾及化學(xué)干擾少等*優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于As、Hg、Se、Pb等元素的特征譜線均處于原子熒光*的檢測(cè)波長(zhǎng)范圍，在采用了的蒸氣發(fā)生進(jìn)樣技術(shù)后，具有其他分析手段*的檢出能力，可以獲得與電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）相當(dāng)?shù)臋z出限和靈敏度。VG-AFS與色譜的聯(lián)用技術(shù)的研究已經(jīng)開展30多年，但由于缺乏理想的商品化儀器，，一直沒有太大的發(fā)展。隨著近年來國(guó)內(nèi)原子熒光技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，在各項(xiàng)性能上都得到了很大提高，已經(jīng)具備了與色譜聯(lián)用的條件。如果將原子熒光的檢出能力與色譜的分離技術(shù)結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)As、Hg、Se等元素的形態(tài)分析。

原子熒光采用的蒸氣發(fā)生進(jìn)樣技術(shù)能夠使待測(cè)組分與基體有效分離，因此具有*的耐高鹽組分和有機(jī)組分的能力，能夠和任意的色譜分離條件相匹配。此外原子熒光還具有成本低廉和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使得HPLC-VG-AFS聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于元素形態(tài)分析具有極大的發(fā)展前景，易于在各個(gè)行業(yè)推廣和使用。

7.元素形態(tài)分析的必要性

砷作為常見的有毒有害元素，一直倍受人們關(guān)注。砷攝入過多可引起急性中毒，長(zhǎng)期低劑量暴露可引起慢性砷中毒，誘發(fā)各種皮膚病并可導(dǎo)致肝腎功能受損，甚至導(dǎo)致癌癥。砷的毒性與砷的賦存形態(tài)密切相關(guān),不同形態(tài)的砷毒性相差甚遠(yuǎn)。在主要的砷化物中,亞砷酸鹽和砷酸鹽毒性大,而MMA和DMA毒性小, AsB和AsC則被認(rèn)為沒有毒性。亞砷酸鹽、砷酸鹽、MMA、DMA、AsB、AsC和AsS對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠的半數(shù)致死量（LD50）分別為14、20、700~1800、700~2600、>10000、>6500、>8000mg/kg。GB 2762-2005《食品中污染物*》中規(guī)定貝類及蝦蟹類水產(chǎn)品（鮮重）的無機(jī)砷*為0.5mg/Kg, 干重的*為1 mg/Kg,。GB/T5009.11-2003提供了食品中總砷和無機(jī)砷的測(cè)量方法，為有毒的無機(jī)砷檢測(cè)提供了技術(shù)手段。

近年來, 國(guó)內(nèi)質(zhì)檢機(jī)構(gòu)一直依據(jù)GB/T5009.11-2003來檢測(cè)食品中的無機(jī)砷。繼廣西檢出大量紫菜中無機(jī)砷超標(biāo)以來, 國(guó)家工商局又報(bào)道了44.9%的紫菜、海帶中無機(jī)砷超標(biāo),甚至引發(fā)了紫菜、海帶能否安全食用的討論。紫菜屬海生植物型食品,其中砷主要是以AsS的形式存在,幾乎不含無機(jī)砷。2004年在香港媒體上報(bào)道多次的魚罐頭事件，香港消費(fèi)者委員會(huì)測(cè)試了市面上的48款吞拿魚、沙甸魚等魚類罐頭，發(fā)現(xiàn)當(dāng)中的17種砷含量超標(biāo)，引起規(guī)模超過5億元的內(nèi)地魚罐頭產(chǎn)業(yè)近年來一直不景氣。

實(shí)際情況是，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)海產(chǎn)品并未超標(biāo)，只是目前的檢測(cè)方法存在問題。我們以海帶、紫菜類植物性海產(chǎn)品為例，加以詳細(xì)說明。植物性海產(chǎn)品中,砷主要以砷糖（AsS）的形式存在，此外還含有少量的二甲基砷酸（DMA）。如果依照GB5009.11-2003的樣品前處理方法，采用6mol/L的鹽酸進(jìn)行提取，則植物性海產(chǎn)品中的AsS會(huì)部分分解，轉(zhuǎn)化為DMA，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)中所采用的原子熒光檢測(cè)方法，是以蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)作為基礎(chǔ)的，其檢測(cè)過程如下：

（1） 樣品中的五價(jià)砷在進(jìn)樣前，首先被還原劑還原成三價(jià)無機(jī)砷;

（2） 然后在進(jìn)樣后和KBH4反應(yīng)，生成AsH3和H2;

（3） AsH3經(jīng)過氣液分離后，在氬氣和氫氣的攜帶下，進(jìn)入原子化器;

（4） AsH3zui終在Ar-H火焰中解離，生成砷原子。

（5） 砷原子受到特征譜線的輻照，其外層電子受到激發(fā)，躍遷至較高能級(jí)，在其返回至基態(tài)時(shí)，發(fā)出共振熒光；

（6） 共振熒光被檢測(cè)器所接收，經(jīng)過前置放大后，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出至控制軟件中，進(jìn)行定量計(jì)算。

由于DMA也會(huì)和KBH4反應(yīng)，生成氣態(tài)的As（CH3）2H, 而As（CH3）2H也會(huì)在Ar-H火焰中解離，生成砷原子，所以GB5009.11-2003的樣品前處理方法造成的AsS分解所產(chǎn)生的DMA以及樣品中原有的DMA均會(huì)被以無機(jī)砷的形式檢出，得到“假陽性”的分析結(jié)果。因此，檢出的大規(guī)模海帶、紫菜中無機(jī)砷超標(biāo)的結(jié)果是錯(cuò)誤的，究其原因，主要在于其前處理方法使得以無毒有機(jī)砷存在的AsS被當(dāng)成無機(jī)砷被檢出。

對(duì)于GB5009.11-2003的標(biāo)準(zhǔn)方法，存在兩個(gè)問題：

（1）樣品前處理問題

6mol/L的鹽酸使得紫菜、海帶類樣品中的AsS部分分解，其方法值得商榷。

（2） 檢測(cè)方法的問題

由于采用蒸氣發(fā)生－原子熒光檢測(cè)方法，樣品中的有機(jī)砷，如DMA和MMA也會(huì)生成氫化物，被誤認(rèn)為是無機(jī)砷被檢出。因此，該方法對(duì)無機(jī)砷檢測(cè)而言，不是特異性檢測(cè)方法，部分有機(jī)砷形態(tài)也會(huì)同時(shí)干擾測(cè)量，造成結(jié)果偏高的現(xiàn)象。

因此，針對(duì)上述兩個(gè)問題，只能采用液相色譜－原子熒光聯(lián)用的方式加以解決，將所測(cè)量的砷形態(tài)經(jīng)過色譜分離后，再檢測(cè)，就不會(huì)存在上述問題。

北京金索坤公司生產(chǎn)的形態(tài)分析原子熒光光譜儀，是金索坤公司多年技術(shù)研究成果，專門針對(duì)元素形態(tài)分析需求設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，內(nèi)置了在線消解裝置，配備了液相泵，并采用索坤的連續(xù)進(jìn)樣技術(shù)和液相泵無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)住后流出液實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，連續(xù)采集數(shù)據(jù)，大大提高了形態(tài)分析原子熒光光譜儀的準(zhǔn)確度。

不僅是形態(tài)分析原子熒光光譜儀，北京金索坤公司的SK系列原子熒光光譜儀還有預(yù)留聯(lián)用接口，可與任何型號(hào)的液相色譜儀無縫對(duì)接，進(jìn)行形態(tài)分析，更是以其的穩(wěn)定性和可以檢測(cè)多種元素深受廣大用戶的青睞，索坤公司成功研制出新一代的原子熒光，其在保持了傳統(tǒng)原子熒光設(shè)備的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)外，更具備了三大主要特點(diǎn)：

▲超高重復(fù)性指標(biāo)

▲多達(dá)18種的測(cè)試元素

▲簡(jiǎn)便快捷的操作   

實(shí)現(xiàn)以上三大特點(diǎn)，歸功于2大核心技術(shù)*由理論化為生產(chǎn)，兩大核心技術(shù)：

2010年11月通告的發(fā)明《連續(xù)流動(dòng)進(jìn)樣氫化物發(fā)生系統(tǒng)》（號(hào)：ZL.200610113008.4）

《小火焰法原子化技術(shù)在無色散原子熒光上的應(yīng)用》（號(hào)：03134241.8）

索坤公司經(jīng)過了無數(shù)次的試驗(yàn)和研發(fā)改進(jìn)，以及配套的十多個(gè)實(shí)用新型，才得以將原子熒光技術(shù)-中國(guó)為數(shù)不多的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分析儀器-更新?lián)Q代，且*了空白，為國(guó)家的儀器發(fā)展事業(yè)增磚添瓦！

應(yīng)用了換代技術(shù)的產(chǎn)品性能，重復(fù)性將比現(xiàn)在的*一倍，具體的數(shù)據(jù)正在提交機(jī)構(gòu)檢測(cè)中。索坤公司的新世代原子熒光光譜儀，分為三大產(chǎn)品系列：

▲企業(yè)系列---為企業(yè)量身定做，： 

SK-830 │SK-2003A │SK-2003AZ

▲質(zhì)檢系列---更多的可檢測(cè)元素及強(qiáng)大功能：

SK-盛析│SK-銳析│SK-2002B│SK-2003│SK-2003AZ

▲科研系列---全面的重金屬檢測(cè)及形態(tài)分析：

SK-博析│ SK-典越