联用技术在砷形态分析中的研究进展

李林林，朱英存

（苏州科技大学环境与工程学院，江苏苏州215011）

分析分离技术是以有效分离和分辨复杂样品中的各种组成成分，从而获得定性和定量的信息为目的的一种有效及时的方式。传统分析化学与环境监测通常只测定样品中待测定元素的总量或总浓度，但随着科学技术的发展，只测定元素的总量已经无法充分反映元素的生物化学作用机理和环境健康效应，因此表征和测定元素的不同存在形态具有重要的意义。高效的分离技术本身无法实现样品组成的定性和定量分析，单一的检测技术只能实现元素的定量检测而无法区别分析，因此检测技术与分离技术的并行发展就成为了分析检测领域的新课题。联用技术即是将高效的分离技术与多种检测器结合起来，从而实现样品中各种成分的分离和检测。

砷元素在自然界中以许多不同种类的化合物形式存在[1]。空气、土壤、沉积物和水中发现的主要砷化物有亚砷酸盐、砷酸盐等无机砷和一甲基砷、二甲基砷等简单烷基化有机砷。海产品中则主要以砷甜菜碱和砷糖等结构复杂的有机砷形式存在。不同的砷形态具有不同的物理化学性质，特别是其毒性依赖于其化学形态。砷的无机化合物一般都具有毒性，其毒性随化合价和结合基团不同而不同，其中砷化氢＞三氧化二砷（砒霜）＞亚砷酸＞砷酸，而砷的有机化合物毒性一般比无机砷要小的多，甚至有些烷基化程度较高的有机砷化合物，如砷甜菜碱、砷糖等，几乎没有毒性[1]。因此，砷的测定及形态分析对于了解不同形态的砷化物在生物体和环境中的迁移转化规律具有重要意义。

1 砷形态分析现状

1.1 砷的富集及分离技术

砷的富集分离技术中使用较多的是氢化物发生法，其原理是不同的砷化物在不同的条件下被硼氢化钠或硼氢化钾选择性还原，生成相应的砷化氢及其有机衍生物，由此可以测定不同形态的砷含量。近年来，常常将氢化物发生与原子光谱技术进行联用，用于砷形态分析[3，5]。

气相色谱法（GC）和高效液相色谱法（HPLC）均可分离砷的不同形态。迄今为止仍未找到一种有效GC衍生法能使各种砷形态同时被衍生成低沸点化合物，使得该法在砷形态分离上受到限制。HPLC分离砷形态时不需要样品衍生，且HPLC可选择多种固定相和流动相，可根据分析形态的性质选择适当的色谱体系，因此在砷形态分析领域比GC法更具优势。目前在砷形态分离领域应用非常广泛[4-10]。

毛细管电泳（CE）是基于样品组分表观淌度的差异，保证了形态粒子的稳定性和形态物质在分离测定中的稳定性，不受仪器的干扰和色谱固定相的作用影响。它具有高效、快速、选择性高和抗干扰强等优点，与UV、ICP-AES等联用在砷形态分析领域有广泛的应用[16，17]。

1.2 砷的检测方法

早期，砷的测定多采用分光光度法，常见的有银盐法和新银盐法，但是两种方法操作复杂，灵敏度低。现在砷的测定多采用原子光谱法、电化学方法和质谱法以及联用技术。

原子光谱法，包括原子吸收光谱（AAS）、原子发射光谱（AES）和原子荧光光谱（AFS）等，均只能测定砷的总量，不能直接用于砷的形态分析，常需要与其他分离富集技术相结合，即将元素砷的不同形态分离后，再用光谱法进行测定，从而来实现砷的形态分析。

电化学方法具有仪器设备简单、灵敏度高、易自动化、不用进行形态分离、既可测定元素总量又能进行元素形态分析、可设计成很小的固体电极、消耗样品量少、破坏性小等特点。其特别适合用于连续自动和实时分析。目前用于元素砷形态分析的方法主要包括阳极溶出伏安法（ASV）和离子选择电极（ISE）电位法两大类，如蓝月存等[23]采用金-钯双金属纳米颗粒修饰玻碳电极阳极溶出伏安法测定了水中的三价砷，检测限为0.15μg·L-1，且具有较好的重现性。

质谱法特别是电感耦合等离子体-质谱（ICP-MS）近年来用于砷形态分析的报道较多。该技术突出的优点就是灵敏度高，砷的检出限低于ng/ml水平，因此特别适合痕量砷化物的分析。但是使用ICP-MS检测砷时存在40Ar35Cl的干扰，因为40Ar35Cl的质量数也是75，因此需要研究有效的技术来消除氯的干扰。

2 联用技术在砷形态分析中的研究进展

现用于元素形态分析的技术主要是联用技术，即先用有效的在线分离技术将某种元素的各种化学形态进行选择性分离，然后用高灵敏度的无机元素检测技术进行测定。最常用的技术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GC、HPLC、SFC和CE等现代色谱分离技术对被测物质进行形态分离，然后用AAS、AFS、MIPAES、ICP-AES和ICP-MS等高灵敏度、高选择性的无机元素检测技术进行测定。

目前用于砷元素形态分析的方法主要是HPLC与ICP-MS、ICP-AES等检测技术的联用，迄今为止仍未有一种好的GC衍生法能使各种砷形态同时被衍生成低沸点化合物，使得GC法在砷形态分离上受到限制。

2.1 HPLC-ICP-MS联用在砷形态测定中的应用[2-12]

用于砷元素形态分离的高效液相色谱主要有反相离子对色谱法、离子交换色谱法和排阻色谱法三类。反相离子对色谱法是将含低浓度（0.001～0.005 mol/L） 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、乙腈等溶剂中作为流动相。根据砷不同形态的酸碱性不同，只需改变流动相的pH值、反离子的种类及浓度，即可实现不同形态的分离。干宁等[5]用含有3 mmol/L的四丁基磷酸铵和8 mmol/L醋酸铵的水溶液和甲醇（φ=5%）为流动相，调整其pH值到6.0，可分离电子企业废水中的砷酸盐As（Ⅴ）、亚砷酸盐As（Ⅲ）、一甲基砷酸（MMA）和二甲基砷酸（DMA）4种砷形态，同时用ICPMS进行测定，4种砷形态的检出限均在0.01 ng/L以下。Ute等[6]采用HPLC-ICP-MS联用技术，用含有0.05mmol/L的1，2苯磺酸二钾盐的硝酸溶液作为流动相，分离测定了海藻类食品和大米中的7种砷的不同形态化合物。

离子交换色谱法（IC）是砷形态分析应用最广泛的分析方法，利用阴阳离子交换机理对不同砷的形态进行分离，Yun-Ling Chu等[7]用阴离子交换柱Hamilton PRP-X100，以（NH4）2CO3和甲醇为流动相，调节pH值在8.5，在8min内分离了食用油中的6种砷的不同形态化合物。李卫华等[8]采用阴/阳离子色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术，以pH10.3的20 mmol/LNH4HCO3和pH2.0的5mmol/L吡啶溶液为流动相，成功分离测定了鱼和贝类海产品中的三价砷As（Ⅲ）、五价砷As（Ⅴ）、一甲基砷酸MMA、二甲基砷酸DMA、砷甜菜碱AsB、砷糖PO4、砷糖OH、砷糖SO3和砷糖SO49种不同的砷形态化合物。用ICP-MS检测75As（m/z）含量时，某些生物和环境样品基体中含有大量的氯元素，在ICP-MS中将产生40Ar35Cl+（m/z）干扰。Chia-Ying等[9]采用离子色谱-动态反应池-电感耦合等离子体质谱联用技术，以含有1%甲醇的0.5 mmol/L柠檬酸铵（pH4.5）和含有1%甲醇的15 mmol/L柠檬酸铵（pH8.0）作为流动相，分离测定了谷物中的砷和硒两种元素的不同形态，利用1.0ml/minCH4作为动态反应池的反应气，成功去除了氯离子的干扰，方法检出限在0.006～0.009 ng/ml之间。

排阻色谱法（SEC）主要用于分离蛋白质或聚合物等大分子量的试样，其分离原理是基于分子的尺寸和形状。J.Gailer等[10]采用排阻色谱法分离测定了As-GSH类砷的形态，研究了pH值、温度和谷胱甘肽在流动相中的浓度对砷形态分离效果的影响。Badal等[11]采用SEC-HPLC-ICP-MS联用技术成功分离测定了人体指甲和尿样中的4种含硫的砷代谢产物。Anne等[12]采用SEC-ESI-MS联用技术分析和定量表征了砷多肽和砷蛋白类物质，该联用技术使不同分子和不同配体间的竞争实验成为可能。

2.2 其他联用技术在砷形态分析中的应用

液相色谱与原子荧光光谱联用是在砷形态分析中发展较快的一种新技术[13]，它与质谱法相比，成本较低，分析效果也比较好，检出限可以跟ICP-MS相媲美。顾海东等[14]利用高效液相色谱-原子荧光光谱联用技术分析了土壤中亚砷酸盐、二甲基砷、一甲基砷和砷酸盐4种形态砷。武铄等[15]采用液相色谱-氢化物发生/原子荧光联用技术分离测定了啤酒中4种砷形态，4种砷形态的方法检出限在0.8～1.2 ng/ml之间。

毛细管电泳（CE）与电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）的联用是一种新的分离检测技术，它综合了毛细管电泳技术的高效、快速分离和质谱的强大元素选择检测功能及低检出限等优点，在砷形态分析领域已成为重要工具之一。陈玉红等[16]应用CE-ICP-MS联用技术同时分离测定砷甜菜碱、砷胆碱、三价砷、五价砷、一甲基砷、二甲基砷、阿散酸、洛克沙胂8种砷的化合物，检出限在0.3～0.8 ng/g之间。杨桂娣等[17]采用毛细管电泳紫外吸收法分离检测了海洋生物产品中5种不同形态的砷化合物，分离电压在20 kV，以20 mmol/LNaH2PO4-5 mmol/L Na2B4O7（pH=6.25）缓冲溶液作为缓冲体系，5种砷形态化合物在11min内完全分离。

2.3 电喷雾离子源质谱（ESI-MS）的联用技术和鉴别未知的砷化物[18-22]

HPLC-ICP-MS、CE-ICP-MS和HPLC-HGAFS等联用技术在绝大多数样品砷形态的测定中都具有较高的灵敏度和较好的分离效果，但是不能充分提供物质的结构信息来鉴定已知、未知或者无法预测的物质。因此需要更加有效的分离技术和更加灵敏的检测器来发现更多的未知化合物。Cristina等[19]利用SEC-HPLC-ESI-MS/MS联用技术分析测定了食用海藻中的砷形态，并研究了其生物有效性，发现了甘油糖、磷酸糖、磺酸盐糖、硫酸盐糖4种砷糖物质。ZHAO等[20]采用HPLCESI-MS联用技术分析了As（GS）3（Arsenic Triglutathione） 在水溶液中的两种代谢产物GSH和GSSG，并且确定了这两种代谢产物的结构信息。McSheehy S等[22]采用液相色谱与电子喷雾-飞行时间串联质谱联用（LC-ES-TOF-MS）表征了文蛤肾脏中20几种砷形态，并对这些砷化物之间的代谢关系作了简单的探讨，对未来研究不同形态砷的生物毒性和有效性都有较大的意义。

3 结语

综上所述，分离技术中分离能力强、重现性高的HPLC技术和检出限低、适用性广的ICP-MS法是砷形态检测分析中最有效的方法，HPLC和ICP-MS的联用技术将会是今后砷形态检测领域的主要方向，HPLC-ESI-MS/MS的联用在未知砷化物鉴定的领域将有较好的应用前景。目前砷形态检测分析中仍存在一定问题，如何建立快速、有效、完整的提取样品中各种形态砷的样品前处理体系和实现砷形态的在线分离富集，尽量减少砷形态之间的转化，提高联用技术水平，使各形态砷在得到较好分离的基础上满足超痕量分析的要求，是今后砷形态分析研究的重点。

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