原子荧光及形态分析仪技术发展及应用

原子荧光及形态分析仪技术发展及应用 同一元素的不同形态具有不同的物理化学性质和生物活性，如：无机砷化合物 的毒性比较大，有机砷化合物的毒性较小或者基本没有毒性。因此，对于某些元 素，只了解总量是不够的，我们在了解总量的同时，更希望了解某元素的形态组成，“元 素形态分析”作为一个崭新的应用研究领域应运而生。痕(微)量元素的化学形态信息在环 境科学、生物医学、中医医学、食品科学、营养学、微量元素医学以及商品中有毒元素限 量新标准等研究领域中起着非常重要的作用。 经过近三十多年发展，元素形态分析目前已经成为分析科学领域的一个重 要分支。元素形态分析，传统化学法用的比较少，使用较多的是仪器联机分析 方法，其实质是分离技术与检测技术的联用。所使用的联机分析法主要是液相 色谱(LC)、气相色谱(GC)、毛细管电泳(CE)、离子色谱(IC)等分离设备和电感 耦合等离子体质谱(ICP-MS)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、原子荧 光(AFS)、原子吸收(AAS)等元素检测仪器联用。随着有机质谱的发展，GC-MS 和 LC-MS/MS 也越来越多地应用于元素形态分析。 AFS 是中国具有自主知识产权的分析仪器，具有分析灵敏度高、线性范围 宽、光谱干扰及化学干扰少、仪器结构简单、成本低廉、易于维护等优点。LC- AFS 是近几年快速发展起来的一种联用技术，主要仪器生产厂商有 7 家：北京 吉天仪器有限公司、北京瑞利分析仪器有限公司、北京普析通用仪器有限责任 公司、北京海光仪器公司、北京金索坤技术开发有限公司、北京锐光仪器有限 公司、北京凯迪瑞分析仪器有限公司。将来，相信还会有更多的仪器厂家加入 到这个行列当中。 日前，仪器信息网编辑就原子荧光形态分析技术与市场、标准等问题，采 访了相关专家及仪器厂商。 原子荧光形态分析技术的优势与不足 就像前言中所说，目前元素形态分析多用仪器联机分析方法。其中，国内 外比较认可 LC-ICP-MS 联用方法。ICP-MS 方法灵敏度高、选择性强、检出限佳、 可以时测定多种元素，是元素形态分析的有力检测工具。但是，ICP-MS 仪器主 要依靠进口、成本高、运行费用也高，目前，将其作为形态分析的常规检测手 段尚不具备条件。 As、Hg、Se、Sb 等元素的主要荧光谱线介于 200290nm 之间，正好是日 盲光电倍增管灵敏度最好波段，即处于 AFS 最佳的检测波长范围之内。另一方 面，这些元素可以形成气态化合物，与大量的基体相分离，从而大大降低了基 体干扰;而且，与溶液直接喷雾进样相比，蒸气发生进样技术(VG)能将待测元素 充分预富集，进样效率近乎 100%。 AFS 与 LC 的联用具有优势互补的特点，可以得到很低的检出限，可实现对 As、Hg、Se、Sb 等元素价态的分析测试。被测元素的不同价态组分存在物理和 化学性质差异，其在色谱柱中的保留时间不同，液相色谱分离系统实现不同价 态分离，接口装置将色谱柱分离出来的不同价态被测元素组分，以及参与氢化 物反应的其它试剂，通过液体输送设备带入反应管路中实现化学反应;另外，一 些不能直接发生氢化物反应或反应效率较低的有机价态元素，可通过在线紫外 消解装置，转化为可进行氢化物反应的无机价态元素;最后，原子荧光检测系统 将被测元素定量转化为可被检测的光谱信号。 LC-AFS 其最大特点在于对含有特定元素的化合物具有高度的专一性和较高 的灵敏度，具有与 ICP-MS 相似的分析性能(检出限、精密度和灵敏度)。有相关 专家在 As 形态分析的分析性能上对比了 ICP-MS 和 AFS 两种检测器，发现 AFS 可以获得与 ICP-MS 相当的灵敏度。与 ICP-MS 相比较，LC-AFS 在采购成本、使 用成本上具有极大优势;并且具有操作简单、容易上手的特点。 但是，任何仪器方法都不可能是完美无缺的，LC-AFS 也有其不足之处。北 京瑞利说到：“AFS 所测量元素及其形态范围很有限，长期运行的稳定性也不 太理想。”海光指出：“进样量不匹配，即液相色谱进样量只有几十微升，而 AFS 通常进样量是毫升级，所以 LC-AFS 联用的检出限比 AFS 的低数十倍，需要 进一步提高 AFS 灵敏度。”普析指出：“对检测条件和样品前处理方法也比较 苛刻，影响因素较多。” 原子荧光形态分析技术的应用 随着 LC-AFS 技术的不断发展，LC-AFS 在检测 As、Hg、Se、Sb 四种元素的 形态和价态方面比较成熟，Te 和 Ge 元素也有涉及，但是应用较少。LC-AFS 技 术应用领域与行业越来越广泛，涵盖了食品卫生检测、环境样品检测、地质冶 金样品检测、水样品检测、农产品检测、临床检验、教育及科研等领域。 1、食品中的 As 形态分析 A、大米和菠菜中 As 形态的测试(植物性) 表 1 大米和菠菜测定结果(普析 SA7) 样品 总砷值 (mg/Kg) As(III) (mg/Kg) As(V) (mg/Kg) DMA (mg/Kg) MMA (mg/Kg) AsB (mg/Kg) 提取率 (%) 大米 1.30 1.05 n.d 0.20 n.d n.d 96 菠菜 0.23 0.05 0.18 n.d n.d n.d 100 图 1 As(III)、DMA、MMA、As(V)标准色谱图 B、蔬菜中 As 形态测定 表 2 蔬菜中 As 形态测定结果(吉天仪器) 无机砷 加标 提取 样品 测定 I (mg/kg) 测定 II (mg/kg） 平均 (mg/kg） 浓度 (g/L) 回收率 (%) 提取 a (mg/kg) 总量 b (mg/kg） 提取率 (%) 紫菜 0.088 0.080 0.084 50 92.4 33.9 36 94.2 海带 0.022 0.024 0.023 50 98.4 16.6 17.3 95.8 羊栖菜 36.8 37.3 37.1 31.3 104.1 54.1 61.9 87.5 裙带菜 0.098 0.090 0.094 31.3 83.3 44.1 54.7 80.7 红毛菜 0.074 0.067 0.071 50 92.7 62.7 65.5 95.7 a 将提取液用 HNO3+HClO4+H2SO4 消解后测得的提取液中的砷含量。 b 将样品用 HNO3+HClO4+H2SO4 消解后测得的砷含量。 图 2 砷形态标准溶液谱图 图 3 海带中的 As 形态谱图 C、大虾、鱼粉中 As 形态的测试(动物性) 表 3 大虾和鱼粉测定结果(普析 SA7) 样 品 总砷值 (mg/Kg) As(III) (mg/Kg) As(V) (mg/Kg) DMA (mg/Kg) MMA (mg/Kg) AsB (mg/Kg) 提取率 (%) 大虾 3.2 n.d n.d 0.13 n.d 2.90 95 鱼粉 4.0 n.d n.d 0.14 n.d 3.70 96 图 4 大虾中 AsB、DMA 测量色谱图 图 5 大米中 As(III)、DMA 色谱图 2、鱼样中 Hg 形态分析 图 6 汞形态标准溶液谱图(吉天仪器) 图 7 鱼样中的汞形态 测定结果： MetHg=104g/kg，Hg2+=3.7g/kg，Total Hg=110g/kg 原子荧光形态分析仪器市场规模较小 相关标准缺失 目前，中国原子荧光形态分析仪器市场规模还较小，据统计年销售量在 200 台左右。主要是国家级别的实验室、省一级的检测机构以及相关科研院所 用于研究工作，并没有普及到基层实验室。任何仪器的大规模应用都要依靠标 准的实施，LC-AFS 相关的国家限量标准较少，从法规上对产品厂商的约束较少， 使得原子荧光形态分析仪器不能作为一种常备的分析仪器得到普及，大多作为 课题研究的工具，因此形态分析相关国家标准的缺失成为 LC-AFS 相关市场需求 没有完全激发的最主要原因。 中国有关原子荧光形态分析的方法标准主要有： GB/T5009.17-2003 食品中 总汞及有机汞的测定; GB/T5009.11-2003 食品中总砷及无机砷的测定; SN/T3034-2011 出口水产品中无机汞、甲基汞和乙基汞的测定 液相色谱-原子 荧光光谱联用等。还有一些标准正处于准备或征询意见阶段。其中，北京瑞利 与中国疾控中心营养与食品安全所合作，开展液相色谱-原子荧光联用技术测定 食品中砷、汞形态的研究，样品类型涉及所有的海产品和日常膳食;制定的 GB5009.11-*食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定正处于征求 意见中。 对于一些元素形态或价态的分离及检测方法的研究与测试标准的制定已刻 不容缓。北京吉天说到：“目前，迫切需要仪器厂商与相关单位通力合作，推 动相关标准的制定。”普析说到：“在食品、卫生、农业等领域还有大量的 LC-AFS 的应用文献。随着时间的推移和方法技术的成熟，相信经过相关权威部 门和仪器厂商的不断努力，使其与 AFS 一样，会有更多的国家标准和行业标准 发布实施。” 对于制约原子荧光形态分析仪器推广的其他原因，韦超指出：“形态分析 联用技术的成本较高，如 ICP-MS 仪器单价就要一百万人民币以上，国产形态联 用分析仪器也在二十万元以上，同时技术难度较大，分析人员需要具备较高的 专业素养。以上两个原因导致形态分析联用技术的市场还处于培育阶段。” 北京瑞利提到：“技术上抄袭模仿较多，原始创新较少，能够上升到理论 层面而开发的核心技术更是少之又少;ICP-MS 的价格在逐年下降，原子荧光的 应用范围、所测元素和检出能力又比较有限，其成本优势所占的比重在逐年降 低。”北京吉天认为：“形态质控样种类太少也是制约形态分析普及的一大瓶 颈，因为，目前只有少量的无机砷和甲基汞的质控样，导致测量的准确性和可 靠性难以得到保证。” 原子荧光形态分析仪器的市场前景? “考虑到我国经济贸易的蓬勃发展和人民群众对食品安全环境保护的日益 关注，形态分析联用技术市场的发展前景还是十分乐观的，一旦相关技术法规、 限量标准得以确立完善，联用仪器开发生产形成规模化，将会带来爆发性增长。 ”韦超说到。 2015 年中国药典拟增订元素形态及其价态测定法，其中包括汞元素形态及 其价态测定法和 As 形态及其价态测定法，拟增订方法为高效液相色谱法-电感 耦合等离子体质谱测定法。 2009 年欧盟实施玩具安全新指令 2009/48/EC，其中 化学安全性能于 2013 年 7 月 20 日生效。该指令要求对 Cr(III)和 Cr(VI)分别 进行限制，其中 Cr(III)、Cr(VI)限量在各类样品中的要求分别如下：一类样 品(37.5、0.2 mg/kg);二类样品(9.4、0.005 mg/kg);三类样品(460、0.02 mg/kg)。 2015 版中国药典、欧盟指令 2009/48/EC 给出的参考检测方法都是 LC-ICP- MS，但是，药典、欧盟的标准中同样都指出，只要分析方法经过验证，检出限 低于标准的限量，该方法即可应用。那么，对于原子荧光形态分析仪器生产企 业来说，原子荧光形态分析方法是否有机会进入这两个领域? “既然 2015 版中国药典、欧盟实施玩具安全新指令 2009/48/EC 曾提出， 仪器公司可以申请等效方法。作为国产仪器，原子荧光具有其独有优势，完全 有机会进入这两个领域，而且也相当期待进入此领域，这样可以填补国产分析 仪器在这方面的空白。只要原子荧光在分析方法上可以达到上述应用领域的要 求，至少可以和 LC-ICP-MS 方法等效，将来极有可能将原子荧光仪器推向国际 市场，”海光仪器认为，“作为原子荧光形态分析仪器生产企业，今后我们将 持续关注这两个领域的动态，着手准备开展前期研究工作。” “从其色谱、质谱条件与系统适用性试验可以看出，高效液相色谱法-原子 荧光光谱法完全符合 2015 年中国药典相关要求，满足其测试条件。但是，由于 药典中原子荧光光谱法测量砷元素和汞元素的方法未能写入其中，如想把其价 态测定的方法写入药典，就需要先把原子荧光法测量砷汞的方法写入药典。” 普析说到，“而对于欧盟实施玩具安全新指令 2009/48/EC，原子荧光形态分析 仪目前还不能测量 Cr 的形态。”| 北京吉天也非常看好原子荧光形态分析方法在药物分析领域的前景。“药 物如雄黄中的砷形态、朱砂中的汞形态，以及药物在动物体内新陈代谢过程中 各种元素形态的转化，都是很有研究价值的领域，我们已经与相关单位进行合 作取得了一些成果。”对欧盟玩具安全新指令 2009/48/EC 指令中 Cr(III)、 Cr(VI)用原子荧光形态分析方法，北京吉天不是很看好，“该方法最困难的地 方在于如何将 Cr(III)、Cr(VI)从样品中有效的提取出来，目前看来没有很理 想的方法，各种方法的提取率千差万别。而且，RoHs 样品基体复杂，干扰重， 重现性和稳定性都无法很好保证。此外，Cr 的原子化温度在 1000以上，现有 的原子荧光的原子化器温度只有 200左右，氢化物的发生效率也很低，需要 加入特定的增敏剂，所以 Cr 的氢化物发生效率和原子化温度也是需要解决的问 题。” “GB/T 29783-2013 电子电气产品中六价铬的测定 原子荧光光谱法，已经 进入实施阶段，但是并不被欧