元素形态分析-张彦峰(现代环境检测技术)

1、 元素形态分析元素形态分析 Elemental speciation Analysisn1.形态分析的含义形态分析的含义n2.形态分析的意义形态分析的意义n3.形态分析的方法形态分析的方法n4.形态分析的举例形态分析的举例1.形态分析的含义形态分析的含义n元素的化学形态与其毒性、生物可利用性、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品安全、药学、微量元素医学等领域备受关注。关注。n国际纯粹与应用化学联合会国际纯粹与应用

2、化学联合会( IUPAC) 于于2000 年统一规定了痕量元素形态分析的定年统一规定了痕量元素形态分析的定义义( IUPAC Guidelines for Terms Related to Speciation of Trace Elements)n化学物种化学物种(chemical species)：化学元素的某种特有形式，如：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。同位素组成，电子或氧化状态，配合物或分子结构等。n元素形态元素形态( speciation)：一种元素的不同物种在特定体系中的：一种元素的不同物种在特定体系中的分布情况。分布情况。n形态分析形

3、态分析(speciation analysis)：识别和：识别和(或或) 测定某一样品中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、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。区分。n分步提取分步提取(fractionation)：又叫顺序提取，根据物理：又叫顺序提取，根据物理(如粒度、如粒度、溶解度等溶解度等) 或化学性质或化学性质(如结合状态、反应活

4、性等如结合状态、反应活性等) 把样品中一把样品中一种或一组被测定物质进行分类提取的过程。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形态分析三个不同的层次 n1)氧化态的区别，如氧化态的区别，如 Fe(III)/Fe(II) 、 As(V)/As(III)等。等。2)有机形态化合物，如各种有机铅、有机汞、有机有机形态化合物，如各种有机铅、有机汞、有机砷及其他有机金属化合物。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通过配合键与配体形成的稳定或不稳定络合形式的形态。的形态。2.形态分析的意义形态分析的意义n环境样品中元素的形态信息可用于环境危害性评环境

5、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。价，阐明污染物在环境中的迁移和转化机理。n生物样品的元素形态分析有助于人们从元素化学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。化学形态变化等。n金属药物与生物分子的相互作用及其引起的金属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

6、。导新药物的设计具有重要意义。n在食品科学及营养学领域，元素形态分析可以帮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。有毒元素的生物可利用性。n弄清元素的化学形态与毒性的关系对于制订商品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。中有毒元素限量的新标准具有重要意义。3.形态分析的方法形态分析的方法n（1）分离）分离-原子光（质）谱联用技术原子光（质）谱联用技术n（2）有机质

7、谱技术）有机质谱技术n（3）非色谱分离形态分析技术）非色谱分离形态分析技术n（4）电化学形态分析技术）电化学形态分析技术n（5）直接形态分析技术（固体形态分析技）直接形态分析技术（固体形态分析技术）术）形态分析的主要方法形态分析的主要方法形态分析形态分析联用联用技术技术顺序顺序提取提取依据被分析物的物理化学特征依据被分析物的物理化学特征,如挥发性、电荷、极性、质量及如挥发性、电荷、极性、质量及分子的空间结构等性质分子的空间结构等性质分离分离技术技术检测检测技术技术是模拟自然的和人为的环境条件变化是模拟自然的和人为的环境条件变化,按从弱到按从弱到强的原则强的原则,合理使用一系列选择性试剂连续溶解

8、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不同吸持痕量元素的矿物相,将样品中不同赋存将样品中不同赋存状态的元素解析出来状态的元素解析出来,分别测定。把原来单一分分别测定。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。析，从而提高了评价质量。直接直接测量测量模拟模拟计算计算模拟模拟实验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

9、，计算复杂，需要建立相关的热力学、动力学数相互影响较多，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学模型解决问题，因此主要用于水体系的形态分析（1）分离）分离-原子光（质）谱联用技术原子光（质）谱联用技术n高效分离技术如色谱和毛细管电泳与原子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。用技术研究的焦点。nGC、HPLC、CE、SFC与与AAS、AES、AFS、ICP-MS联用联用用于形态分析的联用技术

10、用于形态分析的联用技术分离分离技术技术 检检 测测 手手 段段 适适 用用 元元 素素缺缺 点点GCGCAASAAS、AESAES（ICP-AESICP-AES、MIP/AESMIP/AES）、）、MSMS（ICP/MSICP/MS）挥发性金属有机挥发性金属有机化合物化合物对难挥发物质需衍生化对难挥发物质需衍生化HPLCHPLCAASAAS、AESAES（ICP-AESICP-AES）、）、MSMS（ICP/MSICP/MS）高沸点和热不稳高沸点和热不稳定化合物定化合物大量有机溶剂的引入抑制了大量有机溶剂的引入抑制了ICP- ICP- MS MS 的灵敏度的灵敏度, ,缓冲抑制了缓冲抑制了IC

11、P- ICP- MS MS 的灵敏度的灵敏度, ,缓冲液中的盐类及缓冲液中的盐类及大量有机物质可能阻塞进样系统大量有机物质可能阻塞进样系统和接口锥孔和接口锥孔SFCSFCAESG(ICP-AESAESG(ICP-AES、MIP-AESMIP-AES）、）、MSMS（ICP/MSICP/MS） 金属螯合物金属螯合物不适用于无机态金属不适用于无机态金属CECEAESAES（ICP-AESICP-AES、MIP-AESMIP-AES）、）、MSMS（ICP/MSICP/MS） 通用性通用性受进样量限制而灵敏度低受进样量限制而灵敏度低（2）有机质谱技术）有机质谱技术n无机质谱（如无机质谱（如ICP-M

12、S）的联用技术具有灵敏度高）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。分析物的结构。n有机质谱能够得到物质的分子质量和离子碎片的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。信息，从而有助于推断分析物的结构。n将能获得丰富结构信息的将能获得丰富结构信息的HPLC-MS与能准确、灵与能准确、灵敏定量的敏定量的ICP-MS联机使用，可以完成复杂的形态联机使用，可以完成复杂的形态分析。比如，分析。比如，HPLC

13、或或CE结合结合ICP-MS与电喷雾与电喷雾离子化质谱（离子化质谱（ESI-MS）平行检测已经成功应用于）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。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）非色谱分离形态分析技术n优点：不需要色谱分离，费用更低；在分离的同优点：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。物种平衡的扰动低。n种类：基于不同物种对检测器响应差异的比例方种类：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；沉淀和共沉程法；溶剂和固相萃取；配位

14、反应；沉淀和共沉淀；基于氧化还原态的分离；蒸馏或挥发；组分淀；基于氧化还原态的分离；蒸馏或挥发；组分离法。离法。n典型代表：金属元素的顺序提取。模拟自然环境典型代表：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。潜在影响的信息。Tessier法和法和BCR法。法。（4）电化学形态分析技术）电化学形态分析技术n电化学分析技术具有简单、经济和灵敏等

15、特点，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。吸附所导致的损失。n用于元素形态分析具有以下优点：便于调制且费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（如底泥记录环境界面（如底泥-水，生物膜水，生物膜-水和空气水和空气-水）水）的变化；可以实现价态分析和多元素同时检测。的变化；可以实现价态分析和多元素同时检测。n例

16、如伏安法用于金属离子的价态分析。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）直接形态分析技术（固体形态分析技术）n固体样品中的原子核、原子、分子和晶格吸收的特定能量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。分子结构和元素组成的信息。n活化分析，如中子活化分析；活化分析，如中子活化分析；X射线法，如射线法，如X射线荧光、射线荧光、X射

17、线吸收光谱、射线吸收光谱、 X射线衍射、射线衍射、 X射线光电子能谱、射线光电子能谱、 X射线射线散射；磁波谱类方法，如核磁共振技术、电子顺磁自旋共散射；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，如扫描电镜振、穆斯堡尔谱；电子技术，如扫描电镜- X射线能量散射线能量散射、扫描透射电镜、俄歇电子能谱；振动光谱，如红外、射、扫描透射电镜、俄歇电子能谱；振动光谱，如红外、拉曼光谱；激光烧蚀拉曼光谱；激光烧蚀ICP-MSn举例：举例： X射线吸收光谱用于研究射线吸收光谱用于研究As()在萝卜中的吸收、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传输和转

18、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，发现荞麦叶片含有的原位结构，发现荞麦叶片含有Al和草酸的复合物，并且和草酸的复合物，并且以以1:3形式存在。形式存在。4.形态分析的举例形态分析的举例n砷的形态分析砷的形态分析n土壤、沉积物中重金属的顺序提取土壤、沉积物中重金属的顺序提取以砷为例以砷为例 As（Arsenic） 砷砷无机砷无机砷有机砷有机砷三价砷三价砷五价砷五价砷甲基砷甲基砷生物态砷生物态砷一甲基胂一甲基胂二甲基胂二甲基胂砷甜菜碱、砷胆砷甜菜碱、砷胆碱、砷糖和砷脂碱、砷糖和砷脂 毒性降低毒性降低砒霜分子式是砒霜分子式是 是三价砷，亚砷的氧化物。是三价砷，亚砷的氧化物。Que

19、stion n饮用水砷含量必须小于饮用水砷含量必须小于10ng/ml，每毫升，每毫升10纳克（纳克（10-9g）而鱼体内砷含量往往大于而鱼体内砷含量往往大于1000ng/ml，是水中砷的，是水中砷的100倍。倍。为什么我们吃鱼就不会中毒呢？为什么我们吃鱼就不会中毒呢？n与砷的形态有关。与砷的形态有关。 水中砷都是三价、水中砷都是三价、五价的无机砷五价的无机砷 鱼中的砷是以鱼中的砷是以AsB形式形式存在的无毒有机砷存在的无毒有机砷 环境中砷存在的形式环境中砷存在的形式环境介质环境介质砷的形式砷的形式形态形态土壤土壤无机砷无机砷海洋生物海洋生物海带海带有机砷有机砷无毒的砷糖无毒的砷糖 鱼鱼有机砷有

20、机砷砷甜菜碱砷甜菜碱 Arsenic speciesFormulaLD50 mg/kgArsenite HAsO2 14Arsenate H3AsO4 20Monomethylarsonic acid (MMA) 1800Dimethylarsinic acid (DMA) 2600Trimethylarsine oxide (TMAO) 10600Arsenobetaine (AsB) 10000Arsenocholine (AsC) 6500常见砷化合物的毒性常见砷化合物的毒性HPLC-ICP-MS 确定海草中确定海草中As的形态的形态Tessier 法法1979年年 由由Tessier

21、提出的土壤、沉积物样品重金属元素顺序提取法提出的土壤、沉积物样品重金属元素顺序提取法可交换态可交换态指交换吸附在沉积物上的粘土矿物及其他成分，如氢指交换吸附在沉积物上的粘土矿物及其他成分，如氢氧化铁、氢氧化锰、腐殖质上的重金属。由于水溶态氧化铁、氢氧化锰、腐殖质上的重金属。由于水溶态的金属浓度常低于仪器的检出限，普遍将水溶态和可的金属浓度常低于仪器的检出限，普遍将水溶态和可交换态合起来计算，也叫水溶态和可交换态交换态合起来计算，也叫水溶态和可交换态碳酸盐结合态碳酸盐结合态被碳酸盐吸持部分被碳酸盐吸持部分,该部分对该部分对p H 变化敏感变化敏感,于约于约p H 5 碳酸盐溶解时被释放碳酸盐溶解

22、时被释放铁锰氧化物结合铁锰氧化物结合态（可还原态）态（可还原态）指水体中重金属与水合氧化铁、氧化锰生成结核这指水体中重金属与水合氧化铁、氧化锰生成结核这一部分。通过将一部分。通过将Fe 、Mn 还原为可溶性低价态还原为可溶性低价态,可释可释放该部分结合的金属放该部分结合的金属有机物和硫化物结有机物和硫化物结合态（可氧化态）合态（可氧化态）指颗粒物中的重金属以不同形式进入或包裹在有机质指颗粒物中的重金属以不同形式进入或包裹在有机质颗粒上同有机质螯合等或生成硫化物。在氧化条件下颗粒上同有机质螯合等或生成硫化物。在氧化条件下,这些有机物可降解这些有机物可降解,释放出所结合的金属。由于氧化条释放出所结

23、合的金属。由于氧化条件下某些硫化物也可能被氧化为可溶性硫酸盐件下某些硫化物也可能被氧化为可溶性硫酸盐,该步也该步也有可能释放部分金属硫化物。有可能释放部分金属硫化物。残渣态残渣态指石英、粘土矿物等晶格里的部分，可用指石英、粘土矿物等晶格里的部分，可用HF、HClO4等复合强酸分解等复合强酸分解Tessier法的具体流程法的具体流程以以1g样品为例样品为例可交换态可交换态碳酸盐结合态碳酸盐结合态铁锰氧化物结合铁锰氧化物结合态（可还原态）态（可还原态）有机物和硫化物结有机物和硫化物结合态（可氧化态）合态（可氧化态）残渣态残渣态1 mol/ L MgCl2,pH 7. 01 mol/ L NaAc,

24、 用用HAc 调至调至pH 5. 00. 04 mol/ L NH2OH .HCl ,4. 4 mol/ L HAc , 96 0. 02 mol/ L HNO3 +30% H2O2 ,pH 2 , 85 , 震荡，震荡， 回到回到25 , 再加再加3. 2 mol/ L NH4Ac 3 mol/ L HNO3HF + HClO4+HCl消解消解Tessier方法的局限性方法的局限性n1 1，在可溶态提取步骤中，有可能导致元素结果偏，在可溶态提取步骤中，有可能导致元素结果偏高。由于高。由于CdCd和和ClCl形成的化合物在高浓度氯化物介形成的化合物在高浓度氯化物介质中相当稳定（质中相当稳定（l

25、gklgk值介于值介于1.98-2.41.98-2.4之间），导致之间），导致可交换态结果明显偏高可交换态结果明显偏高n2 2，提取剂缺乏选择性，提取过程中存在重吸附和，提取剂缺乏选择性，提取过程中存在重吸附和再分配现象再分配现象n3 3，缺乏统一的标准分析方法，分析结果的可比性，缺乏统一的标准分析方法，分析结果的可比性差差欧共体欧共体BCR(SM&T)法法n欧共体标准局欧共体标准局BCR（ 现名欧共体标准测量与检测局现名欧共体标准测量与检测局SM&T）为解决由于不同的学者使用的流程各异，缺乏一致性的步骤为解决由于不同的学者使用的流程各异，缺乏一致性的步骤和相关标准物质，世界各地实验室之间的数据缺乏可比性等和相关标准物质，世界各地实验室之间的数据缺乏可比性等问题，问题， 在在Tessier方法的基础上提出了方法的基础上提出了BCR三步提取法。三步提取法。nBCR提取方法按步骤定义为弱酸提取态（提取方法按步骤定义为弱酸提取态（B1态）：水溶态、态）：水溶态、交换态及碳酸盐结合态）；可还原态（交换态及碳酸盐结合态）；