环境监测技术专题讲座-元素形态分析

1、 元素形态分析 Elemental speciation Analysis形态分析的含义形态分析的意义形态分析的方法形态分析的举例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( IUPAC Guidelines for Terms Related to Speciation of Trace Elements)化学物种(chemical species)：化学元素的某种特有形式，如：

2、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(speciation analysis)：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)：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。比如铁的形态的分析：铁的总浓度： 形态是原子或分子形成变化万千的过程。元素稳

3、定的无机形态（不同氧化态），有机形态以及特定元素在变化过程中所经历的所有物种都归入形态分析的对象。 形态分析三个不同的层次 因氧化态的区别而稳定存在于体系中的元素无机阳离子，阴离子形态分析。元素无机阳离子，阴离子形态分析：如 Fe(III)/Fe(II) 、 、As(V)/As(III)等。元素能够通过共价键与碳联结，成为有机形态化合物。这类化合物如：各种有机铅、有机汞、有机砷及其他有机金属和有机非金属化合物。元素形态化合物是元素在特定环境下通过配合键与配体形成的稳定或不稳定络合形式的形态。如人们所共知的，许多生态和生命运动过程中，生命系统所必须的生命元素一般都通过活性的中间形态发挥其生理功能

4、，非常稳定的化合物一般是呈生理惰性而呈现无害或无用的。这类化合物真正体现了“Speciation is the evolution of species”的性质。 2.形态分析的意义环境样品中元素的形态信息科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

5、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。Why Speciation一、从化学观点出发，元素的总量和各种元素不同形态的含量，这是不同的概念，不是一回事。总量是总含量，形态的量才与生物、药物、毒性、营养等有关。二、所谓元素的形态就是元素各物理化学的形式，可以说元素的形态是原子或分子变化过程的证据。只有元素的形态才真正体现了物质变化过程的性质。三、形态分析研究具有十分重要意义和实际价值。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

6、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、

7、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）挥发性金属及其有机物对难挥发元素需衍生化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

8、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

9、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。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

10、法。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。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再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

11、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()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2004年在香港媒体上报道多次的鱼罐头事件，就是因为检出了其中高含量的砷，引起规模超过5亿

12、元的内地鱼罐头产业近来一直不景气。2009年11月24日，海口市工商局向消费者发布了农夫山泉和统一企业3种饮料总砷含量超标的消息。实际上，国内绝大多数产品并未超标，只是检测方法存在问题罢了。由此可见，区分砷元素不同形态的检测方法的研究是十分重要的。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 饮用水砷含量必须小于10ng/ml，每毫升10纳克（10-9g）而鱼体内砷含量往往大于1000ng/ml，是水中砷的100倍。为什么我们吃鱼就不会中毒呢？这就与砷的形态

13、有关了。 水中砷都是三价、五价的无机砷 鱼中的砷是以AsB形式存在的无毒有机砷 Arsenic speciesFormulaLD50 mg/kgArsenite 14Arsenate 20Monomethylarsonic acid (MMA) 1800Dimethylarsinic acid (DMA) 2600Trimethylarsine oxide (TMAO) 10600Arsenobetaine (AsB) 10000Arsenocholine (AsC) 6500Tetramethylarsonium ion (TMAs+) 890常见砷化合物的毒性环境中砷存在的形式环境介质砷的

14、形式形态土壤无机砷海洋生物海带有机砷无毒的砷糖 鱼有机砷砷甜菜碱 当采用阴离子色谱柱时，pH=6是一个理想的条件，在这一pH 之下，As主要以不带电荷的亚砷酸（H3A）形式存在，在阴离子色谱柱上无保留；二甲基砷以HA 和A-各占一半的形式存在，因此在阴离子色谱柱上有一定保留；一甲基砷完全以HA-的形式存在，因此在阴离子色谱柱上保留强于二甲基砷；而AsV部分已经以HA2-的形式存在，是这几种离子中保留最强的，因此最后流出，从而使这几种砷的形态被相互分离。由此可见，pH=6是采用阴离子色谱柱分离时的最佳流动相条件。HPLC-ICP-MS 确定海草中As的形态Extraction：0.10.2 g

15、samples were weighed into 7 ml centrifuge tubes and 6 ml of H2OMeOH (1 + 1) were added.The suspension was ultrasonicated for 15 min and centrifuged at 9000 rpm for 15 min. The supernatant was transferred into a 100 ml beaker. This procedure was repeated another five times.Tessier 法1979年 由Tessier 提出的

16、土壤、沉积物样品重金属元素顺序提取法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，普遍将水溶态和可交换态合起来计算，也叫水溶态和可交换态碳酸盐结合态被碳酸盐吸持部分,该部分对p H 变化敏感,于约p H 5 碳酸盐溶解时被释放铁锰氧化物结合态(可还原态)指水体中重金属与水合氧化铁、氧化锰生成结核这一部分。通过将Fe 、Mn 还原为可溶性低价态,可释放该部分结合的金属有机物和硫化物结合态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,这些有机物可降解,释放出所结合的金

17、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,该步也有可能释放部分金属硫化物。残渣态指石英、粘土矿物等晶格里的部分，可用HF、HClO4等复合强酸分解Tessier法的具体流程 以1g样品为例可交换态碳酸盐结合态（弱酸结合态）铁锰氧化物结合态(可还原态)有机物和硫化物结合态残渣态8ml 1 mol/ L MgCl2,pH 7. 0室温振荡1h8ml 1 mol/ L NaAc, 用HAc 调至pH 5. 0室温振荡6h20ml 0. 04 mol/ L NH2OH .HCl , 4. 4 mol/ L HAc , 96 水浴6h，偶尔振荡3ml 0. 02 mol/ L HNO3 +

18、5ml 30% H2O2 ,pH 2 , 85 ,2h偶尔震荡；重复一次，保温3h; 冷却至室温, 再加5ml 3. 2 mol/ L NH4Ac+3 mol/ L HNO3，加水至20mL振荡30min40%HF + 70%HClO4+HCl（5:1:1，V/V）消解Tessier方法的局限性在可溶态提取步骤中，有可能导致元素结果偏高。由于Cd和Cl形成的化合物在高浓度氯化物介质中相当稳定（lgk值介于1.98-2.4之间），导致可交换态结果明显偏高提取剂缺乏选择性，提取过程中存在重吸附和再分配现象缺乏统一的标准分析方法，分析结果的可比性差欧共体BCR(SM&T)法欧共体标准局BCR（ 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， 在Tessier方法的基础上提出了BCR三步提取法。BCR提取方法按