第二期原子光譜沙龍活動報導

　　【導語】隨著研究的深入人們逐漸認識到，在環境和生命體中不同存在形態的元素表現出不同的生理活性和毒性，單純對一個元素進行檢測可能達不到研究這一元素生物功能的目的。因此，元素形態分析已成為當今分析化學的熱點研究領域，也將在不久的將來進入國家標準。在本次沙龍活動中，多位老師介紹了原子光譜技術在元素形態分析中的應用，請關注下文詳細報導……

　　2010年4月24日，四月風徐，春光明媚，第二期原子光譜沙龍活動在中國科學院物理研究所D樓211會議室舉行。該系列活動由清華大學分析中心邢志老師發起並組織，活動以專題報告和討論為主，參與者均為從事原子光譜分析工作的一線技術人員，互相交流儀器在使用、應用方面的經驗心得。

 

第二期原子光譜沙龍活動現場

　　本期沙龍活動由中國科學院物理研究所技術部分析測試部主辦，參會者分別來自北京大學醫藥衛生分析中心、清華大學分析中心、中國科學院高能物理研究所、北京市食品安全監控中心、中國農業科學院蔬菜研究所、核工業北京地質研究院。分析測試百科網將伴隨此次沙龍活動進行長期追蹤報導。

　　首先，中國科學院物理研究所技術部分析測試部劉玉龍主任對活動致辭，他介紹了分析測試部的工作，回顧了我國光譜技術的發展，並提了幾點希望。中國科學院物理研究所技術部分析測試部特色為光譜技術，包括振動光譜拉曼散射、紅外吸收、傅立葉散射、螢光、以及ICP;劉主任本人有30年振動光譜儀器研發和科研的經驗，同時還擔任中國物理學會光散射專業委員會的秘書長。劉主任講到，光譜技術在我國發展很快，比如拉曼光譜的保有量從30年前的 4、5臺發展到現在的400多臺。他回顧了光散射專業委員會及全國光散射會議(明年將在廈門召開)的發展，從最初的沙龍形式發展到會員遍及全國，參會人數達數百人。劉主任表示，自己十分高興來參加「原子光譜沙龍」這項非常有意義的活動，並預祝沙龍越辦越好，規模和學術水平上都不斷提高。

　　劉主任提到，現在的學生對原理性知識掌握不夠，希望通過原子光譜沙龍活動不僅能推廣知識、傳授知識，還能讓學生樹立對科研正確的認識。同時，劉主任還談到，科研工作者要有歷史責任，目前我國的拉曼振動光譜主要依靠進口。希望研究所不要只注重發表高影響因子的文章，還要注重儀器的研發，使我國的製造和應用更好地結合，實現同步發展，這才是終極目標。

　　首先來自北京大學醫藥衛生分析中心生命元素組學實驗室的王京宇教授為大家帶來了有關《多元素分析的生物學意義與面臨的問題》的報告。

　　元素組學提出的背景

　　王教授首先向大家介紹了元素組學提出的背景。2001年王教授根據自己實驗室的特點，提出了生命元素總譜的概念，即把生命體中所有元素的存在形式進行了一個綜合的分析，用正常人群的生命元素組和異常人群的生命元素組進行比對，從而有助於疾病的早期診斷、治療效果的跟蹤以及未來的治療方向等。02 年，日本分析化學家Haraguchi教授提出了金屬組學的概念，但生命現象中不僅僅是金屬蛋白、金屬酶在起作用，除此之外還有很多非金屬元素也起到了至關重要的作用，所以元素組學的概念更為宏觀。在此基礎上，北京大學醫學院在04年成立了生命元素組學實驗室。

　　生命元素組學的定義為生命體中具有生物學意義的、以各種形態存在的所有無機元素的集合。其研究範疇包括生命體中無機元素的種類、濃度、分布、比例、價態、形態及相應的生物學功能;元素組與其他組(如基因、蛋白、代謝組)之間的關係。近年來，王教授主要運用元素組學進行人體樣品中元素的分布於形態及其與疾病之間的關係、以多元素分析為基礎的疾病診斷技術、多元素分析基礎上的生物無機指紋圖譜以及中草藥無機指紋圖譜等領域的研究。

　　研究發現生命體中元素存在三種「比例關係」

　　王教授通過研究發現，生命體中元素存在三種「比例關係」，分別為「特徵比例關係」、受迫比例關係」和「漸變比例關係」。王教授分別通過實例說明了生命體中元素存在「特徵比例關係」、 「受迫比例關係」和「漸變比例關係」。

　　1、「特徵比例關係」——取決於生命體中自身的天然結構與功能，標誌著生命體是否正常或者變異;

　　比如，輕稀土元素在大鼠不同臟器中存在這種特徵比例關係。一般，自然界中的稀土元素存在「奇偶規律」，即原子序數為偶數的稀土元素濃度要高於相鄰的兩個原子序數為奇數的元素。但通過實驗發現，大鼠的股骨臟器中的稀土元素濃度和自然界中的稀土元素濃度規律相反，呈現倒置的關係，王教授指出在人骨中也發現了類似的異常分布。

　　2、「受迫比例關係」——取決於生命體的生存環境和對環境元素的「域值」，在某種程度上是「可逆」的;

　　和前述實驗類似，對大鼠進行稀土飼料添加劑灌胃，經試驗發現，當在低供給量的條件下，大鼠股骨中的La、Co、Pr、Nd這四個稀土元素呈現 「奇高偶低分布」的「特徵比例關係」;隨著供給量的增加(從低劑量、到中劑量、到高劑量)，發現股骨中的稀土元素趨於「受迫比例關係」，說明在動物體內對於元素有一定抵禦性的域值，一旦突破該域值，元素濃度便會隨外界的給予量而變化。當對大鼠停止灌胃一個月後，高劑量(排毒組)組元素含量明顯降低，說明這種「受迫比例」是可逆的。

　　另外，各種不同劑量的實驗中，股骨中的Sm元素的濃度始終沒有變化，推測Sm元素是人體中必須元素，在股骨中起到結構功能的作用。

　　3、「漸變比例關係」——取決於生命體內元素之間的交互作用，反應生命體「由量變到質變」的漸進過程。

　　把大鼠隨機分為3組，每組25隻，分別對其染毒40、80、120天，取全血並測定40種元素含量，經統計學發現，暴露時間會影響相關元素對的比值， 比如Fe/Zn或Cu/Zn元素對的濃度比隨染毒時間變化是不同的。王教授指出，如果設計專門實驗，則會得到更好的「相關元素對 vs 暴露時間」的函數關係，從而判斷被監測對象是「短期高劑量鉛暴露的結果」，還是「長期低劑量鉛暴露的結果。」還可能通過檢測數據來判斷染毒時間的長短，應用於對兒童中毒時間的臨床檢測中。

　　來自清華大學分析中心的邢志老師為大家介紹了《元素形態分析的方法與應用》的報告。邢老師在報告中分別從元素形態分析的意義、元素形態分析的方法、元素形態分析的發展趨勢這三個方面為大家進行了詳盡的介紹。

　　元素形態分析的意義

　　元素形態通常是指某一元素特定的物理化學存在的形式。確定任一特定元素或數個特定元素及其化合物在樣品中的存在形式和測量其濃度的方法通常稱為元素形態分析法。可分為價態分析、金屬配合物形態分析、有機金屬化合物形態分析和蛋白或酶中的(金屬)元素形態分析這四個不同層次的內容。

　　大家知道，檢測蛋白的常規分析手段為有機質譜和化學發光分析方法。但相對來說，有機質譜分析方法的缺點是靈敏度還不夠高、不能做到精確定量，化學發光方法存在不穩定的問題。原子光譜的檢測優勢在於絕對定量、能夠做到痕量級分析，檢出限可達10-9。

　　進行元素形態分析的原因

　　隨著研究的深入人們逐漸認識到，單純檢測一個元素在生命或環境體系中的總量可能達不到研究這一元素生物功能的目的。邢老師分別舉例了某地區土壤由於缺乏二價鐵導致莊稼枯萎和江西贛南食用桶裝工業豬油中毒這兩個事件充分說明了進行元素形態分析的重要意義。

　　據邢老師介紹，其所在課題組從2000年便開始進行元素形態和價態的研究分析，除了研究分析方法外，還在不斷研製改進分析儀器。工作主要針對 As元素進行元素形態分析的研究。邢老師課題組通過對我國海產品中砷含量的調查研究發現，我國渤海、黃海、東海和南海領域的海產品中的總砷含量是很高的，在對樣品中砷的形態進行分析發現，魚、蝦、蟹、貝類、藻類中雖然含有高含量的砷，但主要是無毒形態，但是也存在少量的無機砷以及DMA等。由於不同形態的砷的毒性差別很大，因此需要在食品標籤上不只標示總砷量，還需標示元素形態含量。

　　元素形態分析的方法

　　目前，常用的元素形態分析方法為先通過氣相色譜(GC)、冷阱分離(CT)、液相色譜(LC)、毛細管電泳(CE)等方法把不同元素的形態和價態進行分離，通過連接裝置，再使用原子吸收(AAS)、原子螢光(AFS)、原子發射(ICP-OES)、等離子質譜(ICP-MS)作為檢測器進行檢測。

　　氣相色譜法

　　該方法的優勢在於分離能力強，但是樣品前處理較複雜，被測樣品首先必須能夠汽化，適用面較窄。在汽化過程中由於具備一定的溫度，所以對一些熱不穩定的形態不適合分析。

　　冷阱-氫化物分離法

　　島津公司在04年推出了一款採用冷阱-氫化物分離法的元素形態分析儀器，該檢測器採用原子吸收。該技術的優勢在於能夠把被測元素的幾種形態和價態，無需任何複雜裝置便可進行分離。

　　分理方法為樣品在萃取之後，直接放入液氮裡進行冷凍，之後對其進行升溫，由於各種元素的形態和價態的升華溫度不同，所以不同的形態和價態便會被依次分離出來。缺點只能分離幾種有限的元素價態，如只能區分有機砷和無機砷，但As(III)和As(V)無法區分。

　　HPLC—ICP/MS聯用技術

　　目前，最常用的分析方法為液相色譜和原子光譜的聯用技術，其中和ICP-MS質譜聯用最為簡便。該檢測方法靈敏度高，聯接容易，聯接管路短所以無柱後展寬。但由於採用ICP-MS，所以儀器成本高;樣品萃取液和流動相受限制;元素測定易受幹擾。

　　HPLC-HG-AFS聯用技術

　　基於上述問題，邢老師所在課題組便嘗試採用原子螢光作為檢測器，原子螢光成本低、檢測幹擾小，但其檢測特點是被測元素須產生氫化物，但有機砷恰恰不能產生氫化物，所以需要通過一個在線裝置將分離出來的砷的不同形態和價態從有機化合物轉變為無機化合物，再還原為三價砷引入到原子螢光檢測器中。

　　傳統方法為採用紫外降解，在紫外燈外面纏繞5m長的色譜管路，將有機化合物轉化為無機化合物。邢老師對該裝置做出的改進為：將紫外降解部分更換為一個高能量的汞燈，採用0.4m的石英管替代傳統的色譜管路，該裝置外殼內壁鍍有反光膜，將透射的紫外光進行聚焦並再一次反射，提高了降解效率，並徹底解決了柱後展寬的問題。

　　課題組申請專利後，已和幾個廠家開展了合作，並已生產並售出儀器，獲得業界好評。比如，北京普析通用儀器有限公司的砷元素形態分析儀榮獲2005年BCEIA金獎，吉天公司的SA-10砷形態分析儀在2007年也榮獲了BCEIA金獎。

　　邢老師指出，在實驗室還要注意色譜柱的類型、流動相的選擇和接口的設計。除了對元素形態和價態進行研究分析外，還應關注它們之間的相互轉化。邢老師在這裡例舉了對紫菜中兩種砷糖的穩定性的考察研究，將這兩種砷糖都從室溫加熱至100℃，發現它們之間的穩定性都非常高。但當改變酸性環境時，在 0.1M鹽酸中加熱到50℃時，砷糖便開始有所轉化。當酸度增加到0.5M時，在室溫15℃的條件下砷糖便開始有所轉化。

　　來自中國科學院物理研究所的施洪鈞老師為大家帶來了題為《鑄鋁合金中各元素準確測定》的報告。

　　施老師在中科院物理研究所已有十多年的工作經驗，運用光譜儀器檢測過67種元素(不包括Cl、Br、I)，所接觸的樣品分析類型非常複雜，包括：(1)合金樣品;(2)各種氧化物、化合物粉末及塊材;(3)薄膜樣品;(4)晶體樣品;(5)鋰電池材料;(6)各種有機物、有機溶液等。施老師尤其強調上述樣品分析對檢測數據的準確性要求很高。

　　接下來，施老師根據自己多年的工作經驗，同大家一起分享了他在實踐中所總結的分析方法。比如在分析儀器的操作軟體中建立快速定性分析方法，操作步驟為：

　　(1)在元素周期標中選擇儀器可測定的元素，每個元素選二至三條靈敏線、次靈敏線;

　　(2)對每條譜線進行譜線定位和校正;

　　(3)對所選元素進行分組配置成混合標準溶液，高標：1.0ug/mL、10ug/mL，低標：去離子水;

　　(4)進行標準化，選擇一個方法的文件名存在計算機中;

　　(5)對未知元素的樣品進樣分析;

　　(6)由分析結果確認未知元素的樣品中都含有哪些元素。

　　來自核工業北京地質研究院的張彥輝博士為大家帶來了題為《聯用技術在ICP-MS、ICP-OES上的應用》的報告。

　　核工業北京地質研究院創建於1959年，主要從事鈾礦地質研究與礦產資源預測、核廢地質處置研究與環境影響評價、航測遙感、物化探、分析測試技術研究與應用。是全國核地質科學研究中心，在鈾、金礦評價與預測，石油和天然氣勘查，環境監測與評價等領域取得了大量重要成果。據張老師介紹，該實驗室是一個對外開放的檢測平臺，樣品主攻方向包括有(1)化學成分分析，如U、Th含量和微量元素分析;(2)核素和同位素分析;(3)元素化學形態和價態的分析。

　　核工業北京地質研究院現已擁有的儀器技術包括有：賽默飛世爾科技的ELEMENT高分辨磁質譜、ELEMENT XR高分辨磁質譜，PE公司的ELAN DRC-e ICP-MS和5300DV ICP-OES等。

　　張老師根據自己的工作經驗，指出了一些在分析中存在的問題。如ICP-OES光譜幹擾嚴重，尤其As、Se、Te等元素靈敏度低;ICP-MS存在多電荷質譜幹擾;前處理不宜採用鹼溶液，部分難溶樣品或元素得不到準確定量，以及形態分析的快速發展。

　　隨後，張老師主要介紹了氫化物發生器、膜去溶進樣、雷射燒蝕系與ICP-MS和ICP-OES聯用的分析技術。

　　中國科學院高能物理研究所的胡良博士帶來了題為《利用HPLC-ID-ICP-MS方法分析汞暴露地區硒幹預人群生物樣品中硒的化學形態》的報告，同大家一起交流了使用高效液相色譜與等離子聯用技術進行元素硒的形態分析。

　　胡博士所在課題組的研究方向是利用核分析和現代儀器分析結合生物化學手段，研究微量元素的形態與健康的關係和納米材料的毒理學和生物利用等。主要是通過生物樣品中Se-Hg相關性研究，來探索重金屬暴露對人體健康影響的易感性生物標誌物。

　　中國農業科學院蔬菜研究所的高蘋工程師向大家介紹了《原子光譜在蔬菜質量評價中的應用》的報告。報告主要包括蔬菜質量評價內容、原子光譜技術的特點和應用、ICP檢測蔬菜中礦質元素含量、蔬菜中重金屬原子光譜檢測技術以及重金屬元素形態分析方法這五個方面的內容。

　　蔬菜質量評價內容

　　蔬菜質量評價包括蔬菜的營養品質和蔬菜安全衛生質量兩方面的評價。蔬菜的營養品質指產品中含有各種營養元素的總和，它揭示了微量元素與人體健康之間的關係。蔬菜安全衛生質量包括重金屬及有害物質限量和農藥最大殘留限量，重金屬汙染包括鉻、鎘、鉛、汞、砷等。它們對人體的不同方面有著危害，蔬菜研究所每年都對市場上的蔬菜重金屬和農藥殘留是否超標進行檢測，為老百姓的菜籃子保駕護航。

　　原子光譜分析技術

　　高老師首先介紹了原子光譜分析儀器的種類和特點，原子光譜分析儀器包括原子吸收分光光度計、原子螢光光度計、電感耦合等離子體原子發射光譜、X 射線螢光光譜儀、電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)。對這些光譜儀器的特點進行了比較發現：X射線螢光具有重現性好，樣品前處理簡單等特點，但它是物理方法，不能測化合物;另外四種儀器是化學方法，能測化合物，並且具有靈敏度高、選擇性好，但是前處理複雜，需消解成溶液。光譜技術涵蓋的方面比較廣泛，其應用的領域包括：工業、農業、輕工業、醫藥衛生、環境監測、科研等。

　　中國科學院高能物理研究所核分析技術重點實驗室的王萌博士為大家介紹了《核分析技術在金屬組學中的應用》報告。

　　核分析技術範疇

　　核分析技術誕生於19世紀末和20世紀初，核分析技術及其應用領域多次獲得諾貝爾獎。核分析技術範疇包括活化分析、離子束分析、中子散射和中子衍射分析、同位素示蹤技術、核成像技術、加速器質譜分析、同步輻射等。它具有靈敏、準確、微區、可區分內源性和外源性物質、具有非破壞性等優勢。缺點是需要大型核裝置，具有放射性。

　　北京市食品安全監控中心的何濤老師為大家帶來了關於《原子光譜直接進樣技術在應對食品安全突發事件中的應用》的報告。

　　北京市食品安全監控中心

　　何老師首先介紹了北京食品安全監控中心的基本情況。為保障北京市食品安全，2004年初成立了北京市食品安全監控中心。經過5年的發展，監控中心已逐步構建起食品安全信息監測及分析、突發食品安全事件處理、食品安全風險評估和預警、食品安全監測、食品安全技術應用及轉化等技術平臺。監控中心具備涉及食品安全的農藥殘留、獸藥殘留、食品添加劑殘留、重金屬殘留、一般理化指標、生物安全等項目的檢測分析能力。監控中心配備電感耦合等離子體質譜儀，原子吸收分光光度計、原子螢光分光光度計等儀器。目前，中心光譜室正在開展液體樣品ICP/MS直接進樣技術、ICP/MS與液相色譜聯用元素形態分析技術、商品質量安全相關方面的研究。

　　據何老師介紹，北京市食品來源狀況顯示北京市場80%左右的食品來自外埠，因此，流通環節食品安全監管對保障首都食品安全至關重要。食品安全事件事發突然、危害嚴重、社會影響大，這就要求提升處理食品安全土法事件的能力，食品快速反應機制。其中，有害元素汙染造成的食品安全突發事件的發生頻率比較高。通過2008年北京奧運的鍛鍊，北京市目前已構建起食品質量安全風險預警平臺。

　　有害元素檢測的常規流程

　　隨後，何老師為大家詳細介紹了有害元素檢測的常規流程。該流程分為取樣、消解和儀器分析三個步驟，其中存在一些問題：樣品分析時間較長，前處理過程中可能會引入新汙染，或者是在處理過程中造成被檢元素的損失。而採用ICP-MS液體樣品直接進樣技術，可以減少這些現象。這個實驗中，使用了電感耦合等離子體質譜儀，並配有PE公司的半導體製冷系統。

　　ICP-MS直接測定醬油中鉛的研究

　　在使用ICP-MS直接測定醬油中鉛的實驗中，樣品分別選用醬油、葡萄酒、食用油。考慮到醬油樣品基質中鹽類濃度較高，而且由於稀釋倍數不同使得樣品鹽類濃度不同可能對Pb含量測定影響的不同等，實驗採用微量進樣、冷凝霧化、在線內標校正等方法以克服樣品中氯化鈉和有機物的影響。

　　為了驗證上述前處理方法與微波消解法的區別，取6份未稀釋醬油樣品進行微波消解前處理，同時取6份未稀釋醬油樣品，採用相同的ICP-MS儀器調教平行測定，結果表明採用ICP-MS進行平行測定與採用微波消解法沒有顯著差別。

　　在對花生油的幹擾消除試驗中，由於花生油粘度大，考慮到實驗速度，選取了航空煤油稀釋花生油後直接進樣。對於航空煤油基體的幹擾，採用標準加入法進行消除，使標準溶液與樣品的基體匹配，確保霧化效率一致。

　　最後，何老師對於直接固體進樣技術提出了自己的感想，固體進樣技術是一種值得深入發展的技術，在突發事件時進行初步篩查，對於基質一致的均勻樣品，不需要前處理就能測量，既快速又靈敏，而且能降低成本。樣品基本上都不是基質一致的均勻樣品，而且對於升溫程序、改進劑的選擇要求比較高。