元素的形态分析1

土壤、沉积物及大气和水中的颗粒物用分级萃取分离以 后，再进行不同级分中痕量元素的分析。 从不同的化学过程与生化过程的角度考虑，这种形态分 析是极其重要的。 ①可交换态：土壤或沉积物中的主体物质，如黏土矿物、 铁锰氢氧化物及腐殖质等对痕量金属元素产生吸附，而这种 吸附会随着土壤及沉积物中水环境变化，其中中离子的构成 和强度等而改变，即产生新的脱附-吸附现象。 ②碳酸盐结合态：有关研究显示，土壤和沉积物中痕量 金属元素的浓度与其中的碳酸盐密切相关，且这一部分易受 pH的影响。
实验操作定义的分级萃取方法存在两个根本性问题： ★所用萃取剂的选择性 ★萃取过程中痕量元素的再吸附及再分配 按土壤中主要组分比，通过采用天然单矿物赤铁矿、方解 石、软锰矿、伊利石、蒙脱石及从土壤中提取的腐植酸合成模 拟土壤，较好地解决了操作定义的形态分析中存在萃取剂选择 性问题，及萃取过程中痕量元素的再吸附与再分配问题及争论。 Shan X Q, et al. Anal. Chem. 1993, 65: 802 Tu Q, et al. Anal Chem. 1994, 66: 3562 Tack F M G, et al. Inter J Environ Anal Chem. 1996, 64: 171 Tack F M G, et al. Inter J Environ Anal Chem. 1995, 59: 225 Clement R E, et al. Anal Chem. 1995, 67: 221R
（3）对分析人员操作技术有更高、更严格的要求； （4）比常规的成分分析需要更长的时间和更复杂 的分析步骤； （5）需要使用灵敏度极高的现代分析仪器，其结 构复杂，运行成本较高； （6）一般要求将高选择的分离技术与高灵敏度的 检测技术相结合； （7）用于形态分析的标准参考物质，往往更难于 获得。
4、元素的毒性与生物可给（可利用）性 一般而言，可以把自然界存在的元素分为三种类型： A、有益的，如：Na、K、Mg、Ca、Mo、Mn、Fe、 Co、Cu、Zn、B、Se、I等； B、有毒的，如：Pb、Hg、Cd、As、Sb、Al、Be等； C、有待确认的，如：V、Ni、稀土等。 有益元素通常是指那些维持有机体生长或新陈代谢 过程不可缺少的元素，或称为生命重要元素。对生命重 要元素的确定应遵循以下准则： （1）该元素以确定的形式存在于健康的生命体之中；
2 3
40 10
22± 消解1h（偶尔振荡） 5 消解1h 85± 消解1h 8.8mol/LH2O2 10 2 1mol/LNH4OAc（pH 2） 50 振荡16h（过夜） 85± 5 剩余残渣态可用金属元素总量测定时的样品消解过程进 22± 行，如HF/HClO4消解法等。 5 有机物和硫 8.8mol/LH2O2 化物结合态
水中痕量金属物理形态的粒径分级
物理化 学形态 水合金 属离子 无机配 合物 有机配 合物 例 子 Cu（H2O）2+ Cu（H2O）4Cl2 Cu-富里酸 大约粒径 物理化 （nm） 学形态 1 1 2—5 无机 胶体 有机 胶体 颗粒物 例 子 Cu 2+-Fe2O3 大约粒径 （nm） 10—200
③铁-锰氧化物结合态：众所周知，作为黏结物，铁 及锰的氧化物存在于颗粒物之间，或成为颗粒物的膜， 这些氧化物是痕量金属元素非常好的清除剂，且在缺氧 条件下（低的氧化还原电位）热不稳定。 ④有机物结合态：痕量金属可能被吸附或键合到生 物体、生物体的碎屑、或有机物在矿物颗粒的膜上，以 及是天然有机物（腐殖酸和富里酸）的络合性和胶溶性， 还有某些生物体对特定痕量金属元素的富集现象。在氧 化或某些条件下，这些生物体（有机物）会降解，导致 金属元素的释放。 ⑤残渣态：除去以上四部分，样品中的剩余固体部 分主要为矿物或次生矿物，金属元素存在于它们的晶格 结构中，这些金属元素在天然环境条件下是不会自动释 放出来的。
（2）在环境毒理学、环境医学及生命科学研究中所具有 的意义及重要性 从20世纪70年代开始，环境科学家和生命科学家就认 识到无机元素，特别是痕量重金属的环境效应和微量元素 的生物活性，不仅与其总量有关，更大程度上由其形态决 定，不同的形态其环境效应或可利用性不同。 ★不同化学形态的重金属，其毒理特性的一般规律为： ①重金属以自然状态转化为非自然状态时，毒性增加； ②离子态毒性常大于络和态； ③金属有机态毒性大于无机态； ④价态不同，毒性不同； ⑤金属羰基化合物常常剧毒。 ★不同的化学形态，对生物体的可利用性不一样
★分级分析（Fractionation）：指根据其物理性质（如颗粒大小、溶 解度）或化学性质（如键和、反应活性）进行分级的过程。 该法常用在土壤和沉积物的物理形态分析中，也用于水和大气 颗粒物的物理形态分析中。在土壤和沉积物中元素可以： （1）存在于颗粒物表面的离子交换位； （2）吸附在颗粒物表面； （3）以沉淀物形式存在； （4）以共沉淀形式存在，特别是与无定形铁和锰氧化物的形式存 在； （5）与有机分子形成配合物； （6）形成被包裹态； （7）进入矿物的晶格。
分级分析（提取或萃取）（物理形态分析）的代表性 实验操作定义或方法： Tessier法（ Tessier etal.，Anal. Chem. 1979, 51：844） 按照该方法，沉积物或土壤中金属元素的形态分析可 以分为：①可交换态；②碳酸盐结合态；③铁-锰氧化物结 合态；④有机物结合态；⑤残渣态。 BCR法（Quevauviller Ph etal.，Intern. J Environ. Anal. Chem., 1993, 51：231） 即1992年欧共体（现欧盟）标准物质局（European Community Bureau of Reference，BCR）组织35个欧洲实验 室致力于土壤和沉积物中金属元素的物理形态分析方法的 研究。他们提出了三步提取法（BCR法），及： ①水溶态、 交换态及碳酸盐结合态； ②铁锰氧化物结合态； ③有机物 及硫化物结合态。
3、形态分析的特点和要求 总体特点及要求：形态分析为超痕量分析，需要 灵敏度高、检出限低的分析方法。 完整的痕量元素分析方法包括： 采样和试样的制备 分析数据的评价 具体归纳为： （1）要求待测形态在试样采样及制备过程中保持其存 在形式及分布不发生变化； （2）在试样的前处理步骤中，常伴随目标物的提取或 衍生化，尽管衍生化并不是不可避免的； 分离/预富集 鉴定/定量
一、前言
1、形态及形态分析的定义 概念：元素的化学形态（Chemical Species）、物理形态 （Physical Species ）及形态分析（Speciation Analysis）、分 级分析（Fractionation），其定义为： ★化学形态（Chemical Species）：某一元素在真实试样中 可能存在的的特定状态或结构。 ★物理形态（Physical Species ）：某一元素在环境中存在 的物理状态（固、液、气及大小（粒度）、吸附行为等）。 ★形态分析（Speciation Analysis）：是指某一待测物（元 素）在真实试样中的原子和分子状态获得证实的过程。也 可表述为：表征和测定某个元素在生物样品或环境中存在 的不同化学形态和物理形态的过程。
4
5 3+3 5
表2 BCR分级萃取方法（1g土壤）
步 骤 1 元素分级 试 剂 体积 温度 （ml） （℃） 40 萃取时间
水溶态、可 0.11mol/LCH3COOH 交换态、碳 酸盐结合态 Fe-Mn氧化 物结合态 0.1mol/LNH2OH·HCl用 硝酸酸化（pH 2）
22± 振荡16h（过夜） 5 22± 振荡16h（过夜） 5
主要有MMA（单甲基胂酸）、DMA（二甲基胂 酸）及砷的氨基酸衍生物，如AsB（甜菜碱砷）、 AsC（胆碱砷），特别是后两个作为新陈代谢过程的 产物，存在于生物（特别是海产品）的组织中，现已 确认它们是无毒的物质。 亚砷酸盐[As(Ⅲ)]的高毒性与其对一些生物酶中 的硫代基的高亲和性有关，这一结果导致酶失去生物 活性和堵塞生化过程，而砷酸盐[As(Ⅴ)]的毒性比亚 砷酸盐要小，但两者都被认为是致癌物质。砷中毒可 诱发肺癌、膀胱癌和皮肤癌。通过生物体内的甲基化 过程，可以降低无机砷的毒性，这是因为甲基化过程 的产物是中等毒性或无毒性的有机络合物。
（2）它在不同的生物体中的浓度大体上保持恒定，而 不管生物物种的变化与否； （3）它的摄入应有利于预防生物体内变异情况的发生； （4）它的缺乏将会引起生物体内某些重要生物化学变 化的发生； （5）当该元素的缺乏得到补偿时，上述生物化学变化 又可得到一定的抑制或预防。 应该指出，对任何一个有益元素而言，都存在其相 应的剂量响应“正态分布图”
元素的形态分析
一、前言 1、形态及形态分析的定义 2、形态分析的重要性和必要性 3、形态分析的特点及要求 4、元素的毒性与生物可给（可利用）性 5、形态分析中的分离与检测技术 二、形态分析中的试样前处理 1、概述 2、试样的采集及储存 3、试样的前处理技术 4、形态分析中的标准参考物质
三、GC/SFE与原子光谱/质谱联用技术及元素形态分析 四、HPLC与原子光谱/质谱联用技术及元素形态分析 五、毛细管电泳（CE）与原子光谱/质谱联用技术及元 素形态分析 六、非色谱分离技术在元素形态分析中的应用 七、环境水样中痕量元素的形态分布 八、土壤、沉积物和大气颗粒物中痕量元素的形态分析
Cu 2+-腐植酸 颗粒物
10—200 >400
2、形态分析的重要性和必要性 元素的形态分析在环境和生物分析中特别重要，因为元 素在环境中的迁移、转化规律及最终归宿，元素的毒性、有 益作用及其在生物体内的代谢行为在相当大的程度上取决于 该元素存在的化学形态，也在一定程度上与相关形态物质的 溶解性和挥发性有关。 （1）在污染物迁移转化规律研究中具有的意义及重要性 污染物在环境中的迁移转化规律并不取决于污染物的总 浓度，而是取决于它们化学形态的本性。 如：在森林土壤中，2价的阳离子铅很少由于降水作用 被淋溶而迁移，而4价的铅则容易流失，显然仅以铅的总量 来研究森林土壤中铅的迁移行为是不科学的。此外土壤中3 价砷比5价砷易溶4—10倍。金属的有机化合物使金属的挥发 性增加，提高了金属扩散（迁移）到大气圈的可能。
对生物体有害，并确定为有毒元素的依据是： （1）堵塞或切断生物分子中有益生物功能团； （2）取代或置换生物分子中不可缺乏的金属元素； （3）修饰生物分子中的活性骨架。 ★砷 砷（As）是一种有毒元素，其毒性大小强烈依赖于其 As 在试样中存在的化学形态。人们之所以对砷形态给予特 别的关注，是因为它在生物体中有着十分丰富的化学形 态，而且，砷形态对生态环境的关系也十分密切。 在自然环境（水、大气、土壤、沉积物）中，砷主 要以无机砷（砷酸和亚砷酸）的形式存在，而在有机体 中，由于生物甲基化过程，在生物体内产生了许多毒性 教低或无毒的砷形态。
表1 Tessier分级萃取方法（1g土壤）
步 骤 1 2 3 元素 分级 可交 换态 试 剂 体积 温度 （ml）（℃） 萃取时间
1mol/L CH3COONa（pH 8.2） 8 8 20
室温 搅拌1h 室温 搅拌，到完全萃取 96± 搅拌，至预计自由 3 态氧化铁完全溶解） 85± 搅拌2h 2 间歇搅拌3h 85± 2 连续搅拌30min 室温
天然水中痕量金属的物理形态可以按照其粒子大小分 级（类）。为区分水中金属不同粒径的形态，常常用不同 孔径的膜（0.45µm，0.20 µm 和截留相对分子质量1000以 上的膜）将水样过滤。 ★ 0.45µm以上为水中颗粒物 ★ 0.20 µm—0.45µm之间为粒径较大的胶体结合部分 ★截留相对分子质量1000—0.20 µm为粒径较小的胶体 结合部分 ★通过截留相对分子质量1000膜的可视为自由金属离 子与真正可溶部分
碳酸盐 1mol/L CH3COONa，用醋酸 态 调pH=5.0 Fe-Mn 0.04mol/L NH2OH·HCl 氧化物 （25%的HOAc（V/V）中） 结合态 有机物 30%H2O2（0.02 mol/L HNO3 结合态 调pH 2Baidu Nhomakorabea） 30%H2O2（0.02 mol/L HNO3 调pH 2 ） 3.2mol/L NH4OAc（20% HNO3 （V/V）） （最后稀 释至20ml）