李明章　李崇江

(北京海光儀器有限公司，北京 100015)

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儀器介紹

液相色譜-原子熒光聯(lián)用技術(shù)及產(chǎn)品介紹

李明章李崇江

(北京海光儀器有限公司，北京 100015)

傳統(tǒng)分析儀器所檢測(cè)的是被測(cè)元素各種形態(tài)的總量，而實(shí)際上元素在自然界中可能有多種形態(tài)。元素的不同形態(tài)有著不同的物理特性和化學(xué)特性，對(duì)于有毒有害元素來(lái)說(shuō)，不同的形態(tài)其毒性和毒理也不盡相同。因此，對(duì)元素的不同形態(tài)進(jìn)行分析的儀器和方法越來(lái)越引起重視。我國(guó)基于蒸氣發(fā)生原子熒光技術(shù)(VG-AFS)，研發(fā)出了液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀(LC-AFS)，該儀器與LC-ICP-MS相比，在砷、汞等有毒有害元素及其化合物的形態(tài)分析檢測(cè)方面更具有競(jìng)爭(zhēng)力。本文對(duì)LC-AFS聯(lián)用技術(shù)做了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)海光公司最新推出的LC-AFS6500液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀的特點(diǎn)進(jìn)行了概述。

原子熒光光譜儀液相色譜蒸氣發(fā)生形態(tài)分析聯(lián)用技術(shù)

1　概述

目前利用原子熒光(AFS)是對(duì)元素的總量所進(jìn)行的定量分析，而實(shí)際上，被測(cè)元素在樣品中的存在形式可能有多種形態(tài)，元素的不同形態(tài)有著不同的物理特性和化學(xué)特性。當(dāng)前，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦業(yè)的無(wú)序開(kāi)采、電子廢料和工業(yè)廢水的排放，以及農(nóng)藥和殺蟲(chóng)劑的濫用，導(dǎo)致了我國(guó)的環(huán)境、土壤、食品、地表水等嚴(yán)重受到砷(As)、汞(Hg)及其化合物的污染，這也使得對(duì)As、Hg等有毒有害元素的不同形態(tài)進(jìn)行分析，成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，這也就對(duì)分析儀器的性能和分析方法提出了越來(lái)越高的要求。因此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的僅以元素總量為依據(jù)的分析方法已不能滿足現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的需要，只能通過(guò)儀器聯(lián)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)形態(tài)分析。

形態(tài)分析是一種將痕量元素的不同形態(tài)進(jìn)行分離后再分別檢測(cè)的分析技術(shù)，常用的分離設(shè)備有氣相色譜(GC)和液相色譜(LC)，氣相色譜法具有分離能力強(qiáng)、進(jìn)樣量小、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，GC的氣態(tài)流出物能直接進(jìn)入AFS，但GC難以分析不易揮發(fā)、熱穩(wěn)定差的化合物。因此目前最多采用的是液相色譜與多種檢測(cè)器的聯(lián)用[1,2]，而且液相色譜比氣相色譜更適合分離極性較大的砷化合物[3]，與液相色譜聯(lián)用的檢測(cè)器包括UV、AAS、AFS、ICP-AES、ICP-MS等，UV是一種常用的檢測(cè)器，但大部分有機(jī)物對(duì)波長(zhǎng)254nm有吸收，造成背景干擾較大，選擇性也較差[4]；而AAS和ICP-AES作為檢測(cè)器，雖然選擇性好，但由于儀器的設(shè)計(jì)特性，對(duì)紫外區(qū)元素的檢測(cè)靈敏度較低，不適于As、Hg等元素的檢測(cè)，另外也存在基體干擾問(wèn)題；液相色譜與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-ICP-MS)，雖然性能優(yōu)異，但價(jià)格昂貴，維護(hù)和使用成本高，難以在國(guó)內(nèi)普及使用。眾所周知，非色散蒸氣發(fā)生原子熒光光譜儀(VG-AFS)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，VG-AFS以其非色散技術(shù)和蒸氣發(fā)生技術(shù)等特色[5,6]，使之在砷、汞等重金屬檢測(cè)上與其它儀器相比，具有很多優(yōu)勢(shì)。AFS作為檢測(cè)器具有較少的化學(xué)干擾和光譜干擾，對(duì) As、Hg、Se、Sb等具有很高的靈敏度和選擇性，具有與ICP-MS相似的分析特征量(檢出限、精密度和靈敏度)。早在2002年，國(guó)內(nèi)學(xué)者就預(yù)測(cè)LC-AFS技術(shù)以其高靈敏度、高選擇性和使用維護(hù)成本較低，將成為適合我國(guó)國(guó)情的形態(tài)分析技術(shù)[4]。

LC-AFS的原理就是利用液相色譜分離技術(shù)將元素的不同形態(tài)進(jìn)行分離，再利用AFS進(jìn)行定量檢測(cè)，LC-AFS被廣泛地用于易于形成揮發(fā)性共價(jià)氫化物或原子蒸氣的As、Se、Sb、Hg等元素的形態(tài)分析。LC的流出物為液態(tài)，流出物經(jīng)柱后處理，再通過(guò)蒸氣發(fā)生和氣液分離后，目標(biāo)分析物的衍生物進(jìn)入AFS進(jìn)行檢測(cè)[2]。

2　液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀的工作原理

液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀(LC-AFS)的原理示意圖如圖1所示。

2.1液相泵和采樣閥

液相泵的作用就是按設(shè)定的流速輸送流動(dòng)相，采樣閥負(fù)責(zé)采集定量樣品，采樣閥上帶有定量樣品環(huán)，采樣閥上有兩個(gè)位置，即加載位(load)和注射位(inject)。加載位用于進(jìn)樣，如果沒(méi)有配備液相自動(dòng)進(jìn)樣器，那么只能手動(dòng)通過(guò)進(jìn)樣針將樣品注入到采樣閥的樣品環(huán)中(一般為100μL)，然后待基線穩(wěn)定后，手動(dòng)將進(jìn)樣閥由“l(fā)oad”位切換到“inject”位置，通過(guò)液相泵的作用，由流動(dòng)相將樣品推入到色譜柱中，流動(dòng)相的流速由液相泵控制。如果配備液相自動(dòng)進(jìn)樣器，那么上述工作將會(huì)由進(jìn)樣器來(lái)完成。被測(cè)元素的不同形態(tài)根據(jù)在色譜柱中的駐留時(shí)間不同，在流動(dòng)相的作用下，依次從色譜柱中析出。

2.2在線紫外消解

為了能夠被AFS檢測(cè)，或者是提高檢測(cè)靈敏度，首先需要將元素的大分子形態(tài)轉(zhuǎn)化成能夠與還原劑發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而被還原成共價(jià)氫化物的小分子形態(tài)，或?qū)⒂袡C(jī)態(tài)轉(zhuǎn)換為蒸氣反應(yīng)能力更強(qiáng)的無(wú)機(jī)態(tài)。實(shí)現(xiàn)上述功能的方法通常有化學(xué)氧化法、微波消解法和紫外照射法等。其中，化學(xué)法反應(yīng)不充分, 轉(zhuǎn)化效率低，微波消解裝置復(fù)雜，且溫度過(guò)高，消解管內(nèi)產(chǎn)生大量蒸氣, 導(dǎo)致基線穩(wěn)定性很差[1]，而紫外消解裝置簡(jiǎn)單，消解效率高，熱穩(wěn)定性好，所以目前商品儀器上都采用紫外燈照射方式進(jìn)行消解。

紫外消解時(shí)，從色譜柱流出的待測(cè)元素的不同組分，首先和氧化劑混合，然后進(jìn)入在線紫外消解系統(tǒng)。消解效率與紫外光強(qiáng)度和消解管路長(zhǎng)度有關(guān)，過(guò)長(zhǎng)的消解管路會(huì)明顯造成分離峰形的柱后展寬現(xiàn)象。因此，高效、低能耗的紫外消解裝置也是廠商的重點(diǎn)工作之一。另外，根據(jù)所檢測(cè)的元素形態(tài)不同，以及在有足夠靈敏度的前提下，也可以不加入氧化劑和取消在線紫外消解裝置，一般的商品儀器上都帶有紫外切換開(kāi)關(guān)，可以隨時(shí)取消或加入紫外消解功能。

2.3稀酸和還原劑

經(jīng)氧化和消解后的樣品進(jìn)一步和稀酸溶液混合，其目的是使樣品溶液具有一定的酸度，利于各種組分的穩(wěn)定，同時(shí)只有保證一定的酸度，才能與還原劑發(fā)生還原反應(yīng)，生成被測(cè)元素的氣態(tài)組份(包括氣態(tài)氫化物或原子蒸氣)，這也就是所謂的蒸氣發(fā)生過(guò)程。另外，只有保證一定的酸度和還原劑的濃度，還原反應(yīng)才能生成足夠的氫氣參與燃燒，提供原子化能量。還原反應(yīng)生成的蒸氣經(jīng)過(guò)氣液分離，由載氣(氬氣)攜帶進(jìn)入到原子熒光主機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。氣液分離效果的好壞，直接影響測(cè)量結(jié)果，如果大量水蒸汽進(jìn)入原子化器，會(huì)造成熒光猝滅，另外水分子也會(huì)造成粒子散射，導(dǎo)致背景干擾。

2.4AFS檢測(cè)

蒸氣發(fā)生過(guò)程所產(chǎn)生的氣態(tài)組份經(jīng)氣液分離后進(jìn)入AFS的原子化器，在氬-氫火焰中進(jìn)行原子化，生成基態(tài)原子，基態(tài)原子接收激發(fā)光源的特征輻射能量躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)原子在去活化過(guò)程中釋放出熒光，被光檢測(cè)器接收，實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。

2.5流速控制

流動(dòng)相的流速由液相泵控制，一般為1mL/min，氧化劑、稀酸溶液和還原劑的引入速度由AFS上的蠕動(dòng)泵控制，蠕動(dòng)泵泵速的快慢要與液相泵的流速相匹配(一般為60rpm/min)，以確保還原反應(yīng)的順利進(jìn)行。在實(shí)際測(cè)量中，可根據(jù)不同的分析樣品，選擇不同的流速，所有的商品儀器都提供流速控制。

3　早期的液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀

國(guó)內(nèi)較早的液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀有吉天公司與清華大學(xué)合作推出的SA-10，以及海光公司與中科院生態(tài)環(huán)境研究中心合作推出的LC-AFS9800形態(tài)分析儀。SA-10只是將液相泵和分離單元等進(jìn)行了簡(jiǎn)單組合，集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，而海光公司推出的是分立式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。兩種類(lèi)型的儀器各有特點(diǎn)，分立式儀器用戶可以隨意選擇液相泵，或者用戶在有液相泵的前提下，只需一臺(tái)原子熒光儀器和形態(tài)接口以及相應(yīng)的工作軟件，就可以進(jìn)行形態(tài)分析。如果用戶自行選擇液相泵，由于液相泵的廠家和型號(hào)不同，難以實(shí)現(xiàn)一體化控制，進(jìn)行測(cè)量操作時(shí)需要運(yùn)行多個(gè)工作軟件(包括液相泵和液相進(jìn)樣器)，若用戶選用AFS廠商指定的液相泵，這些泵的接口協(xié)議對(duì)AFS制造商開(kāi)放，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液相泵的控制。

無(wú)論哪種設(shè)計(jì)方式，早期的液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀都未能實(shí)現(xiàn)一體化控制，功能都比較單一，比如做形態(tài)分析時(shí)不能兼?zhèn)淇偭?，或總量分析時(shí)只能用蠕動(dòng)泵模式，或兼?zhèn)鋬煞N分析模式時(shí)不能實(shí)現(xiàn)總量分析和形態(tài)分析的自動(dòng)切換，需要手動(dòng)更換系統(tǒng)管路等。

4　新一代液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀

鑒于早期的液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀存在的缺點(diǎn)，海光公司于2014年推出了一款全新的LC-AFS6500液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀(見(jiàn)圖3)。

該儀器采用全新的一體化設(shè)計(jì)，形態(tài)單元部分集色譜泵、分離單元、恒溫控制、紫外消解、蒸氣發(fā)生為一體，同時(shí)帶有液相自動(dòng)進(jìn)樣器接口，可以實(shí)現(xiàn)單一軟件對(duì)包括液相進(jìn)樣器在內(nèi)的所有功能單元的控制。同時(shí)檢測(cè)器部分(AFS主機(jī))采用蠕動(dòng)泵-注射泵聯(lián)用專(zhuān)利技術(shù)，總量檢測(cè)配有183位帶自動(dòng)清洗功能(專(zhuān)利)的超靜音自動(dòng)進(jìn)樣器。該產(chǎn)品研制成功后，被北京市科委列為首都科技條件平臺(tái)項(xiàng)目，對(duì)其產(chǎn)業(yè)化提供財(cái)政資金支持(課題編號(hào)：Z141100003414017)，該儀器的主要特點(diǎn)如下：

(1)采用道間干擾及漂移自動(dòng)扣除專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)，可有效抑制各種直流漂移和多元素測(cè)量時(shí)各測(cè)量通道之間的相互干擾(申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利)；

(2)兼具總量和形態(tài)分析功能，實(shí)現(xiàn)了兩種分析方式的自動(dòng)切換(專(zhuān)利)；

(3)總量分析與形態(tài)分析各有獨(dú)立的蒸氣發(fā)生系統(tǒng)(專(zhuān)利)，減少了樣品間的交叉污染，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性；

(4)紫外和無(wú)紫外兩種模式可隨意切換，全新的紫外消解系統(tǒng)，消解效率提高30%；新的流路設(shè)計(jì)，有效減少柱后展寬；

(5)帶有柱溫控制功能，有效提高色譜分離穩(wěn)定性；

(6)總量分析采用注射泵與蠕動(dòng)泵聯(lián)用技術(shù)(專(zhuān)利)，也可以單蠕動(dòng)泵測(cè)量；

(7)帶有液相自動(dòng)進(jìn)樣器接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液相進(jìn)樣器的控制。

LC-AFS6500液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀通過(guò)了中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)的鑒定，與會(huì)專(zhuān)家一致認(rèn)為該儀器處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。該產(chǎn)品推向市場(chǎng)后，憑借其優(yōu)異特性和豐富功能，受到用戶普遍認(rèn)可和歡迎。

5　展望

有關(guān)液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀的國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程即將頒布(海光公司參與起草)，LC-AFS勢(shì)必會(huì)得到廣泛應(yīng)用。雖然LC-AFS在As、Hg、Se、Sb等元素的形態(tài)檢測(cè)上具有一定優(yōu)勢(shì)，但目前也僅限于檢測(cè)能夠生成揮發(fā)性共價(jià)氫化物或原子蒸氣的那些元素。因此，針對(duì)LC-AFS，還有很多工作有待于開(kāi)展，包括簡(jiǎn)化色譜與熒光的接口技術(shù)、提高消解效率、擴(kuò)展檢測(cè)范圍以及研究更為簡(jiǎn)便的樣品處理方法和提取方法等。

[1]墨淑敏，梁立娜，蔡亞岐，等.高效液相色譜與原子熒光光譜聯(lián)用分析汞化合物形態(tài)的研究.分析化學(xué)，2006，34(期)：493-496.

[2]曾艷，徐開(kāi)來(lái)，侯賢燈.色譜與原子熒光光譜聯(lián)用技術(shù)在元素形態(tài)分析中的應(yīng)用.分析科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，(30)：428-432.

[3] 林燕奎,李勇,王丙濤，等.液相色譜-原子熒光光譜聯(lián)用檢測(cè)海產(chǎn)品中不同形態(tài)砷的研究.中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，2009，9(9)：1955-1958.

[4]梁立娜、江桂斌.高效液相色譜及其聯(lián)用技術(shù)在汞形態(tài)分析中的應(yīng)用.分析科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，18(4)：338-343.

[5]郭小偉，張錦茂，楊密云，等.光譜學(xué)與光譜分析，1983，3(2)：124 -129.

[6]郭小偉，楊密云.分析化學(xué)，1980，8(5)：466-470.

Techniques and products introduction of liquid chromatography-atomic fluorescence spectrometry.

Li Mingzhang,Li Chongjiang

(BeijingHaiguangInstrumentCo.Ltd.,Beijing100015,China)

Based on VG-AFS，liquid chromatography-atomic fluorescence spectrometric(LC-AFS)was developed. Compared with LC-ICP-MS, LC-AFS is very competitive in the detection of noxious elements and its chemical compounds. This paper briefly described the features of LC-AFS, and introduced LC-AFS6500 manufactured by Haiguang.

atomic fluorescence spectrometer; liquid chromatography；vapor generation; speciation analysis; hyphenated techniques

首都科技條件平臺(tái)項(xiàng)目(Z141100003414017)

李明章，男，1965年出生，北京海光儀器有限公司副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，從事分析儀器研發(fā)工作,E-mail：lmz0066@163.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.02.021

2015-09-06