杜媛媛，朱振利*，鄭洪濤，劉 星

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430078；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 材料與化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430078）

近年來，隨著環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，人們越來越關(guān)注各種金屬和非金屬元素對(duì)環(huán)境和人體健康的影響和危害。早期大多數(shù)研究只對(duì)元素的總量進(jìn)行分析，但越來越多的研究表明只分析元素的總量難以真實(shí)反映元素的影響。這主要是因?yàn)樵卦谶w移過程中會(huì)發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)化，而這些元素的賦存形態(tài)顯著影響元素的毒性及其遷移轉(zhuǎn)化過程。例如，汞的化學(xué)形態(tài)控制著其生物可利用度、遷移、持久性和對(duì)人體的影響，通常有機(jī)汞的毒性大于無機(jī)汞，其中甲基汞的毒性最大。因此，世界衛(wèi)生組織制定的水生環(huán)境和海產(chǎn)品中甲基汞的濃度限制比無機(jī)汞（Hg2+）更嚴(yán)格［1］。此外，還有很多元素（如銻、鉛、鎘、鹵素等）的不同形態(tài)具有不同的毒性和化學(xué)過程。因此，對(duì)樣品中存在的某種元素的不同化學(xué)形態(tài)進(jìn)行鑒別和測定，即形態(tài)分析是很有必要的。

另一方面，各種元素的同位素由于其自然或人為過程引起的豐度變化的特殊特征，已逐漸發(fā)展成為地球科學(xué)、環(huán)境和生命科學(xué)等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的示蹤劑［2］。使用同位素比值質(zhì)譜（IRMS）測量傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素（H、C、O、N、S）已成功應(yīng)用了幾十年，科學(xué)家通過研究它們在許多不同環(huán)境中的環(huán)境循環(huán)，解決了地質(zhì)、環(huán)境研究中的諸多問題。隨著熱電離質(zhì)譜（TIMS）與多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜（MC-ICP-MS）的迅速發(fā)展，非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素以及放射性成因的金屬同位素的分析成為可能并日益取得了廣泛應(yīng)用［3-4］。例如，鎘在非污染的自然環(huán)境系統(tǒng)和人為來源中的同位素組成一般具有不同的同位素特征，鎘同位素作為一種新型的示蹤劑，可用于研究古環(huán)境和追蹤鎘循環(huán)，為環(huán)境研究提供了一種有前景的源示蹤技術(shù)［5-6］。汞穩(wěn)定同位素的自然豐度測量已成為區(qū)分汞源和理解環(huán)境中汞的生物地球化學(xué)過程的強(qiáng)有力的示蹤劑［7］。除了非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素，Pb、Sr、Nd、Hf 等放射性成因的金屬同位素體系也被廣泛應(yīng)用于溯源與示蹤研究。例如由于Pb同位素之間的質(zhì)量差異相對(duì)較小，在地球表面條件下，Pb在物理和化學(xué)過程中不會(huì)發(fā)生較大的同位素分餾，因此鉛同位素已被廣泛用于環(huán)境中各種鉛污染物的來源和途徑確定［8］。與TIMS相比，MC-ICP-MS具有更高的電離效率和更低的檢出限，可接受的基體效應(yīng)和分餾效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)［9］。而且MC-ICP-MS的樣品引入裝置范圍廣泛，與必須“脫機(jī)”引入樣品的TIMS 不同，MC-ICP-MS 允許連續(xù)引入樣品到ICP 源。MC-ICP-MS 的這些特性使其逐漸成為非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素以及放射性成因同位素分析的主流方法。

利用MC-ICP-MS進(jìn)行高精度同位素分析，通常需采用離子交換樹脂將待測元素與干擾元素、基體元素有效分離后進(jìn)行離線測定，非常耗時(shí)，大大影響了同位素樣品的分析效率。色譜與MC-ICPMS聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)樣品中基體和干擾元素的在線分離，顯著減少了樣品前處理時(shí)間，節(jié)省了成本，減小了樣品分離純化過程中可能產(chǎn)生的交叉污染，使得快速獲取高精度同位素成為可能，因此日益引起研究者的關(guān)注。另一方面，元素形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中伴隨著同位素分餾過程，研究表明穩(wěn)定同位素的單體同位素可以提供更有效、更豐富的信息，逐漸成為研究熱點(diǎn)［10］。進(jìn)行形態(tài)同位素分析同樣需要將元素的不同形態(tài)分離開，然后進(jìn)行不同元素形態(tài)的同位素比值測定。形態(tài)分離通常采用色譜分離的方式，這種色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用進(jìn)行形態(tài)同位素在線分析的技術(shù)近年來日益受到關(guān)注。通過分析不同元素的形態(tài)同位素，可以了解不同元素形態(tài)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，為了解和解決地質(zhì)、生命和環(huán)境問題提供思路和工具。

目前已有許多研究報(bào)道開發(fā)了各種色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同元素及其形態(tài)同位素測定，主要包括氣相色譜（GC）、液相色譜（LC）、毛細(xì)管電泳（CE）及離子色譜（IC）等（如圖1）。Krupp 等［11-12］首次報(bào)道了將毛細(xì)管氣相色譜（CGC）與MC-ICP-MS 聯(lián)用（CGC/MC-ICP-MS）實(shí)現(xiàn)PbEt4鉛同位素比值測定。通過一個(gè)T 型管引入鉈內(nèi)標(biāo)溶液校正質(zhì)量歧視效應(yīng)，通過峰面積計(jì)算同位素比值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的精確測定，高豐度同位素比值的精度為0.02%～0.07%。此后的二十年，陸續(xù)有越來越多的研究發(fā)展了色譜與MC-ICP-MS 聯(lián)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了許多同位素體系的在線分離和檢測，如鹵素、汞、銻、鉛、硫等。盡管色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用的應(yīng)用仍然不是十分廣泛，存在許多待解決的問題，但色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用已在元素形態(tài)同位素以及快速同位素分析方面取得了顯著進(jìn)展，引起了研究者的廣泛興趣。本文查閱近年來的相關(guān)文獻(xiàn)，簡要回顧了色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用測定形態(tài)同位素比值的歷史，討論了影響在線同位素分析的瞬態(tài)信號(hào)采集和處理策略以及質(zhì)量歧視校正方法，并從分析特性、優(yōu)缺點(diǎn)以及今后在環(huán)境、化學(xué)等研究中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了概述。

圖1 色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用Fig.1 Chromatography coupled to MC-ICP-MS

1 瞬態(tài)信號(hào)處理

金屬同位素分析通常采用離線方法富集純化樣品，然后使用MC-ICP-MS 通過連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)樣來測定同位素比值，獲得一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的信號(hào)。然而，色譜與MC-ICP-MS 聯(lián)用在線分離測定同位素比值通常獲得的是瞬態(tài)信號(hào)，這對(duì)高精度同位素分析帶來了挑戰(zhàn)。處理瞬態(tài)信號(hào)的難點(diǎn)主要在于數(shù)據(jù)收集時(shí)間短，分析物瞬態(tài)流動(dòng)過程中同位素比值的漂移以及數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性［13］。

計(jì)算瞬態(tài)信號(hào)中同位素比值的常用方法有峰面積積分法（PAI）、逐點(diǎn)計(jì)算法（PbP）和線性回歸斜率法（LRS）。峰面積積分法又分為全峰積分法和峰中心積分法。色譜與MC-ICP-MS 聯(lián)用時(shí)，瞬態(tài)信號(hào)的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線（色譜峰）通常是高斯型曲線。全峰積分法是指在整個(gè)峰值持續(xù)時(shí)間內(nèi)（基線到基線），使用一定的積分時(shí)間對(duì)瞬態(tài)信號(hào)值進(jìn)行采樣，積分不同同位素的信號(hào)，它們積分?jǐn)?shù)據(jù)的比值即為同位素比值（如圖2A）。峰中心積分法是指只對(duì)峰中心部分（一定峰寬內(nèi)從左至右）進(jìn)行積分，分別積分不同同位素的信號(hào)，它們積分?jǐn)?shù)據(jù)的比值即為同位素比值（如圖2B）。逐點(diǎn)計(jì)算法分為基于非加權(quán)和加權(quán)信號(hào)點(diǎn)求和的計(jì)算。假設(shè)元素E 有2 個(gè)同位素分別為xE和yE，使用非加權(quán)信號(hào)點(diǎn)求和時(shí)，逐點(diǎn)計(jì)算的公式［14］為：

圖2 峰面積積分法和線性回歸斜率法的示意圖Fig.2 Schematic diagram of peak area integration and linear regression slope method

其中，x/yE為同位素比值；RtS和RtE分別為用于計(jì)算的保留時(shí)間開始和結(jié)束的點(diǎn)；n為用于計(jì)算的信號(hào)強(qiáng)度點(diǎn)數(shù)。即在保留時(shí)間內(nèi)在每個(gè)信號(hào)測量點(diǎn)計(jì)算同位素比值以及比值總和，然后除以使用的測量點(diǎn)數(shù)量，得到同位素比值。與非加權(quán)信號(hào)點(diǎn)求和不同，加權(quán)信號(hào)點(diǎn)求和考慮了信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，通常會(huì)有更高的精度，使用加權(quán)信號(hào)點(diǎn)求和的逐點(diǎn)計(jì)算公式［14］為：

Van Acker等［15］使用GC/MC-ICP-MS測定含氯脂肪族碳?xì)浠衔镏械穆韧凰乇戎禃r(shí)，采用全峰積分法處理瞬態(tài)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)峰尾信號(hào)對(duì)同位素比值的準(zhǔn)確性有重要影響。因此，采用全峰積分法時(shí)需要準(zhǔn)確確定色譜峰的起始和結(jié)束位置，尤其是拖尾的色譜峰，保留色譜峰的整個(gè)峰尾直至背景上沒有可識(shí)別的信號(hào)才能確保精度和準(zhǔn)確度。Karasinski 等［16］采用IC/MC-ICP-MS 測定鎂同位素比值時(shí)，通過IC將Mg與干擾基體分離，采用全峰積分法處理瞬態(tài)信號(hào)，得到了較好的精度（約為0.15‰，2SD）。

Wehmeier 等［17］通過GC/MC-ICP-MS 測定三甲基銻中銻的同位素比值時(shí)，采用峰面積積分法和逐點(diǎn)計(jì)算法分別處理瞬態(tài)信號(hào)，計(jì)算同位素比值。結(jié)果顯示采用梯形面積積分法對(duì)全峰和峰中心積分可獲得最佳精度，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為0.08%和0.02%。其中，峰中心積分法的精度更好，這是因?yàn)椴捎萌宸e分法，減去背景基線時(shí)會(huì)引入誤差，而這種誤差在小信號(hào)（如峰尾端）時(shí)尤為明顯。但研究者也指出，采用峰中心積分法得到準(zhǔn)確同位素比值需要色譜分餾是圍繞峰中心對(duì)稱分布的。

線性回歸斜率法是指在處理瞬態(tài)信號(hào)時(shí)，對(duì)元素的兩個(gè)同位素信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的最佳線性擬合的斜率即表示同位素比值（如圖2C，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的yE 和xE 分別表示同位素yE和xE的信號(hào)強(qiáng)度）。

Queipo-Abad 等［18］用GC/MC-ICP-MS 測定汞形態(tài)同位素組成時(shí)，對(duì)峰面積積分法、逐點(diǎn)計(jì)算法和線性回歸斜率法計(jì)算同位素比值進(jìn)行了比較。3 種方法分別計(jì)算了在窄峰（2～5 s）和寬峰（20～25 s）條件下多個(gè)汞同位素的δ值。當(dāng)使用窄GC 峰值時(shí)，測量以較短的積分時(shí)間執(zhí)行（0.131 s 和0.262 s），而當(dāng)使用較寬的峰值時(shí)，則使用較長的積分時(shí)間（0.524 s和1.049 s）。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，獨(dú)立測量了δ202Hg（Ⅱ）的平均值（‰）（n=8）。結(jié)果表明，采用線性回歸斜率法，在321～641 個(gè)采集點(diǎn)之間選擇較窄的氣相色譜峰，獲得了最佳的外精度。在此條件下，所有δ值的2SD 范圍為0.236‰～0.590‰。結(jié)果表明，使用線性回歸斜率法時(shí)，從背景中包含足夠數(shù)量的采集點(diǎn)至關(guān)重要。當(dāng)使用較窄的峰時(shí)獲得了更好的外部再現(xiàn)性，這可能是由于在處理窄峰時(shí)，峰值的靈敏度更高，積分時(shí)間更短，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量增加。

Horst等［19］采用GC/MC-ICP-MS 測定揮發(fā)性脂肪族化合物中δ37Cl，分別采用線性回歸斜率法和常用的面積積分法計(jì)算同位素比值。采用線性回歸斜率法時(shí)，采集在瞬態(tài)信號(hào)的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上37Cl和35Cl的信號(hào)強(qiáng)度并進(jìn)行線性擬合，最佳線性擬合的斜率表示同位素比值37/35Cl；采用面積積分法時(shí)，37/35Cl比值的計(jì)算是用37Cl 信號(hào)的面積除以35Cl 信號(hào)的面積。結(jié)果表明，由于對(duì)背景信號(hào)的變化和噪聲不敏感，線性回歸斜率法具有更高的測試精度，對(duì)10 個(gè)CH3Cl 樣品序列進(jìn)行線性回歸分析的儀器精密度為0.1‰，積分方法的精密度為0.15‰。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)該方法，研究還通過改變參數(shù)計(jì)算了具有較大拖尾的瞬態(tài)信號(hào)的同位素比值（改變納入計(jì)算范圍的色譜峰末端的位置，納入計(jì)算范圍的色譜峰前端的位置保持不變）。結(jié)果表明，即使在最極端的情況下僅使用了一半的信號(hào)，采用線性回歸斜率法也未使同位素比值改變超過±0.15‰。

目前已有許多研究采用線性回歸斜率法處理瞬態(tài)信號(hào)并得到了較好的結(jié)果。Epov 等［20］采用GC/MC-ICP-MS 測定汞形態(tài)同位素比值時(shí)，通過線性回歸斜率法處理瞬態(tài)信號(hào)提高了準(zhǔn)確性和精度（2SD=0.2‰～0.5‰）。Martinez等［21］通過LC/MC-ICP-MS在線分離測定水樣中的亞硫酸鹽、硫酸鹽和硫代硫酸鹽的δ34S時(shí)，用線性回歸斜率法計(jì)算同位素比值，得到進(jìn)樣1 μg硫時(shí)，δ34S的不確定度小于0.25‰，重現(xiàn)性小于0.5‰。通過計(jì)算表明，選擇斜率標(biāo)準(zhǔn)差最小化來定義線性回歸斜率法計(jì)算的峰值區(qū)域提高了精度，并顯著降低了不確定性。Kümmel 等［22］采用中分辨和低分辨率模式的GC/MC-ICPMS 實(shí)現(xiàn)了有機(jī)化合物特定形態(tài)中δ33S 和δ34S 的同時(shí)分析。采用線性回歸斜率法計(jì)算同位素比值，結(jié)果表明進(jìn)樣量大于100 pmol 硫時(shí)，δ33S 和δ34S 的分析不確定度通常優(yōu)于± 0.2‰（σ）。Sanabria-Ortega等［13］通過GC/MC-ICP-MS聯(lián)用在線分離測定了鉛同位素比值，同樣發(fā)現(xiàn)采用線性回歸斜率法得到了較好的計(jì)算精度和準(zhǔn)確度。當(dāng)進(jìn)樣1.2 ng 乙基化后的SRM NIST 981 鉛溶液時(shí)，對(duì)于208/206Pb 和207/206Pb，精度（2RSDEXT，n=21）分別為49、69 ppm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參考值的偏差均優(yōu)于0.003 3‰和0.000 7‰。

此外，通過調(diào)整色譜峰的形狀可以有效提高同位素分析的精度。Garciá-Ruiz等［23］使用IC與MCICP-MS 聯(lián)用測定鍶同位素比值時(shí)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)樣量、樣品和流動(dòng)相的基體性質(zhì)，得到了銣和鍶2 種元素的信號(hào)均為平頂峰，發(fā)現(xiàn)在獲得的平頂峰平臺(tái)上有1 個(gè)穩(wěn)定信號(hào)，可在3 min 內(nèi)測量同位素比值。通過逐點(diǎn)計(jì)算法可以獲得很好的精度。但是，并非所有元素的色譜分離都可以得到很好的平頂峰。

現(xiàn)有研究表明，采用全峰積分法時(shí)，需要保留色譜峰的整個(gè)峰尾直至背景上沒有可識(shí)別的信號(hào)，才可最大程度地確保精度和準(zhǔn)確度。另外，在采用全峰積分法時(shí)，減去背景基線時(shí)會(huì)引入誤差，而這種誤差在小信號(hào)（如峰尾端）時(shí)尤為明顯。采用峰中心積分法可能比全峰積分法得到更好的同位素測試精密度，但得到準(zhǔn)確同位素比值需要色譜分餾是圍繞峰中心對(duì)稱分布的。由于受到瞬態(tài)信號(hào)寬度的限制，逐點(diǎn)計(jì)算法受到可用于峰內(nèi)平均同位素比值的點(diǎn)數(shù)的限制，盡管通過擴(kuò)大色譜峰的寬度來增加點(diǎn)的數(shù)量可以提高測試精密度，但該方法會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低，甚至?xí)?dǎo)致不同元素或者形態(tài)色譜峰分辨率的降低從而影響形態(tài)同位素比值的測定。線性回歸斜率法對(duì)背景信號(hào)的變化和噪聲不敏感，對(duì)最密集的點(diǎn)賦予了更高的權(quán)重。采用線性回歸斜率法時(shí)，較窄的峰的峰值靈敏度更高，積分時(shí)間更短，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量增加，可獲得更好的外部再現(xiàn)性。通過選擇斜率標(biāo)準(zhǔn)差最小化來定義線性回歸斜率法計(jì)算的峰值區(qū)域可以提高精度，并顯著降低綜合不確定性。因此，目前越來越多的研究更傾向于采用線性回歸斜率法處理瞬態(tài)信號(hào)。

2 質(zhì)量歧視校正

在使用MC-ICP-MS 測定元素同位素比值的過程中，儀器分析過程會(huì)引起不必要的同位素分餾，即質(zhì)量歧視效應(yīng)。例如碰撞散射［24］和空間電荷效應(yīng)［25］可能會(huì)造成質(zhì)量歧視效應(yīng)，從而嚴(yán)重地影響同位素測定精度。傳統(tǒng)的校正質(zhì)量歧視效應(yīng)的方法主要是內(nèi)標(biāo)法（Elemental doping）、標(biāo)準(zhǔn)-樣品交叉法（Standard sample bracketing，SSB）和雙稀釋劑法（Double spike，DS）。

色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用在線分析同位素組成時(shí)，一方面除儀器自身的質(zhì)量歧視效應(yīng)外，色譜分離過程中同樣可能會(huì)發(fā)生同位素分餾；另一方面，由于采集的是瞬態(tài)信號(hào)，法拉第前置放大器的響應(yīng)速度會(huì)難以準(zhǔn)確記錄離子流的快速變化，因此同樣可能會(huì)造成同位素比值的漂移［26］。色譜與MCICP-MS聯(lián)用研究中，研究人員陸續(xù)發(fā)展了不同的質(zhì)量歧視校正方法來校正同位素比值漂移。

Guéguen等［27］用LC/MC-ICP-MS測量核應(yīng)用中的釹同位素比值時(shí)，發(fā)展了內(nèi)注射標(biāo)準(zhǔn)-樣品交叉法（IISSB），以在Nd 洗脫峰前后引入?yún)⒖紭?biāo)準(zhǔn)品為基礎(chǔ)進(jìn)行質(zhì)量偏差校正。由于在輻照樣品中釹的比例不固定，所以無法使用自身的同位素比值校正質(zhì)量歧視效應(yīng)，因此研究者采用SSB 法以消除基質(zhì)效應(yīng)，提出必須在與樣品相同的條件下通過LC系統(tǒng)進(jìn)樣；而且為了獲得最佳性能，要求樣本和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的分析時(shí)間很短。在開發(fā)的IISSB 方法中，為優(yōu)化交叉標(biāo)準(zhǔn)注射和梯度匹配，研究者設(shè)計(jì)了一種“雙進(jìn)樣LC/MC-ICP-MS”特殊裝置（如圖3），保證了樣品和標(biāo)準(zhǔn)之間的基質(zhì)匹配。所得Nd測試結(jié)果與采用離線分離、SSB法得到的結(jié)果相當(dāng)。

圖3 LC/MC-ICP-MS系統(tǒng)（A）與雙進(jìn)樣LC/MC-ICP-MS系統(tǒng)（B）［27］Fig.3 LC/MC-ICP-MS system（A）and the dual inlet LC/MC-ICP-MS system（B）［27］

用MC-ICP-MS在瞬態(tài)信號(hào)中測定同位素比值時(shí)，通常在信號(hào)采集過程中會(huì)發(fā)生同位素信號(hào)比值的漂移。這種“同位素漂移”與法拉第探測器配置中相關(guān)的放大器響應(yīng)時(shí)間滯后（盡管比較小，但各法拉第杯響應(yīng)時(shí)間會(huì)有明顯差異）有關(guān)。Gourgiotis 等［28］提出了一種將瞬態(tài)同位素信號(hào)同步的方法—內(nèi)部信號(hào)同步法（MISS），使用原始同位素信號(hào)的比值量化放大器之間的時(shí)間滯后，校正了同位素比值漂移。采用LC/MC-ICP-MS 分析Nd 同位素比值時(shí)，同位素漂移主要來自LC 和檢測系統(tǒng)兩個(gè)部分，Gourgiotis 等［26］首先利用MC-ICP-MS 放大器的時(shí)間常數(shù)成功校正了檢測系統(tǒng)產(chǎn)生的同位素漂移，校正后，可以明顯看到來自LC 的漂移。進(jìn)一步地，使用MISS 有效地校正色譜漂移和計(jì)算釹同位素之間的時(shí)間滯后（0.003 6 s/amu）。根據(jù)漂移校正數(shù)據(jù)（色譜和電子漂移校正）計(jì)算出6 次注射的Nd 比值，并與Guéguen 等在未進(jìn)行漂移校正情況下獲得的結(jié)果（原始數(shù)據(jù)）進(jìn)行比較。經(jīng)MISS 校正后的142Nd/144Nd、146Nd/144Nd 和150Nd/144Nd 的重復(fù)性分別提高了1.5、1.7 和2.7 倍，但對(duì)于其余的比值，MISS 未產(chǎn)生改善效果。值得說明的是，MISS可以顯著提高單次進(jìn)樣的同位素比值的不確定性，而不是比值的重復(fù)性。

Martinez等［21］通過LC/MC-ICP-MS在線分離測定水樣中亞硫酸鹽、硫酸鹽和硫代硫酸鹽的δ34S時(shí)，提出了一種基于樣品中直接添加內(nèi)標(biāo)三甲基氯化亞砜（TMSO）的新方法（IS）來校正質(zhì)量歧視效應(yīng)。圖4顯示了由元素分析儀-同位素比值質(zhì)譜儀（EA-IRMS）測量的所有分析溶液中不同物質(zhì)的δ34S值，以及用LC/MC-ICP-MS采用不同校正方法（IS、CUB、ISEC、CSB）得到的δ34S值。其中，CUB是指分別在每個(gè)樣本之前和之后進(jìn)行的TMSO測量的標(biāo)準(zhǔn)-樣品交叉法；ISEC是指首先用IS方法計(jì)算，并在整個(gè)分析過程中分析每個(gè)陰離子的標(biāo)準(zhǔn)，建立每個(gè)陰離子的校準(zhǔn)曲線，然后用于校正δ34S值；CSB是指標(biāo)準(zhǔn)與樣品是相同的陰離子的標(biāo)準(zhǔn)-樣品交叉法。結(jié)果表明，當(dāng)使用ISEC時(shí)，質(zhì)量偏差和柱上同位素分餾分別通過在樣品中加入內(nèi)標(biāo)和外標(biāo)法進(jìn)行了校正，ISEC是同時(shí)測定亞硫酸鹽、硫酸鹽和硫代硫酸鹽中δ34S的最準(zhǔn)確和穩(wěn)健的方法。

圖4 對(duì)比EA-IRMS（50 μg S，n ≥2）和LC/MC-ICP-MS（1 μg S）測定混合標(biāo)準(zhǔn)溶液1、2和3中不同物質(zhì)的δ34S［21］Fig.4 δ34S of different substances in standard solutions 1，2 and 3 measured by EA-IRMS（50 μg S，n ≥2）and LC/MC-ICP-MS（1 μg S）［21］

色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用在線分離測定同位素比值時(shí)，因樣品和標(biāo)樣的濃度和基體不匹配、色譜分離時(shí)發(fā)生同位素分餾、采集瞬態(tài)信號(hào)產(chǎn)生的同位素漂移等問題，采用傳統(tǒng)的內(nèi)標(biāo)法和標(biāo)準(zhǔn)-樣品交叉法來校正質(zhì)量歧視效應(yīng)通常無法直接滿足色譜聯(lián)用時(shí)的同位素測試要求。從現(xiàn)有研究來看，根據(jù)不同的測試條件，往往需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展新的校正方法（如IISSB、ISEC、MISS 等）以獲得準(zhǔn)確的同位素比值。

3 典型應(yīng)用

3.1 鹵素

含氯脂肪族碳?xì)浠衔铮–AHs），如三氯乙烯（TCE）和四氯乙烯（PCE），是廣泛存在的地下水污染物，且會(huì)保留相對(duì)較長的時(shí)間。通過碳和氯的穩(wěn)定同位素組成可以表征CAHs 的降解情況。Van Acker等［15］采用GC/MC-ICP-MS 成功分離并測定了模擬CAHs 樣品中TCE 和PCE 的氯同位素比值，含24～165 μg 氯的樣品的δ37Cl 測量精度為0.12‰（2SE）。雖然該方法的精確度不如穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜，但具有快速分析多組分混合物中每種CAHs的能力，且降低了樣品制備的復(fù)雜性，大大縮減了分析時(shí)間，具有對(duì)環(huán)境污染樣品進(jìn)行Cl同位素分析的潛力。Horst等［19］使用GC/MC-ICP-MS同樣分離測定了實(shí)驗(yàn)室模擬樣品的揮發(fā)性脂肪族化合物中的不同形態(tài)氯同位素比值，得到了與傳統(tǒng)的離線雙入口同位素比值質(zhì)譜儀（DI-IRMS）一致的結(jié)果。這種簡單的方法適用于揮發(fā)性脂肪族化合物的環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室樣品，例如來自受污染含水層的環(huán)境樣品，從而表征有機(jī)化合物的來源、轉(zhuǎn)化途徑等。Renpenning 等［29］建立了GC/MC-ICP-MS測定半揮發(fā)性有機(jī)物中不同形態(tài)37Cl/35Cl值的方法，進(jìn)一步擴(kuò)大了可分析化合物的范圍，混合物的分析精度通常優(yōu)于±0.3‰，準(zhǔn)確度在±0.2‰以內(nèi)。Lihl 等［30］在合成氯形態(tài)同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí)，利用GC/MC-ICP-MS測定氯同位素比值。

Wu等［31］利用開發(fā)的GC/MC-ICP-MS技術(shù)研究了食物網(wǎng)中六氯化苯（HCH）的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。從3個(gè)不同的污染地點(diǎn)采集了HCH污染的土壤、植物、牛/水牛奶和糞便、野生動(dòng)物肝臟和海豹脂肪進(jìn)行分析，測定α-HCH和β-HCH的同位素組成，以分析與潛在食物網(wǎng)反應(yīng)運(yùn)輸相關(guān)的轉(zhuǎn)化過程。發(fā)現(xiàn)α-HCH的同位素組成δ37Cl 變化范圍為-0.86‰～4.33‰，變化高達(dá)5.19‰；β-HCH 的同位素組成δ37Cl 變化范圍為-2.19‰～4.21‰，變化高達(dá)6.40‰。作為來源的3個(gè)HCH淤泥樣品中δ37Cl的同位素組成的平均值分別為-1.38‰±0.57‰（α-HCH）和-1.27‰ ±0.69‰（β-HCH）。與來源相比，土壤和植物對(duì)α-HCH 的δ37Cl最大富集達(dá)2.54‰，表明植物對(duì)HCH的吸收會(huì)導(dǎo)致Cl的同位素分餾，這可能是根際生物降解或植物體內(nèi)生物降解的結(jié)果。與文獻(xiàn)報(bào)道的HCH來源的同位素組成相比，在牛乳、牛糞和海豹脂肪中獲得的HCH同位素值比文獻(xiàn)報(bào)道的來源范圍上限更大（δ37Cl為3.79‰）。糞便和牛奶中有強(qiáng)烈的同位素富集，表明HCH在牛/水牛代謝過程中可能在消化道發(fā)生降解。牛奶、肝臟和海豹脂肪中HCH的顯著同位素富集進(jìn)一步表明，在高強(qiáng)度的代謝后，只有一部分殘留在脂肪中積累。HCH殘留組分的同位素富集反映了高等生物的代謝降解改變了生物體內(nèi)HCH的濃度，因此殘留部分的濃度不能充分代表生物暴露。

溴同位素組成對(duì)環(huán)境中有機(jī)溴的降解監(jiān)測和源解析具有潛在的診斷價(jià)值。Holmstrand 等［32］將GC/MC-ICP-MS 用于含2，2′，4，4′-四溴聯(lián)苯醚（BDE-47）和甲氧基-2，2′，4，4′-四溴聯(lián)苯醚（MeO-BDE-47）的環(huán)境樣品中溴同位素比值的測定，該樣本是從一只擱淺在瑞典西海岸的突吻鯨的鯨脂中提取。使用BDE-47 組分作為同位素參考，在相隔1 個(gè)月的2 次分析中，同位素組成（Δ81Br）的平均差異為-0.3%±0.7%（1 s，n=6）。BDE-47 和MeO-BDE-47 在δ81Br 上的差異可以忽略，表明BDE-47和MeO-BDE-47 的形成機(jī)制非常相似。因此，這兩種化合物可能有相似的來源，或是同位素效應(yīng)的差異（如果有不同的形成途徑）小于目前可以解析的。

3.2 金屬元素

汞是一種全球性污染物，其生物地球化學(xué)循環(huán)與形態(tài)密切相關(guān)，如汞能以Hg0的形態(tài)從水生系統(tǒng)揮發(fā)到大氣中；以Hg（Ⅱ）的形態(tài)從大氣中沉降；在水環(huán)境中甲基化生成有毒的甲基汞；由于甲基汞在生物鏈中有更大的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移效率，汞在食物鏈中可以產(chǎn)生強(qiáng)的生物積累效應(yīng)等［33-34］。Epov 等［33］采用GC/MC-ICP-MS同時(shí)測定了不同汞形態(tài)的同位素組成，獲得的δ202Hg外精度2SD為0.56‰，這是首次報(bào)道的能夠測定實(shí)際樣品中特定形態(tài)汞穩(wěn)定同位素組成的分析方法。研究者采用GC/MC-ICP-MS 測量了3種不同樣品的汞同位素比值：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BCR-CRM-464（金槍魚）、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IAEA-085（人發(fā)）和二次參比標(biāo)準(zhǔn)UM-Almadén。根據(jù)測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)BCR-CRM-464（金槍魚）偶數(shù)同位素符合質(zhì)量分餾（MDF）規(guī)律，而奇數(shù)同位素有強(qiáng)烈的非質(zhì)量分餾（MIF）。Rodríguez-González 等［34］采用GC/MCICP-MS 法，首次報(bào)道了厭氧細(xì)菌在黑暗條件下Hg（Ⅱ）甲基化過程中汞的穩(wěn)定同位素分餾。結(jié)果表明，在黑暗條件、厭氧細(xì)菌存在情況下，Hg（Ⅱ）的甲基化導(dǎo)致Hg（Ⅱ）底物和產(chǎn)生的單甲基汞（MMHg）的汞同位素的MDF。這種過程在細(xì)菌的指數(shù)增長下發(fā)生，發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌優(yōu)先甲基化汞的輕同位素。在連續(xù)培養(yǎng)96 h，單次采樣培養(yǎng)140 h后，在相同的細(xì)胞密度下觀察到樣品分餾趨勢的變化，說明同時(shí)平衡甲基化程度（如去甲基化）的過程的貢獻(xiàn)增加。

鉛同位素在地質(zhì)年代學(xué)、污染來源示蹤等研究中應(yīng)用日益廣泛，也有學(xué)者開展了與色譜聯(lián)用快速分析鉛同位素的研究。Sanabria-Ortega 等［13］提出了一種GC/MC-ICP-MS 在線分離測定復(fù)雜基質(zhì)中鉛同位素比值的方法，并應(yīng)用于瀝青質(zhì)、原油和干酪根樣品中的鉛同位素分析。樣品經(jīng)酸消解后，鉛被乙基化為PbEt4，以異辛烷萃取分離后用GC/MC-ICP-MS 進(jìn)行分析。測定結(jié)果與傳統(tǒng)過柱純化后在“干”和“濕”等離子體條件下得到的結(jié)果有很好的一致性。與傳統(tǒng)方法相比，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)為：①樣品制備簡單，制備和測量時(shí)間縮短了15倍；②無需樣品蒸發(fā)而實(shí)現(xiàn)了樣品預(yù)濃縮，減少了交叉污染；③降低高純試劑（如酸）的消耗量，從而降低操作成本。Penanes等［35］采用LC/MC-ICP-MS實(shí)現(xiàn)了考古材料中鉛同位素比值的直接測定，不需要傳統(tǒng)的離線分離富集純化步驟。但該方法僅適用于鉛含量高于500 μg/g的樣品，對(duì)于低濃度樣品仍需要預(yù)濃縮。

鍶同位素常被用作示蹤劑應(yīng)用于環(huán)境樣品、食物樣品等的溯源研究。Garciá-Ruiz 等［23］采用IC 與MC-ICP-MS聯(lián)用，在線分離干擾元素并測定鍶同位素比值。該方法適用于廣泛樣品基質(zhì)中鍶同位素的測定，已被應(yīng)用于蘋果酒、土壤滲濾液、蘋果葉和蘋果樣品，以研究鍶同位素比值在土壤-樹-蘋果酒系統(tǒng)中的遷移［36］。Rodríguez-Castrillón 等［37］采用離子交換色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用在線分離測定鍶同位素比值，在鍶含量為50 ng/g 時(shí)得到88/87Sr 的精度為0.006%～0.010%，并使用該方法成功測定了英格蘭和西班牙的蘋果酒樣品中的鍶同位素比值。

由于銻的廣泛使用和銻的開采及冶煉活動(dòng)，大量銻被釋放到環(huán)境中，造成了嚴(yán)重的銻污染。因此，銻同位素在環(huán)境系統(tǒng)中的研究也日益受到重視［38］。Wehmeier 等［17］采用GC/MC-ICP-MS 測定三甲基銻中的銻同位素比值，測定了來自實(shí)驗(yàn)室污水污泥發(fā)酵罐的真實(shí)樣本，并觀察到生物產(chǎn)生的三甲基銻的同位素分餾（δ123Sb+10‰和+19‰），說明當(dāng)銻被厭氧細(xì)菌甲基化時(shí)會(huì)發(fā)生同位素分餾。

上述結(jié)果表明，色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用進(jìn)行金屬同位素的研究還較少，而且主要集中在同位素比值差異較大的放射性成因的同位素分析，這主要是因?yàn)榻饘俜€(wěn)定同位素在自然樣品中的分餾較小，而聯(lián)用形態(tài)同位素分析技術(shù)提供的同位素測試精度仍需進(jìn)一步改善以滿足實(shí)際需求。

3.3 硫

硫是一種重要的微量元素，廣泛參與生物地球化學(xué)過程，而且在某些污染物的生物降解中發(fā)揮重要作用。因此，測量不同化合物或環(huán)境樣品中硫同位素組成對(duì)于了解硫循環(huán)，研究與硫氧化還原反應(yīng)相關(guān)的同位素分餾非常有用。Santamaria-Fernandez等［39］發(fā)展了通過HPLC/MC-ICP-MS測量S同位素來鑒別1種抗病毒藥物真?zhèn)蔚姆椒?。研究人員分析了從制藥合作方收集的417片藥（每批3片，n=139），測試得到每批藥片的平均δ34S。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)藥片（n= 96）的δ34S = 3.6‰，不確定度為1‰（n= 96，k=2），這些藥片被確認(rèn)為正品。但部分藥片（n=23）的δ34S與之顯著不同，可能是假藥。

此外，色譜與MC-ICP-MS 聯(lián)用技術(shù)還可用于同位素示蹤的研究中。San Blas 等［40-41］采用HPLC/MC-ICP-MS在線分離測定了小鼠口服34S標(biāo)記酵母后尿液中的不同硫代謝物的硫同位素比值，通過對(duì)健康小鼠和前列腺癌小鼠的尿液代謝物進(jìn)行硫同位素分析開展了硫代謝研究。研究者分別分析了尿液中總的硫同位素組成和不同代謝物中的硫同位素組成，發(fā)現(xiàn)使用富含34S的酵母，測量示蹤或被示蹤物同位素比值可以用于區(qū)分健康小鼠和前列腺癌小鼠。結(jié)果表明，硫同位素富集程度不隨疾病的進(jìn)展而增加，因此在前列腺癌的第一階段，患有前列腺癌的小鼠可與健康的小鼠區(qū)分開。Ullrich 等［42］采用IC/MC-ICP-MS 進(jìn)行硫同位素分析，觀測硫代砷酸鹽（［HAsVSn-IIO4-n］2-，n=1～4）在非生物氧化過程中的分餾。應(yīng)用此方法發(fā)現(xiàn)，一硫代砷酸鹽在氧化過程中與產(chǎn)物硫酸鹽相比，分餾高達(dá)6.1‰；由于與硫化物分子間同位素交換，一硫代砷酸鹽的硫同位素富集可達(dá)9.1‰。而四硫代砷酸鹽通過三硫代砷酸鹽和二硫代砷酸鹽氧化成一硫代砷酸鹽并未導(dǎo)致分餾。這些結(jié)果有助于闡明硫代砷酸鹽轉(zhuǎn)化的途徑，從而為硫環(huán)境同位素分餾模式的解釋提供了有價(jià)值的信息。Martinez等［21］采用LC/MC-ICP-MS在線分離測定了水樣中的亞硫酸鹽、硫酸鹽和硫代硫酸鹽的δ34S，當(dāng)注入1 μg 硫時(shí)綜合不確定度小于0.25‰，再現(xiàn)性低于0.5‰。該方法可應(yīng)用于大多數(shù)的環(huán)境水樣，可作為研究形成亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽等中間價(jià)硫陰離子的硫氧化還原過程的有力工具。Faβbender等［43］建立了CE與MC-ICP-MS 聯(lián)用在線硫同位素分析方法，測定硫酸鹽δ34S 值的精度為2SD=0.3‰～1.3‰。而IRMS 對(duì)位于亞洲、歐洲和北美的許多不同河流系統(tǒng)的河水中硫酸鹽的硫同位素分析結(jié)果表明，δ34S值在-4‰～+18‰之間，因而使用CE/MC-ICP-MS 足以揭示不同河流系統(tǒng)中硫酸鹽-δ34S 的差異。Kümmel 等［22］采用中分辨和低質(zhì)量分辨率模式的GC/MC-ICP-MS實(shí)現(xiàn)了有機(jī)化合物特定形態(tài)中δ33S和δ34S的同時(shí)分析，并將該方法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)化合物的δ33S和δ34S同位素分析。對(duì)4種工業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)化合物（噻吩（THI）、四氫噻吩（THT）、二乙基硫醚（DES）和二甲基二硫醚（DMDS））的混合物進(jìn)行了測量，這些化合物的δ33S 和δ34S 之間具有質(zhì)量分餾趨勢（Δ33S ≤±0.2‰）。將DMDS 暴露于紫外輻射3 h 引起光解降解并測定了非質(zhì)量分餾（MIF），結(jié)果表明通過直接光解降解二甲基二硫醚會(huì)產(chǎn)生微小但顯著的MIF（Δ33S = 0.55‰ ±0.04‰，n=3），表明該方法對(duì)這些類型的研究具有足夠的靈敏度。

3.4 其他

色譜與MC-ICP-MS 聯(lián)用方法同樣被應(yīng)用于核材料的分析。Günther-Leopold 等［44］用HPLC/MCICP-MS 分離干擾元素，在線測定了核燃料樣品中的钚同位素比值。外部重現(xiàn)性為0.04%～0.2%（2SD），且無需繁瑣的樣品前處理過程（尤其是對(duì)于需特別預(yù)防的放射性物質(zhì)）。Caruso等［45］采用HPLC/MC-ICP-MS 分別測定了4 根輻照燃料棒中的Gs、Eu 同位素，大多數(shù)樣品的同位素測試統(tǒng)計(jì)誤差在0.4%～0.8%（1σ）范圍內(nèi)。Guéguen 等［27，46］采用LC/MC-ICP-MS 測定了核樣品中的Gd、Eu、Sm、Nd同位素比值，并對(duì)模擬樣品進(jìn)行分析驗(yàn)證了該方法的可行性，幾乎所有同位素比值的重現(xiàn)性均優(yōu)于2‰（k=2）。Martelat等［47-48］采用CE/MC-ICP-MS分別實(shí)現(xiàn)了在線Nd、U、Pu同位素比值的測定。

硅同位素作為生物地球化學(xué)示蹤劑，已被用于研究自然界的各種過程，如風(fēng)化和生物過程，提高了人們對(duì)全球硅生物地球化學(xué)循環(huán)的認(rèn)識(shí)。Yang 等［49］采用離子排阻色譜（IEC）與MC-ICP-MS 耦合在線測定了天然水體和幾種商業(yè)硅標(biāo)準(zhǔn)中的硅同位素比值，發(fā)現(xiàn)硅同位素比值不僅在幾種商業(yè)硅標(biāo)準(zhǔn)中存在顯著差異，而且在天然水體中也存在顯著差異。Zakon等［50］采用GC/MC-ICP-MS測定了有機(jī)化合物中的碳同位素比值δ13C，對(duì)于含有低至0.6 nmol 碳的樣品其精度為0.3‰（1σ），驗(yàn)證了GC/MCICP-MS 聯(lián)用技術(shù)可用于有機(jī)化合物單體中δ13C 的精確分析。Karasinski 等［16］采用IC/MC-ICP-MS 分別在濕和干等離子體條件下精確測定了鎂同位素比值，對(duì)富基質(zhì)天然水和巖石樣品進(jìn)行了鎂同位素分析。濕等離子體和干等離子體條件下的鎂同位素比值精度均很好，一般為0.15‰（2SD），兩者均可與離線Mg分離和連續(xù)測量相媲美。

4 結(jié) 論

色譜與MC-ICP-MS 聯(lián)用測定同位素比值，不僅具有MC-ICP-MS 測定同位素比值的優(yōu)勢，而且由于色譜的分離作用，可以：①將待測元素與干擾離子和基體有效在線分離，大大縮減了樣品預(yù)處理時(shí)間，有望提高同位素測試的效率和改善分析自動(dòng)化水平；②將同一元素的不同形態(tài)分離開，測定特定元素形態(tài)的同位素比值，從而獲取比總量同位素比值更豐富、更有效的信息；③使同時(shí)分析多個(gè)元素形態(tài)的同位素比值成為可能。

色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用在線分析的主要挑戰(zhàn)是瞬態(tài)信號(hào)的處理和分析過程中的質(zhì)量歧視校正。大量文獻(xiàn)表明，線性回歸斜率法是處理瞬態(tài)信號(hào)計(jì)算同位素比值的最好方法。根據(jù)不同的測試條件，通常需在內(nèi)標(biāo)法和標(biāo)準(zhǔn)-樣品交叉法的基礎(chǔ)上發(fā)展新的校正方法（如IISSB、ISEC、MISS等）來校正質(zhì)量歧視效應(yīng)。

目前，采用色譜與MC-ICP-MS聯(lián)用在線分離測定同位素比值的研究越來越多。但形態(tài)同位素分析的技術(shù)還不是十分成熟，分析精度仍需進(jìn)一步提高。例如Entwisle 等［51］采用高效液相色譜和冷蒸氣發(fā)生多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜（CVG/MC-ICP-MS）聯(lián)用測定了魚組織中甲基汞的汞同位素比值，對(duì)在線耦合和離線測量進(jìn)行了比較和評(píng)估，發(fā)現(xiàn)離線測量是更加穩(wěn)定且可重復(fù)的分析方法。因此，仍需要進(jìn)一步完善分析方法，找到更好的瞬態(tài)信號(hào)處理和校正質(zhì)量歧視效應(yīng)的方法，克服流動(dòng)相基體對(duì)同位素測試的影響以及流速匹配的問題，進(jìn)一步提高分析速度和同位素測試精度，使其能發(fā)揮更大的作用。一方面，需要建立更有效的顯著降低色譜同位素分餾的形態(tài)分離方法；另一方面，色譜在線同位素分析對(duì)接口以及MC-ICP-MS質(zhì)譜儀器的性能同樣有了更高的要求，迫切需要提高樣品的利用效率以及檢測靈敏度來得到更理想的同位素分析精度?？傊?，通過形態(tài)同位素分析，可以了解不同元素形態(tài)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，為解決各種生命和環(huán)境問題提供更有效的信息，因此形態(tài)同位素分析在地球科學(xué)、環(huán)境、生命科學(xué)以及化學(xué)等領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮越來越重要的作用，但其廣泛應(yīng)用還有賴于可形態(tài)分析的同位素體系的擴(kuò)展與分析方法性能的有效提升。