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)

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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)分析儀器所檢測的是被測元素各種形態(tài)的總量，而實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特性，對于有毒有害元素來說，不同的形態(tài)其毒性和毒理也不盡相同。因此，對元素的不同形態(tài)進行分析的儀器和方法越來越引起重視。我國基于蒸氣發(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)分析檢測方面更具有競爭力。本文對LC-AFS聯(lián)用技術(shù)做了簡要介紹，并對海光公司最新推出的LC-AFS6500液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀的特點進行了概述。

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)是對元素的總量所進行的定量分析，而實際上，被測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特性。當前，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，礦業(yè)的無序開采、電子廢料和工業(yè)廢水的排放，以及農(nóng)藥和殺蟲劑的濫用，導致了我國的環(huán)境、土壤、食品、地表水等嚴重受到砷(As)、汞(Hg)及其化合物的污染，這也使得對As、Hg等有毒有害元素的不同形態(tài)進行分析，成為社會關(guān)注的焦點和研究熱點，這也就對分析儀器的性能和分析方法提出了越來越高的要求。因此可見，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)代科學發(fā)展的需要，只能通過儀器聯(lián)用技術(shù)來實現(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)進行分離后再分別檢測的分析技術(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、進樣量小、分析速度快等優(yōu)點，GC的氣態(tài)流出物能直接進入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)用的檢測器包括UV、AAS、AFS、ICP-AES、ICP-MS等，UV是一種常用的檢測器，但大部分有機物對波長254nm有吸收，造成背景干擾較大，選擇性也較差[4]；而AAS和ICP-AES作為檢測器，雖然選擇性好，但由于儀器的設(shè)計特性，對紫外區(qū)元素的檢測靈敏度較低，不適于As、Hg等元素的檢測，另外也存在基體干擾問題；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，但價格昂貴，維護和使用成本高，難以在國內(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、汞等重金屬檢測上與其它儀器相比，具有很多優(yōu)勢。AFS作為檢測器具有較少的化學干擾和光譜干擾，對 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，國內(nèi)學者就預測LC-AFS技術(shù)以其高靈敏度、高選擇性和使用維護成本較低，將成為適合我國國情的形態(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)進行分離，再利用AFS進行定量檢測，LC-AFS被廣泛地用于易于形成揮發(fā)性共價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，再通過蒸氣發(fā)生和氣液分離后，目標分析物的衍生物進入AFS進行檢測[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)定的流速輸送流動相，采樣閥負責采集定量樣品，采樣閥上帶有定量樣品環(huán)，采樣閥上有兩個位置，即加載位(load)和注射位(inject)。加載位用于進樣，如果沒有配備液相自動進樣器，那么只能手動通過進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，手動將進樣閥由“l(fā)oad”位切換到“inject”位置，通過液相泵的作用，由流動相將樣品推入到色譜柱中，流動相的流速由液相泵控制。如果配備液相自動進樣器，那么上述工作將會由進樣器來完成。被測元素的不同形態(tài)根據(jù)在色譜柱中的駐留時間不同，在流動相的作用下，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，或者是提高檢測靈敏度，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)生反應進而被還原成共價氫化物的小分子形態(tài)，或?qū)⒂袡C態(tài)轉(zhuǎn)換為蒸氣反應能力更強的無機態(tài)。實現(xiàn)上述功能的方法通常有化學氧化法、微波消解法和紫外照射法等。其中，化學法反應不充分, 轉(zhuǎn)化效率低，微波消解裝置復雜，且溫度過高，消解管內(nèi)產(chǎn)生大量蒸氣, 導致基線穩(wěn)定性很差[1]，而紫外消解裝置簡單，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行消解。

紫外消解時，從色譜柱流出的待測元素的不同組分，首先和氧化劑混合，然后進入在線紫外消解系統(tǒng)。消解效率與紫外光強度和消解管路長度有關(guān)，過長的消解管路會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工作之一。另外，根據(jù)所檢測的元素形態(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關(guān)，可以隨時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，同時只有保證一定的酸度，才能與還原劑發(fā)生還原反應，生成被測元素的氣態(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)生過程。另外，只有保證一定的酸度和還原劑的濃度，還原反應才能生成足夠的氫氣參與燃燒，提供原子化能量。還原反應生成的蒸氣經(jīng)過氣液分離，由載氣(氬氣)攜帶進入到原子熒光主機進行檢測。氣液分離效果的好壞，直接影響測量結(jié)果，如果大量水蒸汽進入原子化器，會造成熒光猝滅，另外水分子也會造成粒子散射，導致背景干擾。

2.4AFS檢測

蒸氣發(fā)生過程所產(chǎn)生的氣態(tài)組份經(jīng)氣液分離后進入AFS的原子化器，在氬-氫火焰中進行原子化，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)原子在去活化過程中釋放出熒光，被光檢測器接收，實現(xiàn)定量檢測。

2.5流速控制

流動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上的蠕動泵控制，蠕動泵泵速的快慢要與液相泵的流速相匹配(一般為60rpm/min)，以確保還原反應的順利進行。在實際測量中，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行了簡單組合，集中在一個機箱內(nèi)，而海光公司推出的是分立式結(jié)構(gòu)(見圖2)。兩種類型的儀器各有特點，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，只需一臺原子熒光儀器和形態(tài)接口以及相應的工作軟件，就可以進行形態(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不同，難以實現(xiàn)一體化控制，進行測量操作時需要運行多個工作軟件(包括液相泵和液相進樣器)，若用戶選用AFS廠商指定的液相泵，這些泵的接口協(xié)議對AFS制造商開放，可以實現(xiàn)對液相泵的控制。

無論哪種設(shè)計方式，早期的液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀都未能實現(xiàn)一體化控制，功能都比較單一，比如做形態(tài)分析時不能兼?zhèn)淇偭浚蚩偭糠治鰰r只能用蠕動泵模式，或兼?zhèn)鋬煞N分析模式時不能實現(xiàn)總量分析和形態(tài)分析的自動切換，需要手動更換系統(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，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(見圖3)。

該儀器采用全新的一體化設(shè)計，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，同時帶有液相自動進樣器接口，可以實現(xiàn)單一軟件對包括液相進樣器在內(nèi)的所有功能單元的控制。同時檢測器部分(AFS主機)采用蠕動泵-注射泵聯(lián)用專利技術(shù)，總量檢測配有183位帶自動清洗功能(專利)的超靜音自動進樣器。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項目，對其產(chǎn)業(yè)化提供財政資金支持(課題編號：Z141100003414017)，該儀器的主要特點如下：

(1)采用道間干擾及漂移自動扣除專利技術(shù)設(shè)計，可有效抑制各種直流漂移和多元素測量時各測量通道之間的相互干擾(申請發(fā)明專利)；

(2)兼具總量和形態(tài)分析功能，實現(xiàn)了兩種分析方式的自動切換(專利)；

(3)總量分析與形態(tài)分析各有獨立的蒸氣發(fā)生系統(tǒng)(專利)，減少了樣品間的交叉污染，提高了測量準確性；

(4)紫外和無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，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泵聯(lián)用技術(shù)(專利)，也可以單蠕動泵測量；

(7)帶有液相自動進樣器接口，可以實現(xiàn)對液相進樣器的控制。

LC-AFS6500液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀通過了中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會的鑒定，與會專家一致認為該儀器處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。該產(chǎn)品推向市場后，憑借其優(yōu)異特性和豐富功能，受到用戶普遍認可和歡迎。

5　展望

有關(guān)液相色譜-原子熒光聯(lián)用儀的國家計量檢定規(guī)程即將頒布(海光公司參與起草)，LC-AFS勢必會得到廣泛應用。雖然LC-AFS在As、Hg、Se、Sb等元素的形態(tài)檢測上具有一定優(yōu)勢，但目前也僅限于檢測能夠生成揮發(fā)性共價氫化物或原子蒸氣的那些元素。因此，針對LC-AFS，還有很多工作有待于開展，包括簡化色譜與熒光的接口技術(shù)、提高消解效率、擴展檢測范圍以及研究更為簡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，2006，34(期)：493-496.

[2]曾艷，徐開來，侯賢燈.色譜與原子熒光光譜聯(lián)用技術(shù)在元素形態(tài)分析中的應用.分析科學學報，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)用檢測海產(chǎn)品中不同形態(tài)砷的研究.中國衛(wèi)生檢驗雜志，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)分析中的應用.分析科學學報，2002，18(4)：338-343.

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

[6]郭小偉，楊密云.分析化學，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

首都科技條件平臺項目(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