土壤中重金屬形態(tài)分析研究進(jìn)展

1、土壤中重金屬形態(tài)分析研究進(jìn)展羅小三，周東美，陳懷滿土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院南京土壤研究所（210008）E-mail: &摘 要： 本文簡要介紹了元素形態(tài)分析的概念、方法及其應(yīng)用，概括和評述了當(dāng)前土壤重金屬的形態(tài)分析方法，詳細(xì)討論了各種形態(tài)分離手段和痕量重金屬的測定技術(shù)，提出了土壤重金屬形態(tài)分析領(lǐng)域亟待解決的問題和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞： 土壤 重金屬 形態(tài)分析 環(huán)境1. 引 言從上世紀(jì)70年代開始，環(huán)境科學(xué)家就認(rèn)識到，重金屬的生物毒性在很大程度上取決于其存在形態(tài)，元素總量已經(jīng)不能很好地說明環(huán)境中痕量金屬的化學(xué)活性、再遷移性、生物可給性以及最終對生態(tài)系統(tǒng)或生物有機(jī)體的影

2、響行為和生物效應(yīng)等4-631,2。事實(shí)上，重金屬與環(huán)境中的各種液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)經(jīng)物理化學(xué)作用后以各種不同形態(tài)存在于環(huán)境中，其賦存形態(tài)決定著重金屬的環(huán)境。正因如此，通過元素形態(tài)分析方法定量確認(rèn)環(huán)境中重金屬的各種形態(tài)已成為環(huán)境分析化學(xué)研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，其環(huán)境介質(zhì)包括土壤、沉積物、水體、植物和食品。隨著工作的不斷深入，特別是分析測試技術(shù)的迅猛發(fā)展，元素的形態(tài)分析方法日趨7完善，并且在化合物生物地球化學(xué)循環(huán)、元素毒性及生態(tài)毒性確定、食品質(zhì)量控制、臨床分析等領(lǐng)域顯示出獨(dú)特的作用。土壤環(huán)境處于大氣圈、水圈、巖石圈及生物圈的交接地帶，它是地表環(huán)境系統(tǒng)中各種物理、化學(xué)以及生物過程、界面反應(yīng)、物質(zhì)與能量交換、遷移

3、轉(zhuǎn)化過程最為復(fù)雜和最為頻繁的地帶。而重金屬土壤污染對食品安全和人類健康存在嚴(yán)重威脅。因此，研究土壤中重金屬的形態(tài)尤為重要。但土壤是一個(gè)多組分多相的復(fù)雜體系，類型多樣，其組成、pH和Eh 等差異明顯，加上重金屬來源不同、在土壤中的形態(tài)復(fù)雜，使得土壤中重金屬形態(tài)分析更為困難。本文對元素形態(tài)分析的概念、方法、常用技術(shù)、應(yīng)用進(jìn)行了概括，對當(dāng)前土壤中重金屬的形態(tài)分析方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹和評述，并提出了存在的問題和將來的預(yù)期發(fā)展方向。 82. 元素形態(tài)分析的概念2.1 元素形態(tài)元素形態(tài)的概念可追溯到1954年Goldberg 為改善對海水中痕量元素的生物地球化學(xué)循環(huán)的理解而將其引入9。其后，元素的形態(tài)得到廣

4、泛研究，但不同的學(xué)者對形態(tài)有不同的理解和認(rèn)識。Stumm 10認(rèn)為形態(tài)是指某一元素在環(huán)境中的實(shí)際存在的離子或分子形式； - 1 -Florence 11認(rèn)為形態(tài)分析即確定元素各單獨(dú)的物理-化學(xué)形式，它們的總和構(gòu)成樣品的總濃度；也有學(xué)者認(rèn)為重金屬的形態(tài)包括價(jià)態(tài)、化合態(tài)、結(jié)合態(tài)和結(jié)構(gòu)態(tài)等12。Ure 13認(rèn)為土壤中痕量元素的形態(tài)即其存在的定義的物類、形式或相的鑒定和量化（species 、form or phase，可功能性地定義為如植物可給性物類，或依據(jù)用于分離它們的試劑步驟操作性地定義，或定義為該元素特殊的化學(xué)化合物或氧化態(tài)）。與元素形態(tài)(elemental speciation有關(guān)術(shù)語的定義

5、在多次痕量元素形態(tài)會議上被討論，并在最近的一篇評論中給了出來，這些定義源于IUPAC 接受的用語14。化學(xué)物種(chemical species 是指化學(xué)元素的某種特殊形式(specific form，如分子態(tài)、絡(luò)合結(jié)構(gòu)或氧化態(tài)；元素形態(tài)(speciation of an element指某元素具體的化學(xué)物種在某體系中的分布；形態(tài)分析(speciation analysis即鑒別和測定元素各種形態(tài)，包括取樣方法、測定及質(zhì)量控制。2.2 重金屬形態(tài)分類重金屬在環(huán)境樣品中的形態(tài)比較復(fù)雜，至今尚無分類的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而且形態(tài)的研究涉及不同的學(xué)科，各領(lǐng)域?qū)χ亟饘傩螒B(tài)的劃分和研究也有所側(cè)重。如根據(jù)元素在樣品

6、中的穩(wěn)定程度將其分為穩(wěn)定態(tài)和不穩(wěn)定態(tài)；根據(jù)元素在溶液中的電化學(xué)活性分為活性態(tài)和非活性態(tài)。目前水體中重金屬的形態(tài)分析較為活躍，由溶解態(tài)和懸浮物吸附態(tài)的簡單劃分發(fā)展為：自由金屬離子、不穩(wěn)定無機(jī)絡(luò)合物、不穩(wěn)定有機(jī)絡(luò)合物、不穩(wěn)定有機(jī)物吸附態(tài)、不穩(wěn)定無機(jī)物吸附態(tài)、穩(wěn)定無機(jī)絡(luò)合物、穩(wěn)定有機(jī)絡(luò)合物、穩(wěn)定無機(jī)物吸附態(tài)、穩(wěn)定有機(jī)物吸附態(tài)、顆粒態(tài)等物理和化學(xué)形式15。植物中重金屬的形態(tài)常分作無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)。土壤重金屬形態(tài)研究一般分溶解態(tài)(土壤溶液 和顆粒態(tài)(土壤固相 兩方面，前者主要研究價(jià)態(tài)和化合態(tài)，后者研究其結(jié)合態(tài)。在土壤科學(xué)和環(huán)境化學(xué)研究中，往往用各種不同的浸提劑對土壤中的重金屬進(jìn)行連續(xù)抽提，并根據(jù)所使用的浸

7、提劑對重金屬的形態(tài)分組。由于浸提劑系列的組成和浸提方法不同，有水溶態(tài)、交換態(tài)、吸附態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、松結(jié)有機(jī)態(tài)、緊結(jié)有機(jī)態(tài)、碳酸鹽態(tài)、無定型氧化錳結(jié)合態(tài)、無定型氧化鐵結(jié)合態(tài)、晶型氧化鐵結(jié)合態(tài)、硫化物態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)等多種形態(tài)說法16。以上皆為操作性定義分類，與重金屬在環(huán)境中的真實(shí)形態(tài)還有一定距離，所以目前的重點(diǎn)是確定更深層次的元素形態(tài)，最科學(xué)地反映重金屬的存在形態(tài)。2.3 土壤重金屬形態(tài)分析完整的形態(tài)分析方案應(yīng)包括采樣、樣品預(yù)處理、物類分析和評價(jià)。最理想的方法是盡可能地進(jìn)行原位分析，但多數(shù)情況下很難做到，樣品的采集、保存和預(yù)處理就成了形態(tài)分析的重要一環(huán)17。樣品預(yù)處理的關(guān)鍵在于防止處理過程中形態(tài)(如氧

8、化態(tài)、絡(luò)合程度、有機(jī)金屬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。近似原位分析的直接形態(tài)分析主要針對固相表面和土壤液相重金屬的形態(tài)，通常的土壤重金屬形態(tài)分析還得經(jīng)過形態(tài)分離、測定等程序。由于土壤中重金屬的含量很低，所以形態(tài)分析要求分離方法必須選擇性好、回收率高，測試方法要求靈敏度高、準(zhǔn)確度高、重現(xiàn)性好的痕量或超痕量分析方法。3. 重金屬化學(xué)形態(tài)的分析3.1 電化學(xué)方法電化學(xué)分析方法可有效地用來分析溶液中痕量重金屬形態(tài)，重金屬的不同化學(xué)形態(tài)可以在電極上逐級進(jìn)行反應(yīng)18,19。近年來由于脈沖極譜法、單掃描極譜法以及新極譜法的興起，- 2 -尤其是極譜催化波、絡(luò)合物吸附波、溶出伏安法和電位溶出分析(PSA等的成功應(yīng)用，使得極譜分

9、析具有靈敏度高（不少元素檢出限可達(dá)1010mol l，有的甚至可達(dá)1010 mol l）、線形范圍寬、分析速度快（利用導(dǎo)數(shù)單掃示波極譜，一般可不除氧，721s完成一次測定）等特點(diǎn)，在環(huán)境分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用20-1-8-11-1-10-12。陽極溶出伏安法(ASV：將重金屬形態(tài)按其電極行為特征分為電極不穩(wěn)態(tài)(ASV-labile和惰性態(tài)(Inert。電極不穩(wěn)態(tài)包括游離離子和一些簡單無機(jī)絡(luò)合物，被認(rèn)為是可能的毒性態(tài)；惰性態(tài)一般是一些結(jié)合緊密的有機(jī)絡(luò)合物，較少具有毒性特征。電極動力學(xué)過程與重金屬穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的過程類似（如圖1所示），所以ASV 能較好地反映出重金屬的毒性21。缺點(diǎn)是溶液中存在

10、的腐殖酸（HA、FA）和其它有機(jī)物影響電極富集和溶出過程，給定量22,23帶來誤差。采用ASV 法可以同時(shí)分析As(和As(，檢出限為0.2 ppb陽極溶出伏安法(DPASV因其高靈敏度已得到廣泛應(yīng)用Cd、Pb、Cu進(jìn)行了同時(shí)測定，Sébastien 2724,25。微分脈沖：Santos 等26對不同形態(tài)的Zn、分析了土壤溶液中Pb 的形態(tài)。圖1 金屬絡(luò)合物透過細(xì)胞膜示意圖ML非脂溶性金屬絡(luò)合物 ML 脂溶性金屬絡(luò)合物 P運(yùn)載蛋白 M金屬離子 2+陰極溶出伏安法(CSV：比ASV 具有更高的靈敏度，并且較少污染樣品。Barra檢出限為ppb 級。Li 等水中Cr 形態(tài)。Ferri

11、2928通過SWCSV，在Cu(及溶解氧存在時(shí)測定了自然水體中的無機(jī)As 形態(tài)(、，方法靈敏，采用Cr(-DTPA絡(luò)合物吸附-催化陰極溶出伏安法(CCSV，通31過區(qū)分Cr(VI、活性無機(jī)Cr(及非活性有機(jī)Cr(絡(luò)合物，確定自然水體(包括土壤排30用DPCSV 分析ng/l水平的Se(IV。Xue 通過配體交換(LE和32DPCSV 研究了淡水(包括地下水中Ni 形態(tài)及絡(luò)合動力學(xué)。Sedlak 用競爭配體平衡(CLE-CSV及螯合樹脂柱分配(CRCP-GFAAS通過區(qū)分不穩(wěn)定態(tài)(即金屬陽離子、無機(jī)絡(luò)合態(tài)和弱有機(jī)絡(luò)合態(tài)、中強(qiáng)有機(jī)絡(luò)合態(tài)(如腐殖物質(zhì)絡(luò)合物和強(qiáng)有機(jī)絡(luò)合態(tài)(如多齒配體絡(luò)合物，確定污染水

12、體中Cu、Ni形態(tài)。Korolczuk 通過靈敏的高選擇性步驟，用伏安法測定了在Cr(及HA 存在時(shí)的痕量Cr(VI濃度，檢出限pM，并應(yīng)用于土壤樣品。根據(jù)PbTTMAPP 在-0.74v(vs.SCE的絡(luò)合吸附波，利用導(dǎo)數(shù)示波極譜研究水體中痕量Pb 的形態(tài)，對溶解態(tài)自由鉛離子、絡(luò)合鉛離子、總鉛以及懸浮態(tài)鉛進(jìn)行測定，檢出限為0.002ppm 3433。Adeloju3635在Cu(存在時(shí)，用玻碳汞膜電極通過恒電流陰極溶出電位法(CSP測定As(、。計(jì)時(shí)電位溶出分析(CPSA對研究寬范圍配體/金屬比時(shí)的金屬離子絡(luò)合狀況有很大潛力-6-1。離子選擇性電極(ISE可以直接測定金屬陽離子和小分子無機(jī)陰

13、離子的行為，常用于分析不同氧化態(tài)的元素，缺點(diǎn)是線形響應(yīng)范圍都在高濃度區(qū)（一般在10 mol l以上）?；瘜W(xué)修飾電極、微電極也是具有潛力的電化學(xué)分析技術(shù)37。 - 3 -3.2 同位素方法靈敏度高，可測出10-10mol l，測量簡便，不受其它非放射性雜質(zhì)的干擾，省略了許多復(fù)雜的樣品處理和分離手段，能進(jìn)行原位測定。同位素示蹤技術(shù)可以考察金屬元素形態(tài)的來源、路徑、生物有效性及轉(zhuǎn)變情況植物有效性，Scheifler3938-14-13-1。同位素稀釋技術(shù)起初用來評價(jià)土壤中重金屬的則用該法評價(jià)了土壤中不同形態(tài)Cd 的動物有效性。3.3 表面分析技術(shù)許多X 射線吸收或衍射技術(shù)可用來對固體樣品中的金屬化學(xué)

14、形態(tài)進(jìn)行分析，如EXAFS、XANES、XRD 及微探針分析40-42。EXAFS 與PCA 和LSF 聯(lián)用對土壤或沉積物中痕量元素形態(tài)的43定量測定被認(rèn)為是個(gè)有意義的途徑。X 射線熒光（XRF）、TXRF、激光微探針質(zhì)譜（LMMS）、41,44掃描電鏡(SEM、紫外光電子能譜等也是表征表面元素形態(tài)和分布的有用工具問題常需將化合物分離。NMR對闡釋金屬配體絡(luò)合物的K d 尤其有效。 。 NMR、UV-Vis、IR、Mossbauer、ESR等技術(shù)也可用于形態(tài)分析，但由于敏感性和特異性4.重金屬的形態(tài)分離環(huán)境樣品中重金屬的含量一般很低，各形態(tài)分量則更低，因此有必要在測定各形態(tài)之前進(jìn)行分離富集，同

15、時(shí)減少基體干擾，最終降低分析方法的檢出限。4.1 固相(土壤沉積物重金屬的形態(tài)分離土壤中痕量元素形態(tài)的確定通常由連續(xù)提取(sequential extraction來實(shí)行，即用一系列化學(xué)活性(酸性、氧化還原能力和絡(luò)合性質(zhì)不斷增強(qiáng)的試劑逐級提取與土壤固相特定化學(xué)基團(tuán)結(jié)合的重金屬元素。其最大特點(diǎn)是用幾種典型的提取劑取代自然環(huán)境中數(shù)目繁多的化合物，模擬自然條件下重金屬與周圍環(huán)境發(fā)生的各種反應(yīng)，使復(fù)雜問題得以簡化。提取劑可以為鹽電解液(如CaCl 2、MgCl2、弱酸緩沖液(如HAc、(COOH2、螯合劑(如EDTA、DTPA、強(qiáng)酸(如HCl、HNO3、HClO4或堿(如NaOH、Na2CO 3等。T

16、essier 法：1979年由Tessier 建立-1-145，它將樣品中的重金屬元素通過五步分級提取，-1-1NH 4OAc；殘留態(tài)(HF-HClO4。在此基礎(chǔ)上，其后的十幾年里不同的研究人員根據(jù)各自的研究目的和對象出發(fā)，采用的連續(xù)提取法各有所異選擇兩個(gè)方面，文獻(xiàn)1646,47-1，主要包括各個(gè)形態(tài)的分級和提取劑的。連續(xù)提取法最大的缺陷是試劑的選擇對此作了概括。Tessier法是近20年來土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和地球48-50化學(xué)等領(lǐng)域廣泛采用的固相重金屬形態(tài)分級體系性差和釋出金屬在各形態(tài)間的再分配，而且由于這些方案的操作性定義特征，數(shù)據(jù)可比性和使用的提取程序緊密相關(guān)，只有用類似方法及性質(zhì)相似的

17、樣品進(jìn)行的分析結(jié)果才具有可比性，這就要求程序的標(biāo)準(zhǔn)化51。BCR 法：1987年開始的BCR 項(xiàng)目(即后來的SM&T項(xiàng)目致力于連續(xù)提取的方法標(biāo)準(zhǔn)化和被鑒定的參考物質(zhì)(certified reference materials，CRMs的制造，1992年專題討論會后方法逐漸形成52，系列成果在International Journal of Environmental Analytical Chemistry（1994,51,1/4）以專集刊出。它對樣品進(jìn)行三步分級提取：水溶態(tài)、可交換態(tài) - 4 -和碳酸鹽結(jié)合態(tài)(0.11 mol lHOAc；鐵錳氫氧化物結(jié)合態(tài)(pH 2時(shí)0.1 mol

18、 l近來也有學(xué)者對其進(jìn)行優(yōu)化，第四步殘?jiān)鼞B(tài)用王水消化materials，SRM在BCR 法中已有應(yīng)用應(yīng)用BCR 法，DavidsonTokaliolu 56555453。CRMs的使用是被廣泛認(rèn)可的用來確證形態(tài)分析中所用分析技術(shù)精確性的工具。標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(standard reference 。 分析了沉積物中重金屬的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)BCR 法的重現(xiàn)性很好；-1用BCR 四級提取和FAAS 檢測，對沉積物中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb和Mn 形態(tài)進(jìn)行了分析，回收率95%，檢出限0.04 - 0.69 g ml。此法在國內(nèi)還未被廣泛應(yīng)用，但也有學(xué)者采用BCR 法提取、ICP-AES 測定研

19、究了水體沉積物中重金屬的形態(tài)并評估了重金屬的生物有效性57。58-60其它提取法：超臨界流體提取(SFE、微波輔助提取(MAE、加速溶劑提取(ASE、超聲提取(USE最近都有報(bào)導(dǎo)。Heltai 等61結(jié)合CO 2和H 2O 作提取劑的SFE 技術(shù)分析了廢水沉62積物中重金屬的形態(tài)，將其分為水溶態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和可移動有機(jī)結(jié)合態(tài)，該法的化學(xué)解釋可與BCR 法相比。SFE被認(rèn)為是有希望能限制形態(tài)轉(zhuǎn)化的提取技術(shù)人的通用樣品制備技術(shù)。 。MAE因?yàn)槟茉诖髿饣蚋邏毫翱勺兊臏囟取⑷軇┖蜁r(shí)間下進(jìn)行而達(dá)到最溫和的提取條件，使得它成為最吸引4.2 液相重金屬的形態(tài)分離樣品預(yù)處理后，形態(tài)分析要求各不同元素物類

20、在導(dǎo)入檢測器前盡可能地分離干凈。隨著新儀器的開發(fā)、研制及前處理技術(shù)的發(fā)展，用現(xiàn)代化的分離和檢測手段相結(jié)合已成為重金屬形態(tài)分析的主流。色譜在形態(tài)分析的發(fā)展中處于重要地位。高效液相色譜(HPLC：LC是應(yīng)用最廣泛的元素形態(tài)分離方法。通常根據(jù)所分析物類的相對極性、溶解性、分子量對所用的LC 分類，有反相色譜(RPC、反相離子對色譜(RPIPC、膠束、離子交換色譜(IEC、空間排斥色譜(SEC,也稱凝膠滲透色譜、手性液相色譜(CLC等模式。最流行的UV-Vis 檢測器因其低靈敏度而很少用，熒光或電熱檢測器更常用，通用型檢測器有FID、ECD、TID、NPD、FPD等。HPLC的柱后反應(yīng)檢測靈敏度可達(dá)p

21、g 級。Kota 介紹了各種LC 在Cr 形態(tài)分析中的應(yīng)用。Petropoulou 等6362 對土壤提取液中Se 形態(tài)進(jìn)行分析,用強(qiáng)陰離子交換色譜-ICP-MS分64離測定了SeU、SeE、SeM、Se(VI和Se(IV，用RPC-ICP-MS 分離測定了dMeSe 和dMedSe。反相LC 是現(xiàn)在最流行的與ICP-MS 聯(lián)用的分配色譜模式。Guerin 將反相及離子交換HPLC用于As、Se 形態(tài)分離。Gallardo 等析方法。Vassileva 等6665對環(huán)境固體樣品磷酸提取液進(jìn)行分析，通過離子交換-1HPLC-HG-AFS 獲得As 各形態(tài)較低的檢出限(0.02 - 0.04 mg

22、 kg，是有潛力的常規(guī)形態(tài)分用IEC-ICP-MS 分析了地下水和土壤提取液中Se 及五種As 形態(tài)67As(、As(V、甲基砷酸、二甲基砷酸和砷甜菜堿。SEC基于試樣分子的尺寸和形狀來實(shí)現(xiàn)分離，可用來研究重金屬離子與有機(jī)物不同組分的配位能力是目前HPLC 測定金屬離子最常用的方法。氣相色譜(GC：用于分析揮發(fā)性的熱穩(wěn)定的元素物類，對非揮發(fā)性化合物可使其衍生化。應(yīng)用各種不同檢測器，檢出限可低至ppt 以下，GC-TID(離子阱檢測器在提高靈敏度方面有 - 5 -。金屬螯合物液相色譜法特色。GC 與元素特征檢測器的聯(lián)用已成為復(fù)雜環(huán)境樣品中有機(jī)金屬化合物的較好分析方法。Gómez-Ari

23、za 等68用GC-MS 對沉積物提取液中無機(jī)Se 形態(tài)(SeO3，SeO4進(jìn)行了分析，檢2-2-出限都達(dá)到0.6 ng g-1。毛細(xì)管電泳(CE ：方法簡單，柱價(jià)格低，nL樣品體積，分離速度快，高分離效率，一次運(yùn)行可分離正、負(fù)、中性粒子，非常接近環(huán)境分析的要求，目前已有區(qū)帶、等電位、凝膠、等速電泳和膠束電動色譜、毛細(xì)管電色譜等模式水平。Yang 等70-13-1269。與元素特征檢測器聯(lián)用可達(dá)ppb 級檢測71通過毛細(xì)管內(nèi)反應(yīng)、CE分離、化學(xué)發(fā)光(CL檢測同時(shí)測定了Cr(和-1Cr(VI，檢出限分別為6×10 、8×10mol l(S/N=3。Dabek-Zlotorzy

24、nska 等電泳技術(shù)(HPCE是重金屬形態(tài)分離的發(fā)展趨勢。 對CE 在金屬形態(tài)分析(氧化態(tài)，金屬有機(jī)、無機(jī)絡(luò)合物中的應(yīng)用作了詳細(xì)介紹。應(yīng)用高效毛細(xì)管聯(lián)用技術(shù)：聯(lián)用技術(shù)是目前分析化學(xué)中的熱點(diǎn)，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、在線、實(shí)時(shí)分析，使分析的靈敏度大大提高，從痕量分析10級發(fā)展到超痕量分析10級。色譜分離與高靈敏度、選擇性的檢測器聯(lián)用最為常見。LC-ICP-MS 絕對檢出限可達(dá)ng-pg，可用于As、Cd 等形態(tài)分析，Se 仍以GC-AED 為主, 但最近也有LC-ICP-MS 應(yīng)用二甲基砷酸 7372-12-15。IC-ICP-MS可分析土壤溶液中的As(、As(V、甲基砷酸和。Pongratz 用

25、HPLC-ICP-MS 分析土壤(土壤提取液、土壤溶液中亞砷酸鹽、74砷酸鹽、甲基砷酸、二甲基砷酸、砷甜菜堿和砷膽堿等各砷化合物。GC、SFC、CE與ICP-MS 聯(lián)用絕對檢出限可達(dá)pg 級甚至更低。GC-ICP-MS 常用于Hg、Se、Sn、Pb等形態(tài)分析。各種色譜分離與ICP-MS 聯(lián)用在元素形態(tài)分析中的應(yīng)用已有詳細(xì)介紹75-77。液相分離與基于大氣壓離子化技術(shù)(大氣壓力化學(xué)離子化APCI、電子噴霧離子化ESI 的質(zhì)譜結(jié)合可用于形態(tài)分析，如通過ESI-MS（可直接進(jìn)樣）闡明金屬絡(luò)合物結(jié)構(gòu)分析有機(jī)金屬化合物形態(tài)，LC-ESI-MS 分析金屬蛋白，API-MS 分析As、Se、Pb、Sn 等形

26、態(tài)ISMS、CE-ICP-MS都是最近引入的元素形態(tài)分析技術(shù)79 78。ESMS、。80HG-AAS 已經(jīng)是比較成熟的環(huán)境分析方法體系，一般具有以下優(yōu)點(diǎn)：氫化物生成使待測元素與基體成分分離，從而克服了基體干擾；以氫化物形式導(dǎo)入原子化器或勵(lì)發(fā)腔，比溶液噴霧的效率高；測定元素形成氫化物的同時(shí)得到了濃縮，大大提高了測定靈敏度，降低了檢測限；不同元素的不同價(jià)態(tài)、無機(jī)態(tài)、有機(jī)態(tài)生成氫化物的條件不同，這是形態(tài)分析的主要依據(jù)，也是氫化物發(fā)生技術(shù)的主要特點(diǎn)；能高靈敏度分析As、Pb、Sb、Se、Sn、Hg等元素形態(tài)。采用控制酸度差減法，HG-AFS測定土壤提取液中As(、As(，檢出限為0.01 ng 81。

27、應(yīng)用流動注射(FI-HG-AFS測定土壤提取液中As(、As(V，檢出限分別為0.11、-182830.07 g l 。用FI-FAAS 對海水及污水樣品中 Cr(、Cr(VI形態(tài)測定，方法快速、靈敏、選擇性高。GC-AAS 常見于Pb、Sn、Se等有機(jī)金屬分析，由于對環(huán)境分析靈敏度不足，需要一硅管爐電加熱至原子化溫度，這是商業(yè)爐所不具備的特征。GC-ETAAS是As 形態(tài)分析最廣泛的方法。HPLC-FAAS、HPLC-ETAAS 常用于As、Sb、Se、Hg、Pb、Sn等形態(tài)分析。CE-FAAS技術(shù)上聯(lián)接很困難，且CZE 中流動相流速常和AAS 中樣品流速不一致，應(yīng)用報(bào)道較少。GC-MIP-

28、AES、GC-ICP-AES、LC-ICP-AES、GC-MS也常用于重金屬形態(tài)分析。流動相的流速和組成是LC-MS - 6 -的限制因素，微孔柱的應(yīng)用促進(jìn)了其發(fā)展，LC與MS 的其它接口有熱噴射、電噴霧、粒子束等。GC-QSIL-FPD（氣相色譜表面發(fā)射火焰光度檢測）對水中有機(jī)錫、鉛、汞、鍺、硒等形態(tài)分析，檢出限達(dá)0.7-2.3pg 有機(jī)錫。用分光光度連續(xù)注射系統(tǒng)同時(shí)測定Cr(III、Cr(VI，檢出限分別為0.042、0.023 mg l-184。85其它分離方法：最近發(fā)展起來的道南膜技術(shù)(Donnan Membrane Technique，DMT用于溶液中金屬形態(tài)分析具獨(dú)特優(yōu)勢。Temm

29、inghoff在各種有機(jī)/無機(jī)絡(luò)合劑存在的情況下用含一連續(xù)流動系統(tǒng)的DMT 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析溶液中Cd、Cu 形態(tài)，并與ECOSAT 化學(xué)平衡程序、雙模態(tài)NICA 模型計(jì)算結(jié)果作了比較，證明DMT 是測定土壤水及自然水體中自由金屬離子濃度的非常有效的工具，Cancès 等金屬離子濃度。巰基棉或膠聯(lián)殼聚糖(CCTS等吸附劑可對重金屬的不同氧化態(tài)定性和定量吸附：利用巰基棉對水樣中As(、As(分離富集后HG-AFS 測定，標(biāo)準(zhǔn)加入回收率As(為88.0 - 113.6%，As( 93.2 - 105.6%8786也成功測定了被認(rèn)為是生物有效性關(guān)鍵參數(shù)的土壤溶液自由。超臨界流體色譜（SFC）兼

30、具GC 與HPLC 的優(yōu)點(diǎn)。離子88,89交換樹脂可以測定水溶性重金屬的存在形態(tài)及電荷特征。液膜分離法(SLM、透析、電90-92滲析、反滲析、共沉淀、超離心、超濾(UF等都常用于形態(tài)分析。通過平衡透析(ED、93離子交換(IE結(jié)合GEOCHEM 程序計(jì)算，可將土壤溶液溶解態(tài)Cd 分為自由離子態(tài)、無機(jī)絡(luò)合態(tài)、有機(jī)絡(luò)合態(tài)(細(xì)分為不穩(wěn)、亞穩(wěn)、穩(wěn)態(tài)，或高分子量、低分子量離富集步驟都應(yīng)避免改變重金屬原來各種化學(xué)形態(tài)間的平衡。 。紫外照射可使有機(jī)物分解，從而釋放出與之結(jié)合的金屬離子，將全部金屬劃分為非絡(luò)合和絡(luò)合態(tài)。任何預(yù)分5. 痕量重金屬的測定技術(shù)土壤重金屬形態(tài)分析需要高靈敏度的分析測試技術(shù)。成功的形態(tài)

31、分析途徑取決與兩點(diǎn)：選擇性(能夠確定適當(dāng)?shù)奈镱惡挽`敏度(與樣品中分析對象的水平相當(dāng)。近年來分析儀器的迅速發(fā)展，使重金屬檢測能力得到不斷提高。原子吸收光譜(AAS：有火焰(FAAS、冷蒸氣(CVAAS、氫化物發(fā)生(HGAAS、石墨爐(GF-AAS、電熱(ETAAS等類型。如應(yīng)用AAS 方法測定水體溶解態(tài)及紫外照射釋放的Cd、Cu、Zn 94； FAAS測定土壤提取液中重金屬9095、沉積物提取液中Cu、Mn、Ni、Pb、Zn559796和沉積物提取液中Mn、Zn，但對Cr、Cu、Ni、Pb不夠敏感，改用ETAAS 測定接測定水體中各痕量金屬-9；應(yīng)用GF-AAS 直。CVAAS與；將雪水中各形態(tài)

32、Hg 轉(zhuǎn)化成Hg(0后CVAAS 測定98HPLC 聯(lián)用，可對10ng/ml級Hg 形態(tài)分析。 原子發(fā)射光譜(AES：檢出限可達(dá)ppm。Abollino圍寬，基體效應(yīng)小，可多元素同時(shí)分析。Balasoiu-1-199用 AAS和AES 測定了土壤提取液中-3-4Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn。ICP-AES具高靈敏度，檢出限可達(dá)10-10ppm 級，線形范用ICP-AES 測定土壤提取液的重金屬離子，Cr和Cu 檢出限0.01 mg l ，As 0.05 mg l 。應(yīng)用ICP-AES 和GFAAS 可測定水體中Mn、Zn 23和土壤提取液的總Se10063。 -1原子熒光光譜（AF

33、S）：測定Hg 最好的方法之一，其靈敏度高，檢出限可達(dá)0.001 ng ml 。Gómez-Ariza比較了AFS 和ICP-MS 分析環(huán)境樣品中各As 的形態(tài)，HPLC-(UV-HG-AFS檢出-1限為0.1-0.3 g l,精密度>10% RSD，外標(biāo)法和標(biāo)準(zhǔn)加入法對其與HPLC-(UV-HG-ICP-MS兩- 7 -種聯(lián)用技術(shù)都未發(fā)現(xiàn)基體影響。ICP-MS：靈敏度相對ICP-AES 提高了3倍，檢出限達(dá)10-60 pg ml，線形范圍達(dá)6-8個(gè)數(shù)量級，選擇性高，可進(jìn)行多種元素同時(shí)分析，是目前非常通用的靈敏度高、檢測限低的方法，可作多種色譜的檢測器。電子噴霧質(zhì)譜(ESMS、

34、微波誘導(dǎo)等離子體(MIP、氣體輝光放電(GSGD、化學(xué)發(fā)光分析(CL、紫外可見分光光度法(UV-Vis也常用于形態(tài)分析101,102-1。電化學(xué)檢測具有靈敏度高、103選擇性強(qiáng)的特點(diǎn)，對于有電化學(xué)響應(yīng)值的物質(zhì)測定是十分理想的：Wen安培滴定檢測(PAD，Pb、Zn、Ni、Co等金屬離子檢出限為M；Yang作FIA 檢測器，Cr(VI檢出限0.004 ppb。 通過CE 分離-脈沖104以聚苯胺修飾電極6. 模型方法以實(shí)驗(yàn)分離和分析測定為手段的形態(tài)分析只限定于特定環(huán)境條件的研究，沒有預(yù)見性，模式計(jì)算則彌補(bǔ)了這一點(diǎn)。如遺傳算法(GA可對水體中富里酸、SO4存在條件下Pb 的化學(xué)形態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算10

35、52-2+。Tipping106用WHAM/Model VI 平衡形態(tài)模型分析重金屬Cu、Zn、Cd、采用土柱-DMT技術(shù)結(jié)合NICA-Donnan、CD-MUSIC 模型對Pb 的土-液化學(xué)形態(tài)分配。Cancès86土壤中金屬離子形態(tài)進(jìn)行分析，認(rèn)為土壤溶液中Cd、Zn 主要為易遷移的自由水合離子，Cu、Pb 形態(tài)則主要由溶解有機(jī)質(zhì)(DOM控制，土壤固相中Cd、Zn、Pb形態(tài)則由有機(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物、富鋅礦物控制。Taylor2-107-用GEOCHEM-PC 計(jì)算機(jī)程序?qū)α追矢呤﹨^(qū)土壤溶液中自由Cd -3-1082+及各種無機(jī)絡(luò)合態(tài)(SO4、Cl、NO3、PO4、OH進(jìn)行了計(jì)算。Kr

36、ishnamurti2+采用多重回歸分析建立了土壤溶液Cd 濃度與固相顆粒結(jié)合態(tài)Cd 的關(guān)系，并通過MINTEQA2模型對土壤溶液中Cd 、Cd-DOM、無機(jī)絡(luò)合態(tài)(CdCl、CdSO4、CdNO3各形態(tài)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果與DPASV 法相符。Sauvé109對土壤提取液用實(shí)驗(yàn)方法將溶解Cd 分為ASV-Labile 態(tài)(無機(jī)離子對、自由Cd 2+1102+及有機(jī)絡(luò)合態(tài)，提出了土壤性質(zhì)與Cd 形態(tài)關(guān)系的競爭吸附模型。也有學(xué)者試圖建立土壤、沉積物中重金屬的分配預(yù)測模型，對重金屬在環(huán)境顆粒物中的形態(tài)分配進(jìn)行預(yù)測研究PHREEQC、CHARON、GENI等111-115。其它形態(tài)分析模型有多點(diǎn)

37、位離子交換模型、MICROQL、WHAM、MINEQL+、PHREEQE、HYDRAQL、。重金屬形態(tài)生物毒性的預(yù)測模型有游離離子模型(FIAM、116魚鰓絡(luò)合模型(GSIM和生物配位體模型(BLM等。7. 小結(jié)土壤中重金屬的形態(tài)分析對于了解重金屬的來源、變化形式、遷移規(guī)律和生物毒害作用以及對環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)、污染土壤修復(fù)、超積累植物研究等都十分必要。目前重金屬形態(tài)分析大多只能操作性地區(qū)分不同類型化合物的大類，與重金屬在環(huán)境中的真實(shí)化學(xué)形態(tài)還有一定距離, 所以確定更深層次的元素形態(tài), 最科學(xué)地反映重金屬在土壤(特別是土壤溶液 中的存在形態(tài)仍是近期主要目標(biāo)。為了達(dá)到盡可能詳細(xì)進(jìn)行形態(tài)分類和盡可能超

38、痕量的檢出目的，尋找更加合理、高效能的分離技術(shù)達(dá)到各形態(tài)的有效分離，以及利用選擇性強(qiáng)、靈敏度高的元素特征檢測器達(dá)到超痕量形態(tài)的測定，是有待進(jìn)一步探索的主要問題。目前色譜與原子光譜或質(zhì)譜儀的聯(lián)用是進(jìn)行形態(tài)分析的最可靠的方法，但容易操作的方法如電化學(xué)分析仍有獨(dú)到之處。形態(tài)分析過程中應(yīng)盡量避免待測物的形態(tài)變化(盡可能原位分析 ，并有標(biāo)準(zhǔn)樣品以校對數(shù)據(jù)和保證分析質(zhì) - 8 -量。因此，具有預(yù)見性的模式計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)分離和測定方法的結(jié)合是形態(tài)分析手段的趨勢。土壤中重金屬在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，重金屬形態(tài)與毒性及生物可利用性的關(guān)系則是形態(tài)分析的應(yīng)用重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 J.A. Caruso, B. Klau

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