HPLC-ICP-MS 实现元素形态分析方法的自动序列分析

前言： 安捷伦ICP-MS是许多行业对各类样品中的多种元素痕量分析的技术。而包括 As、 Hg、Cr、Se、Br、I、Sn、Pb 和 Sb 在内的多种元素的迁移率、生物利用率和毒性取 决于元素的化学形式或形态[1–6]。由于存在这些差异，可能需要进行形态分析（在通 过 ICP-MS 进行测量之前对不同的化学形态进行色谱分离）从而实现对风险的全面评 估。形态分析对涉及安全问题的样品（如食品、环境样品和消费品）尤其重要。 为确保消费者和环境的安全，许多行业和产品都受到与元素形态有关的法规或指南 的约束。例如，对于砷，世界卫生组织 (WHO) 建议食品和饮用水中无机砷 (iAs) 的 最高浓度为 10 µg/kg (ppb)[2]。欧盟 (EU) 和美国食品药品监督管理局 (US FDA) 均公 布了果汁和大米产品中 iAs 的最高浓度。2020 年 8 月，FDA 最终确定了关于婴儿米 粉中 iAs 的行业指南，将 iAs 的“干预浓度”限值设定为 100 µg/kg (ppb)[3]。包括中国、日本和菲律宾在内的许多国家/地区均对汞形态，特别是 甲基汞进行了立法监管。WHO 规定饮用水中溴酸盐的最高指 导浓度为 10 µg/L[2]。此外，还制定了控制饮用水、水泥、皮 革和儿童玩具等产品中六价铬 (Cr(VI)) 含量的法规。Cr(VI) 是 有害的，而 Cr(III) 是必需的营养物质，因此有必要通过形态分 析确定不同形式的浓度，从而确保符合法规要求。 为了满足当前和未来可能的法规要求，实验室需要快速、自 动化、可靠且灵活的方案来测定多种元素的不同形态。连接 到 ICP-MS 的高效液相色谱 (HPLC) 凭借其出色的选择性和灵 敏度，成为元素形态分析中应用*泛的技术[4–10]。通过优化 的接口和集成的软件控制，安捷伦 ICP-MS 和 ICP-MS/MS 可 与安捷伦 HPLC 系统轻松连接[7]。联用系统由 Agilent ICP-MS MassHunter 软件控制，简化了方法开发、数据采集和数据报 告的工作流程。

 HPLC-ICP-MS 方法通常用于检测可以在一根色谱柱上分离的 形态，这通常意味着它们被限于测量单个元素的不同形式。但 是，实验室通常需要对每个样品中的多种元素进行形态分析， 例如监测海产品中的 As、Sn 和 Hg 形态。虽然可以使用相同 的色谱柱和流动相成功检测一些不同的元素的形态，但是这种 方法可能会因为兼顾不同元素形态，从而导致方法的效能下 降。实验室可能还需要针对不同的样品类型运行多种形态分析 方法，或在方法开发过程中评估多种色谱柱和流动相。在这些 情况下，使用配备 Quick Change 快速切换阀的 HPLC-ICP-MS 系统在不同形态分析方法之间自动切换，可以提高分析效率和 灵活性，同时还可实现无人值守的过夜运行。安捷伦提供一系 列色谱柱选择阀阀头，它们可以在 2、4、6、8 个色谱柱位置 之间进行切换。还提供了溶剂选择阀，可在多达 12 种不同的 流动相之间进行切换。配备 Quick Change 快速切换阀头的集成式 HPLC-ICP-MS 的 优势包括： • 使用不同的色谱柱和流动相实现多种形态分析方法的自动 序列分析。这种方法可节省时间、试剂和成本，并通过程度减少样品处理来减少错误 • 通过自定义队列顺序，独立控制多达 8 种形态分析方法， 从而实现操作的灵活性。通过自动切换色谱柱和溶剂，可 以在一个无人值守序列中运行所有方法 • 支持方法开发，尤其是确定用于分离目标形态的最佳色 谱柱或流动相。可以在进行新方法开发的同时，在检测 序列里运行常规元素形态分析方法 在本研究中，我们使用配备 Quick Change 快速切换阀头的 HPLC-ICP-MS 系统对三种不同形态分析方法进行了自动序 列分析测试，以评估该系统的灵活性、性能和稳定性。该套 HPLC-ICP-MS 系统，使用之前研究开发的方法，对无机砷、 甲基汞、溴和碘形态进行了测定[8–10]。

 实验部分 试剂与溶剂 本研究中使用的所有试剂均购自 Sigma-Aldrich。将（）ACS 级，纯度 > 99%）溶于 1% HNO3 中， 制得 1000 ppm 的 As(III) 和 As(V) 储备液。使用甲基汞 (II) （氯化物）（ACS 级，纯度 > 99.5%）配制 100 ppm 的储备 液。分别以溴化钠、溴酸钠、碘化钾、碘酸钾为原料配制溴 化物、溴酸盐、碘化物和碘酸盐的单独溶液（ACS 级，纯 度 > 99%）。将适量的每种卤化物盐溶于 Milli-Q 去离子水（DIW， 18.2 MΩ•cm）中，得到每种目标形态浓度为 1000 ppm 的储备 液。表 2 列出了三种分析方法以及一种色谱柱冲洗方法中所 用流动相的详细信息。 标样配制 使用 DIW 分别稀释每组元素形态的储备液，制得表 1 所列浓 度的三个校准标样。

仪器 ：本研究使用配备四元泵和 InfinityLab Quick Change 4 色谱柱选 择阀快速切换阀头（部件号 G4237A）的 Agilent 1260 Infinity II 液相色谱系统。使用安捷伦液相色谱连接工具包（部件号 G1833-65200）将 HPLC 与 Agilent 7900 ICP-MS 连接。该仪 器的示意图如图 1 所示。在序列分析过程中，Agilent ICP-MS MassHunter 软件根据操作人员的设定，为每种形态分析方法 选择合适的 HPLC 色谱柱和流动相，并在序列中自动切换。 四元泵可处理多达 4 种流动相，足以用于本研究中测量的 7 种形态（4 种元素）。对于需要 4 种以上流动相的分析，可 以增加一个 12 位/13 通溶剂选择阀（部件号 G4235A）。同 样，当实验室需要运行使用多达 8 根不同色谱柱的方法时， 可以使用可选的 Quick Change 8 色谱柱选择阀快速切换阀头 （部件号 G4239C）代替 4 色谱柱选择阀。

多序列采集方法 如表 2 所示，本形态分析序列中包含着被清洗步骤分离的三 种分析方法。阀端口 1–3 连接到各自的形态分析方法色谱 柱，阀端口 4 用于使用 DIW 冲洗系统。三种形态分析方法各 自的 HPLC 和 ICP-MS 操作条件和参数另行提供[8–10]。根据不 同元素的采集质量数，每种 HPLC 方法均采用适当的 ICP-MS 运行条件。

结果与讨论 基于图 2 所示的工作流程，对配备 Quick Change 快速切换阀 头的 HPLC-ICP-MS系统的性能进行了评估。在三天中，每一 天都按照不同的顺序运行三个分析方法批次，并间隔运行清 洗序列。每个方法批次包括三个校准浓度的各 3 次进样，以 及空白样品的 4 次进样，因此三个批次共 39 次进样。加上图 2 所示的间隔加入的 4 次清洗进样，每天的序列总共 43 次进 样。无论方法的运行顺序如何，每个序列均在 5.5 小时内完 成。以第 2 天的序列为例，图 3 概述了由 ICP-MS MassHunter 软 件控制的自动化程序和队列顺序。图 3 中的示意图显示了如 何设置基于 Quick Change 快速切换阀的 HPLC-ICP-MS 系统， 以用户定义的顺序对多个批次进行常规无人值守分析。与通过 手动切换色谱柱单独运行方法相比，在一个 HPLC 系统上依次 运行不同方法可以显著提高形态分析的效率并缩短周期。基于 切换阀的 HPLC-ICP-MS 系统的灵活性意味着可根据实验室的 要求，在一台仪器上依次运行多达 8 种形态分析方法。