微量元素广泛的存在于自然界中，元素的生理活性和生物毒性与元素的形态密切相关，同一元素的不同形态对环境与人体健康具有不同的影响，甚至会有很大的差别。因此元素形态分析对于评价不同形态的微量元素及其化合物的生物功能与毒理作用有重要意义。例如：As(III)比As(V)更容易与蛋白质中的巯基结合，所以其毒性最大，甲胂酸和二甲基胂酸只具有中等毒性，而食物中的砷甜菜碱和砷胆碱几乎无毒性。因而定性、定量测定样品中微量元素的形态是确定污染真实程度、评价元素毒性、研究其迁移和转化规律的重要依据。
然而元素形态分析需要用现代分析技术对环境、食品、生物样品等中的元素形态进行原位、在线、微区和瞬时的高灵敏度和高分辨率的综合分析，只用单一仪器或技术已很难完成任务。如何正确、快速、方便的检测微量元素形态，更好地了解微量元素分布、转化，为人类生存提供有价值的资料成为微量元素相关的领域亟待解决的问题。在目前所采用的元素形态分析方法中，色谱-原子光谱联用技术是普遍使用的分析方法，其中尤以HPLC/ICPMS联用技术最为广泛。HPLC与ICP-MS联用作为微量元素分析最有效的途径，它融合HPLC高效分离特点及ICP-MS具有低检出限、宽动态线形范围及能跟踪多元素同位素信号变化等优点，目前被广泛地应用于食品、环境、药物及生物样品等。
1HPLC/ICP-MS的优点
根据HPLC的保留时间的差别反映元素的不同形态，ICP-MS作为HPLC的检测器，跟踪待测元素各种形态的变化，使色谱图变得简单，可进行元素形态的定性和定量分析。HPLC/ICP-MS联用技术的优势为：(1)元素分析范围宽，事实上HPLC/ICP-MS能测定绝大部分元素;(2)分辨率高，检测限低，高分辨HPLC/ICP-MS检出限可达10-15g/g甚至更低;(3)可以精确分析同位素比值;(4)较少的分离步骤和较快的分离程序。分析速度快，节省实验时间;(5)封闭系统不受污染干扰，提高分析效率，也为实验的精密度和重复性提供保障;(6)可以从无机分子水平研究生命科学。
2HPLC/ICP-MS联用技术应用
2.1环境方面的研究
金属是大气、水体和陆地上一类重要的污染物，多数以无机的形式存在于环境中，同时可以通过微生物的转化为有机金属类，如Se、Cd、Hg、As等金属在土壤、沉积物中微生物的作用下通过烷基化可以转化为有机物。砷元素及其化合物广泛存在于环境中，由于不同形态的As毒性不同，而砷化合物的毒性强弱主要取决于两个方面：一是砷的化学形态，二是溶解度。Day等分别利用不同的HPLC/ICP-MS方法寻求到一种快速、准确测定地下水中的主要污染物胂化苯化合物的一种分析方法。而Kinnoshita等主要是为检测有机砷类化学武器的降解产物对饮用水的污染情况。
Caims等报道用HPLC与ICP-MS联用，分析海水中Hg的不同形态，其中主要为无机汞与甲基汞之间的转化，并拓宽HPLC/ICP-MS对分析Hg形态的检测能力，该方法适于环境和头发样品的分析。为防止金属过量而造成环境的污染，对于陆地上金属微量元素的分析HPLC/ICP-MS依然起着重要作用。Catteni等通过利用HPLC/ICP-MS和DGT，研究土壤中Hg存在的不同形态，并可以通过植物吸收转化，同时也比较土壤和植物中Hg的不同形态，结果表明植物中含Hg量相对较少。
Nash等分别利用不同的强阴离子交换和弱阴离子交换方法，对Sb(III)、Sb(V)及有机锑的分离，同时通过HPLC/ICP-MS对Sb的不同形态进行分析，为以后环境分析提供依据。水泥作为重要的原材料，由于Cr(VI)的强毒性，欧洲已开始限制水溶性Cr在水泥中的最大浓度为2mg/Kg,为达到这一要求，Scancar等人利用HPLC/ICP-MS对水泥中不同形态Cr进行测定,为其质量标准的建立提供依据。
2.2食品方面的研究
微量元素的来源广泛，对人类的生存起着重要的作用。而微量元素的毒性与元素的存在形态密切相关，不同的形态毒性不同。因此，在食品分析中，测定微量元素的含量时，进行它们的形态分析十分重要，以无机元素与有机元素的不同毒性大小来综合分析，比用微量元素的总量来评价更具科学性。
2.2.1粮食微量元素虽然对人类起着重要作用，但由于其毒性强、用量少等特点，促使人们对其形态转化进行研究。Stadlober等考察谷类食品中微量元素Se是否可以通过施肥来提高其在大米中的含量，利用HPLC/ICP-MS分析谷类食品样品。5种不同形态的Se被分离得到。Zhu等选用HPLC/ICP-MS对大米中的无机砷进行分析，通过堆积与无堆积储藏对比，从中找出含砷量更少的一种方式，为人们饮食提供必要的方法学研究。Bryszewska等则对黑麦中无机硒的消化、吸收以及向有机硒的转化进行研究，而未发现硒酸盐和亚硒酸盐。
2.2.2植物微量元素对植物的正常生长具有十分重要的作用，不同植物由于生存环境的不同，它们对元素的浓缩积累、代谢强度、摄取速度及饱和能力也各不相同。因此，对于不同的植物，其微量元素的不同形态的含量有着很大的差异。Sadi等通过HPLC/ICP-MS，来研究植物中镉的不同形态，并与转基因后的根与茎进行比较，并分析镉不同形态的原因。Chen等考察使用RP-HPLC/ICP-MS对人参进行提取、分离并分析及检测。分析无机元素的转化特征，同时发现Mg，Ca，P，Mn，Sr，Mo，Pb的转化特征与提取溶剂的极性成线性关系。而与对不同坚果中的Se进行不同形态的分析，并研究不同形态Se之间的相互转化机制。
2.2.3海产品及乳类由于海产品含砷量最高，是人体摄入砷的重要来源之一，而元素毒性与元素的存在形态密切相关，以砷化合物半死量LD50计，其毒性依次为H3As>As(III)>As(V)>MAA(甲基胂酸)>DMAA(二甲基胂酸)>TMAO(三甲基胂氧)>AsC(砷胆碱)>AsB(砷甜菜碱)。表明不同形态的砷的毒性不同，无机砷的毒性最大，有机砷的毒性最小，而AsC和AsB常被认为是无毒的。因此，在测定砷的含量时，进行砷的形态分析十分必要，以无机砷及有机砷的不同毒性大小进行评价，比砷的总量来评价更具科学性。Hirata等利用HPLC/ICP-MS对海洋标本中的As的不同形态进行分析，并测定其不同形态，从中分离出8种As的不同形态。有人曾对其进行研究，通过选用不同的海洋标本，分析As在海洋标本中的不同形态。Larsen等运用HPLC/ICP-MS测定鱼中的无机砷，首先把新鲜的样品在NaOH的乙醇溶液中微波降解，并定量氧化亚砷酸盐至砷酸盐，测定检测限低于3ng/g。随着人们生活水平的不断提高，乳类食品在人们的日常生活中的地位不断的增加。无机元素分析作为食品安全最重要的检测项目之一，尤其是对一些有益的微量元素的分析已成为各种生产、卫生法规的重要规定。Alzate等利用HPLC/ICP-MS对牛奶中的Se进行检测。首先在未发酵的牛奶中加入不同浓度的Se，研究无机硒向有机硒转化的机制。同时人们也分别对牛奶和大米中的Se和Te进行检测，两者的检测限分别为0.01～0.03ng，0.01～0.08ng。
2.3药物方面的研究
在药物分析中应用最广泛的是HPLC/ICP-MS联用技术，而药物含量测定是药物分析工作中最重要的环节，是评价药物质量的手段，其测定方法多种多样。在现行的测定方法中，分析药物中微量元素前，需做适当的处理，如有机破坏等。这样不仅费时费力，还浪费大量样品，这对药物的分析是不可取的，但HPLC/ICP-MS却能克服上述诸多缺点。把HPLC的高效分离与具有极低的检测限、宽动态线性范围、干扰少、分析精密度高、速度快和可测定多元素等优点的ICP-MS联用，已成为研究药物的有效途径。
2.3.1药物代谢方面药物在体内代谢要经过一个复杂的生物转化过程，而对于药物代谢产物的研究对临床安全合理用药及新药研究与开发具有重要意义。药物体内代谢物产物的监测常用方法是液-质联用和放射性标记。Cao等将HPLC/ICP-MS和MS-MS联用，分析鉴定人尿中有机硒代谢产物，检测到6种含Se的物质。分离出前两个组分鉴定为硒蛋氨酸和硒半胱氨酸，这是首次在尿中确认这两个代谢物。Esteban-Femandez等考察利用HPLC/ICP-MS和QSI-Q-TOF，以反铂作为静脉注射药物来评价血液蛋白间的相互作用，同时发现HPLC/ICP-MS为含铂的缩氨酸经胰蛋白酶消化后的存在提供明确的依据。Jensen等报道H-3-溴乙炔制作老鼠模型，HPLC/ICP-MS对其尿液和排泄物进行检测，来研究药物的体内代谢，从而探讨一种更好的药物分析方法。
2.3.2体内药物分析与常规药物分析相比，对于体内药物分析，HPLC/ICP-MS联用技术具有选择性、灵敏度和分析对象等方面都有许多优势。铋化合物被用来治疗胃肠道疾病由来已久，同时含放射性的铋化合物也被用做癌症的放射治疗。正常使用时，铋化合物的毒性由于其低吸收而很少见报道。但过量使用、滥用或长期使用则可能导致毒性反应，Sum等采用快速蛋白HPLC/ICP-MS联用研究铋抗溃疡药与白蛋白的相互作用。通过测定全血、血清和血浆中铋元素水平，阐述铋元素在血液和大脑间的转化机制以及引起神经毒性的原理。Kameos等分析汞对中枢神经的毒害作用机制，金属硫因III在缺少金属硫因I、II的情况下，其与Hg结合消除重金属毒性。Cuyckens等比较HPLC/ICP-MS与HPLC/ESI-MS的结合来确定抗结核药物在血浆中代谢物的鉴定，同时进行24h监测。对于结核药物，研究Se在体内的分布，从而达到寻找癌细胞的目的，实验利用HPLC/ICP-MS联用技术，通过IDMS(isotopedilutionmassspectrometry)测定硒的含量达到ng水平，其RSD=4.5%(n=4)。
2.4生物样品方面的研究
对于生物样品分析，微量药物分布在大量生物介质中，伴有大量内源性物质和代谢物的干扰，增加分离分析的难度，同时生物样品量少，不易重新获得。因此，选择灵敏度高和选择性好的分析方法相当重要，而HPLC/ICP-MS联用技术的高灵敏度和选择性为上述生物样品提供理想的选择。
2.4.1血液及尿液血液中的Al通过与转铁蛋白(Tf)结合被转运到受体，Nagaoka等在不外加含Al物质的条件下，利用阴离子交换柱HPLC/ICP-MS测定血清中Al的两种形态：AlNTf(Al与转铁蛋白N端结合)、AlNNFe-Tf(Al与转铁蛋白N端键合同时Fe与转铁蛋白C端结合)。作者采用柠檬酸钠清洗色谱柱以降低背景的Al与Fe，该方法使得Al和Fe的检测限大大降低，分别为0.1μg/L，0.02μg/L(S/N=3)。结果表明，如何避免外源性Al元素的形态分析至关重要。As可以从不同方面作用于肿瘤，导致肿瘤细胞的分化、调亡，也可以抑制其增殖，但由于其毒性大，治疗窗窄，因此准确测定其在生物体内的浓度就显得极为重要。对尿液的研究最为广泛，在一系列的文章中进行相关报道。利用HPLC/ICP-MS联用技术对人尿液中的As含量和不同形态检测，在不同数量的样品中，分析不同形态As的毒性，为临床应用做好铺垫。Tastet等等考察含Se蛋白质的纯度和特性，通过胰岛素消化，用1-D和2-D毛细管进行分离，Se的检测限达到毫克级,为人类的身体健康标准的检测提供尿液的分析依据。
2.4.2组织、组织液及毛发微量元素对生物体的生存与发展有着密切的联系，在一项详细的研究中，比较HPLC/ICP-MS与HPLC/HG-ICPMS两种方法，测定生物组织中13种As的不同形态进行研究，利用LC-SCX阳离子交换柱和PRP-X100阴离子交换柱，评价生物样品的预备、提取、测量等方法的可靠性。Shibata等利用HPLC/ICP-MS分析人体和环境中联苯次胂酸，本分析在7min内完成，检测限低于ng/mL，是一种简单、快速、精确的分析方法。Suzuki等利用HPLC/ICP-MS对人体组织液中的As的不同形态进行分析。Morton等应用简单的样品处理方法提取头发中不同形态的Hg，虽然HPLC/ICP-MS在分析不同的Hg形态时能达到ng/L量级的检测限，但在0.1g头发样品中，只有其中的甲基汞与Hg2+达到约500ng/g时才能明显的检出，同时Vidler等也做相关的研究。当样品不足或不同形态浓度较低时，这些形态分析变得不可靠。
3HPLC/ICP-MS联用技术的困难与解决方案
3.1接口问题
即样品溶液经HPLC分离后在线引入ICP的雾化系统。(1)如何减少传输管线的死体积，防止色谱峰变宽。虽然HPLC的流速与ICP进样速度基本一致，但常规的气动雾化可引起色谱峰变宽，而且因雾化效率低、灵敏度无法满足分析要求;(2)色谱仪与质谱仪的流量匹配问题：一般质谱仪最多允许1～2mL/min气体进入离子源，而流量为1mL/min的液体流动相汽化后，气体的流量为150～1200mL/min;(3)汽化问题：被色谱分
离后的样品必须以气态的、未发生裂解和分子重排的形式进入质谱仪离子源。这就要求色谱流出物在进入质谱仪以前汽化。HPLC的流出物为液体，必须采用不使组分发生化学变化的方法使之汽化;(4)有时不能鉴定特定元素的形态，形态分析需要与标准品比较保留时间。但是，当样品与标准品色谱峰不一致时，就需要提供更多其它信息来判定化合物;(5)标准物质缺乏问题，元素形态分析很大程度取决于基质效应，提取分离技术受样品组成的影响，标准物质的使用很好地解决这一问题，然而随着样品类型的不断增多，简单易得的标准品却成为HPLC/ICP-MS广泛应用的障碍。从天然植物中提取可以用于形态分析鉴定的标准物质在一定程度上可以解决这一问题。
3.2解决方案
要解决以上矛盾，实现液相色谱仪与质谱仪的联机，一般要用接口除去大量色谱流动相分子、浓集和汽化样品。接口性能很大程度上决定着色谱-质谱联用仪性能的优劣。HPLC/ICP-MS联用技术接口主要困难是，或者需要把尽可能多的HPLC流出物引入ICP-MS以获得最大的灵敏度，或者需让待测物在此接口获得有效浓缩。为克服这一限制采用以下方法：(1)扩大ICP-MS真空系统的抽气容量;(2)在引入真空系统之前除去溶剂;(3)牺牲灵敏度，分流流出物;(4)使用可在较低流量下有效工作的微型HPLC柱;(5)寻求充足的标准物质。
4结论与展望
随着各种新仪器及其新应用不断发展，无机分析开始向生命科学领域延伸。HPLC/ICP-MS联用技术作为元素形态分析的有效途径，融合HPLC高效分离和ICP-MS的检测限低、动态线性范围宽及跟踪多元素同位素信号变化的优点。通过元素形态分析，将有助于进一步研究各种元素在环境、食品和生物中的作用原理及其转化机制。HPLC/ICPMS联用技术的高灵敏度、高分辨率和“与被测物质结构无关”等特性，弥补有机质谱的某些不足，HPLC/ICP-MS作为一项比较年轻的分析技术，具有多种元素联合测量功能，适用于多元素研究，特别是那些涉及大量样品分析的工作。但接口技术、基体干扰及标准参考物质的匮缺等仍是联用技术面临的关键问题。其中HPLC/ICP-MS联用技术与NMR技术或HPLC/ESI-MS联用技术相结合是用于确定未知环境样品的元素形态分子的分子质量、分子组成及分子结构的有效方法。借助于这些分离技术可发现未知的元素形态分子并确定其组成。
总之，HPLC/ICP-MS联用技术在元素形态分析领域的应用已取得长足的进步，各种新的分析方法已逐步地建立并在实际样品分析中得以应用。由于其独特的分析性能，HPLC/ICP-MS正将微量元素的形态分析推向生物代谢研究、毒理学研究以及元素与生物分子相互作用研究等领域。随着全社会对于微量元素问题的更进一步的关注和分析技术的不断提高，HPLC/ICP-MS联用技术将向着智能化和全面化的方向发展，其前景也将更加广阔。
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