新污染物检测分析技术创新与发展——第一届新污染物检测分析创新与应用研讨会

  本文讨论了形态分析的定义、内容、重要性、特点和方法，并强调了其在食品安全、环境保护和生命科学研究中的应用价值。

  (作者：李昌厚中国科学院上海营养与健康研究所  上海  200233）

  本文讨论了形态分析的定义、内容、重要性、特点和形态分析方法与仪器，同时对形态分析的应用等问题进行了讨论。

  目前各类污染极度影响人类生存环境的安全。各种有机污染物和无机污染物，特别是重金属元素和农残，包括莱克多巴安猪肉、核食、转基因食品等，都正在极度影响人类和生物的生存和发展。例如：湖南某地的有毒河水（河水不可以使用、不能喝）、湖南某地的毒鱼（鱼的肚皮朝天，有毒不能食用）；江西某地河水、井水中的汞污染（10年时间28人因为汞中毒生肝癌，造成整个村庄集体搬迁）；北方某村庄地下水中的砷中毒（一个村庄东西两口井，喝西边井水的村民全部砷中毒）等。

  人类在生活、生产的活动中，会对水、空气、食品和土壤等造成各类污染，使得各种形态的有毒有害的物质，通过食物链进入人体，造成危害，使人类的生活、生存受到严重威胁。因此，认真研究形态分析检验测试仪器和检测的新方法，是全球人类的共同职责，需要引起格外的重视。本文将重点讨论形态分析的定义、重要性、内容，形态分析的特点、形态分析仪器及其应用等。

  元素的化学形态，目前尚无统一权威的定义，对物质的状态（state）、物质的形式(form)、物种（species）等，不同的科学家有不同的定义。国际理论化学与应用协会（IUPAC）对元素形态分析(Analysis of elemental speciation)定义为：确定分析物质的原子和分子组成形式的过程就是形态分析。许多专家通常认为：确定某种组分在所研究系统中的具体存在的形式及其分布就是形态分析。

  科学家们认为，元素形态分析的主要内容，大致包含有以下几个方面：1）化学形态分析（Species analysis）：目的是为了确定元素在被分析样品中存在的形式。元素存在的形式可以是游离态、结合态（离子型结合态、共价结合态、络合配位态、超分子结合态）和不同的结构态。人们据此，能确定不同的形态及其分布、确定物质的性质、毒性的大小；

  2）元素的价态分析：为了确定存在多价（变价）元素在被分析样品中以何种价态存在，或多种价态共存，从而确定各种价态的含量分布、影响或确定物质的性质，所以价态分析非常重要；

  3） 赋存状态分析：目的是为了确定物质的状态和性质、确定元素存在的物相，包括溶解态、非溶解态、胶态和非胶态、吸附态、可交换态等；4）元素不同形态的毒性分析：物质不同的形态，其毒性有天壤之别。由于元素在生态环境中和生物体内的化学行为不同，其化学、生物效应和毒性的差别很大，例如：Cr(VI)的毒性比Cr(Ⅲ)的毒性大100倍，水体中砷的毒性顺序为：AsH3>

  亚砷酸盐>

  As3+（俗称砒霜）>

  砷酸盐>

  五价砷酸>

  砷化合物>

  总砷，而砷甜菜碱和砷胆碱相对来说是没有毒性的。海洋中的生物蜗牛、贻贝、珠蚌、骨螺能将有毒的无机砷经过一甲基胂和二甲基胂转化为无毒的胂甜菜碱。元素硒毒性小，硒酸盐和亚硒酸盐毒性却很大，硒化氢的毒性最大。锑化合物的毒性大小顺序可大致分为：Sb0>

  Sb(Ⅲ)>

  Sb(Ⅴ)；有机锑化合物的毒性一般较无机锑小，如此等等，都是不同元素形态毒性分析要解决的内容。

  形态分析在生命科学研究中意义重大，为了搞清楚物质（元素）的毒性，一定要进行元素的形态分析。一般认为，离子态的毒性要大于络合态，Al3+能穿过血脑屏障进入人脑组织，引起痴呆，而AlF4却没有这种危险。科学家发现，通常来说金属的有机态毒性要大于无机态，例如：甲基汞的毒性是无机汞的100倍，有机汞的毒性远超于无机汞，烷基汞的毒性又比芳香基汞的毒性大，有机锡的毒性远大于无机锡等。

  蛋白质中的氨基酸是生物体所必需的，而氮的氧化物却是大部分生物体不需要的。稳定的金属络合物不与生物体起化学反应而无毒。当人体必需的微量元素以极稳定的金属络合物形式存在时，不能被生物体所吸收利用，便会导致生物体对这些微量元素的短缺。

  在食品检测中形态分析更是很重要，例如：在葡萄酒中，Fe(Ⅲ)有生成磷酸盐和单宁酸盐沉淀的可能，它影响葡萄酒的清晰度，所以一般都要求葡萄酒中铁的含量≤5mg/L。但酒类在存放过程中，Fe2+会氧化为Fe3+，也会影响酒的清晰度，因此,需要分别测定Fe2+ 和Fe3+。海洋鱼类组织中含有各种形态的砷，其毒性也是不一样的。大蒜油中含有(CH3)2Se和(CH3)2Se2，二者在生物体内的化学行为是不同的。要搞清这样一些问题，人们就需要分析元素的形态，所以形态分析是很多食品，特别是酒类分析的一种重要的分析手段。

  一般情况下，人体的各个组织、器官、体液中微量元素的含量，可以反映人体对微量元素的摄入量，并且这种摄入量都是有限度的，超过限度的上限人将产生中毒，不到限度的下限，人会生病。人们对微量元素生理功能的研究，揭开了许多生命科学领域的奥秘，使得过去很难理解的生命现象，得到了科学的解释。很多微量元素在人体内无法合成，所以，深入研究微量元素对人类的作用、研究微量元素的合成，将会提高人类健康水平和延长人类的预期寿命。微量重金属元素，在世界各国均被列为优先关注的污染物。美国癌症研究协会指出，人类癌症约90%以上是各类重金属元素和农残引起。重金属元素种类很多，主要指的是比重大于4 的金属, 约有45 种；例如：铜、铅、锌、铁、钴、镍、钒、铌、钽、钛、锰、镉、汞、钨、铝、金、银等等。部分重金属, 例如：锰、铜、锌等是生命活动所需要的微量元素, 但是大部分重金属, 例如：汞，铅，镉，铬，钒等元素，对食品的污染会危害人体健康，影响机体代谢，使代谢发生紊乱，诱发疾病，甚至死亡。研究表明：微量重金属元素大多数都是致癌物质！

  但是很多微量重金属元素和微量元素都是以各种不同价位存在的，不同的价位毒性不同，所以元素形态或价位分析就显得特别重要。

  1）正常的情况下，人们很难得到元素形态的标准物质、形态分析工作中很难用标准物质来直接检验分析结果的可靠性与通过分析标准物质来进行溯源。

  2）被测元素形态的含量一般都很低，例如：汽油中常见的四乙基铅及甲基铅就有15种之多，环境中常见的有机锡化合物及其衍生物多达30多种，其中某些形态的含量非常之低。所以要求分析方法的选择性好，有很强的分离能力与很高的检测灵敏度、很低的检出限。

  3）一般样品都非常复杂性，被分析的样品中常常是同一元素两种或多种元素形态共存，甚至是多种元素的多种形态共存，基体复杂，干扰因素多，所以一般形态的分析难度都很大。

  4）还有污染物存在的形式不同时，对人体的影响有很大差异，例如：左旋肉碱立体结构及形式存在时，可以减肥，对身体有好处，但是右旋肉碱立体结构及形式存在时就是毒品。特别是元素存在的形态不同，毒性相差很大，例如：三价砷为砒霜，剧毒，五价砷则则为有机砷，它没有毒，三价铬是人体必需的营养元素，而六价铬则是剧毒，是强致癌物质，无机形态的汞与有机形态的汞毒性差异大，有些物质，少量摄入，对身体有好处，但到一定量就变成毒品，例如：摄入少量砒霜是药，摄入砒霜过量时砒霜是剧毒物质，会使人致命。所以，讨论污染物质或元素的毒性和对人类的危害时，应思考量的大小，不考虑污染物或元素的量是不对的。由于元素的不同形态，在生态环境中和生物体内的化学行为千变万化，化学、生物效应和毒性的差别也很大，例如：海洋中的生物能将有毒的无机砷转化为无毒的胂甜菜碱，自然界中有的元素无毒性，有的元素毒性小，有的元素毒性却很大，这些都是元素形态分析的特点或难度。

  5）样品成分多变，元素多种形态共存，处于动态平衡中，受各种各样的因素的影响，形态之间易发生相互转化，要求从采样开始到最终完成各种形态分析的全过程中都要严控试验条件，保证元素形态及其分布不发生变化。

  6）试验条件比较严格，如果要获得可靠性好、可比性强的分析结果，就要求使用不含被测元素的高纯试剂，尽可能降低空白值，对所用容器一定要进行预处理，必须尽量消除干扰，同时要求实验环境洁净，对实验操作人员的技术水平要求较高。

  目前仪器分析法是主流，主要分析流程一般为：样品前处理（样品中有效组分的提取、杂质的剔除或样品的纯化）→对被提取样品进行仪器分析检测（需要非常注重仪器条件的选择）→分析结果的数据处理→提交分析检测报告。

  计算法的前提是假定被研究体系为封闭体系，介质处于热力学平衡状态，且已知所有组分的总浓度和所分析元素各组分之间发生全部化学反应的平衡常数，这样便可通过对一系列代表这些反应的方程组来求解，从而计算出所分析元素的形态。这种方法理论研究时多用，实际形态分析工作中应用较少。

  形态分析仪器种类很多，目前国内外很常用的仪器有：紫外可见吸收分光光度计（UVS）、原子吸收分光光度计（AAS）、等离子体发射光谱（ICP）、原子荧光光度计（AFP）、气相色谱（GC）、液相色谱（HPLC）、离子色谱（IC）、质谱（MS）、毛细管电泳-电感耦合等离子体-质谱(CE-ICP-MS)、薄层扫描（TLC）、阳极溶出伏安法等等。目前使用最多的形态分析仪器是：液相色谱-原子荧光（HPLC-AFP）、气相色谱-原子吸收（GC-AAS）、气相色谱-质谱（GC-MS）、液相色谱-质谱（LC-MS）、微波等离子体-质谱（ICP-MS）、薄层扫描-激光拉曼（TLC-Raman）等。

  目前在缺少标准物的情况下，电喷雾离子质谱（ESI-MS）显得很重要，甚至可谓是必不可少的形态分析工具之一。ESI-MS已被应用于鉴定硒酵母中的硒-腺苷-高半胱氨酸和海藻中的胂糖。

  联用技术在形态分析中特别受到大家的青睐，往往一种技术单独解决不了的问题，两种或多种技术联用就会迎刃而解，就会产生意想不到的结果。上述形态分析仪器中的光谱、色谱、质谱联用技术全都如此。近几年来，薄层扫描色谱的应用愈来愈普遍，在复杂体系的形态分析中大显身手。我国每年对薄层扫描色谱的需求量达到数千台以上，例如：各类食品药品、中药中重金属元素的形态分析检测，薄层扫描色谱就是一种特别适用的技术。我国的上海科哲公司，是世界上三大薄层扫描色谱仪器生产公司之一，其产品在可靠性、智能化、实用性、性价比等每个方面大大优于国外同类产品。

  激光拉曼及其联用技术，它在农残、兽残、添加剂、保健品、食品、药品中有害微量重金属元素的形态分析检测中发挥了及其重要的作用，今后的作用将会慢慢的大。

  凡是以不同或多种价位存在自然界的各种元素，都可以用元素形态分析仪器进行形态分析，因此，形态分析基本上可以大范围的应用在分析界所有元素分析领域。尤其在毒物分析领域，元素分析更是必不可少的工具，例如：我国历史上光绪皇帝之死这个谜团，很大程度上就是依赖我国北京普析通用的AS-90形态分析仪（HPLC-AAS）解决的。光绪34年（1908年）10月21日酉时，年仅38岁的光绪皇帝突然死亡，20个小时后慈禧接着死亡，根据当时的种种迹象，大家异口同声说：“光绪皇帝是被害而死”。但是，在科技落后、没有科学根据、没检验测试仪器及缺乏检验测试的数据的情况下，光绪之死的真相当时只能成为谜团。

  1938年，易县的崇陵被盗，光绪尸体遗物暴露在外，但是对其死因，仍旧没办法解决。1980年清理并重新封闭崇陵，当时检查光绪尸体，既无外伤痕迹，亦无中毒表现。历史学家、档案学家、医学家们据此得出结论：“既无中毒或伤害现象，也无突然性早亡迹象，应属正常死亡”。21世纪初，由于法国开始重新核查拿破仑的真正死因，我国光绪的死因谜案再次提出。此时，物理学家、仪器学家、分析化学家都参与研究，采用中子活化技术、X衍射、原子荧光、形态分析仪器等多种技术参与分析检测，根据结果得出：光绪的头发中最高As：2404μg/g（正常人0.24~1.0μg/g）为隆裕皇后的261倍，草料官的132倍，且为慢性中毒者的66倍，墓外土壤样品的97倍，仅龙袍及相关部位检出砷总量就已高达到201 .5mg（人的口服致死量为>

  60mg）。各种检测中发现，胃部和衣物上砷含量最大，别的部位可能是由光绪尸体腐败液所致。所以得出结论：光绪帝系砒霜（三价无机砷）中毒死亡。

  上述数据，主要出自我国北京普析通用公司的早期产品AS-90形态分析仪。检测光绪皇帝砷中毒的设备和采样器具如下：

  流动相：15mmol/L磷酸氢二胺溶液，使用甲酸（10%）调节pH=6.0；

  流速：0.5mL/min（5种砷形态同时测定）；1mL/min（As（Ⅲ）的测定）；

  汞元素的形态可分为：单质汞、无机汞、单甲基汞、二甲基汞、乙基汞和苯基汞等。

  甲基汞的生物毒性效应通过食物链富集危害人类健康， 尤其在鱼类中的富集而严重污染鱼类食品（日本一个渔村：发现甲基汞中毒的反常现象；猫撞墙、跳海；人咬人、跳海；韩国等也发生类似现象）。经过科学家研究、通过形态分析检测，发现海鱼中含有甲基汞，人和猫吃了这种含有甲基汞的海鱼就中毒了，所以猫和人因为甲基汞中毒而产生幻觉、产生狂躁，所以发生人咬人、人跳海，猫咬人、猫跳海，后来加强海鱼质量控制检测，情况立马好转，这也足以说明形态分析的重要性。

  A、元素分析是对元素总量的分析检测，但是元素总的组分测量不能检出元素的形态，但是，有时元素分析和形态分析能够使用同一种仪器。

  B、元素形态分析，是对元素的不同形态（或价位）做多元化的分析检测（本文前言中所述的我国北方某村庄地砷病例子，是通过形态分析，检测到西面井水中是三价砷剧毒和东面井水中是五加砷无毒而解决村庄砷中毒谜团的）；C元素分析与形态分析时，样品前处理方法不同、前处理的难易程度也不同（方法很多，

  随着人们对形态分析认识的不断深入，形态分析在国计民生中越来越显得更为重要。因为不同形态的元素毒性不同，而元素存在的不同形态，必须依靠仪器测试、区分，本文前述光绪之死的谜团解决足以说明问题。因此研究形态分析仪器，显得逐渐重要。积作者之经验，认为形态分析仪器研发的重点，应思考形态分析的特点和难点，以仪器学理论为指导，紧紧围绕可靠性、实用性、智能性、经济性、工艺性、美学性和性价比等多个角度，认真开展对各类形态分析仪器的研发，努力赶超形态分析仪器和形态分析应用的国际先进水平。

  形态分析的应用研究方面，作者觉得主要重视方法学的研究。可以在分析方法上寻找创新点、认真开展形态分析方法的创新研究，逐步的提升我国的形态分析方法水平、努力赶超国际上形态分析方法的先进水平。

  今天我国的基础分析仪器质量，已经不比同类同档次的进口仪器差，已能与国外抗衡（仪器有些技术指标水平相同、有些技术指标优于、个别非关键的技术指标不及，但是仪器的整体性价比、售后服务优于同类同档次的进口仪器）。国产基础常规仪器，特别是使用最多的光谱、色谱、质谱仪器，很多超过进口仪器（例如：横向加热AAS、连续可调SBW和低杂散光的UVS、优质脉冲紫外、AFP、GC、HPLC、便携式激光拉曼、飞行时间质谱等大量的常规仪器），因此，我们的科技工作人员，应该大胆使用能满足使用上的要求的国产仪器。

  我们要从民族高度看国产仪器和进口仪器、处理好国产仪器和进口仪器的关系。目前中国的基础型、普及型、常规型的仪器（光谱、色谱、质谱）需求量很大，例如：各类UVS需求量15000台以上、各类GC需求量20000台以上、各类HPLC需求量15000台以上。但我国这些常规仪器的主市场，仍被外商占领，中国有20多家企业生产HPLC，但是国产的HPLC仪器只占国内市场的25%左右，而中国的高效微流电色谱等色谱仪器，则大量出口美国、德国等发达国家。

  我们要实事求是、客观的看待国产仪器和进口仪器，要正确地处理国产仪器和进口仪器的关系。我们的祖国目前还不能生产的、科研工作中必须的高端仪器设施，应该大胆引进、消化、吸收。

  [2] 王夔主编，《生命科学中的微量元素分析与数据手册》，北京：计量科学出版社，1998.

  [4] 李昌厚著，紫外可见分光光度计仪器及其应用，北京：化学工业出版社，2010.[5] 李昌厚著，原子吸收分光光度计仪器及其应用，北京：科学出版社，2006.

  [6] 李昌厚著，高效液相色谱仪器及其应用，北京：科学出版社，2014.

  [7] 李昌厚，分析仪器应用中常见的12个有关技术问题的探讨，仪器信息网，2023-05-31

  [8]李昌厚，略论光谱色谱仪器五大系统的创新切入点，仪器信息网，2024--4-25.

  李昌厚，男，1963年毕业于天津大学精密仪器系光学仪器专业；中国科学院上海营养与健康研究所原仪器分析室主任、原生命科学仪器及其应用研究原室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授、天津大学兼职教授；国务院政府特殊津贴终身享受者。

  主要研究方向：长期从事分析仪器研究开发和分析仪器应用研究。主要是做光谱仪器（紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等）、色谱仪器（液相色谱、气相色谱等）及其应用研究；特别对《仪器学理论》和分析仪器指标检测等方面有精深研究；以第一完成者身份，完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定，其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的领先水平，2项填补国内空白；以第一获奖者身份获得国家发明奖1项、省部级（中国科学院、上海市、科技部）科技成果奖4项；发表论文280篇，出版《仪器学理论与实践》、光谱和色谱仪器及其应用等专著5本。

  曾任中国仪器仪表学会理事、中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届副理事长兼光谱仪器、高速分析等多个专业委员会的副主任；国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组组长、上海市科学仪器专家组成员、《生命科学仪器》副主编、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等数十个学术团体和专家委员会成员，和北京瑞利、北京普析、上海科哲、美国ISCO等十多家高科技公司的技术顾问或专家组组长等职务。

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