摘 要 介绍了一种由德国GKSS研究中心A.Prange和D.Schaumloffel设计再经他们与美国CETAC公司联合,进一开发成功的供毛细管电泳(CE)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)联用的商品化的接口-CEI-100的性能和应用。本文的目的是开拓国内的ICP-MS在元素化学形态分析方面的应用。
1 引 言
经济的发展使人们对元素形态的测定更加关心,科技的进步使这种测定能力大为增强。在现代医学、生物学、食品科学、环境科学、毒物学中金属元素的生物活性、毒性以及在自然界的迁移和聚集都与这些元素的化学形态密切相关。通常能对金属元素的化学形态进行分离并能与ICP-MS联用的装置有高效液相色谱(HPLL)、气相色谱(GC)、超临界流体色谱(SFC)及毛细管电泳(CE)等等。但与上述的几种色谱相比,毛细管电泳具有操作简便,样品需要量少,分离效率高,运行成本低,易于推广,分离生物大分子(如蛋白质分子和肽分子)能力强等优点。因此,特别适于用来作金属元素的化学形态分离[1,2]。ICP-MS由于具有检测灵敏度特别高,可以进行多元素同时检测,特别适于与其它分离设备在线连接等优点,因此用它来作为CE的检测器是很适合的[3~5]。近年来德国GKSS研究中心的A.Prangeh和D.Schaumloffel在过去的基础上设计出一种新的能把CE与ICP-MS有效连接起来的接口[6,7]。最近美国CETAC公司与A.Prange和D.Schaumloffel又成功地把这种接口开发成为商品化的装置CEI-100推向市场[8]。本文简要介绍了这种CE-ICP-MS接口的原理、性能和应用,目的是扩大国内ICP-MS在化学形态分析方面的应用。
2 CE-ICP-MS的测定原理及测定过程
用A.Prange和D.Schaumloffel设计的CE-ICP-MS接口连接的整个CE-ICP-MS装置的原理示意图如图1所示。
从图中可见,在长度为50~100cm内径为25~100μm的熔融石英玻璃CE毛细管的两端分别通过缓冲液、提升液用铂金电极加上20~30kV的直流电压,使毛细管在长度方向上形成电压梯度。
装入此CE毛细管中的待测样品中的不同种类、不同形态的离子由于其本身的质量、体积及所带电荷量的不同而导致它们在CE毛细管中的迁移速度各不相同,因而在不同时刻迁移到CE毛细管的末端,从而达到化学形态分离的目的。这种经CE毛细管分离过的样品由供雾化器工作的载气(Ar)所驱动进入雾化器的毛细管被雾化器雾化,再经雾化室除去大的雾滴进入ICP-MS的炬管被ICP-MS所检测。因此当ICP-MS的质量分析器固定在与某元素的某个同位素对应的质量数上时,ICP-MS在不同时刻检测到的不同信号就是此元素的不同形态的成分(离子)了。
3 A.Prange和D.Schaumloffel对CE-ICP-MS接口的改进
为了保证CE-ICP-MS有足够的灵敏度、分辨率,足够好的分离精度(重复性)和较窄的谱线宽度(峰宽),A.Prange和D.Schaumloffel在前人工作的基础上着重对CE-ICP-MS的有关部件作了如下几个方面的改进和设计:1)通过计算和实验验证减小了雾化器的毛细管的内径使雾化器的毛细管变细,从而使雾化器能在载气的作用下以2~12μL/min的流量雾化试样,并使雾化器的抽气作用(suction effect)变为最小,从而避免在CE毛细管内出现由雾化器的抽气作用引起的压力驱动流———层流(laminar flow),保证CE的分辨率;2)通过选定雾化器毛细管的参数使提升液(make up liquid)流量尽可能地小,从而控制提升液的输入量,减小被测样品被稀释的稀释比和整个装置的死体积,提高整个装置的灵敏度,减小谱线的峰宽;3)在CE-ICP-MS上,用铂金电极把20~30kV的直流高压加到CE毛细管的两端,从而保证CE毛细管两端具有稳定的电接触,进而保证整个装置出峰时间的稳定性,保证出峰时间的重复性;4)通过把界面分成CE毛细管和雾化器毛细管两部分使CE毛细管不插入雾化器毛细管,使CE毛细管和雾化器毛细管的参数能分开单独优化,CE毛细管的更换变得非常的简便;5)把与CE毛细管连接的雾化器放在一个死体积小(其体积约为5ml)的喷射雾化室(sprary chamber)中,以便减小CE-ICP-MS谱线宽度的增宽。
图2为D.Schaumloffel和A.Prange设计的CE-ICP-MS接口部分的原理示意图。
图中的雾化器是通过把CETAC公司出品的微量同心雾化器的毛细管的内径变细,从而使雾化器在以自吸方式工作时的流量达到2~12μL/min。与此雾化器相联的是一个用聚四氟乙烯(PEEK)制成的十字形交叉联接器,它在水平方向有两个管导,一个用来接铂金电极,另一个用来接提升液,在竖直方向上一个头接CE毛细管,另一个接雾化器毛细管,而此雾化器又放在喷射雾化室中。通常CE毛细管内径为75μm,外径为150μm,长度为30~50cm;
为了检验新设计的接口的性能,A.Prange和D.Schaumloffel用德国FinNIgan MAT ELEMENT公司的电感耦合等离子扇形磁式质谱(ICP-SFMS)和美国Hewlett-PACkard公司的CE系统(CE毛细管内径为75μm,外径为150μm,长度为55cm)来进行实验。表1.为A.Prange和D.Schaumloffel实验时选用的实验条件,其中Injection表示试样是用水压(hydrody-namical)方式在300mbar.S的条件下注射到CE毛细管中去。
为了检验新设计的CE-ICP-MS接口的稳定性和谱线宽度,他们在缓冲液中加入1μg/L的Cs,在提升液中加入1μg/L的In,在CE毛细管中加入20μg/L的Rb。分别检测133Cs+,115In+,85Rb+这三个种离子随时间的变化。图3示出了测得结果。从图3可见:1)133Cs+和115In+,的强度基本上不随时间变化,这说明新设计的接口的工作是稳定的;2)85Rb+在81秒时出现一个峰,峰的宽度为4S。这数值达到了用紫外线作为检测器的毛细管电泳所能达到的峰宽宽度,它说明由界面和雾室的死体积引起的峰宽加宽是比较小的。
为了检验此新设计的接口的压力驱动层流特性,D.Schaumloffel和A.Prange把100μg/L的Rb注入CE毛细管中,改变雾化器的载气的流量,[(a)0.6,(b)0.7,(c)0.8,(d)0.9,(e)0.925,(f)0.95,(g)0.975,(h)1.0,(i)1.05,(j)1.1,(k)1.2L/min],得到一系列的85Rb+时间变化的曲线。图4示出了这个结果。从图4我们可以看出,不管载气的流量为多少,85Rb+均在t=81秒处出现谱峰。这说明在新设计的接口中雾化器在CE毛细管中产生的压力驱动层流可以忽略。
图5为A.Prange和D.Schaumloffel用他们新设计的CE-ICP-MS接口对浓度为100μg/L的As,Sb,Te和浓度为1000μg/L Se等4种元素的12种离子的标准溶液进行测定所获得的结果,从中可以看出这种CE-ICP-MS接口的性能是比较好的。
表2为A.Prange和D.Schaumloffel根据上述标准溶液的谱图计算出来的这4种元素的12种离子的检测极限、线性系数、线性范围和测定重复性,从中可见:1)对于化合物,检测极限<μg/L;对于标准溶液中的同位素,检测极限可达10-12g~10-15g;2)出峰时间的相对标准偏差<3%,峰面积的相对标准偏差<8%;3)分析时间仅为几分钟;这说明他们设计的这种接口的性能是比较好的。
4 CEI-100型CE-ICP-MS接口的特点及应用最近CETAC公司与A.Prange和D.Schaumloffel合作把A.Prange和D.Schaumloffel设计的CE-ICP-MS接口开发成商品化的设备-CEI-100型CE-ICP-MS接口,并推向市场。据CETAC的资料介绍,CEI-100接口具有如下几个特点:1)CE分离特性稳定,分辨率高;2)CE和雾化器可以分别独立地进行参数优化;3)死体积小,可保证CE的高分辨率;4)被测试样被提升液稀释小(提升液流量<10(L/min);5)样品消耗量小(<1μL/min);6)消除了在CE毛细管中的有害的压力驱动层流。其应用范围有:a)测定复杂生物分子体系中的金属元素的形态;b)含金的麻醉药的代谢过程示踪;c)在化学治疗研究中的铂蛋白相互作用;d)金属巯基组氨酸三甲基内盐(Metal-lothioneine)研究中的应用即在阿尔茨海默症(Alzheimer)研究中的应用;e)毒物学;等等......据我们所知CEI-100接口不仅具有如上所述的性质和特点,而且其价格要比常见的毛细管电泳仪便宜很多。因此,我们相信在人们日益关注元素形态分析,等离子质谱仪用户日益增多的今天,这种简便实用的新型接口将会有较好的应用前景。
致谢:本文中有关A.Prange和D.Schaumloffel的文章及CETAC公司的介绍材料是美国CETAC公司北京办事处张旭博士提供的,作者在此表示感谢。
参考文献
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[7] D.Schaumloffel.et al, A new interface for Combining Capillary Elec-trophoresis with Inductively coupled Plasma-Mass Spectrometry, Frese-nius J. Anal. Chem,1999,364,452~456
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[9] CETAC CEI-100 CE-ICP-MS Interface美国CETAC公司技术资料。
本文作者：游俊富1 王 虎1 赵海山1 徐 芳2
