高效液相色谱-质谱联用技术在环境样品分析中的应用与发展

高效液相色谱-质谱联用技术在环境样品分析中的应用与发展

党书棚，孟菲榕，于昊，甘黎明，冯博鑫

中国地质调查局西安矿产资源调查中心  陕西省西安市  710100

摘要：高效液相色谱-质谱联用技术（HPLC-MS）是当前分析化学领域最为重要和广泛应用的分析技术之一，具有高效分离、高灵敏度和高选择性等特点，已在环境样品分析中得到广泛应用。本文综述了HPLC-MS技术的原理、优势及在环境样品分析中的应用，包括水质分析、土壤与环境气体分析、生物样品分析以及环境污染物的来源解析与风险评估等方面。同时，本文还讨论了HPLC-MS技术在环境样品分析中的挑战与展望，包括样品预处理方法、数据分析与解释以及未来发展趋势。随着技术的不断发展和创新，HPLC-MS技术在环境监测领域将发挥更大的作用，为环境保护和污染治理提供有力支持。

关键词：高效液相色谱-质谱联用；环境样品；分析方法；监测；发展趋势

1. 高效液相色谱-质谱联用技术概述

高效液相色谱-质谱联用技术(HPLC-MS)是分析化学领域最重要和常用的分析手段之一。该技术结合了HPLC强大的分离能力和MS的高灵敏度、高选择性及结构识别能力,能够实现复杂样品中微量成分的高效分离、检测和结构确认。

HPLC-MS的工作原理是先通过HPLC对样品中的各组分进行高效分离,然后将分离的组分输送至质谱进行检测和结构分析。HPLC部分能够实现复杂样品中各组分的良好分离;MS部分则负责对分离的各组分进行灵敏检测和结构表征,通过对分子量、碎片离子等信息的分析,获得待测化合物的分子式和结构信息。HPLC-MS技术集分离、检测和结构鉴定功能于一体,在复杂样品中痕量化合物的分析与表征方面广泛应用,在环境样品分析、生物医药、食品安全等领域发挥重要作用。

2. 环境样品的预处理方法

在利用HPLC-MS技术分析环境样品之前,预处理操作是必需的。这有助于去除干扰成分,增强目标化合物的检测浓度和灵敏度。环境样品(如水、土壤、大气等)通常含有大量杂质,直接用HPLC-MS检测存在诸多困难,如仪器污染和信号抑制等。因此,样品预处理是HPLC-MS分析的关键环节。

常见的预处理方法包括固相萃取(SPE)、液-液萃取(LLE)和凝胶渗滤(GPC)。其中,固相萃取因操作简单、富集效果好、可自动化等优势而广泛应用。该法通过选择性吸附目标物,再用适当溶剂洗脱,可有效富集痕量有机污染物,去除干扰。液-液萃取也是常见选择,通过有机溶剂与水相的萃取分离,实现目标物的富集和杂质的去除。凝胶渗滤技术则常用于环境样品的脱脂和纯化,能有效去除高分子量干扰成分。通过合理优化这些预处理手段,可大幅提升HPLC-MS分析的灵敏度和选择性。

3. HPLC-MS技术在环境样品中的应用

HPLC-MS技术因其出色的分离性能和高灵敏度,在环境样品分析中广泛应用,主要包括以下几个方面:

(1) 持久性有机污染物(POPs)的检测

持久性有机污染物如农药、多氯联苯(PCBs)、多溴联苯醚(PBDEs)等具有高毒性、难降解性和生物富集性,严重危害环境和人体健康。HPLC-MS技术可以实现这些有机pollutants的高灵敏分析,为环境监测、风险评估提供可靠数据支撑。

(2) 药物residue和个人护理用品的分析

随着医药和个人护理产品的大量使用,这些产品中的活性成分及代谢产物作为新型环境污染物受到广泛关注。HPLC-MS可以灵敏检测环境样品中痕量级的医药residue和个人护理用品成分,为环境暴露评估提供依据。

(3) 微污染物的检测

除上述"传统"的有机污染物外,近年来一些新型微污染物如内分泌干扰物、致癌物、抗生素耐药性基因等也引起广泛关注。HPLC-MS技术凭借其出色的灵敏度和选择性,在这些新型微污染物的检测中发挥着重要作用。

(4) 环境样品中未知污染物的笼统分析

除了针对已知目标污染物的检测,HPLC-MS技术还可以用于环境样品中未知污染物的笼统分析。通过全扫描模式获得的高分辨质谱数据,结合数据库查询和结构推断等方法,可以对复杂环境样品进行非靶向分析,发现新的潜在污染物。这为环境污染物的筛查和风险评估提供了有力工具。

总的来说,HPLC-MS技术在环境样品分析中的广泛应用,有力地推动了环境监测、风险评估、污染治理等环境科学研究的发展。

4. HPLC-MS技术的优势及局限性

HPLC-MS技术与传统的环境分析方法相比,具有以下主要优势:

(1) 灵敏度高：HPLC-MS可以检测到痕量级别的环境污染物,灵敏度可达ng/L水平,远优于传统的光谱、色谱等方法。这对于痕量级别的环境污染物分析非常重要。

(2) 选择性强：质谱检测可以针对目标化合物的特征离子进行高选择性分析,有效避免基质干扰,提高分析的准确性。

(3) 结构信息丰富：质谱可以提供目标化合物的分子量、碎片离子等信息,有助于结构鉴定和确认。

(4) 分析效率高：HPLC-MS联用技术集分离、检测、鉴定于一体,大大提高了分析效率,适合高通量的环境监测。

(5) 可定性和定量分析：HPLC-MS不仅可以进行目标化合物的定性分析,还可通过外标法、内标法等实现定量分析,为环境风险评估提供重要数据支撑。

尽管HPLC-MS技术在环境样品分析中优势显著,但也存在一些局限性:

(1) 昂贵的仪器设备和耗材：HPLC-MS设备及其维护、运行费用较高,限制了其在一些资金有限的实验室的应用。

(2) 数据处理和解释复杂：HPLC-MS产生的海量数据需要复杂的软件和专业知识进行处理和解释,对分析人员的要求较高。

(3) 基质效应：复杂的环境基质可能会引起信号抑制或增强,需要通过优化前处理、色谱分离等手段来减少基质效应。

(4) 标准物质缺乏：对于一些新型污染物,缺乏可靠的标准物质,给定性和定量分析带来困难。

综上所述,HPLC-MS技术是目前环境样品分析的首选方法,但也需要进一步优化和发展,以更好地满足环境监测、风险评估等方面的需求。

5. 数据分析与解释

HPLC-MS技术产生的数据包含色谱图、质谱图等多维信息，需专业处理和解释以获得有价值结果。首先，通过保留时间、离子强度等对色谱峰进行定性，利用质谱数据库确认化合物结构。其次，通过外标法或内标法建立校正曲线实现定量分析，并评估分析指标如线性范围、检出限和回收率以保证数据可靠性。非靶向分析中，高分辨质谱数据需通过数据库查询、同位素分析、碎片离子解析等方法进行未知化合物结构推断，这对分析人员提出较高要求。最终，将分析结果与环境标准比对，评估环境风险，为环境管理提供依据。随着大数据技术应用，数据分析将更智能高效，但分析人员的综合能力仍至关重要。

6. 未来发展趋势

HPLC-MS技术在环境样品分析中应用广泛，未来发展趋势包括仪器性能持续提升，如质谱检测器的分辨率、灵敏度、扫描速度的优化，以及HPLC部分在分离效率、耐用性的改善；样品前处理技术将更加自动化、高通量和绿色环保，如固相微萃取(SPME)、磁性固相萃取(MSPE)等，提高分析效率和可靠性；数据处理与解释将实现智能化，如基于机器学习的自动化数据分析、未知物质结构推断等；现场快速检测将得到发展，移动式、便携式HPLC-MS设备的出现将实现环境样品的现场快速检测；新型环境污染物的笼统分析应用将进一步拓展。总的来说，HPLC-MS技术将在环境监测、风险评估等领域发挥更加重要的作用，为改善生态环境、保护人类健康贡献力量。

7 结语

本文全面介绍了高效液相色谱-质谱联用技术在环境样品分析中的应用与发展，展示了其在环境保护和污染治理中的重要价值。尽管HPLC-MS技术在环境样品分析中具有显著优势，但仍面临一些挑战，如样品预处理方法、数据处理和解释等方面的难题。未来，随着HPLC-MS技术的不断优化和发展，其在环境监测、风险评估等方面的应用将更加广泛，为改善生态环境、保护人类健康做出更大贡献。

参考文献：

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三级项目名称：战略性矿产勘查岩矿测试技术支撑（西安矿产中心）三级项目编号：DD2024334