由于海水中痕量金属元素(Cu、Pb、Zn和Cd)一方面具有难降解、易积累、毒性大等特点，对海洋环境的污染不可逆转，另一方面在生物地球化学循环中扮演重要角色，是海洋生物生长生活必需的微量元素^[1]。能够对这些痕量金属元素进行准确测定是研究其作用机理并对其进行有效防治的重要前提，所以痕量金属的监测分析一直是海洋环境保护领域的一项重要工作。在实际监测分析工作中，由于海水样品中盐分的含量高，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)直接测定往往会引起雾化器阻塞、背景高、干扰严重等诸多问题，造成仪器灵敏度低，导致低含量元素测定准确度差^[2-3]。现行的ICP-MS分析海水中的痕量金属元素方法一般为将样品稀释10倍后进行基体匹配直接上机测定，但这种方法存在明显不足：一方面在于采用标准加入法进行基本匹配不适用于大批量样品的测定，另一方面由于对样品进行了稀释，故方法检出限较高，在分析痕量金属元素方面就体显出了它的局限性。因此，研究人员将目光转移到样品的预分离富集技术上，它可以减少干扰并降低检出限。

基于树脂材料的预分离富集是一种有效的、常用的预处理技术，因其具有选择性好、材料重复使用率高和可自动化等优点，得到了广泛关注和研究。在海水预处理领域，NOBIAS chelate-PA1树脂(简称NOBIAS)脱颖而出，该树脂有乙二胺四乙酸铵(EDTriA)基团和亚氨二乙酸(IDA)基团，可以与金属离子形成5个配位键，因此具有很好的亲和性^[4-7]。目前国内外针对NOBIAS树脂的研究很多，但主要集中在对树脂材料吸附性能的研究上，虽然取得了一定的成果，但受制于吸附装置的差异较大，并没有建立起普适性较高的方法，在海洋环境监测业务化工作中的应用也受到了限制。随着NOBIAS树脂材料研究的成熟，基于该树脂材料研制的自动分离装置seaFAST问世^[6]，这一方面体现了树脂材料分离富集可自动化的特点，另一方面也为我们建立一种普适性高、可推广应用的方法提供了可能。本文在国内外研究的基础上，在seaFAST装置和ICP-MS联合应用上开展研究，优化ICP-MS的工作条件，探讨自动化装置对目标元素(Cu、Pb、Zn和Cd)的最佳分离富集条件，保证目标元素分析测定的稳定性和准确性，并结合长江口及其邻近海域的海水样品的分析，建立可以用于河口区及近岸海域的痕量金属元素的分析方法。

1 材料与方法 1.1 试剂和材料

超纯硝酸：Optima Grade，购自ThermoFisher。洗脱液：10%硝酸(HNO₃)。清洗液：2%硝酸(HNO₃)。海水空白：Elemental Scientific，10.5%的超纯NaCl溶液，购自ESI。

铜标准溶液：GBW(E)080122，100 mg/L，购自中国计量科学研究院。铅标准溶液：GBW(E)080129，100 mg/L，购自中国计量科学研究院。锌标准溶液：GBW(E)080130，100 mg/L，购自中国计量科学研究院。镉标准溶液：GBW(E)080119，100 mg/L，购自中国计量科学研究院。

铜、铅、锌、镉混合标准使用液：利用1% HNO₃溶液将4种单元素标准溶液采用逐级稀释法按实验测定需要配制成5种不同浓度的混合标准溶液，铜、铅、锌浓度分别为0.100 μg/L，1.00 μg/L，5.00 μg/L，10.0 μg/L，20.0 μg/L，镉浓度分别为0.010 μg/L，0.100 μg/L，0.500 μg/L，1.00 μg/L，2.00 μg/L。

内标元素混合溶液(10 μg/L)：利用1% HNO₃溶液将⁴⁵Sc、¹¹⁵In、²⁰⁹Bi单元素标准溶液(1 000 mg/L)逐级稀释而成，贮存于聚四氟乙烯瓶中，购自国家标准物质研究中心。

冰醋酸：Suprapur，购自Merck。氨水：Suprapur，25%，购自Merck。醋酸铵缓冲溶液：5.0±0.1、6.0±0.1、7.0±0.1，由冰醋酸和氨水混合配制而成。去离子水：电阻率≥18.2 MΩ·cm的去离子水。海水中痕量元素标准溶液(含铜、铅、镉、锌)：GBW(E)080040，购自国家海洋局第二海洋研究所。

1.2 仪器设备

seaFAST：Elemental Scientific公司研制的带S400V全惰性柱塞泵的树脂分离装置，海水预浓缩柱柱长容量200 μL，树脂材料NOBIAS chelate-PA1。ICP-MS：ThermoFisher Ⅻ电感耦合等离子体质谱仪。Milli-Q超纯水机：Millipore公司。

1.3 样品准备

海水样品取自长江口及其近岸海域，采样时间为2018年5月12日至18日。水样采集后经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤，约250 mL滤液加入0.5 mL超纯硝酸固定，使海水样品pH < 2。采样要求严格按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)^[8]。

1.4 样品预富集

图 1为seaFAST系统示意图，如图 1a所示，系统包括自动进样器(SC4 DX)、注射系统(S400V，含S1、S2、S3、S4四个注射泵)、3个多通阀(从下到上分别为V1、V2、V3阀)。图中:预浓缩柱用于分离富集海水样品中痕量金属元素；去除柱主要用于去除醋酸铵缓冲溶液中的痕量金属元素，降低试剂空白；浅蓝色虚线指示样品的路径图。样品预分离富集主要包括以下4个步骤：

(1) 上样：从左边进样针吸取样品，经V3充入V2阀7号(用V2P7表示，下同)和V2P10中间的3 mL定量环。接着，在S1控制下去离子水推送着3mL定量环中的样品到达V1P11，S2控制下推送着醋酸铵缓冲溶液经过去除柱后到达V1P5，两者混合后由V1P4进入样品预浓缩柱(如图 1b所示，浅蓝色虚线代表样品，绿色虚线代表去离子水，紫色虚线代表缓冲溶液，深蓝色虚线代表样品和缓冲溶液的混合液)。

(2) 基体冲洗：S2控制下推送醋酸铵缓冲溶液经过去除柱后到达V1P5，由V1P4进入样品预浓缩柱清洗，并依次经过V1P1、V1P10进入废液桶；S1控制下去离子水由V2P9进入V1P11，在V1P5和缓冲溶液混合后由V1P4进入样品预浓缩柱清洗，并由V1P1、V1P10进入废液桶。

(3) 反向洗脱：S3控制下推送洗脱液由V1P1进入预浓缩柱，然后由V1P4流出，经V1P3进入V3P4和V3P5后，通过进样针收集待测；S4控制下推送洗脱液由V1P5进入去除柱，然后由V1P8流出，经V1P10进入废液桶(如图 1c所示，红色虚线代表预浓缩柱的洗脱液，橘色虚线代表去除柱的洗脱液)。

(4) 柱子再生：S1、S2分别控制去离子水、醋酸铵缓冲溶液在V1P5混合后，由V1P4进入样品预浓缩柱，平衡柱子内部环境的pH(如图 1d所示，绿色虚线代表去离子水，紫色虚线代表缓冲溶液，棕色虚线代表去离子水和缓冲溶液的混合液)。

1.5 ICP-MS工作条件 1.5.1 仪器工作参数

ICP-MS工作参数的优化由人工调谐得到，保持低水平的氧化物离子和双电荷离子，(¹⁵⁶CeO⁺/¹⁴⁰Ce⁺) < 0.03，(¹³⁸Ba⁺⁺/¹³⁸Ba) < 0.03。具体优化参数见表 1。

1.5.2 同位素的选择

质谱分析过程中潜在的质谱干扰非常复杂^[9]，针对不同的样品基质选择待测元素的同位素能最大程度地避开分析过程中的多种质谱干扰，提高分析结果的准确性。考虑到海水基体中有大量的钠(Na)、镁(Mg)、钙(Ca)离子，预处理后仍会有少量残留，在分析过程中，容易形成⁴⁰Ar²³Na⁺、⁴⁰Ar²⁴Mg⁺等分子离子，对⁶³Cu(丰度为69.17%)和⁶⁴Zn(丰度为48.89%)的测定带来干扰，因此本文在目标元素同位素选择方面遵循干扰小和灵敏度高的原则，而不是同位素丰度大的原则，各待测元素的所选同位素及其丰度分别为⁶⁵Cu(30.91%)、⁶⁶Zn(27.81%)、¹¹¹Cd(12.86%)、²⁰⁸Pb(52.38%)。

1.5.3 内标元素的选择

质谱长时间测定会导致待测元素的氧化物及基体颗粒在锥体沉积造成锥孔内径变小，降低待测离子流的传输效率，使得待测元素的响应信号发生漂移，产生基体效应^[9-11]。内标元素的加入可以改善分析信号的稳定性。内标元素的选择应与待测元素有相近的电离能、相近的分子量、相近的化学性质和相近的熔沸点，这样可以补偿电离过程的影响、扩散过程的影响、原子化过程的影响和蒸发过程的影响，因此多元素的测定需要选择多内标元素来均衡所有待测元素的质谱行为^[2]。基于以上考虑，选择了覆盖不同质量段并且与目标元素位置相近的⁴⁵Sc、¹¹⁵In和²⁰⁹Bi为混合内标元素。

2 结果与讨论 2.1 样品预富集条件 2.1.1 调节混合液的pH

已有研究^[12-14]表明，树脂NOBIAS在富集海水中的金属元素(Cu、Zn、Cd和Pb)时，样品pH是影响螯合富集效率的主要因素：当pH在4.0附近，树脂上的功能基团对目标元素的吸附性能大大降低，目标金属元素的回收率也会降低；当pH在7.0附近时，海水中盐分基体去除效果降低，内标信号会有所抑制；样品pH在5.0~6.0的范围内，才会具有稳定的回收率。在本次研究中，选用的东海区近岸海水样品现场采集过滤固定后pH < 2，样品酸化后，水体中的碳酸盐离子将以H₂CO₃和溶解性CO₂为主，并且在实际存在的开放体系下，H₂CO₃和溶解性CO₂逐渐变成与大气相平衡的固定数值，pH趋于稳定。而后海水样品需要与缓冲溶液混合后才能加载到树脂柱上进行分离富集，为了保证混合液体的pH在合适的范围内，需要利用S1、S2的流速控制海水样品和缓冲溶液的混合比例。为了避免海水样品在pH>2时变成胶体，从而影响到树脂的分离富集效果^[6]，需要缩短海水样品pH的调节时间，固定S1流速在最高值(2 600 μL/min)，调节S2流速：当S2流速低时，混合液中缓冲溶液的比例低，混合液pH偏低，当S2流速增大时，混合液中缓冲溶液的比例增加，混合液的pH升高。本次研究中，配制了pH为5.0±0.1、6.0±0.1、7.0±0.1的3种缓冲溶液，通过调节S2流速，混合液的pH见表 2。

通过本次实验结果可以看出：为了满足混合液pH在5.0~6.0的范围内，缓冲溶液的pH需要控制在6.0~7.0；因为缓冲溶液还具有清洗树脂柱表面上残留海水盐分基质的作用，pH需要控制在5.0~6.0，综合考虑后缓冲溶液的pH需要控制在6.0附近，此时S2的流速范围可以在400~1 000 μL/min之间。出于节约试剂等综合考虑，选择S2的流速为400 μL/min。

2.1.2 清洗液体积

由于海水的高盐基体形成的分子离子会对ICP-MS分析过程带来严重干扰，富集过程中需要尽量去除样品中的Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-等碱金属、碱土金属和阴离子，因此树脂柱对样品中的目标金属元素吸附后，需以适量的缓冲溶液将残留在树脂柱表面上的干扰物质清洗出来。在本次研究中，选用东海海域海水样品(盐度约20)与缓冲溶液混合后上柱吸附，然后以不同体积的缓冲溶液(300、500、600、800、1 000 μL)对树脂柱进行清洗，收集清洗后的溶液(最后流出树脂柱的200 μL左右)，利用ICP-MS进行半定量扫描测定，如图 2所示。结果表明，在清洗液总体积大于800 μL时，清洗液中的干扰离子含量较低且变化幅度趋稳。出于节约试剂的考虑，缓冲溶液的清洗体积选择为800 μL。

2.1.3 洗脱液的体积和流速

根据已有研究成果^[6-7]，利用10%的硝酸溶液反冲，可以将树脂柱上吸附的目标金属元素洗脱下来，为了保证洗脱效率，需要找到合适的洗脱液体积和流速，这里由S3控制。选用东海海域海水样品(盐度约20)为实验对象，通过改变洗脱液的体积和流速，获得加标后的回收率如表 3所示。

通过实验数据可以看出:4个目标元素受洗脱液的体积和流速的影响程度存在差异，Cu和Zn的受影响程度较大，Pb和Cd的受影响程度较小，整体上大体积的洗脱液和低的流速可以提高元素的回收率。元素Cu的回收率略低于其它元素，对海水进行加热消解预处理后，元素Cu的回收率有所升高，这可能与海水中存在微量有机体与Cu形成强有机结合态有关^[15]，由于有机体含量较低，本次研究中对海水样品不作加热预消解处理。为了让4个元素的回收率同时达到较高的水平，满足同时定量测定的要求，洗脱液(10%的硝酸溶液)的体积不应低于600 μL，流速控制在100~200 μL/min。考虑到实际业务化工作中的应用，在满足仪器分析消耗体积的前提下，应尽量控制试剂消耗量和缩短分析时间，推荐的洗脱液(10%的硝酸溶液)的体积为600~2 000 μL，流速控制在200 μL/min。本文中洗脱液的体积在600 μL，流速控制在200 μL/min。

2.2 方法的空白、检出限、准确度和精密度

由于实际海水样品的分析响应值(计数率)通常不仅仅是样品中待测物质的分析响应值，还包括其他因素(如试剂中杂质)的分析响应值，如果空白值偏大或不稳定，会影响该分析方法的检测下限，并严重地影响低含量样品分析结果的准确度和精密度。因此，需要确定新方法的空白值的大小及其稳定性。为了获得准确的空白值，选择海水空白(盐度稀释到约20)代替样品，这样可以保证空白试样与样品的基质基本一致，该海水空白目标元素含量基本为零，避免了在螯合富集再洗脱过程中增加待测元素的含量。空白试样与样品的分析过程一致，先酸化至pH小于2，然后用缓冲溶液调节pH后上柱，洗脱液、柱的清洗和柱子再生步骤与样品处理过程保持一致。对空白试样进行11次平行测定，记录⁶⁵Cu、⁶⁶Zn、¹¹¹Cd和²⁰⁸Pb的离子计数，用测量结果的标准偏差的3倍除以各元素的方法灵敏度，即为各元素的方法检出限^[16]。具体结果见表 4。4个元素的空白值范围为0.001~0.559 μg/L，Cu、Pb、Zn和Cd的检出限分别为0.014 μg/L、0.002 μg/L、0.049 μg/L和0.001 μg/L，要低于原子吸收分光光度法的检出限Cu为0.2 μg/L、Pb为0.03 μg/L、Zn为3.1 μg/L、Cd为0.01 μg/L和阳极溶出伏安法的检出限Cu为0.6 μg/L、Pb为0.3 μg/L、Zn为1.2 μg/L、Cd为0.09 μg/L^[8]。用标准海水样品GBW(E)080040稀释10倍后作为质控样品来判断新方法的准确度和精密度，平行测定6次，结果见表 4。可以看出各元素相对误差均控制在5%以内，各元素重复测定的相对标准偏差均控制在3%以内。

2.3 长江口及其邻近海域的应用

以本研究所建立的分析方法，对2018年5月长江口及其邻近海域15个监测站位的表层水开展了痕量金属元素(Cu、Pb、Zn和Cd)的分析，15个海水样品的盐度范围为0.156~20.883。针对每一份海水样品，同步采用了原子吸收法(AAS)分析元素Cu、Pb、Cd，伏安极谱法(ASV)分析元素Zn^[8]，以及利用ICP-MS直接分析稀释10倍后的海水样品，其中新方法和原吸法的分析结果统计见表 5。

对表 5中数据进行分析可以看出，4个元素的数值范围与历史监测数据范围基本一致^[17]，并且两种方法之间均存在较好的线性关系，线性相关性均高于0.900。对每个元素两组数据开展配对样本的T检验^[18]，在显著性水平为0.05时，每个元素的两组数据均值不存在显著差异。海水样品盐度范围较广，同时说明了新方法的稳定性不受盐度的影响，适用于河口区及近岸海域的海水样品中痕量金属元素的监测分析。

ICP-MS直接分析稀释10倍后的海水样品，工作曲线是采用基体匹配外标法，分析结果表明：受基体干扰和稀释影响大部分海水样品的目标元素信号太低无法检测；元素Cu的仪器响应信号与盐度呈现出正相关性，检测结果与其它两种方法结果存在明显差异，表明基于稀释方法无法有效地消除基体对测定结果的干扰。针对海水中低含量的重金属元素，利用ICP-MS进行分析时，采用基体分离法进行预处理要比直接稀释法有效。

3 结论

结合ICP-MS工作条件的优化，对自动化的树脂分离富集装置开展了应用研究，主要结论如下：

(1) 在自动化装置应用方面，当pH < 2的海水样品与醋酸铵缓冲溶液(pH=6.0±0.1)分别以2 600 μL/min和400~1 000 μL/min的速率混合，混合液可以满足树脂吸附的最佳pH条件；醋酸铵缓冲溶液作为清洗液，体积不低于800 μL时，可以保证预富集柱中的碱金属、碱土金属、阴离子有效去除；洗脱液的体积和速率会影响目标元素的加标回收率，在洗脱体积超过600 μL、洗脱速率不超过200 μL/min时，可以同时获得稳定的回收率，满足定量分析的要求。

(2) 自动化装置与ICP-MS联用建立的新方法，目标元素Cu、Pb、Zn和Cd的检出限分别为0.014 μg/L、0.002 μg/L、0.049 μg/L和0.001 μg/L，优于原子吸收分光光度法和阳极溶出伏安法的检出限。通过对标准物质进行分析，新方法表现出较高的准确度和精密度；新方法在长江口及其邻近海域的应用结果表明，与海洋监测规范中标准方法的分析结果没有显著性差异，表明该方法稳定性较强且不受盐度影响，可以应用于河口区及近岸海域痕量金属元素的分析。