元素形態分析——一個環境與食品安全檢測的新領域

轉自儀器信息網（2006年6月14日）

　　編者按：元素形態分析領域方興未艾，其中涉及的方法學，標準和儀器也是專業人士關注的話題。清華大學分析中心主任張新榮教授目前在接受本網采訪時，對元素形態分析領域知識進行了科學的講解，同時也對其課題之一—建立環境與生命體中重要毒性元素的形態分析方法，并研究毒性元素在環境與生命體中的積累、轉移和代謝規律，對研究元素形態分析標準方法與標準物質做出了系統的介紹。我們相信，在越來越多專家的推動下，政府將在中國元素分析領域的標準化和應用化方面給出更得力的措施。

　　Instrument: 據我們了解，您近期從事的科研項目――建立環境與生命體中重要毒性元素的形態分析方法十分重要，可以介紹一下這個項目的研究背景嗎？

　　張教授：元素分析研究已經做了很多年，大家發現僅做元素總量對某些元素意義不大，例如甲基汞比無機汞毒性大很多；砷化學形式可分為無機砷和有機砷，無機砷如三價砷和五價砷毒性很大，但其甲基化后則毒性大大降低。硒被認為是營養型微量元素，但是硒的各種形態中，也有有毒的和無毒的，或者說是對人體有害或是有益的。過去我們說補微量元素，但到底是補哪種形態? 無機硒，還是有機硒，和氨基酸結合的硒, 還是和蛋白質結合的硒，這個問題是很重要的。元素的存在形式，也就是它的形態，在很多情況下起著至關重要的作用。現在人們已經建立起了這種意識：應該進行人體微量元素分析，但如果分析總量，意義不大，重要的是進行元素形態的分析，不同形態的元素對生物體的作用是很不一樣的。
　　以砷的形態分析為例，砷是環境中重要的污染物，中國有好幾個省份地下水砷污染非常嚴重，幾千萬人口面臨砷中毒。一些海洋生物有很強的能力，可以將有毒砷轉化為無毒砷。例如海帶含有大量砷，但存在形式是無毒的砷糖。科學家們感興趣的是哪些物質有這種轉化能力，哪些酶，那些生命過程在主導這些轉化。已知幾種甲基化酶有可能把有毒的砷甲基化成低毒或無毒的砷，完成減毒或去毒的過程。因此研究這些酶對于尋找去毒和解毒的物質十分重要，是減輕砷中毒危害研究的一個重要方面。

　　Instrument: 據我們所知，您與普析通用儀器公司合作開發的原子吸收和高效液相聯用儀獲得了BCEIA的金獎，可以從方法學，標準和儀器這三方面具體介紹一下你這個課題具體內容和進展情況么？
　　張教授：我在國外攻讀博士學位時期就開始從事元素形態分析方面的研究，涉及兩方面的研究內容：一是建立形態分析的方法，二是研究砷在人體內的代謝過程。在國外時，關于砷方面發表了10多篇論文。承擔科技部這個項目時，方法學問題已經基本解決了，主要內容是標準化，和在環境與食品安全檢測等各個領域的應用問題。

　　我國在元素形態分析領域有三個方面要做：第一，盡快建立重要有害元素的形態分析的國家標準；第二，推薦針對不同樣品的標準操作程序（SOP）, 并通過與國際相關實驗室比對，取得比較可靠一致的數據；第三，研究標準參考物質。此外，研制用于形態分析的儀器設備，是開展這一工作的前提和條件。所以我們幾個單位合作開展的科技部重大標準專項也是從這幾個方面做了研究。我們在研究階段主要選了四種重要的有害元素：As, Hg, Pb, Se，由國家標準物質中心、中科院生態環境中心、南開大學和我們對其進行研究。目前這一工作已經基本完成，取得了一些成果，包括申請了10個專利、研制了2個標準參考物質、與普析通用和吉天儀器分別合作研發設計了兩臺砷元素分析儀，與普析通用合作研發的儀器還獲得了金獎。下一步我們希望能擴展到其它元素。

　　我們和普析通用儀器公司合作開發的AS-90砷元素形態分析儀，是我國第一臺具有自主知識產權的基于高效液相色譜-氫化物原子吸收聯用技術的專用砷元素形態分析儀。我們和吉天儀器公司合作開發了高效液相色譜和原子熒光聯用儀器。當然效果最好是高效液相色譜和ICP-MS聯用。但是考慮到價格問題，普通的檢測機構和生產食品及海產品的公司采用高效液相與原子吸收聯用儀或者高效液相與原子熒光聯用儀就能達到元素形態分析的效果。儀器的關鍵技術是接口。液相色譜分離后原子吸收檢測，需要變成氫化物，因此必須有在線消解的過程。接口管路如果太長，色譜峰會展寬，多個形態的砷分不開。我們研究的接口采用40cm管道進行紫外消解，具有較強的技術優勢，申請了兩個專利。目前已在北京普析通用儀器公司和北京吉天儀器公司生產。

　　Instrument: 您可以談談元素形態分析的實際應用案例嗎？

　　張：元素形態分析在世界經濟和生活領域中有很多具體應用。
　　去年，大陸的魚罐頭運到香港后，發現砷超標，一時引起各界關注。我曾經在中國海域采了五個點，檢測上百種海產品包括魚蝦，海帶，紫菜等的砷含量。檢測出來發現，其實中國海產品，有毒的砷含量很低，絕大部分以無毒的形態存在。如魚主要是以砷甜菜堿，海帶和紫菜主要是以砷糖形態存在，這兩種砷無毒。某些產品砷超標，但也可能以無毒的形態存在。我在國外時，曾對當地玻璃廠和冶煉廠工人砷中毒的情況做過檢測，主要是區分工作中暴露所引起的砷中毒，還是由于吃魚引起的砷含量增高。可以通過砷形態分析技術給出科學的答案。元素形態包括價態，無機態，有機態，和蛋白質的結合狀態等，是個廣譜的定義。攝入體內的砷會和蛋白質結合，被載帶到肝臟，被甲基化酶轉化為一甲基砷，一甲基砷進一步變成二甲基砷，二甲基砷就不能進一步和蛋白質結合了，然后從肝臟進入腎臟，通過尿液排出。吃魚引起的砷含量增高主要表現為三甲基砷，代謝最多為二甲基砷，不能代謝成三甲基砷。通過二甲基砷和三甲基砷的區別，就可以給出可信的結論。

　　Instrument: 您認為我國在這個領域有那些需要注意和加強的地方呢？
　　張教授：歐盟和美國現在做元素分析，不僅做總量，在形態方面也給予相當的重視。而中國在這方面還沒有給予足夠的重視，這一點讓我們在很多方面都比較吃虧。
　　中國以前不是很重視標準，往往是到被人家卡住了，才制訂新標準。明智的方法是自己先提出新技術和新標準。不能只是別人卡我們，我們也可以卡別人。國家應該盡早建立微量元素的相關形態標準，以減少由其他國家制定標準，限制國產相關產品出口，而造成巨大經濟損失的事件。

　　Instrument: 這個課題有了完滿的結果，那么您今后的研究興趣又將集中在哪些方面呢？
　　張：不久前，我聯合另兩家單位又拿到國家自然科學基金委的“元素與生物物質的相互作用”的課題。對砷與人體的相互作用，包括砷和基因的相互作用，影響蛋白質表達的機制繼續給予關注。
　　此外，我除繼續從事分析化學方法學的基礎研究外。下一步，我還會對分析儀器的研究與設計投入更多的精力，盡自己所能為我國分析儀器的發展做出自己的貢獻。

　　張新榮教授簡介：

　　清華大學教授，博士生導師，清華大學分析中心主任，化學系副主任。兼《光譜學與光譜分析》雜志副主編，《分析化學》、《分析儀器》、《巖礦分析》、《化學通報》、《中國地方病雜志》等國內刊物的編委，以及國際刊物《LUMINESCENCE》雜志中國區編輯。北京市化學會副秘書長，長期從事環境與生物分析方法、儀器和應用研究，共發表論文百余篇。是第7、8、9、10屆 “International Symposium on Luminescence Spectrometry”科學委員會委員，第11屆該會議在北京召開時擔任主席。

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