基于Ni-NTA螯合树脂离线批量萃取与同位素稀释电感耦合等离子体质谱（ID-ICP-MS）的海水中Zn、Cu、Cd和Pb同步定量分析

《Results in Chemistry》：Simultaneous quantification of Zn, Cu, Cd, and Pb in seawater via offline batch extraction using Ni-NTA chelating resin and isotope dilution ICP-MS

　　

本研究建立了一种流程简化、空白值低的分析方案，用于同步测定海水中4种痕量金属（trace metals, TMs）——锌（Zn）、铜（Cu）、镉（Cd）和铅（Pb）的总溶解态浓度。该方法采用较小样品体积（10 mL），结合Ni-NTA Superflow?螯合树脂的离线批量萃取，以实现预富集和基体去除。定量分析通过单四极杆仪器上的同位素稀释电感耦合等离子体质谱技术（ID-ICP-MS）完成。研究人员对样品pH进行了优化，以确保4种金属在同步测定条件下获得最大回收率。该方法表明，超纯水（18.2 MΩ.cm）可作为基于Ni-NTA方法的可靠空白基体，从而无需进行试剂空白定量，并为低痕量金属海水或人工海水方案提供了更为简便的替代选择。痕量金属采用HNO₃（Optima?；0.5 M）洗脱，有效预富集倍数约为Zn 5倍、Cu 7.5倍、Cd 2倍、Pb 4倍。该方案获得的低检出限支持其应用于大洋和近岸海水样品分析。利用标准参考物质NASS-7（外海）和CASS-6（近岸）进行方法验证，结果与认证值高度一致。将该方案应用于GEOTRACES KH-15-03航次采集的样品后，所得深度剖面在海洋学上具有一致性，并与既往发表数据高度吻合。鉴于Nobias PA1树脂近期停止供应，该方法为海洋中这4种关键痕量金属的测定提供了一种稳健、经济且易获得的替代方案，而这些金属可作为海洋营养动力学和人为源影响的代理指标。

该文发表于《Results in Chemistry》，围绕海水中痕量金属（trace metals, TMs）高灵敏、低污染、低成本同步测定这一分析化学与海洋生物地球化学交叉问题展开。研究背景在于，Zn、Cu、Cd既是海洋浮游植物关键酶促与代谢过程所需的微量营养元素，又在较高浓度下表现出毒性；Pb则缺乏已知生物学功能，却是重要的人为源输入示踪元素。由于这些元素在海水中的浓度常处于10^?9 M至10^?12 M范围，且海水盐度高、基体复杂、易受污染，常规直接测定面临信号抑制、多原子离子干扰、空白控制困难和样品前处理复杂等问题。近年来，固相萃取（solid-phase extraction, SPE）与ICP-MS联用已成为主流方案，但依赖Nobias PA1树脂和SeaFAST?在线系统的方法存在成本高、维护复杂以及树脂停产带来的可持续性问题。因此，开发一种不依赖昂贵在线系统、可在单四极杆ICP-MS平台上完成、同时适用于近岸与大洋样品的多元素同步测定方法，具有明显现实必要性。

研究人员据此提出一种基于Ni-NTA Superflow?树脂的离线批量预富集方案，并与同位素稀释电感耦合等离子体质谱（ID-ICP-MS）联用，实现海水中Zn、Cu、Cd和Pb的同步定量。该研究的核心目标，不仅是建立一种分析性能可靠的方法，还要验证其在程序空白控制、基体去除、检出限、标准物质准确度以及真实海洋剖面适用性方面的综合可行性。最终研究表明，该方法在小体积样品（10 mL）条件下即可获得较低检出限和良好准确度；超纯水可作为可靠程序空白基体；在NASS-7和CASS-6中测值与认证值高度一致；在GEOTRACES KH-15-03航次AND 22站位样品中，获得了与既往数据相符且具有海洋学意义的垂向分布。研究意义在于，为Nobias PA1体系之外提供了可推广、成本相对较低且试剂可及性高的替代技术路径，有助于扩展海洋痕量金属时序观测与大尺度调查能力。

作者采用的关键技术方法主要包括以下几方面：首先，以Ni-NTA Superflow?螯合树脂进行离线批量萃取，实现海水样品中目标金属的预富集与盐基体去除；其次，配制⁶⁷Zn、⁶⁵Cu、¹¹⁰Cd和²⁰⁴Pb富集同位素混合加标液，通过ID-ICP-MS进行定量，以降低对定量回收率的依赖；再次，在单四极杆ICP-MS上结合He碰撞池和动能歧视（KED）模式校正多原子干扰与同量异位素干扰；最后，通过加拿大国家研究委员会认证标准海水NASS-7与CASS-6以及日本GEOTRACES KH-15-03航次AND 22站位不同深度样品，对方法准确度、精密度与海洋学适用性进行验证。样本来源包括近岸与外海标准参考物质，以及GEOTRACES航次10、30、75、100、200、300、500、700和1000 m深度海水样品。

在结果部分，论文首先保留并展开“3.1. Assessment of spike purity”。这一部分通过比较加标液中各潜在污染元素最丰同位素与富集同位素的校正后计数比，评估多元素混合同位素加标液的纯度。结果显示，目标同位素之间交叉污染在所有情况下均低于1%，说明4种单元素加标液混合后不会破坏最终浓度计算所依赖的同位素比值完整性，因此该“spike cocktail”适用于多元素同位素稀释分析。

“3.2. Sample pH and metal recoveries”聚焦于Ni-NTA体系中同步测定4种金属时最关键的工艺变量之一，即样品pH。作者指出，单元素方法可分别针对不同金属优化pH，而多元素同步分析必须在不同金属回收率之间进行折中。实验考察了pH 5至7区间内的回收率变化。结果显示，Cu在各测试pH下均保持较高回收率，约为70%–85%；Pb回收率约为30%–50%，随pH升高略有下降；Cd在较低pH下回收率较差，但在pH 6.3附近达到最高；Zn在测试范围内回收率约为40%–50%。综合Cd较低回收率、缓冲液引入空白的风险以及同步分析需求，研究人员将pH 5.8确定为最优条件。作者进一步强调，尽管批量萃取条件下不同重复间回收率存在波动，但ID-ICP-MS依据天然同位素与富集同位素比值进行定量，因此绝对回收率变化并不会损害最终浓度结果的准确性。

“3.3. Spike – Sample isotope equilibration time and isotope ratios”检验了加标后同位素平衡时间是否会影响测定结果，尤其考虑到研究面向的新加坡海峡样品富含溶解有机质（dissolved organic matter, DOM），可能影响金属络合态解离与同位素交换。作者以一份溶解有机碳较高的样品比较约5 min与约48 h两种平衡条件下的Zn、Cu、Cd、Pb同位素比和浓度。结果表明，两种条件下测得同位素比和浓度基本一致，提示在本实验条件下，同位素平衡并未成为限制因素。但为确保分析稳健性，常规流程中仍采用2 d平衡时间。

“3.4. Procedural blanks and detection limits”是全文的重要创新点之一。作者比较了3类程序空白基体：经三次共沉淀处理的低痕量金属日本海水、低痕量金属新加坡近岸海水以及超纯水。结果显示，两类海水空白即使经处理后，对Cd、Cu和Zn仍表现出显著更高的背景值，而Pb在不同基体间差异不显著。研究人员据此认为，在该Ni-NTA流程中，由于主要海水离子在树脂螯合和后续超纯水清洗过程中已被有效去除，最终洗脱液进入ICP-MS时复杂基体效应显著降低，因此程序空白的关键不在于“基体匹配”，而在于尽可能降低背景值。超纯水既能避免海水基体本身的残余金属引入，又能提升对处理过程污染的敏感性，因此被确认为最合适的程序空白基体。基于超纯水计算得到的检出限分别为Zn 0.43 nM、Cu 0.03 nM、Cd 0.17 pM、Pb 0.21 pM。作者指出，Zn检出限略高于部分已有方法，在极贫营养大洋表层环境中可能接近实际浓度下限；但Cu、Cd和Pb的空白与检出限均表现优良。

“3.5. Certified reference materials”通过NASS-7与CASS-6认证标准物质验证方法准确度和精密度。测定结果显示，Zn和Cu与认证值偏差低于约3%，Cd虽略低但仍处于认证不确定度范围内，Pb同样落在认证区间内。重复测定的相对标准偏差（%RSD）普遍低于10%，仅NASS-7中Zn略高，但作者指出这与Zn在低纳摩尔水平分析中易受微小空白贡献影响的特点一致。结合同位素稀释对回收差异和仪器漂移的补偿作用，这部分结果证明该方法在不同海水基体中具有可靠准确度。

“3.6. Depth profiles from the GEOTRACES (site: AND 22) for cross-comparison”将方法应用于日本GEOTRACES KH-15-03航次AND 22站位的深度剖面样品。Zn剖面显示典型“营养盐型”分布，即表层低、深层高，与既往研究总体形态一致，但上层300 m浓度略高于Nakaguchi等报道；作者认为这更可能反映方法学差异而非时空变异。Cu同样呈营养盐型垂向分布，与既有结果符合良好。Cd剖面与已发表数据高度相似，仅在300–1000 m间略低，但整体垂向结构保持一致。Pb剖面则表现为表层较高、随深度降低，并在200–400 m附近存在次表层高值，这与既往报道的海洋学特征相符。进一步地，Cd与PO₄^3?、Zn与Si(OH)₄之间均呈显著正相关，重现了全球海洋中经典的营养元素耦合关系。这说明该方法不仅在分析化学层面有效，也能分辨真实的海洋生物地球化学信号。

在“4. Potential for expanding to include other metals”中，作者讨论了该体系向更多元素扩展的可能性。基于既有NTA文献，Fe、Co、Mn等元素具有一定纳入潜力，但也存在限制。Fe尽管可通过NTA树脂富集，但需高分辨ICP-MS以处理⁴⁰Ar¹⁶O⁺对⁵⁶Fe和⁴⁰Ar¹⁴N⁺对⁵⁴Fe的干扰。Co和Mn则因单同位素特征，无法直接采用ID-ICP-MS，需要改用其他校准策略，并解决非定量回收带来的误差控制问题。因此，当前协议对Zn、Cu、Cd和Pb最为成熟，而向其他金属扩展仍需进一步实验优化。

论文讨论与结论部分强调，该方法在分析原理上充分利用Ni-NTA树脂易获取、运行稳定、适用pH范围较宽以及不易发生与天然有机配体再平衡等优势，同时借助ID-ICP-MS克服非定量回收的局限，从而形成兼具实用性与准确性的海水痕量金属分析流程。与依赖在线预浓缩和特定树脂供应链的方法相比，该方案更具经济性、可复制性和实验室可及性，尤其适合资源受限条件下的大批量样品研究与时间序列观测。作者也明确指出，Zn空白和检出限仍可能限制其在极低Zn开放大洋表层海水中的应用，但通过进一步优化酸洗、缓冲液纯度和样品处理器具，仍有改善空间。

研究结论部分可译为：本研究建立了一种简化且具有成本效益的海水中4种具有海洋学与生态学重要性的痕量金属——Zn、Cu、Cd和Pb——同步测定方法。该方法采用易获得的Ni-NTA Superflow?螯合树脂进行离线预富集和基体去除，并结合成本较低的单四极杆ICP-MS上的同位素稀释定量。该流程实现了较低的程序空白和检出限，适用于大洋与近岸海水环境中的痕量金属分析。尽管Zn检出限在某些海域可能接近其最低环境浓度，但对大多数海洋研究情境仍属适用。通过近岸标准海水CASS-6和外海标准海水NASS-7进行方法验证，测定值与认证浓度高度一致。该方法进一步应用于GEOTRACES KH-15-03航次AND-22站位样品，获得了Zn、Cu、Cd和Pb的垂向分布，结果与已发表剖面数据一致，并呈现出与磷酸盐、硅酸盐等常量营养盐相符的典型营养盐型行为及相关性。总体而言，该方法表现出良好的分析稳健性、实践可及性和海洋学相关性，为海洋体系中痕量金属分布的大尺度调查和时间序列研究提供了一种可靠且经济的技术路径。