专利名称：活性物质的物种化同位素稀释质谱法及相关方法
技术领域：
本发明涉及采用和测量的物质相同物种形成形式的富集物种化(speciated)同位素示踪物的方法，而不考虑不完全提取，或者转化，部分破坏及不稳定性的存在。
在包括环境、生物、药物和工业样品的许多环境中，以及在标准的参考材料中，需要对关心的核素进行定量确定。例如，某些形式的元素或者分子种类表现出不同于其它元素或分子种类的毒性或者化学性能。除电化学方法之外，其余的现有技术都主要依赖于物理分离和时间。这些技术不能确定物质转换(从一个物质形式变换为另一物质形式)是否被丢失、产生或者被改变或者被完全恢复。这种技术不能用于确定一种物质向另一物质的转变，存储过程中的破坏或产生，测量过程中的处理和样品制备，或者不能用在在测量过程中是不完全的或者是可变的分离中。
这种测量的临界性的一个例子是应考虑铬。虽然Cr(Ⅲ)是人体健康必不可少的微量元素，但是对人类和绝大多数其它动物来说Cr(Ⅵ)是有毒的，并且还是致癌物质。从而，这两种物质之间的差别，即该元素的氧化状态的不同可能非常重要。虽然色谱法可用于以时间分辨力的方式使Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)分离，但是由于每种物质可与其周围环境反应，甚至与分离剂反应，因此色谱分离只是处理结束时记录事件状态的瞬象。在分析过程中，每种物质可与许多其它试剂反应，并被转换。于是，对时间分辨力来说，没办法确定当实验开始时，或者当实际获取样品时，在每种物质中实际存在多少铬。
对于特殊的方法，通常需要特定的物质。例如，在某些化合物形式下，钡是有毒的，但是它还通常以液体浆料形式的硫酸钡的形式应用于医学诊断x射线检验。利用同位素示踪的硫酸钡，可实现钡转化为另一物质的身体处理的构象和评价。这些研究已经完成了，但是物种化同位素稀释测量还没有应用于这种分析。
对于铅来说，由于这种元素的地球上唯一的并且自然产生的同位素组分差别，已进行了某些同位素追踪。同位素比可与特定源相匹配，以确定铅的起源。这些测量不是物种化测量，但是依赖于要检测的天然物质的同位素比差别。该技术还用于铅陶器釉，以确定艺术对象的起源，但是在这种情况下，还确定了自然产生的同位素比。，铅是唯一可行的，依据同位素比方法，就起源而论要评价的非放射性元素，因为其同位素比随着最初矿床中与铅混合的铀的数量而改变。对于不同的铅矿床，铀衰减为不同的铅同位素产生独特的同位素比。
现代分析仪器的发展集中在越来越低的浓度的精确确定上。技术已解决了较多，较少，微量及超微量元素的确定。在各个分析水平下，这些技术主要涉及被分析物的体相浓度。
我的在先美国专利5414259公开了一种测量存在于特定样品中的元素物质，而不是其整体元素浓度的方法的方法。该专利的公开内容作为参考包含于此。
由于各种原因，包括例如在环境科学，医药，生物过程监视，营养学及工业中系统的表征和评价，希望测量物质。由于这些过程中的化学性质因物质而不同，因此在物种形成水平测量微量元素的存在。例如，Cr(Ⅲ)是人类健康所必不可少的微量元素，而Cr(Ⅳ)对人类和其它动物来说是有毒的，并且是致癌物质。这些形式的每一种都是一种铬，并且都与其独特的化学反应相联系。差别在于元素的氧化态。可能感兴趣的其它物质的例子是无机离子并且与有机分子共价结合的组合物，例如汞和甲基汞。其它一些是具有不同配合基的不同螯合物，另一些是完全不同的有机分子。在化学文献中描述了许多物质，并且为了确定在化学处理和测量过程中，物质浓度方面的变化及相关丰度是否已改变，非常需要一种区别多数物质的通用比较方法。
元素物种形成的方法已为人们所知。参见Allen，H．E．；Huang，C．P．；Bailey，G．W．；Bowers，A．R．“金属物种形成和土壤的污染”；Lewis PublisherBoca Raton，Florida，1995；Batley，G．E．“示踪元素物种形成分析方法和问题”；CRC PressBoca Raton，Florida，1989；Das，A．K．；Chakraborty，R．；Cervera，M．L．；de la Guardia，M．Mikrochim．Acta 1996，122，209-246；Kramer，J．R．；Allen，H．E．“金属物种形成理论、分析和应用”；Lewis PublishersChelsea，Michigan，1991；Krull，I．S．“示踪金属分析和物种形成”；ElsevierOxford，1991；Van Loon，J．C．；Barefoot，R．R．Analyst(London)1992，117，563-570；Vela，N．P．；Olson，L．K．；Caruso，J．A．Anal．Chem．1993，65，585a-597a。在该文献中识别了导致物种形成分析方面的错误的几个具体问题。目前，只能按照例行程序并精确地进行总的元素浓度的整体测量。对于物种形成方法来说，存在几个潜在的问题。许多物质是活性的，并且在采样，存储和测量步骤中被转化或变换为其它物质。另外，在这些过程中，物质继续反应，在数值测量之前，可被改变许多次。此外，这些传统方法不校正物质与分离剂之间的可能反应。从而，虽然借助这些方法实现的分析既精确又可再现，但是这种分析的结果并不是完全可靠的。例如，加利福尼亚州已颁布了关于水中、土壤中和被污染废物中Cr(Ⅳ)的分析的法规，即使进行这些测量的方法并不完全精确。出于调整目的，环境解决方案必须关于总的铬极频繁地分析样品，并假定所有的铬处于+6氧化态。这可能是安全的，但是这是一种简单的解决方案，并浪费大量的金钱在不必要的纠正上。也应用了其它一些精度未知的方法，例如US EPARCRA(United States Environmental Protection Agency’s ResourceConservation and Recovery Act)方法3060(使Cr(Ⅳ)和土壤和固体物质分离的碱抽提方法)和7196(量化Cr(Ⅵ)的紫外线-可见光测色方法)。这些方法具有偏差，并且在各种样品本体中是不精确的，没有任何方法来评价它们自身的精度，并需要另一方法来验证它们。到现在为止，仍然不存在评价这些方法中的偏差的验证方法或途径。虽然一些方法对某些本体是精确的，对其它本体是无效的，到目前为止，没有告知对于具体的本体，哪种方法是合适的途径，并且不存在验证方法的方法。
传统的方法并不精确地分析物质浓度。例如，最近的一篇论文中报道的结果指出抽提过程中的退化。为了消解退化，使用更短的抽提时间来抽提锡物质。已知的方法并不提供校正物质退化或者校正或评价抽提效率低的手段。参见Donard，O．F．X．；Lalere，B．；Martin，F．；Lobinski，R．Anal．Chem．1995，67，4250-4254。这类方法被用于获取物质浓度的一致，这里假定持久精度是精确的，并在标准参考材料的确认中忽略系统误差。这些情况下，标准材料方面的误差，及标准材料确认中使用的方法的验证方面的误差是可再现的，并且是可转换的，往往会包括在分析技术中及包括在使用它们确认的标准中。由于在这些方法中不存在评价方法协议和由这些协议产生的标准的精度的附加自由度，不能评价系统偏差。
在分析检测之前，传统的分析方法要求完全抽提。为了在抽提效率和物质退化之间实现这种平衡，需要一种不受这些定量限制的技术。分解本体，以使物质与样品分离，同时保持物质自身，是一项需要大量准备的复杂任务。由于绝大多数检测器不能区分物质，因此还需要把一种物质与另一物质分开。分析过程中诸如Cr(Ⅳ)之类物质的转换已为人们所知。例如，EPA方法3060A(SW-846 EPA Method3060AAlkaline Digestion of Hexavalent Chromium，Test Methods forEvaluating Solid Waste，第三次修订本；U．S．EnvironmentalProtection AgencyWashington，DC，1997)使用碱浸提来保持Cr(Ⅵ)，并试图在抽提过程中阻止Cr(Ⅵ)Cr还原为(Ⅲ)(James，B．R．；Petura，J．C．；Vitale，R．J．；Mussoline，G．R．Environ．Sci．&Tech．1995，29，2377-2381；Vitale，R．J．；Mussoline，G．R．；Peura，J．C．；James，B．R．J．of Environ．Qual．1994，23，1249-1256；Vitale，R．J．；Mussoline，G．R．；Peura，J．C．；James，B．R．Am．Environ．Lab．1995，7，1)。成功的程度取决于本体，并且不知道该方法适用于哪些本体。从而通常采用该方法时存在已知的不精确性。EPA方法7196A(SW-846EPA Method 7196AChromium，Hexavalent(colorimetric)，TestMethods for Evaluating Solid Waste，第三次修订本；U．S．Environmental Protection AgencyWashington，DC，1996)，一种用于Cr(Ⅵ)的UV-Vis检测方法，已广泛用于通过在pH值=2的情况下检测显紫色的络合物，Cr(Ⅵ)-二苯卡巴肼，量化Cr(Ⅵ)(Nazario，C．L．；Menden，E．E．J．Am．Leather Chem．Assoc．1990，85，212-224)。但是，当该方法应用于具有络合物本体的样品时，存在几个问题(Harzdorf，A．C．Int．J．Environ．Anal．Chem．1987，29，249-261；Milacic，R．；Stupar，J．；Kozuh，N．；Korosin，J．Analyst(London)1992，117，125-130)。诸如Fe2+和一些有机物之类的共存本体组分可通过在测量过程中还原Cr(Ⅵ)而干扰Cr(Ⅵ)(SW-846 EPA Method 7196AChromium，Hexavalent(colorimetric)，TestMethods for Evaluating Solid Waste，第三次修订本；U．S．Environmental Protection AgencyWashington，DC，1996)。对于具体的本体和样品类型，已知的方法不验证这些方法。对于关于其它活性物质的物种形成测量的其它方法，存在类似的问题。
关于物种形成测量的方法主要涉及感兴趣的物质与相同元素的其它物质形式的物理分离，及该子样品的分析(Fong，W．；Wu，J．C．G．Spectrosc．Lett．1991，24，931-941；Beceiro Gonzalez，E．；BermejoBarrera，P．；Bermejo Barrera，A．；Barciela Garcia，J．；BarcielaAlonso，C．J．Anal．At．Spectrom．1993，8，649-653；Peraniemi，S．；Ahlgren，M．Anal．Chim．Acta 1995，315，365-370；Beceiro Gonzalez，E．；Barciela Garcia，J．；Bermejo Barrera，P．；Bermejo，B．Fresenius’J．Anal．Chem．1992，344，301-305)。该方法通常假定在后续处理和分析步骤中，物质转换是可忽略的。但是，情况并不必须是这样。感兴趣的物质与本体的剩余部分的分离可使分析过程并复杂，并延长分析过程。例如，在提交给元素分析器，例如ICP-MS之前，色谱法可分离混合物中的两种不同形式的Cr。由于每种物质可与其它周围环境，甚至与分离剂反应，因此色谱分离之后的检测只是该时间时的物质分布的确定，并包含所有变更的浓度漂移。在存储和分析步骤中，每种物质可与其它样品组分和试剂反应，并被转换(Behne，D．Analyst(London)1992，117，555-557)，于是，当初始获取样品时，或者在完全抽提方法中的任意处理步骤之前，没有确定以每种物种形成形式实际存在的铬的数量的可靠方法。这样的问题导致限制这些测量在环境决策方面的应用，以及用于其它目的，例如在法庭上应用的偏差和不精确性。
关于铬和物种形成的分析摘要数据库(Royal Society ofChemistry，England)表示出已用于物种化铬分析的各种不同途径。这些途径主要是电化学法，提取法和色谱法。电化学法可根据相应物质的不同还原电位，区分简单混合物中两种不同形式的铬，但是本体组分，尤其是残留的有机化合物可使样品复杂化，干扰测量，并在实际的环境样品中完全遵守该测量(Hassan，S．S．M．；Abbas，M．N．；Moustafa，G．A．E．Talanta 1996，43，797-804；Paniagua，A．R．；Vazquez，M．D．；Tascon，M．L．；Sanchez Batanero，P．Electroanalysis(N．Y．)1993，5，155-163；Achterberg，E．P．；Van den Berg，C．M．G．Anal．Chim．Acta 1994，284，463-471)。对于更复杂的样品本体，色谱法可在检测前使Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)物理分开(Michalke，B．Fresenius’J．Anal．Chem．1996，354，557-565；De Smaele，T．；Moens，L．；Dams，R．；Sandra，P．LC GC Int．0 1996，9，138-140，142；Pobozy，E．；Wojasinska，E．；Trojanowicz，M．J．Chromatogr．，A 1996，736，141-150；Tomlinson，M．J．；Wang，J．；Caruso，J．A．J．Anal．At．Spectrom．1994，9，957-964)。另外，还可采用提取法。但是这两种常规的物种形成方法都不能校正测量之前或者测量过程中发生的任意物质转换。
铬物质的分析被选为本公开的例子。由于Cr(Ⅵ)的环境测量，以及其它类型的缘故，SIDMS是重要的。另外，在环境样品中，只有两种铬氧化态是主要的，+3(Cr3+)和+6(CrO2-4和Cr2O2-7)，从而降低了可能反应的数目。每种物质的反应化学已被彻底研究。一般参见(Harzdorf，A．C．Int．J．Environ．Anal．Chem．1987，29，249-261；Serfass，E．J．；Muraca，R．F．In ChromiumChemistry of chromiumand its compounds；Udy，M．J．，Ed．；Reinhold PublishingCorporationNew York，1956；Vol．I，PP 53-75；Weckhuysen，B．M．；Wachs，I．E．；Schoonheydt，R．A．Chem．Rev．1996，96，3327-3349)，并为本领域中的技术人员所知。另外，由于Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的毒性显著不同，因此Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)之间的区别是非常重要的。已知Cr(Ⅲ)是葡萄糖新陈代谢方面的重要营养素，而Cr(Ⅵ)对人和动物具有很大的毒性，导致某些类型的癌症(Paustenbach，D．J．；Meyer，D．M．；Sheehan，P．J．；Lau，V．Toxicology and Industrial Health1991，7，159-196；Nriagu，J．O．；Nieboer，E．In Advances inEnvironmental Science&Technology；Nriagu，J．O．，Ed．；John Wiley&SonsNew York，1988；Vol．20；Burrows，D．Chromium Metabolismand Toxicity；CRC Press，Inc．Boca Raton，FL，1983)。毒性方面的差别对于被污染点的环境补救的类型和费用非常重要。Cr(Ⅲ)的存在可能不需要任何环境清除，而Cr(Ⅵ)的存在需要进行补救。本发明的程序适用于含有可相互转化的两种物质的样品，每种物质也可被消灭或者增加。虽然本公开只采用了两种特定物质，但是SIDMS既不限于这两种物质的测量，也不限于该单个特定物质的测量。
尽管存在前述现有知识和程序，仍然非常需要一种准确地量化感兴趣的活性物质的方法，该方法补偿物质的不完全提取，分离，离析或者退化，以及现有技术的相关不足，例如需要验证准确性未知的手段。
通过为溶液提供独特的一套方法，本发明已解决了前述问题。
在补偿物质转化和不完全分离的情况下，该方法提供样品中所含的一种或多种物质的量化。在一个优选实施例，预先确定的稳定同位素被转化为对应于同一样品中要测量的物质的物种化富集同位素。含有要测量的物质的样品被掺入示踪物，并使同位素示踪物质和要测量的物质均衡。使所有物质与样品分离，并测定要测量的每种物质的同位素比。随后把同位素比用于数学去卷积物质浓度，同时修正物质转化和／或不完全分离。该方法可同时应用于一种以上的要测量物质。样品可以是含水样品，例如含有水溶液的物质，或者可以是固体样品，例如其中具有一种或多种物质的土壤本体。该方法可用于量化Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，以及拥有金属的多种同位素的其它物质或者配位体或分子。
可借助诸如时间分辨色谱法之类的色谱法，或者诸如溶剂稳定性之类的其它适当提取手段，或者其它适当的分离手段实现分离。诸如ICP质谱仪之类的质谱仪，或者其它适当的质谱仪可用于测定同位素比。
本发明的方法还可用于确认传统的物种形成分析方法或者其它物种形成分析方法。该方法还可用于分析物质并证明标准物料，以及用于制备物种化示踪标准物料。
本发明的一个目的是提供一种通过利用物质的同位素示踪物添加，分离和同位素稀释馏分测量，测定样品中感兴趣物质的数量，从而测量元素物质，离子物质，分子物质或者络合物物质的方法。
本发明的又一目的是提供一种不考虑物质的不完全提取，溶解性，分离，离析或退化，实现感兴趣物质的准确量化的方法。
本发明的又一目的是为特定的本体类型，及为保存物质的程序变动提供一种用于确认准确性未知的其它方法的方法。
本发明的又一目的是提供这样一种方法，该方法通过标记物的利用，简化对物质不完全分离的修正，标记物把同位素示踪物质和要测量的物质结合在一起。
本发明的另一目的是提供这样一种方法，该方法将允许测量并修正物质的相转化，不溶性转变及挥发性形式，同时保持量化物质的能力。
本发明的又一目的是提供一种根据样品的未知馏分，实现该样品中特定物质的定量物种化测量的方法。
本发明的又一目的是提供这样一种方法，该方法允许物质转化，并修正这些转化。
本发明的又一目的是提供这样一种方法，该方法不仅修正物质转化，而且还提高测量的精度和检测极限。
本发明的另一目的是提供这样一种方法，该方法允许不考虑样品的测量，处理，存储或采样过程中发生的转化，准确地量化样品中感兴趣的活性物质。
本发明的另一目的是提供对标准样品编码，通过进行SIDMS测量，修正退化，并且通过保持其当前的新同位素比和浓度，修正物质，从而允许在物质显著退化之后，应用这些物质的方法。
本发明的另一目的是允许制备物种化标准样品，该样品先前已以允许在存储和可能的退化之后，使用这些标准样品的物种化形式，掺入独立的稳定同位素。
本发明的另一目的是借助SIDMS，通过评估，允许评估标准样品中的物质，从而关于单一或多个物质的当前浓度，确认这些标准样品的当前完整性。
本发明的又一目的是提供这样的方法，该方法可用于确认其它物种化分析方法，所述其它物种化分析方法可和本发明的方法一起被应用。
本发明的另一目的是提供分析物质，以便允许证明包括物种化示踪标准物料在内的标准物料的方法。
参考附图，根据本发明的下述说明，将更彻底地理解本发明的这些和其它目的。
图1(a)-1(f)是用于同时测定Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的同位素身份-同位素数量的柱状图。
图2(a)和2(b)表示了含有Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的溶液的未掺入同位素示踪物样品和掺入同位素示踪物样品的相应分离。
图3表示了死寂时间修正对利用质谱法测得的同位素比的影响。
图4是表示水样品的三份等分试样的制备和处理的流程图。
图5是表示利用本发明的方法和另一方法处理土壤样品的流程图。
图6表示了土壤本体对利用本发明的方法和另一方法测定的Cr(Ⅵ)的回收率的影响。
图7(a)-7(c)表示了在相对于酸化步骤的不同时间间隔测定的掺入土壤提取液中的Cr(Ⅵ)的还原的一系列曲线图。
图8是时间-关于不同程度不完全分离的百分率的曲线图。
图9(a)和9(b)表示了当关于不完全分离修正时，关于Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的柱状图。
图10是在包括应用微波能在内的不同条件下，Cr(Ⅲ)的氧化的柱状图。
这里就含有要定量分析的物质的样品而论采用的术语“物质”指的是各种元素物质，各种离子物质，各种分子物质，各种螯合物物质，各种络合物物质，例如金属有机物质及适用于在本发明的分析下的化学定量物质的其它物质。
这里使用的术语“同位素元素物质比”或者“同位素比”指的是“物质”的同位素比。
比起我的在先美国专利5414259，Speciated Isotope Dilution MassSpectrometry(SIDMS)来，本发明是一个改进，该专利的公开内容作为参考包含于此。SIDMS提供允许以超出传统的度量方法的能力的准确性，再现性及可防御性进行这些测量的新方法。和试图防止物质在分析过程中发生变化的传统方法相反，SIDMS允许发生转换物质的反应，并通过数学方法修正这些转换。该方法还是评价更传统方法中的物质转换的诊断工具，允许评价并验证这些方法。这种新方法被制定为第一EPA Reference Method 6800，将以(SW-846 EPA Method6800Elemental and Speciated Isotope Dilution Mass Spectrometry，Test Methods for Evaluating Solid Waste，第四修订版；1998)的形式出版。为了举例说明本发明的SIDMS分析方法及改进的验证效率及标准原理，将公开同时测定水中，铬铁矿处理残余物(COPR)中，及土壤提取物中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的例子。虽然许多物质分离方法的质谱仪可应用于SIDMS，但是为了便于说明，将讨论分离Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)物质的离子交换色谱法，测量用于证明的同位素比的感应耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，以及微波抽提的应用。ICP-MS的易操作性使该方法适用于许多分析实验室。
传统的同位素稀释以向样品中添加已知量的富集同位素为基础。添加的同位素与样品中的天然元素的均衡改变测量的同位素比。利用示踪物和天然元素的已知同位素丰度，加入样品中的示踪物的数量及均衡后改变的同位素丰度，可计算元素的浓度，该均衡通常包括所有物质的破坏。常规IDMS(隔离稀释质谱法)的方程式表示如下RM=AxCxWx+AsCsWsBxCxWx+BsCsWs………1]]>这里，RM是同位素A与同位素B的实测同位素比；Ax和Bx是样品中同位素A和B的原子百分率；As和Bs是示踪物中同位素A和B的原子百分率；Cx和Cs分别是样品中和示踪物中元素的浓度；Wx和Ws分别是样品和示踪物的重量。通过重新整理方程式1，可如下计算样品的浓度Cx=(CsWsWx)(As-RMBsRMBx-Ax)......2]]>IDMS已被证明是一种用于确定各种本体中的全部金属的高精度技术(Lagerwaard，A．；Woittiez，J．R．W．；de Goeij，J．J．M．Fresenius’J．Anal．Chem．1995，351，786-789；Van Raaphorst，J．G．；Haremaker，H．M．；Deurloo，P．A．；Beemsterboer，B．Anal．Chim．Acta 1994，286，291-296；Fassett，J．D．；Paulsen，P．J．Anal．Chem．1989，61，643a-644a，646a，648a-649a)。比起其它校准方法来，IDMS具有几个优点。在示踪物和样品的均衡之后，被分析物的部分损失不会影响测量的精度。由于物理和化学干扰对同一元素的所有同位素具有相同的影响，因此物理和化学干扰对测定的影响较小。在ICP-MS上可以高精度，通常相对标准偏差(RSD)≤0．5％测量以IDMS量化要测量的主要参数，同位素比。可测量和修正诸如质量偏差和死寂时间修正之类的其它修正。通常质谱法中的偏差是可测量并可预测的，并且在某些质谱仪中，对于诸如热离子化质谱仪(TIMS)之类的仪器，可以万分之一以内的精度测量质量比。于是，IDMS被认为是“决定性的”分析方法。由于其精度高以及决定性的测量能力，IDMS是标准参考材料(SRM)的验证及原子重量确定中使用的基本方法(Moore，L．J．；Kingston，H．M．；Murphy，T．J．；Paulsen，P．J．Environ．International1984，10，169-173)。该方法也是确定总的元素浓度的EPA Method 6800的一部分。该EPA方法计划由US Government Printing Office在1998年制版。
本发明的SIDMS方法采用了不同于传统的物种形成方法的独特的物种形成分析途径。传统的物种形成方法试图使各种物质保持静态，同时使测量已知。但是，物种形成抽提，隔离和分析方法总是在转换已发生后才测量物质。SIDMS已设计成解决关于物质转换的修正，这是其它已知方法不能实现的。在SIDMS中，利用呈相应物质形式的富集不同同位素的示踪物“标记”每种物质。这样，在加入示踪物之后发生的转换是可跟踪的，并可通过数学方法修正。SIDMS在保持IDMS的诸如较小的物理和化学干扰之类优点的同时，它还能够修正物质的退化或者物质之间的转换。作为诊断工具，SIDMS还允许物质变化过程，并且允许评价和验证其它更多的传统物种形成分析方法。参见美国专利5414259。
利用物种形成IDMS，可用已被化学转换为单一物质的一种或多种分离的同位素向样品中加入示踪物，这是SIDMS和传统的IDMS之间的一个主要区别。随后使示踪物和天然发生的活性物质均衡，并和天然发生的物质同时，借助其它方式从样品物质中提取示踪物，或者使示踪物和样品物质分开。利用同一元素的高度富集的不同同位素标记选择的天然发生的物质。用化学方法不能把富集同位素的物质和相同的“天然”物质分开。一旦均衡，富集同位素的物质和天然物质都经历相同的反应。诸如抽提或者质谱法之类的传统分离方法被用于分离物质。传统上，每种物质与其它物质完全分隔开，并在独立的溶液中被析出。横跨色谱峰，对每种物质估算同位素比，以便在加入示踪物和分析之间的时间，确定各种物质之间的交叉程度。于是，在采样和分析程序中的每一步骤，能够修正物质的退化，或者可使不同物质互换。这便于精确地回算不同化学物质的原始样品浓度，这是以前不能进行的修正。我的美国专利5414259公开了没有采用物种形成同位素稀释的情况下进行估算的研究。该专利还公开了物质转化的修正。
SIDMS不要求物质之间的完全分离。由于ICP-MS并不特定于物质，可如同已转化为另一物质的物质那样处理未分辨的物质。于是，设计用于修正物质转化的相同程序和方程式可用于修正如不完全抽提和离析中的不完全分离。
SIDMS具有超出先前公开的应用范围之外的应用及改进的效率。首先，SIDMS可有效修正诸如抽提和色谱法之类的常规分离方法中物质的不完全分离。其次，SIDMS可用作在关于偏差和精度对其它方法进行评价之后，允许使用这些其它方法的验证方法。第三，SIDMS可用作结合到物种形成标准物质的精确制备和评估中的方法。
本发明通过把SIDMS扩展到修正物质的不完全分离，提供了一种新的应用，并改进了SIDMS的应用的效率。SIDMS不要求物质之间的完全分离。由于质谱仪并不特定于某些物质，因此分离的使用足以离析物质。通常，在现有技术中，抽提和色谱法都已被应用。但是，没有连同物质的退化和转化的修正一起，修正分离效率。通过允许物质的不完全分离，以及修正每种物质相互之间的混合，SIDMS改进了处理的效率。
另外，本发明允许制备具有先前标记的同位素和天然物质的标准物质，以验证其它物质分析方法。允许确定独立的分析程序技术的偏差，与该程序相关的偏差，以及本体中在这些其它方法中导致偏差的天然物质的效果。可实现特定的其它方法的验证，并且它们的测量结果的检验允许在未知偏差会妨碍这些方法应用的场合使用它们的测量数据。
精度的测验需要关于物质验证的标准参考物料，并且SIDMS的应用允许验证这些物料，并且在一些时间之后重新评估这些物料。通过制备物种化参考物料，当验证时，并且在后续某些时刻，可借助SIDMS分析该物料，并利用SIDMS程序，确定物料的精确性。这允许在SIDMS分析之后，使用由于变化的物质组成而导致不准确的物料。准确性会被局限于由质量鉴别设计完成的同位素比测量的准确性。
图1(a)～1(f)表示了假想样品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的同位素丰度。图1(a)和1(b)中应用SIDMS同时确定Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的假想示例表示了在50μl的200ng／g Cr溶液中，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)物质的初始天然同位素丰度，在该溶液中，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的浓度均为100ng／g。随后向样品中加入富集50Cr的Cr(Ⅲ)同位素示踪物，和富集53Cr的Cr(Ⅵ)同位素示踪物，在加入同位素示踪物之前，上述同位素示踪物被转换为相应的物质。随后可在Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)物质中测量改变后的同位素比。在图1(c)和1(d)中，样品中被加入100ng／g的50Cr(Ⅲ)(其中富集50Cr)和100ng／g的53Cr(Ⅵ)(其中富集53Cr)，并且在Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)之间不存在转化。这些测得的同位素比被用在加同位素示踪物时每种物质的浓度的去卷积中。图1(e)和图1(f)中图解说明了Cr(Ⅲ)到Cr(Ⅵ)及Cr(Ⅵ)到Cr(Ⅲ)的20％相互转化的例子。在图1(e)和1(f)中，20％的Cr(Ⅲ)被转化为Cr(Ⅵ)，20％的Cr(Ⅵ)被转化为Cr(Ⅲ)。不同程度的转化导致不同的同位素丰度，从而相对同位素丰度的变化可用于确定物质及转化程度。
在本发明的一个优选实施例中，该过程涉及为关于其进行定量测定的每种天然物质提供同位素示踪物。物种化测量以把富集的物种化同位素(“示踪物”)转换为和感兴趣的物质相同的物种化形式为基础。可利用反向同位素稀释方法校准同位素示踪物的浓度。可以水溶液的形式提供含有要评价的物质的样品。把同位素示踪物引入溶液中，并实现均衡。随后借助色谱法或者其它已知方法分离物质，之后，采用能够实现同位素的基线分辨率的质谱仪测量包括50Cr(Ⅲ)与52Cr(Ⅲ)，以及53Cr(Ⅵ)与52Cr(Ⅵ)之比的同位素比。为要量分的每种物质单独进行同位素测量。随后采用测得的同位素去卷积物质浓度和转化。这可通过数学方法实现。
为了更深入地了解本发明的SIDMS的应用，将研究含水样品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的确定。
例1步骤1同位素示踪物制备和校准为Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅳ)制备分别用于这两种物质的同位素示踪物。对于Cr(Ⅲ)，使用了富集50Cr的示踪物，对于Cr(Ⅳ)，使用了富集53Cr的示踪物。利用使用天然铬的反向同位素稀释方法校准这两种示踪物的浓度。
步骤2样品收集和加入同位素示踪物收集含水样品，随后加入双同位素示踪物50Cr(Ⅲ)和53Cr(Ⅵ)。为了得到较高的精度，利用在Kingston，H．M．；Pella，P．A．Anal．Chem．1981，53，223-227中描述的方法，按重量加入同位素示踪物。
步骤3样品物质和示踪物物质均衡通过以水相形式混合样品和同位素示踪物，使样品与同位素示踪物均衡。
步骤4物质的分离与感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)相连的阴离子交换色谱系统在不同体积的洗提液中物理分离Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)部分。图2(a)表示了未加同位素示踪物样品的色谱图，图2(b)表示了加入同位素示踪物的样品的色谱图。图2(a)表示了含有具有天然同位素丰度的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的溶液的色谱图，图2(b)表示了加入同位素示踪物50Cr(Ⅲ)和53Cr(Ⅵ)的相同溶液的色谱图。
步骤5每种物种化组分的同位素比测量色谱峰上的每个样品点含有物质的同位素分布，允许对于每次注入重复测量同位素比。通过使用ICP-MS，独立地完成Cr(Ⅲ)及Cr(Ⅵ)的同位素比测量。
步骤6物质浓度和转化的测定
采用测量的同位素产生同位素比，并关于物质浓度和转化，通过数学方法对物质浓度进行去卷积。关于加入双同位素示踪物的SIDMS的一组方程式(3)～(6)可用于明确计算水相样品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的浓度，以及在加入同位素示踪物之后发生的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)之间的转化的数量。
虽然常规的IDMS需要一种物质的至少两种同位素，但是借助SIDMS同时确定两种可相互转化的物质需要采用至少三种同位素。由于Cr具有四种同位素，因此这种要求得到满足。
最好，同位素示踪物被高度富集，并且完全由保持无限期存储时的形式的物质组成。
同位素示踪物应能够方便地加入样品中。例如，可能必须以固体物料的形式把同位素示踪物加入固体样品本体中。这将要求在抽提或分析之前，使样品均匀。但是，对于水相样品，可以溶液形式制备同位素示踪物，并通过混合样品溶液和同位素示踪物溶液，简单地实现同位素示踪物的加入。
如果同位素示踪物的化学形式与被分析物的相同，那么可使同位素示踪物与天然物质均衡。均衡速率最好应远远高于物质转化速率。由于SIDMS可修正在示踪物和样品之间的均衡后发生的物质转化，因此应在发生任何转化之前实现均衡。
天然物质的浓度应高于同位素示踪物的浓度，从而同位素示踪物的添加引入最少量的稳定剂，该稳定剂会影响被分析物的自然稳定性。最好采用各种手段来延迟物质转化。在极限情况下，例如95％转化的情况下，物质转化可降低测定的准确性和精度。
为了同时测定一种以上的物质，建议除了监测的物质之间的转化之外，不存在归因于副反应的任何有意义的物质损失。在该例中，我们酸化溶液，以防止由于水解导致Cr(Ⅲ)的损失。
使物质和本体部分分开，并且物质之间相互分开，以便能够测量每种物质的同位素比。在本发明中，不完全分离不会显著降低该方法的准确性。
本发明提供数学去卷积，以便独立于样品不完全、损失、退化、不溶或者已发生的转化，提供所需的量化结果。数学去卷积将采用测得的加入同位素示踪物的物质的比率，关于不完全分离，样品损失和不溶性，退化及转化，修正天然物质的浓度。
具有4个变量的一组方程式允许Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的同时数学去卷积。另外，可如同已转化为另一物质的那些物质那样处理根据色谱法不完全分离或未分辨的物质。于是，相同的程序和方程式可用于修正不完全分离。在后续例子中，独立地证明了这种应用。最好在下述条件下完成推导。首先，示踪物同位素和天然物质同位素已被均衡。其次，不存在物质的选择性损失，这种损失会选择性地只影响一种形式的物质，天然物质或者加入同位素示踪物的物质。第三，只发生感兴趣的物质之间的转化。第四，每种同位素示踪物完全由一种物质组成(这种情况下，50Cr(Ⅲ)示踪物中的所有Cr是Cr(Ⅲ)，53Cr(Ⅵ)示踪物中的所有Cr是Cr(Ⅵ))。虽然下面的方程式不是SIDMS的唯一表达式，不过这里已关于加入双同位素示踪物的例子优化了这些方程式。也可采用其它方法。
这里，R50/52Ⅲ是加料样品中Cr(Ⅲ)的50Cr与52Cr的实测同位素比。50Ax是样品中50Cr的自然原子百分率。CxⅢ是样品中Cr(Ⅲ)的浓度(微摩尔／克，未知)。Wx是样品的重量(克)。 是同位素示踪物(spike)50Cr(Ⅲ)中50Cr的原子百分率。CsⅢ是50Cr(Ⅲ)示踪物中Cr(Ⅲ)的浓度(微摩尔／克)。
是50Cr(Ⅲ)示踪物的重量(克)。
CxⅥ是样品中Cr(Ⅵ)的浓度(微摩尔／克，未知)。
α是加入示踪物(spiking)之后，氧化为Cr(Ⅵ)的Cr(Ⅲ)的百分率(未知)。
β是加入示踪物之后，还原为Cr(Ⅲ)的Cr(Ⅵ)的百分率(未知)。
本领域中的技术人员能够解上述方程式求出 CxⅢ,CxⅥ,α和β。在求解该组方程式时，最好采用诸如Microsoft(MS)Excel之类的电子表格。
迭代求解上述方程式的数学手段包括为了简化方程式3～6，假设CxⅢWx=NxⅢ,CxⅥWx=NxⅥ,CsⅢWs=NsⅢ,CsⅥWs=NsⅥ(7)在开始迭代时，可把任意值赋给 和α。例如，把它们都赋值为0。随后确定 和β的表达式。经过仔细推导，得到下述方程式。
方程式8和9被重写为 解答为 这两个值可用在下式中用于求解 和α 方程式13和14被重写为A3NxⅥ+B3α=C3(15)A4NxⅥ+B4α=C4(16)方程式15和16的解答为 随着计算被反复进行，变量NⅢx，NⅥx，α和β将收敛于恒定值，这些值是方程式的解。
本发明的SIDMS方法涉及向每种物质中加入富集不同同位素的示踪物。从而，这里公开的同位素稀释方法根本不同于把IDMS应用于物种形成的先前论文中公开的同位素稀释方法(Van Raaphorst，J．G．；Haremaker，H．M．；Deurloo，P．A．；Beemsterboer，B．Anal．Chim．Acta1994，286，291-296；Tanzer，D．；Heumann，K．G．Anal．Chem．1991，63，1984-1989；Heumann，K．G．；Rottmann，L．；Vogl，J．J．Anal．At．Spectrom．1994，9，1351-1355；Nusko，R．；Heumann，K．G．Anal．Chim．Acta 1994，286，283-290)。在这些论文中，以相应的物质形式向不同的物质中加入富集相同同位素的示踪物，并根据测得的每种物质的同位素比，使用传统的IDMS方程式计算浓度。虽然通过应用同位素稀释技术，改进了精度和检测极限，但是这些早期方法不能修正物质之间的转化。但是，除了提高精度和检测极限之外，本发明的方法还能够修正物质转化和不完全分离。本发明的方法允许物质转化，并可修正这样的转化，退化及不完全分离。
下述文章关心采用C-13和N-15同位素标记的微量物的有机体IDMS和有机体测定，但是没有物质转化的测定George N．Bowers，Jr；John D．Fassett；Edward White，V，“同位素稀释质谱法和国家标准系统”Analytical Chemistry，Vol．65，No．12，June 15，pgs．475R-479R，1993；Michael J．Welch，Alex Cohen，Harry S．Hertz，Kwokei J．Ng，Rober Schaffer，Pieter Van Der Lijn和Edward WhiteV，“作为候选确定方法，用同位素稀释质谱法测定血清肌酸酐”，Analytical Chemistry，58，pgs．1681-1685，1986；Polly Ellerbe，AlexCohen，Michael J．Welch，和Edward White V，“作为候选确定方法，用同位素稀释质谱法测定血清尿酸”，Analytical Chemistry，62，pgs．2173-2177，1990；Polly Ellerbe，Stanley Meiselman，Lorna T．Sniegoski，Michael J．Welch，和Edward White V，“使用改进的同位素稀释质谱确定方法测定血清胆固醇”，Analytical Chemistry，61，pgs．1718-1723，1989。
提供了结合各种各样样品，例如合成水样品，饮用水，河水，COPR提出物和土壤提取物，应用本发明的方法的补充例子。取决于本体，可调整分析过程，以便对于所有本体类型，优化该方法的性能，精度和准确性。
例2和感应耦合等离子体质谱法(ICP-MS)一起采用该方法。采用配有水冷喷雾室和V形槽喷雾器的VG PlasmaQuad系统(VG，Winford，UK)。连续倍增乘法器被用作探测器。该仪器在下述条件下工作等离子体正向功率，1347W；冷却气体流速，12．5L／min；辅助气体流速，2．0L／min；喷雾器流速0．71L／min；溶液摄入率，1mL／min。质谱仪被设定为基准分辨率。利用尖峰跳跃模式测量铬同位素比50Cr／52Cr和53Cr／52Cr。仪器按两种模式工作直接吸入模式和时间分辨模式(TRA)。对于直接吸入模式来说，每个通道的停留时间是50Cr，5ms；52Cr，5ms；和53Cr，5ms；短的停留时间可改进同位素测量的精度(Begley，I．S．；Sharp，B．，L．J．Anal．Atom．Spectrom．1994，9，171-176)。对于TRA模式，每个削波的扫描时间是0．057s，每个通道的相应停留时间为5．7ms。直接吸入模式被用于测量死寂时间，并量化同位素示踪物的总浓度。当色谱法与ICP-MS相连时，使用TRA模式。对于直接吸入模式和TRA模式，每个尖峰均监测三个点。
在同位素测量中进行死寂时间修正(Russ，G．P．，III；Bazan，J．M．Spectrochim．Acta，Part B 1987，42b，49-62；Russ，G．P．I．InApplication of ICP-MS；Jarvis，K．E．，Gray，A．L．，Houk，R．S．，Eds．，1992，pp90-114)。利用直接吸入模式，每是测定探测器的死寂时间。由SRM 979，同位素丰度合格的标准样品(Cr(NO3)3·9H2O，NIST，Gaithersburg，MD)制备Cr浓度不同的一组溶液。该组溶液每克分别含有约0，5，10，20，30，40，50，60和70ng的Cr。原始数据被输出到MS Excel电子表格，并在MS Excel电子表格中被处理，该MS Excel电子表格采用MS Excel中的“Solver”工具查找修正死寂时间。找到引起利用不同浓度的溶液测得的同位素比的表观死寂时间。实际上，利用不同浓度测得的同位素比的RSD达到最小值。在同位素比测量中按照标准方法进行死寂时间修正和质量偏差修正(Russ，G．P．，III；Bazan，J．M．Spectrochim．Acta，Part B，42b，49-62，1987；Jarvis，K．E．；Gray，A．L．；Houk，R．S．In handbook ofinductively coupled plasma mass spectrometry；Blakie Academic &ProfessionalLondon，1992，pp310-337)。同位素比被用于测定不会发生增益损失的计数速度范围。如图3中所示(该图表示了作为计数速度函数的50Cr／52Cr比)，测得的同位素比取决于死寂时间。图3中，利用配有连续倍增乘法器的ICP-MS测量死寂时间修正对同位素比的影响。当计数速度超过5．8×105s-1时，发生增益损失。当死寂时间为43．5ns时，同位素为常数，一直到5．8×105s-1的计数速度。在该计数速度下，开始产生不可修正的增益损失。如果计数速度大于该值，则稀释样品溶液。
每隔4小时，用SRM 979标准溶液，测定每个同位素对的质量偏差因数。质量偏差因数的测量总是以和测量样品的模式相同的模式进行。以质量偏差修正之前，进行死寂时间修正。
离子色谱法依据离子色谱法，使用CostaMetric 4100Bio／MS泵(ThermoSeparation Products，Riviera Beach，FL)和Cetac ANX 4605 Cr阴离子交换塔(CETAC Corporation，Omaha，NE)分离Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)。阴离子交换塔的输出口通过一段Teflon管与ICP-MS的喷雾器相连。由亚沸腾的蒸馏浓硝酸制备0．06M硝酸盐洗提液。利用提纯的浓缩氢氧化铵把洗提液的pH值调到3。流速为1．0毫升／分钟。50μL记号的进样环管用于样品注入。在各个点，在死寂时间修正后计算峰面积。死寂时间修正后的峰面积被用于计算同位素比。随后对同位素比进行质量偏差修正。
在热板上及在密闭室微波提取系统中，在Teflon容器中进行提取。热板是标准实验室装置(Fisher Scientific，Pittsburgh PA)，在装有搅拌的特殊装配的密闭室浸提／提取系统(Milestone，Inc．，Monro，CT)中完成微波提取。在铬的提取中使用了实验室清洁(100级)空气及氩和氮气环境。
试剂和物料在所有溶液的制备中，使用由Barnstead’s NANOpure UltrapureWater System(Dubuque，Iowa)制备的去离子水(18MΩcm-1)。由石英蒸馏锅(Milestone，Sorisole(BG)，Italy)制备亚沸腾硝酸，并将其用于制备洗提液。通过使高纯度氨气作泡状通过高纯水，制备氢氧化铵。通过把KMnO4溶解在去离子水中，制备每克溶液约含10μg Mn的KMnO4溶液。另外，制备5个标准样品，包括具有天然同位素丰度的natCr(Ⅲ)和natCr(Ⅵ)，富集50Cr的50Cr(Ⅲ)同位素示踪物，富集53Cr的53Cr(Ⅵ)同位素示踪物，及同位素丰度合格的标准溶液。在Class 100洁净室或者清洁通风柜中进行所有溶液的制备和稀释，以减少作废率(blank)(Kingston，H．M．；Walter，P．J．；Chalk，S．；Lorentzen，E．；Link，D．In Microwave-EnhancedChemistryFundamentals，Sample Preparations and Applications；Kingston，H．M．，Haswell，S．J．，Eds．；American Chemical SocietyWashington，DC，1997，pp 257-279)。
由Cr金属(99．995％，Aldrich Chemical Co．，Milwaukee，WI)制备natCr(Ⅲ)标准溶液，由K2Cr2O7(NIST SRM 136e，Gaithersburg，MD)制备natCr(Ⅵ)标准溶液。通过把0．1000g的Cr金属溶于极少量的6M HCl中制备每克溶液含1mg Cr的natCr(Ⅲ)标准备用溶液。用1％的HNO3把该溶液稀释到100g。通过把0．2829g的K2Cr2O7溶于约80mL的去离子水中制备每克溶液含1mg Cr的natCr(Ⅵ)标准备用溶液，并用去离子水将其稀释到100g。
从Isotec Inc．(Miamisburg，OH)购买富集同位素的物料。表1列举了分析得到的富集50Cr的金属和富集53Cr的氧化物的同位素丰度。
表1 自然物质和同位素富集物质的铬的同位素丰度
aIsotec Inc．Lot#2691。bIsotec Inc．Lot#2692。
利用富集50Cr的铬金属(Lot#2691，Isotec Inc．，Miamisburg，OH)作为原材料，制备每克溶液约含10μg Cr的50Cr(Ⅲ)同位素示踪物。把4mg的该铬金属称重加入30mL的Teflon容器中，并加入8mL的6M HCl。在热板上逐渐加热该容器，直到固体溶解，并且只保留1～2mL溶液为止。随后冷却该溶液，并转移到500mL的Teflon瓶中。用1％的HNO3把该溶液稀释至400g。通过反向同位素稀释，校准50Cr(Ⅲ)同位素示踪物的准确浓度。
利用富集53Cr的三氧化二铬(Lot#2691，Isotec Inc．，Miamisburg，OH)作为原材料，制备每克溶液约含10μg Cr的53Cr(Ⅵ)同位素示踪物。把5．8mg的富集53Cr的三氧化二铬称重加入具有通气盖的30mL的Teflon容器中，并加入8mL的浓HClO4(最好67～70％)。在热板上逐渐加热该容器，直到在底部产生气泡为止。该溶液最多被加热6个小时，直到所有固体溶解，并且只保留1～2mL溶液为止。溶液冷却后，加入10mL的去离子水，随后加入50μL 30％的H2O2和4．5mL的浓NH4OH。再次缓慢加热该容器，直到溶液沸腾为止，把所有Cr氧化为Cr(Ⅵ)。随后使该溶液沸腾20分钟，以除去多余的H2O2。随后把冷却后的溶液转移到500mL的Teflon瓶中，并用去离子水稀释至400g。通过反向同位素稀释，校准53Cr(Ⅵ)同位素示踪物的准确浓度。
通过在500mL的Teflon瓶中把31mg的Cr(NO3)3·9H2O(SRM979)溶于1％HNO3中，制备同位素丰度合格的标准样品(1g溶液约含10μg的Cr)。
依据反向同位素稀释，50Cr(Ⅲ)和53Cr(Ⅵ)示踪物溶液的校准在使用前，表征同位素示踪物溶液，包括总浓度及物质间分布的测定。借助反向常规同位素稀释质谱法，利用natCr(Ⅵ)标准样品，校准50Cr(Ⅲ)和53Cr(Ⅵ)示踪物中Cr的总浓度。对于50Cr(Ⅲ)来说，由于该溶液中的所有Cr均呈Cr(Ⅲ)形式，因此不需要更多的表征。由于在53Cr(Ⅵ)示踪物的制备中涉及多个步骤，因此通过实验方法检验Cr(Ⅲ)向Cr(Ⅵ)的转化的完全性。
为了校准53Cr(Ⅵ)示踪物中Cr(Ⅵ)的浓度，把0．3g的10μg／gnatCr(Ⅵ)标准样品和0．3g的53Cr(Ⅵ)示踪物(标称浓度10μg／g)称重加入聚乙烯瓶中。随后用去离子水稀释混合物成20g，并用70μL的浓HNO3把该溶液酸化到pH1．7。用色谱法把酸化后的溶液分成Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)。测量Cr(Ⅵ)物质中53Cr／52Cr的同位素比，并通过采用反向常规同位素稀释，用于计算Cr(Ⅵ)浓度。实验结果证明53Cr(Ⅵ)标准样品中的所有Cr都呈Cr(Ⅵ)形式。
在标准EPA RCRA Method 3060a中使用下述溶液，从土壤本体中提取Cr(Ⅵ)。通过在500mL去离子水中溶解20gNaOH(98％)和30g无水Na2CO3(99．6％)，随后稀释成1L，制成提取溶液。
天然水样品收集和分析收集并分析取自PA，Pittsburgh的Allegheny河的河水样品。从Duquesne University实验室采集自来水，向用于回收率测定的样品中添加natCr(Ⅵ)。随后对所有样品加入同位素示踪物53Cr(Ⅵ)和50Cr(Ⅲ)，并酸化至pH 1．7～2．0。在注入前，使样品滤过0．2μm的尼龙滤膜。在过滤前后，分析样品，以评估由处理过程中的该步骤引起的转化。
环境固体分析由Environmental Standards，Inc．(Valley Forge，PA)提供铬铁矿处理残余物(COPR)样品。从Pittsburgh，PA的一所住宅的院子中采集土壤样品。在热板上，并采用微波密闭容器系统进行提取。随后执行方法3060A，以提取Cr(Ⅵ)把2．5±0．5g的每种固体样品称重加入250mL玻璃烧杯中，并加入50mL的0．28M Na2CO3／0．5MNaOH抽提溶液。在提取前，在不加热的情况下，搅拌样品5分钟。随后把样品加热到90-95℃，并搅拌1小时。冷却后，使抽提溶液滤过0．4μm的聚碳酸酯膜(Poretics Co．，Livermore，CA)，并利用浓硝酸把pH调节为7．5±0．5。Teflon过滤组件(Norton Co．)被用于过滤样品。随后把提取物转移到100mL聚丙烯容量瓶(Nalgene)中，并利用去离子水稀释到容量瓶的体积。为了用SIDMS进行分析，如相应章节中所述那样，对程序进行轻微修改。还利用EPA RCRAMethod 7196A，结合二苯卡巴肼(DPC)使用颜色形成的UV-VIS比色程序，分析样品提取物。
由于物种化参考物料的缺少，对样品掺入天然Cr物质标准样品，以确认回收率。还对选择的样品进行分析，以测定天然Cr物质。为了评估SIDMS在修正物质转化方面的能力，在加入同位素示踪物之后，或者对样品进行处理，以诱发转化，或者使之保持正常状态，而不应用任何方法，以延迟转化。利用阴离子交换色谱法／ICP-MS测量每种物质的同位素比。所有原始数据被输出到MS Excel并被处理，把进行死寂时间修正和质量偏差修正后的同位素比应用于SIDMS方程式3～6，以去卷积Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的初始浓度和它们之间的转化，以及关于不完全分离进行去卷积。
合成样品为了证明本发明的SIDMS方法，人工合成并分析水样品。本实验评价了SIDMS测量在具有均经历转换的两种物质的的均匀水样品中，测量这两种物质的转化的能力。在pH=3的条件下，充分混合被测数量的natCr(Ⅲ)和natCr(Ⅵ)标准样品，以得到合成的Cr物种化溶液，立即对该溶液加入双同位素示踪物50Cr(Ⅲ)和53Cr(Ⅵ)。随后把加入同位素示踪物的样品分成三份等分试样。
如图4中所示，合成水样品的各个等分试样被进行不同处理，以诱发Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)间可变程度的转化。向各个等分试样中加入KMnO4，以氧化Cr(Ⅲ)。各个等分试样含有浓度不同的KMnO4，以把不同量的Cr(Ⅲ)转化为Cr(Ⅵ)。由于低pH值下，Cr(Ⅵ)是不稳定的，因此在加入KMnO4后约1小时时，用浓硝酸把这些溶液酸化至pH=1(用pH试纸测试)，以引发Cr(Ⅵ)的还原。
存放1天，4天和13天后测量各个等分试样。表2列举了测量结果。为了表示出本发明的方法和在先出版物中报道的在物种形成分析中也应用同位素稀释的那些方法(Van Raaphorst，J．G．；Haremaker，H．M．；Deurloo，P．A．；Beemsterboer，B．Anal．Chim．Acta 1994，286，291-296；Tanzer，D．；Heumann，K．G．Anal．Chem．1991，63，1984-1989；Heumann，K．G．；Rottmann，L．；Vogl，J．J．Anal．At．Spectrom．1994，9，1351-1355；Nusko，R．；Heumann，K．G．Anal．Chim．Acta 1994，286，283-290)之间的根本区别，采用本发明的方程式(方程式3～6)和常规的IDMS方程式(方程式2)计算浓度。使用SIDMS，计算初始溶液(加入同位素示踪物时)中的物质浓度，以及最终溶液(测量时)中的物质浓度。测量时的浓度是其它传统物种形成方法不能得到的结果，因为这些传统方法不能追踪测量前发生的转化。
表2表明本发明的SIDMS方法成功地修正了每种物质的转化。如第5和第6列中所示，在存放过程中，各个等分试样经历不同程度的转化。由于向等分试样1中加入的KMnO4少于向等分试样2和3中加入的KMnO4，因此只有少量的Cr(Ⅲ)被氧化为Cr(Ⅵ)。由于低pH值下，Cr(Ⅵ)是热力学不稳定的，因此存放时间越长，更多的Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)。要理解的是不管转化程度的不同，借助SIDMS去卷积得到的浓度总是接近于制备的真实浓度。第7和第8列表示出测量时各个物质的实际浓度。根据真实浓度和由SIDMS确定的转化，计算这些浓度。当和同一天的各个等分试样的实际浓度相比时，可看出和等分试样1相比，在等分试样3中存在更多的Cr(Ⅵ)。该观察结果和等分试样3中被加入更多的KMnO4是一致的。对于在不同天数时测量的各个等分试样来说，在存放过程中，Cr(Ⅵ)的浓度变得越来越低。这和Cr(Ⅵ)在低pH值易于被还原的事实是一致的。
通过比较处理后1天和13天时等分试样3的实际浓度，举例说明了SIDMS在数学去卷积物质间的转化方面的能力的意义。由于KMnO4的加入，1天后23．8％的Cr(Ⅲ)被氧化成Cr(Ⅵ)，在同一天，传统的物种形成方法将测得55．0ng／g的Cr(Ⅲ)和83．3ng／g的Cr(Ⅵ)。在13天后用相同的方法测量相同的溶液，得到72．5ng／g的Cr(Ⅲ)和65．8ng／g的Cr(Ⅵ)，对于每种物质，相对误差仅为4．1％和-4．2％。在13天的存放过程中，没有发生太多的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)间的转化。基于等分试样的处理，已知在加入同位素示踪物后和测量前，发生了两个独立的氧化还原反应加入KMnO4后发生氧化反应，在存放过程中，由于Cr(Ⅵ)在低pH值下的不稳定性，发生还原反应。虽然本发明的SIDMS表示出这些物质转换，但是常规的现有技术方法不会提供该信息。根据SIDMS结果，17．6％的Cr(Ⅲ)被氧化为Cr(Ⅵ)，在加入同位素示踪物之后，22．1％的Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)。由于Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的初始浓度分别为69．67ng／g和68．63ng／g，正负误差几乎相互抵消，导致测量时Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的实际浓度接近加入同位素示踪物时它们的初始浓度。只可测量测量时的物质浓度的传统物种形成方法会导致关于这里描述的双向物质转化的错误结论。
本发明的物种化同位素稀释方法根本不同于现有技术中把同位素稀释技术应用于物种形成的那些方法。在现有技术中，用于所有物质的同位素示踪物具有相同的同位素丰度，常规的IDMS方程式被用于根据每种物质的实测同位素比计算浓度(Van Raaphorst，J．G．；Haremaker，H．M．；Deurloo，P．A．；Beemsterboer，B．Anal．Chim．Acta1994，286，291-296；Tanzer，D．；Heumann，K．G．Anal．Chem．1991，63，1984-1989；Heumann，K．G．；Rottmann，L．；Vogl，J．J．Anal．At．Spectrom．1994，9，1351-1355；Nusko，R．；Heumann，K．G．Anal．Chim．Acta 1994，286，283-290)。虽然通过应用同位素稀释技术，提高了精度和检测极限，但是这些方法不能解决物质之间的转化。在这些方法中，在被完全分离之前，不允许不同物质相互转化。表2的第9和10列列举了利用IDMS方程式2得到的结果。这两列表示出系统误差。转化程度越高，相对误差越高。但是，除了提高测量的精度和检测极限之外，本发明的SIDMS方法还能够修正物质转化。这允许物质转化，并修正这些转化。这些实验证实可准确地修正Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)之间至少高达80％的转化。
本例表明SIDMS可用于不考虑退化、样品损失或转化，进行精确的定量测定。在实现该定量测定方面，SIDMS方法最好采用数学去卷积。
天然环境水样品本发明的SIDMS方法已被用于测定真实的天然水样品。在本实验中，从Allegheny River(Pittsburgh，PA)，普通的自来(饮用)水(Pittsburgh，PA)和去离子水采集真实的天然水样品。采集后，在不过滤以便保持样品中的所有本体组分的情况下，把各个样品分成两份等分试样。一份等分试样用于测定Cr(Ⅵ)的天然浓度。另一份等分试样被立即掺入natCr(Ⅵ)标准样品，以得到每克溶液约含50ng Cr(Ⅵ)的溶液。随后两份等分试样均被加入双同位素示踪物50Cr(Ⅲ)和53Cr(Ⅵ)，并被充分混合。50Cr(Ⅲ)和53Cr(Ⅵ)的浓度均约为50ng／g。在加入同位素示踪物之后，用浓硝酸把所有溶液酸化至pH1．7～2．0，以防止存放过程中Cr(Ⅲ)的损失(CETAC Cr speciationBooklet；Wiederin，D．，Gjerde，D．，Smith，F．，Eds．；CETACCorporationOmaha，NE，1994，pp25)。在测量前，把制备好的样品在室温下存放一天。
表3利用SIDMS，水样品中Cr(Ⅵ)的测定
aCr(Ⅲ)的检测极限是0．21ng／g(30值，N=10)。
bN／A=不适用cCr(Ⅵ)的DL是0．37ng／g(30值，N=10)。
95％置信区间表3列举了制备的6个水样品的结果。根据SIDMS测量和计算，在一天的存储过程中，河水和饮用水中的大部分Cr(Ⅵ)被转化为Cr(Ⅲ)。但是，加入去离子水中的Cr(Ⅵ)保持相当稳定。举例来说，河水样品中40．6％和30．2％的Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)。在相同时间内，去离子水中只有4．2％和4．1％的Cr(Ⅵ)被还原。这表明河水和饮用水本体中含有在酸化溶液中把Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)的还原组分。根据上述信息，在测量时，河水样品中只留有35．7ng／g的natCr(Ⅵ)，这远远低于50．8ng／g的实际添加同位素示踪物浓度。该35．7ng／g是将由其它传统物种形成方法报告的浓度，假定在利用这些方法进行测量的过程中，不发生其它物质转化。使用本发明的SIDMS方法，可准确地测定加入同位素示踪物时，以及进行测量时的Cr(Ⅵ)的浓度。
铬铁矿处理残余物(COPR)已知COPR含有较高水平的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)(James，B．R．；Petura，J．C．；Vitale，R．J．；Mussoline，G．R．Environ．Sci．＆ Tech．1995，29，2377-2381；Vitale，R．J．；Mussoline，G．R．；Peura，J．C．；Jamea，B．R．J．of Environ．Qual．1994，23，1249-1256；Vitale，R．J．；Mussoline，G．R．；Petura，J．C．；James，B．R．Am．Environ．Lab．1995，7，1)。为了提取样品，采用了EPA Method 3060A。该方法利用由0．28M的Na2CO3和0．5M的NaOH组成的热碱溶液从土壤或者其它固体废物提取Cr(Ⅵ)。浸提之后，过滤样品提取物，并用浓硝酸把pH值调节到7．5±0．5，并稀释到100mL。使用两种方法量化提取的Cr(Ⅵ)。一种是本发明的SIDMS方法，另一种是EPA Method7196，该方法已被选作EPA Method 3060A中的检测方法。根据Method7196A(SW-846 EPA Method 3060AAlkaline Digestion of HexavalentChromium，Test Method for Evaluating Solid Waste，第三修订版；US Enviromental Protection AgencyWashington，DC，1997)，通过加入DPC，分析提取物，并用浓H2SO4(微量金属级，Fisher)把溶液的pH值调节为1．6～2．2。Cr(Ⅵ)与DPC反应，产生可在540nm下用分光光度计测量的紫红色络合物。
就使用3060A和7196A方法测定Cr(Ⅵ)而论，几个步骤会产生问题。在提取过程中，Cr(Ⅲ)会被氧化成Cr(Ⅵ)。其次，在把pH值从12调到7．5的过程中，Cr(Ⅵ)会被还原为Cr(Ⅲ)。第三，样品中的共存还原组分可导致使用Method 7196A(SW-846 EPAMethod 7196AChromium，Hexavalent(colorimetric)，Test Methodfor Evaluating Solid Waste，第三版；US Enviromental ProtectionAgencyWashington，DC，1996)Cr(Ⅵ)的回收率(recovery)较低。由于以水溶液的形式制备同位素示踪物，因此不用本发明的SIDMS方法评估提取程序。由于和其它样品相比，土壤样品经历更为严重的还原本体影响，因此关于土壤样品，评估中和程序。关于COPR样品，只对照本发明的SIDMS方法评估利用Method 7196A进行的量化。
在提取，过滤和pH值调节之后，把各个提取液分成两份等分试样。一份等分试样被中和至7．5±0．5，并用于利用Method 7196A测定，另一份等分试样被加入双同位素示踪物50Cr(Ⅲ)和53Cr(Ⅵ)，并酸化至pH=1．7～2．0，用于利用SIDMS方法测定，表4表示了利用这两种方法量化三种COPR样品的结果。这些样品覆盖了低、中、高浓度范围的Cr(Ⅵ)。由于样品异质，对于两种方法来说，各个样品的重复实验的精度并不理想。从而，给出每次重复的结果和标准偏差(SD)。比较各个重复实验的结果，两种方法给出可比的结果。于是，对于COPR样品，本发明的SIDMS方法给出与关于利用3060A提取法得到的Cr(Ⅵ)提取液的方法7196A相同的结果。
本发明的SIDMS方法提供关于本体效应对Cr(Ⅵ)在酸化提取液中的稳定性的影响的信息。由于本发明的SIDMS方法是一种独立方法，借助该方法，允许测定已转化或者未转化的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的数量，因此本发明的SIDMS方法还使得能够确认EPA方法。在加入同位素示踪物9天后，测量加入同位素示踪物的COPR1提取液，9．1±1．5％的Cr(Ⅵ)被还原。加入同位素示踪物1天后，测量COPR3提取液，60．0±5．8％的Cr(Ⅵ)被还原。同样在加入同位素示踪物1天后，测量COPR4提取液，14．5±1．6％的Cr(Ⅵ)被还原。Cr(Ⅵ)的天然浓度越低，酸化提取液中Cr(Ⅵ)的还原反应进行得越快。在本实验中，为了把最终溶液中Cr(Ⅵ)的浓度控制为适当值，50ng／g～150ng／g，根据Cr(Ⅵ)的天然浓度，改变样品量。假定所有这些样品具有相同含量的还原本体，低浓度的样品最终溶液应含有大多数还原本体组分。COPR3表现出更快的Cr(Ⅵ)还原。据认为还原本体组分不影响Method 7196A，因为对于这些样品来说，Method 7196A的选择性足够高。降低被分析物浓度并增大本体浓度，可表现出本方法和Method 7196A之间的区别，如同在复杂的土壤样品情况下，得到的情况一样。掺入天然Cr(Ⅵ)的土壤提取物被用于证明Method7196A在量化Cr(Ⅵ)方面的可能偏差，在Method 7196A量化Cr(Ⅵ)方面，本体产生铬物质偏移方面的重大偏差以及Method 7196A方面的直接方法干扰。
土壤分析从院子采集的表土。把样品在105℃下干燥4小时，随后用手除去植物根茎及其它较大颗粒。经过这些处理之后，把样品密封在聚乙烯袋中，并存放在冷房(4℃)中。由于本实验中不关心Cr物质的真实天然含量，因此不评估干燥过程中Cr物质的可能变化。按照Method 3060A处理样品。为本发明的SIDMS方法，改变提取后的程序，以便识别Method 7196A中pH调节和量化步骤中可能的Cr(Ⅵ)状态变化。在土壤提取物中Cr(Ⅵ)的量化方面，设计两个实验来比较SIDMS和EPA Method 7196A。第一实验显示出Method 7196A中的系统偏差。通过把SIDMS用作诊断工具，第二实验识别偏差源。图5是第二实验的程序的流程图。在第一实验中，只制备了图5的溶液D和F，用于比较SIDMS和Method 7196A。
通过使用4个样品，第一实验比较Method 7196A和SIDMS(本发明的方法)。样本1-4含有从0，1．53，3．06和3．12克土壤浸提的土壤提取物。在用Method 3060A提取之后，每个样品被掺入natCr(Ⅵ)，以致每克样品溶液分别含有2．997，3．033，1．993和1．587μg Cr(Ⅵ)。这样，各个样品的本体(单位g 土壤)／Cr(Ⅵ)(单位μg Cr／g)比约为0，0．5，1．0和2．0。为了确保提取物具有不同的本体含量，使用了不同数量的土壤。对一部分加入同位素示踪物的提取物采样，以便进行SIDMS分析，根据Method 3060A，用浓硝酸把剩余提取液的pH值调节为7．5±0．5。随后依据Method 7196A分析调节pH值后的提取液。如图5中所示，依据SIDMS分析溶液F，依据Method7196A分析溶液D。
复杂本体对其它方法的确认的影响图6中表示了每种方法的回收率，图6比较了土壤本体对用Method7196A和本发明的SIDMS方法测定的Cr(Ⅵ)的回收率的影响。样品1不含土壤本体，两种方法得到的Cr(Ⅵ)的回收率彼此相似，并且接近100％。但是，如图6中所示，土壤本体导致使用Method 7196A得到的Cr(Ⅵ)回收率较低。土壤本体／Cr(Ⅵ)之比越高，意味着Cr(Ⅵ)的回收率越低。样品2-4含有数量逐渐增大的土壤本体。按照Method 7196A，在向样品中加入DPC之后，把溶液酸化至pH=1．6～2．2，以产生可测量的紫红色络合物。显色反应包括同时发生的DPC向二苯卡巴肼的氧化，Cr(Ⅵ)向Cr(Ⅲ)的还原，以及借助二苯卡巴肼，Cr(Ⅲ)的螯合作用(Dionex In Dionex Ion ChromatographyRecipe Book；Dionex CorporationSunnyvale，CA，1990；Vol．Technical Note 26，pp7)。在高pH值下，例如pH=12，Cr(Ⅵ)相当稳定，从而共存于土壤提取液中的还原剂不会还原Cr(Ⅵ)。但是，当溶液被酸化时，来自土壤本体的还原剂和DPC竞争还原Cr(Ⅵ)。一些Cr(Ⅵ)不能和DPC反应形成由UV-Vis方法测量的紫红色产物。从而，由于一些Cr(Ⅵ)不形成可测量的产物，因此该方法导致回收率较低。在其它文献中描述了这种详细观察结果(Lu，Y．；Huo，D．；Chalk，S．；Kingston，H．M．“Identification of Cr(VI)Biasesin EPA Method Pairs 3060A and 7196A”in progress)。
本发明的SIDMS方法指出利用Method 7196A量化这些样品中的Cr(Ⅵ)的偏差的主要来源，并修正这种转化。在SIDMS方法中，在酸化前，向样品溶液中加入同位素示踪物。虽然加入同位素示踪物的样品溶液被酸化至低pH值，1．7～2．0，由于借助SIDMS可修正加入同位素示踪物后发生的任意转化，因此由土壤本体引起的Cr(Ⅵ)还原被成功修正。对于某些样品，在酸化之后，快速发生Cr(Ⅵ)的还原反应。图7(a)-7(c)是样品4(图6)的色谱图。图7(a)-7(c)图解说明了紧接加入同位素示踪物样品的酸化后的样品。在酸化后6分钟和16分钟时得到图7(b)和7(c)。这些图只标绘出同位素53Cr，它主要来自该样品中的53Cr(Ⅵ)示踪物。从图7(a)-7(c)可看出，4．5％，20．2％和28．1％的Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)。Cr(Ⅵ)的修正浓度分别为166，169和170ng／g，和掺入土壤提取液中的Cr(Ⅵ)的真实浓度相符，该真实浓度为170．9ng／g。
本发明的SIDMS方法可用作监测物质的诊断和确认工具。为此，在处理前和处理后，向样品中掺入同位素示踪物。例如，在第二实验中，在pH调节前(样品C和F)和pH调节后(样品B和E)，向土壤提取液中加入同位素示踪物，以检查pH调节过程中物质的可能变换。图5表示了该实验中遵循的程序。样品A、B和C被用于测定天然Cr(Ⅵ)。样品D、E和F用于测定Cr(Ⅵ)的回收率。按照EPAMethod 3060A提取法获得样品A、B、D和须EPA Method 3060A中，需要pH调节步骤。样品C和F省略了pH调节步骤，并被直接提交给SIDMS。为了比较结果，表5中所示的所有数值是原始提取液中的数值。当与利用本发明的SIDMS方法获得的结果相比时，Method7196A的偏差是显然的。按照Method 7196A，不检测被分析样品中的天然Cr(Ⅵ)(A)；但是，本发明的SIDMS方法指出样品中天然Cr(Ⅵ)的存在。由于Method 7196A的检测极限不够低，或者还原本体组分可能已干扰测量，Method 7196A一直不能检测天然Cr(Ⅵ)。Method 7196A的检测极限为0．01μg／g，提取液中的天然Cr(Ⅵ)为0．08μg／g，排除前一可能性。
如第一实验中所示，利用Method 7196A，还原性土壤本体组分允许更好的Cr(Ⅵ)回收率本体含量越高，回收率越低。对于Cr(Ⅵ)的测定来说，即使对于洁净溶液中的量化来说，Cr(Ⅵ)浓度足够高，但是在土壤提取液或者其它还原性本体中，Cr(Ⅵ)浓度仍可能不可检测。对于土壤本体来说，利用EPA Method 7196A测定的掺入的Cr(Ⅵ)的回收率(样品D)，最高仅为71．6％，从而指出本体影响的重要。根据这一分析，在利用EPA Method 7196A的情况下，该样品中有约57μg的Cr(Ⅵ)未检测到，这远远高于土壤提取液中的天然Cr(Ⅵ)。于是，在EPA Method 7196A的情况下，本体影响导致Cr(Ⅵ)的不能测定，对于毒性评估来说，这是危险的缺陷。本发明的SIDMS方法至少在两个方面改进了Cr(Ⅵ)的量化(a)更低的检测极限和(b)能够修正物质转化，这提供了更精确和可再现的测量。
本发明的SIDMS方法成功识别并修正在中和步骤时发生的Cr(Ⅵ)的还原。样品F和样品E的回收率分别为99．3％和95．2％。如果使用在Method 7196A中规定的标准(85％～115％的回收率)，95．2％位于该标准范围内。由于在样品E和F中得到的Cr(Ⅵ)的浓度显著不同，识别引起该差异的原因非常重要。如表5中所示，在F样品中没有找到Cr(Ⅲ)，但是在E样品中检测到5．1±3．3μg的Cr(Ⅲ)。如果把该数量的Cr(Ⅲ)看作是还原的Cr(Ⅵ)，这两种溶液中Cr(Ⅵ)的总量是可比的。于是，Cr(Ⅵ)的还原发生于pH调节过程中。样品B和C中天然Cr(Ⅵ)的测定也支持该结论，在pH调节前和pH调节后加入同位素示踪物的情况下，依据SIDMS方法检测到的天然Cr(Ⅵ)分别为9．5μg和7．7μg。虽然在95％置信区间下，这两个数值不是明显不同，但是由于还原性本体的缘故，和在pH调节之前向样品中加入示踪物相比，通过在pH调节之后向样品中加入示踪物，得到更低的浓度。于是，通过在不同阶段向样品中加入同位素示踪物，可识别在各个步骤发生的物质的变化。传统的方法不能实现这一点，因为它们只能测定处理后的最终溶液中的物质浓度。
修正不完全物质分离和要求完全分离的传统物种形成方法不同，本发明的SIDMS方法允许不完全物质分离。物质的不完全离析导致物质混合物作为一种物质被ICP-MS同时检测。在传统方法中，不完全分离将干扰准确测量。但是，SIDMS将如同未溶解的或者共同洗提的物质已相互转化那样，处理未溶解的或者共同洗提的物质。计算加入同位素示踪物时的初始物质浓度的同样SIDMS方程式也可修正不完全分离。该能力允许在分离中使用适度的实验条件，并避免需要使用其它物种形成方法为实现100％分离所需的极端条件。如果在本发明的SIDMS方法中存在不完全分离，转化量将包括物质的转化和不完全分离。
为了证实本发明的SIDMS方法可修正物质的不完全分离，利用前面描述的程序新制备加入双同位素示踪剂的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)水溶液。该合成样品含有1495ng／g的natCr(Ⅵ)，1499ng／g的53Cr(Ⅵ)，1517ng／g的natCr(Ⅲ)和1584ng／g的50Cr(Ⅲ)。本实验中，交换塔的输出口与ICP-MS脱离，把洗提液收集到10mL的聚丙烯试管中。合成样品被注入交换塔进行分离，不过通过设定不同的分界时间点，每次不同的洗提液馏分被采集为Cr(Ⅲ)水溶液，剩余的被采集为Cr(Ⅵ)水溶液。这导致不完全分离。图8表示了10-40秒的洗提液被采集为Cr(Ⅲ)水溶液，40秒-10分钟的洗提液被采集为Cr(Ⅵ)水溶液。一些Cr(Ⅲ)被检测为Cr(Ⅵ)。该对洗提液馏分的分界时间点为40秒。随后得到具有不同分界时间点的成组溶液，并产生不同程度的不完全分离。采集后，用0．06M的HNO3把各馏分稀释至10mL，随后使用直接吸入模式，用ICP-MS测量同位素比。
图9(a)和9(b)表示了各个容器中Cr的实际总浓度及修正不完全分离后Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的浓度。图中指示的真实浓度不同于在先前段落中描述的那些浓度。这归因于稀释。例如，由于注入体积为50μL，并且采集的洗提液被稀释至10mL，稀释倍数为200。由于natCr(Ⅲ)的初始浓度为1517ng／g，如果所有的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)分离，则Cr(Ⅲ)容器中，natCr(Ⅲ)的浓度应为7．58ng／g。由于稀释溶液被用于同位素比测量中，因此该数值被看作是真实浓度。由于稀释效应，来自天然标准样品和同位素示踪物的每种物质的初始浓度的数值被除以200。
尽管存在不完全分离，还是可极精确地成功去卷积natCr(Ⅲ)的浓度和natCr(Ⅵ)的浓度。图9(a)和9(b)中，阴影柱是修正的初始浓度。黑色柱是采集的Cr的实际浓度。实际浓度是可由其它常规物种形成方法报告的数值。通常，Cr(Ⅲ)的采集时间越长，被检测为Cr(Ⅲ)的Cr的浓度越高，被检测为Cr(Ⅵ)的Cr的浓度越低。尽管分离程度不同，利用本发明的SIDMS方法得到的去卷积浓度总是和修正稀释倍数后掺入同位素示踪物时的真实浓度相符。在图9(a)和9(b)中，还指出修正浓度的95％置信区间，但是由于结果的精度高的缘故，看不出95％置信区间。在该组数据中，相对标准偏差(RSD)在0．12％～0．48％的范围内。对于分界时间点为90秒的最终采集来说，只有27％的natCr(Ⅵ)，对应于2．01ng／g的natCr(Ⅵ)，被采集为Cr(Ⅵ)，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的RSD分别为0．38％和0．41％。
本发明的SIDMS方法的另一应用是确认由于不能完全分离或者完全保存物质，因而目前不可用的更高效的提取或分离方法。例如，在比在气压下可达到的温度更高的温度下，密闭容器微波提取法更有效，但是如果已知将发生退化，则要求完全保留物质的传统物种化方法不能使用该更有效的提取法。其它方法要求物质的保存，而本发明的SIDMS方法可优化效率和退化的修正，以提高分析方法的效率和生产率。一个例子是具有SIDMS许可的某些退化的更快速提取，但是由于在其它方法中，物质转换被理解为偏差和误差，这些其它方法不能应用该更快速提取，而在SIDMS中，却是可能必须进行某些修正的高效分离方法。
当在热板上和在微波提取系统中，把本发明的SIDMS应用于物质的分离，并与标准EPA Method 3060A提取法相比时，得到效率的例子。Cr(Ⅲ)向Cr(Ⅵ)的氧化可在高pH溶液中发生，并且为了高效地提取Cr(Ⅵ)，EPA Method 3060A提取法需要11．5～12的pH值。在这种高pH值溶液中，如果存在一些氧化剂，则Cr(Ⅲ)可被氧化成Cr(Ⅵ)。标准程序要求把提取溶液(0．5M的NaOH和0．28M的Na2CO3)在90～95℃的高温下保持60分钟。由于同量的Cr(Ⅲ)被氧化为Cr(Ⅵ)所需的时间较短，因此通过在较高温度下在密闭容器中利用微波提取，证实了效率优点。约200μg Cr(Ⅲ)被加入微波密闭Teflon容器或大口杯中，并进行几乎相同的提取程序(加热到92℃，保温60分钟)。对于所有三个系统都观察到Cr(Ⅲ)的氧化(图10)，对于标准热板方法，表示出5．6％的Cr(Ⅲ)还原(条形图1)。但是在氩气气氛或在空气条件下，在加热到92℃，保温60分钟的密闭容器微波系统中只发生1．7％的Cr(Ⅲ)还原(条形图2或3)。在120℃的更高温度下持续60分钟的微波提取(条形图4)显示类似的提取，不过氧化较少。但是在基本相同的氧化量的情况下，在微波密闭容器系统中使用150℃的条件，可以仅用10分钟实现相似的提取(条形图5)。要理解在密闭微波系统被用于提取的情况下，可在约5～30分钟内完成提取，更可取的是在约10～20分钟内完成提取。这优选在约90～150℃的温度下进行，最好在约135～150℃的温度下进行。在所有情况下，均发生氧化反应，并且氧化反应均被修正，但是在所有情况下，利用本发明的SIDMS方法，可修正发生的氧化反应。在修正分离过程中发生的这些转换的情况下，其它高效的提取和分离方法可和SIDMS一起用作检测方法。
不溶组分和未分离组分的回收通过利用本发明的SIDMS方法，可修正不溶物质组分的损失。例如，重铬酸钾(K2CrO4)高度可溶，但是铬酸钡(BaCrO4)和铬酸铅(PbCrO4)是相对不溶的Cr(Ⅵ)化合物。实验中，含有5010μg Cr(Ⅵ)的0．0244g BaCrO4和含有2790μg Cr(Ⅵ)的0．017g PbCrO4被加入将利用方法3060A提取的样品中。铬酸铅在标准提取溶液中使用的碱性溶液中是可溶的，很可能呈Pb(OH)4-2的形式。发现水溶性形式的Cr(Ⅵ)和水不溶性形式的Cr(Ⅵ)由EPA Method 3060A提取，但是当根据需要在提取结束时，中和溶液，使pH值为7．5时，通过过滤样品物料，从溶液中除去Cr(Ⅵ)的大部分不溶性形式。在传统方法中这会产生显著的误差，因为由于不溶，从而溶液中除去的部分根本未被测量。为了举例说明溶液中呈CrO4-形式的Cr(Ⅵ)的数量，进行实验，以观察何时PbCrO4开始沉淀。其它的总回收率方法中产生的误差不同，取决于样品中PbCrO4的数量。已知的EPAMethod 3060A提取溶液中的沉淀依赖于存在的不溶性铬酸盐化合物的总量。
由于保留在溶液中的足量Cr(Ⅵ)将由本发明的SIDMS方法分析，并在该期间，使同位素物种化示踪物和天然组分均衡，化合物在11．5～12的高pH值下可溶，SIDMS测量证实100％的回收修正，并给出关于初始样品中Cr(Ⅵ)的真实浓度的修正值。这是即使存在不完全分离，SIDMS也能进行准确测定的独特能力的又一证明。
SIDMS作为制备物种化标准参考物料的方法由于关于物质浓度准确性的样品分析要求为单个物质成分分析和证明标准参考物料，SIDMS的使用允许物种化标准样品的准确评估的准备及它们的证明。标准参考物料必须被存储并运送到目的地，以使其实际可用。标准参考物料还必须提供在诸如活性物质的相互转化，不溶性部分及不易的提取和分离之类的所有常态复杂性下，在自然界中遇到的真实自然物料。就这些物料的制备和存储而论，必须具有一种不存在归因于(a)分析方法，或者(b)本体组分，或者(c)退化，或者(d)物种化物料的转化的偏差，准确地评估这些物料的方法。可利用允许利用本发明的SIDMS方法对其进行分析的物种化示踪物制备这些标准样品。这还允许在存储，运送条件下发生某些相互转化，或者本体组分互反应之后，使用这些标准样品。如果提供物种化示踪物的初始浓度和同位素信息，利用SIDMS方法可分析该标准样品，并可修正程序偏差。SIDMS和标准样品制备的这种结合提供了一种重要的新工具，并将能够验证其它方法。正如这里已关于EPA Method3060A和7196A，证实在诸如土壤之类的样品方面的误差一样，当在诸如土壤之类样品的情况下发生偏差，或者当例如在COPR样品的情况下，方法未导致任何偏差时，可对其进行评估和验证。可把该技术与标准样品制备和评估的结合用于验证其它方法，并确保物种化标准样品的有效性。
如果在制备、存储、运送或方法评估中，发生物质组成方面的变动，则标准样品自身较不易产生误差。物料或方法方面固有的偏差可被修正，并且现在方法可准备好帮助样准及准确测定其它方法。
还可在不溶性物质情况下采用本发明的方法。例如，铬酸铅只在分离过程的一个阶段中是可溶的，但是由于大部分铬酸铅脱离溶液后的残余溶解性的缘故，随后可对铬酸铅进行完全分析。
这里提供的理论背景和实验数据支持本发明的SIDMS的有效性。利用SIDMS方法，可有效修正物质的转化和不完全分离。SIDMS还提供在样品制备／分析的整个过程中，跟踪物质转化的有用工具。可评估新物质和中间物质在物质转化方面的重要性。对于某些物质，可采用多种形式的物种化示踪物。该方法提供允许确认其它物种形成方法的诊断工具，并为物种形成计量学提供可靠数据。
要理解即使在不完全物质分离的情况下，本发明的方法也允许物种化同位素稀释测量。在本发明中，不要求100％的分离。通常最好至少5％的物质被分离，更好的是至少10％的物质被分离。本发明可容许最高约90～95％的物质未被分离，或者损失、转化或退化。如果要测量单一物质，就使该物质和含有该物质的样品分离。如果要测量一种以上的物质，最好把每种物质从含有物质的样品分离出来，并使要分析的物质相互分离。这应用于使每种物质的天然形式和掺入示踪物的形式与另一物质的天然形式和掺入示踪物的形式分开。另外，不必具有相同部分的每种要测量物质。
虽然为了清楚起见，这里把重点放在本发明的环境应用上，但是本发明并不局限于此。对于本领域中的技术人员来说，各种其它应用，例如工业生产过程或者食品加工和存放将是显而易见的。
于是，要理解本发明的方法提供一种或多种物质的准确的物种化同位素稀释质谱法量化。本发明的方法以一种适于补偿物质的转化和／或不完全分离的有效并且可靠的方式实现这一点。它还简化了其它方法的验证，以及物种化标准参考物料的制备和分析。
尽管上面已举例描述了本发明的几个特殊实施例，但是对于本领域中的技术人员来说，在不脱离如附加的权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可作出有关细节的众多变化。
权利要求
1．样品的物种化同位素稀释测量方法，包括提供至少一种预先确定的稳定同位素，通过把所述同位素转化为对应于所述样品中要测量的物质的物种化富集同位素，制备同位素示踪物，向含有所述要测量物质的样品中掺入同位素示踪物，使所述同位素示踪物质与所述要测量物质均衡，使至少一部分所述物质与所述样品分离，对要测量的每种所述物质进行同位素比测定，并数学去卷积所述物质浓度，同时修正物质转化，以及实现所述数学去卷积，同时修正所述物质与所述样品的不完全分离。
2．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括对要同时测量的一种以上的所述物质采用所述方法。
3．按照权利要求2所述的物种化同位素稀释测量方法，包括把所述方法应用于量化Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)。
4．按照权利要求2所述的物种化同位素稀释测量方法，包括采用下述方程式，实现所述数学去卷积 这里，R50/52Ⅲ是加料样品中Cr(Ⅲ)的50Cr与52Cr的实测同位素比；50Ax是样品中50Cr的自然原子百分率。CxⅢ是样品中Cr(Ⅲ)的浓度(微摩尔／克，未知)。Wx是样品的重量(克)。 是同位素示踪物50Cr(Ⅲ)中50Cr的原子百分率。 是50Cr(Ⅲ)示踪物中Cr(Ⅲ)的浓度(微摩尔／克)。WsⅢ是50Cr(Ⅲ)示踪物的重量(克)。CxⅥ是样品中Cr(Ⅵ)的浓度(微摩尔／克，未知)。α是加入示踪物之后，氧化为Cr(Ⅵ)的Cr(Ⅲ)的百分率(未知)。β是加入示踪物之后，还原为Cr(Ⅲ)的Cr(Ⅵ)的百分率(未知)。
5．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括采用质谱仪测定所述同位素比。
6．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括利用和要测量的物质相同物种化形式的同位素标记标识所述富集同位素。
7．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括采用时间分辨色谱法实现所述分离。
8．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括对在分离前经历物质转化的样品应用所述方法。
9．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括在水溶液中实现所述均衡。
10．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括对不完全分离的物质应用所述方法。
11．按照权利要求3所述的物种化同位素稀释测量方法，包括在大部分Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)之后，实现所述分离。
12．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括对土壤样本应用所述方法。
13．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括对含水样本应用所述方法。
14．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括对来自铬铁矿处理系统的固体废物应用所述方法。
15．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括在所述均衡步骤之后，并在所述分离步骤之前，存放所述样品。
16．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括对于一种以上的要测量物质，同时实现所述数学去卷积。
17．按照权利要求16所述的物种化同位素稀释测量方法，包括独立于其它物质，为每种物质实现所述数学去卷积。
18．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括单独地相对于一种要测量物质，实现所述数学去卷积。
19．按照权利要求16所述的物种化同位素稀释测量方法，包括在实现所述去卷积之前，使至少约5～10％，但是小于100％的每种所述物质和所述样品分离，并使每种所述物质与所述其它物质分离。
20．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括借助选自色谱法，微波辅助提取法，索格利特(soxhilate)提取法，溶剂溶解法，酸溶解法，酸或碱蒸馏法，离心法和溶剂提取法的至少一种方法实现所述分离。
21．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括借助微波辅助提取法，实现约5～15分钟的所述分离。
22．按照权利要求21所述的物种化同位素稀释测量方法，包括在约90～150℃的温度下实现所述分离。
23．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括在实现样品的所述物种化同位素稀释测量之后，把所述测量的结果和利用另一类型测试进行的测量的结果相比较，以评估所述另一类型测试的有效性。
24．按照权利要求23所述的物种化同位素稀释测量方法，包括利用所述另一测试实现若干测量，并实现所述比较，评估所述另一类型测试的有效性。
25．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括采用所述方法制备物种化示踪标准物料。
26．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括采用所述方法制造标准物料。
27．按照权利要求25所述的物种化同位素稀释测量方法，包括通过以物种化形式掺入独立的稳定同位素，产生所述物种化示踪标准样品。
28．按照权利要求26所述的物种化同位素稀释测量方法，包括存放后，使用所述标准物料。
29．按照权利要求26所述的物种化同位素稀释测量方法，包括采用所述方法修正退化发生后，所述标准物料中的物质变动。
30．按照权利要求21所述的物种化同位素稀释测量方法，包括在微波密闭容器中应用所述微波提取法。
31．按照权利要求23所述的物种化同位素稀释测量方法，包括采用所述方法确认不能独立地补偿不完全物质提取或者物质转化的所述测试。
32．按照权利要求1所述的物种化同位素稀释测量方法，包括对由于不完全分离，损失，转化或退化而导致被分离物质低于100％的物质执行所述方法。
33．按照权利要求32所述的物种化同位素稀释测量方法，包括实现至少约5～10％的所述物质的所述分离。
全文摘要
一种物种化同位素稀释质谱法(SIDMS),即使在物质分离前,样品已经历物质转化,或者存在退化或不完全分离,该方法也允许测定来自样品的一种或多种物质的浓度。至少掺入一种预先确定的稳定同位素,以把该稳定同位素转化为对应于样品中的要测量物质的物种化富集同位素。向含有要测量物质的样品中加入示踪物,并使同位素示踪物质和要测量的物质均衡。使物质与样品分离,并测定要测量的每种物质的同位素比。随后对物质浓度进行数学去卷积,同时修正物质转化和/或不完全分离。该方法可用于确认其它方法。该方法还可用在物种化标准参考物料的制备和分析中。该方法可用于量化Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)。
文档编号G01N33/20GK1292090SQ99803448
公开日2001年4月18日 申请日期1999年1月28日 优先权日1998年1月29日
发明者霍华德·M·金斯顿 申请人:霍利戈斯特杜肯大学