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重金属元素在环境中的迁移能力、生物可利用性及其毒性与其存在形态密切相关。与热力学稳定的元素形态相比，元素易变形态在自然水环境的界面交换过程中容易发生离解，有增强元素生物可利用性的潜在可能。因此，元素易变形态的分析方法以及元素的生物可利用性研究已成为近年来形态分析领域的研究热点和难点问题之一。元素形态分析中最常用的分析手段是基于元素形态色谱分离和在线元素特异性原子光谱/质谱检测的联用技术，它的优势在于能对热力学性质稳定的元素形态进行实时在线的分离和定量检测。然而，由于元素易变形态在分离过程中初始平衡发生移动，某些实验结果难以解释，所以限制了联用技术在易变元素形态分析中的应用，为解决此类问题，亟需对元素易变形态在分离过程中的变化规律进行系统的研究。
镉是一种典型的动力学易变元素，本论文以镉的元素形态作为研究对象，分别建立了离子对反相液相色谱与原子荧光光谱联用以及离子对反相液相色谱与电感耦合等离子体质谱联用技术平台，研究了不同镉形态的色谱行为与其易变性的关系，并对不同镉形态的生物可利用性进行了研究。取得了以下主要研究结果：
1.建立了离子对反相色谱-化学蒸气发生-原子荧光光谱(IP-RPLC-CVG-AFS)在线联用体系作为镉的形态分析平台。以带有阳离子交换基团的离子对试剂对碳十八(ODS)反相柱进行修饰，分离机理为阳离子交换机理。通过比较离子对试剂对分离结果的影响，发现十二烷基苯磺酸钠(SDBS)修饰的ODS柱对镉离子的保留最强，其次是辛基苯磺酸钠(SOBS)和十二烷基硫酸钠(SDS)。优化了接口条件和检测器条件，得到方法的线性范围为4.5×10-7～4.5×10-5 mol L-1，相关系数为0.9940，检出限为4.4×10-8 mol Cd L-1(3σ)。荧光信号值不受溶液中配体的影响。水样加标实验结果令人满意，加标回收率为80％～108％，相对标准偏差为6.50％～10.9％，应用该体系评价了水体中镉的存在形态。
2.建立了离子对反相色谱.电感耦合等离子体质谱(IP-RPLC-ICPMS)在线联用体系作为镉的形态分析平台，用于研究不同镉的形态在分离过程中的变化规律。结果如下：
(1)选用SDS作为离子对试剂修饰ODS柱，NH4Ac-HAc体系(pH6.0)为流动相，分离机理为阳离子交换机理。方法线性范围为5.0×10-8～5.0×10-5molL-1，相关系数为0.9998，检测限为1.4×10-9mol L-1(3σ)。
(2)选择热力学稳定常数(logKCdL)范围为3～19的镉的配合物为镉形态模型，根据它们在色谱分离过程中的保留行为，分别定义logKCdL>16、8>logKCdL>16和logKCdL<8的配合物为稳定形态、中等稳定形态和易变形态。根据镉的形态在色谱分离过程中的保留因子以及形态分布等参数，推算了镉形态在色谱分离过程中的条件稳定常数及动力学离解速率常数。
(3)应用IP-RPLC-ICPMS测得的镉形态的易变性参数，以三角褐指藻作为模型生物，比较了镉的形态稳定性对其生物可利用性的影响，获得较好的相关性。该技术平台为评价以非共价键结合的元素易变形态在环境中的稳定性并预测其生物可利用性提供了一条有效的途径。
3.以海洋硅藻三角褐指藻为生物模型，研究了三角褐指藻对不同的镉形态的生物可利用性。结果如下：
(1)测定了在不含有机配体的培养液中三角褐指藻对镉离子的吸收情况。动力学实验表明细胞表面吸附和细胞内部镉的量在30分钟左右达到平衡，达到平衡时，约有70％的镉以细胞表面吸附的形式存在，细胞表面对镉的吸附速率常数为1×10-13 mol cm-2 min-1，镉进入细胞内的速率常数为4×10-14 mol cm-2 min-1，即细胞表面对镉的吸附速率远大于镉进入细胞内的速率，三角褐指藻对镉的吸收规律符合自由离子活度模式的假设。
(2)测定了在溶液中存在半胱氨酸(cysteine，Cys)和腐植酸(humic acid，HA)的情况下三角褐指藻对镉的吸收。发现当溶液中存在Cys时，全细胞最大吸收值[Cd]cell，max为1.23×10-10 mol cm-2，细胞内最大吸收值[Cd]int，max为3.65×10-11mol cm-2，分别为对照组的1.5倍和2.4倍；当溶液中存在腐植酸(HA)时，全细胞最大吸附量[Cd]cell，max为9.62×10-11 mol cm-2，细胞内镉的最大量[Cd]int，max为2.50×10-11 mol cm-2，分别为对照组的1.2和1.6倍。
(3)动力学实验结果表明，细胞对Cys和HA的吸附现象明显，且在5分钟内就达到平衡，细胞对Cys的吸附速率常数为8×10-8 mol m-2 min-1，远大于对细胞对Cd的吸附速率常数。细胞表面吸附的Cys和HA为镉提供了更多的结合位点，从而形成细胞表面-配体-Cd三元配合物，增加了三角褐指藻对镉的吸收。