《Microchemical Journal》：Vanadium speciation in environmental and geological matrices: state-of-the-art analytical techniques and global research trends
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这篇综述深入剖析了钒（一种具有多变氧化态的过渡金属）在环境与地球化学系统中的重要性，其氧化还原敏感性、迁移性和潜在毒性使其成为风险评估和资源回收的关键因素。文章系统评述了钒在环境与地质样品中的形态分析，重点介绍了X射线吸收光谱（XAS）、伏安法、高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（HPLC-ICP-MS）和离子色谱（IC）等先进技术的灵敏度、选择性及其在不同基质中的适用性。同时，文章还基于2019-2025年的文献计量学分析，揭示了全球研究从传统的总金属分析向先进的形态分析转变的趋势，并指出了当前在基质干扰、方法标准化及欠发达国家数据匮乏等方面面临的挑战，为未来标准化分析流程、促进可持续监测与回收策略提供了方向。
在自然界和人类活动中广泛存在的过渡金属钒，因其多样的氧化态和复杂的化学行为，对环境与地球化学系统产生着深远影响。准确识别和测定其不同形态，对于评估其环境归宿、生物可利用性、毒性及从矿山尾矿、工业废水等二次资源中回收钒至关重要。
全球研究趋势的文献计量学分析
2019年至2025年间，全球关于钒形态的研究论文数量稳步增长，显示出对其环境行为和分析挑战日益增长的兴趣。中国在该领域的出版物产出领先全球，美国、德国和南非紧随其后，形成了强大的区域研究中心。科罗拉多州立大学、成都理工大学、四川大学、中国地质大学（北京）和悉尼大学是发表高影响力论文最多的研究机构。《危险材料杂志》、《无机生物化学杂志》、《整体环境科学》、《无机化学》和《微量化学杂志》等期刊是发表钒形态研究的重要平台。关键词共现分析显示，研究围绕“钒”、“人类”、“动物”、“土壤污染物”、“水”和“环境监测”等核心术语形成多学科集群，新兴趋势指向整合原位形态技术、纳米材料和绿色分析化学的综合性方法。
环境与地质来源中的钒
钒在地壳中平均丰度约为150 ppm，比铜、锌等元素更为普遍。其天然来源包括磷酸盐岩、黑色页岩和钒钛磁铁矿等，其中位于南非的布什维尔德火成杂岩是世界最大的钒矿床。人类活动，如采矿、化石燃料燃烧、钒基合金和催化剂的使用，显著增加了特定环境中的钒浓度。钒在环境中主要以V(III)、V(IV)和V(V)三种氧化态存在，其行为受氧化还原电位、pH值、有机质或络合剂存在的影响极大。在氧化条件下，V(V)以钒酸盐形式存在，溶解度和迁移性高，且因其与磷酸盐的化学相似性，可能对生物系统产生毒性。在还原条件下，V(III)和V(IV)更普遍，形成稳定的沉淀物或配合物，迁移性较低。
钒的化学与形态
钒的化学行为复杂且多变。V(III)通常存在于强还原环境，形成不溶性氢氧化物或与固相结合。V(IV)，常以钒酰离子形式存在，在弱还原环境中稳定且适度溶解。V(V)是氧化程度最高的形态，在氧化条件下主要以氧阴离子形式存在，如正钒酸根和偏钒酸根，在水生环境中具有高移动性。氧化还原电位和pH值深刻影响钒的形态。V(V)物种通常被认为毒性最大、移动性最强，易溶于水，并通过干扰代谢和酶功能在生物系统中产生危害。形态决定了钒在环境中的迁移、归宿、生物可利用性和毒性，因此，精确的形态分析是风险评估、修复和环境监测的基石。
钒形态分析的样品制备技术
准确的形态分析始于样品收集、过滤和保存，以维持钒氧化态的完整性。对于总钒测定，酸消解仍是主要方法，密闭容器微波辅助消解因安全性高、试剂用量少、消解效率高而日益普及。对于难熔地质矿物，则需采用熔融法。为进行形态分析，常使用连续萃取法将钒分离为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态等操作定义形态。对于水样，液液萃取、浊点萃取和固相萃取等技术常用于分离和富集钒的氧化态，过程中常需添加乙二胺四乙酸等络合剂以稳定氧化态。然而，在样品制备过程中保持钒的初始氧化态是一大挑战，轻微的pH、温度变化或空气暴露都可能导致物种转换。
钒形态分析的分析技术
光谱法、色谱法及其联用技术在钒形态分析中扮演核心角色。
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光谱法：紫外-可见光谱可用于区分水溶液中的V(IV)和V(V)。X射线吸收光谱，特别是X射线吸收近边结构谱和扩展X射线吸收精细结构谱，可提供固体和液体样品中钒氧化态及局部原子环境的具体信息，但依赖同步辐射装置。电感耦合等离子体质谱和电感耦合等离子体发射光谱法常用于总钒测定，与分离技术联用时可用于形态分析。
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色谱法：离子色谱可有效分离水样中的钒氧阴离子物种。高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱联用是现代形态分析的“金标准”，兼具高分离能力与超痕量检测灵敏度，适用于复杂环境基质。离子色谱-电感耦合等离子体发射光谱联用提供了更具成本效益的选择。
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联用技术：高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱结合了色谱分离与质谱检测的极致灵敏度与选择性，是鉴定和定量复杂样品中钒物种的强有力工具。离子色谱-电感耦合等离子体发射光谱则适用于常规监测。这些联用技术需要仔细优化实验参数，以防止物种转换并确保结果准确。
尽管分析方法取得了显著进展，但基体干扰、缺乏标准方法、在复杂基质中保持物种稳定性、以及对发展中国家钒形态数据了解不足等挑战依然存在。未来的研究需要致力于开发更稳健的原位监测技术、标准化分析方法，并加强对钒在环境界面行为的理解，以制定有效的污染控制和资源回收策略。
