HPLC-ICP-MS法分析太湖沉積物中砷的形態(tài)及分布特征

劉 鋒,石志芳,2,姜 霞,李烔源,陳玉紅

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012;2.鄭州牧業(yè)工程高等專科學(xué)校,河南鄭州 450000;3.安捷倫科技有限公司(中國),北京 100102)

除天然源外,工業(yè)排放和農(nóng)藥化肥是環(huán)境中砷的主要來源,地殼巖石圈上部砷的平均含量為5 mg/kg,而我國一些地區(qū)自然土壤含砷量的算術(shù)平均值為(11.5±8.41)mg/kg[1]。在天然水體中,砷主要以砷酸鹽(水體溶解氧飽和的狀態(tài)下)和亞砷酸鹽(中等還原條件下)存在。在水與沉積物的交換界面,水中的幾種砷酸根會被水合氧化鐵吸附或生成共沉淀,也可以被氫氧化鋁和粘土所吸附,還可通過同晶置換而富集于磷酸鹽沉淀中;亞砷酸在行為上類似于砷酸,也可以被氧化鐵吸附或共沉淀,還易被金屬硫化物吸附或共沉淀。在還原環(huán)境中,砷酸可以被還原為亞砷酸,在微生物的作用下,逐級被甲基化為甲基砷、二甲基砷或三甲基砷[2],從而被釋放回水體或大氣,或通過魚和浮游生物被富集。

砷及其化合物是劇毒污染物,不同形態(tài)砷的生物毒性差異很大,總體來說,無機砷化合物的毒性遠(yuǎn)高于有機砷化合物,三價砷化合物的毒性遠(yuǎn)高于五價砷化合物[3]。因此,砷總量的測定已經(jīng)不能夠充分反映砷化合物的環(huán)境健康效應(yīng),砷形態(tài)分析研究對砷的環(huán)境毒理學(xué)和生物地球化學(xué)循環(huán)研究具有重要意義[4]。

高效液相色譜(HPLC)法具有較高的分離性能,其聯(lián)用技術(shù)在砷的形態(tài)分析中已得到廣泛應(yīng)用,從技術(shù)的發(fā)展趨勢來看,HPLC和電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)聯(lián)用是發(fā)展較為完善的技術(shù)之一[5]。在應(yīng)用上,樣品中砷化物的提取技術(shù)是關(guān)鍵,提取方法有微波萃取、超聲提取、振蕩提取和液液提取等[6-7],對于沉積物樣品,通常以非氧化性的磷酸鹽為提取劑[8-9]。對提取技術(shù)的要求是樣品中各種砷形態(tài)應(yīng)有較高的提取效率,且不會造成砷形態(tài)的轉(zhuǎn)化。本研究利用高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜(HPLC-ICPMS)建立包括 As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA 和 DMA的在線分析方法,并借助于該方法詳細(xì)考察太湖湖區(qū)沉積物中砷的形態(tài)及其分布特征。

1 實驗部分

1.1 儀器

Agilent 1200高效液相色譜儀:美國Aglent公司產(chǎn)品,配有在線真空脫氣機、梯度四元泵、手動進(jìn)樣器、PEEK定量環(huán) (20μL)、保護(hù)柱(G3154-65002)、離子交換柱(4.6 mm×150 mm i.d.,G3154-65001);Agilent 7500a電感耦合等離子體質(zhì)譜儀:美國 Aglent公司產(chǎn)品,配有PFA(100μl)同軸霧化器;Millipore超純水機(Milli-q g);CEM微波消解儀(Mars Xpress);Chirst凍干機(Alpha2-4/LD plus)。

1.2 試劑和標(biāo)樣

砷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):亞砷酸根 (AsO33-,GBW08666)、砷酸根 (AsO43-,GBW08667)、一甲基砷(CH3AsO32-,GBW08668)、二甲基砷(C2H7AsO2,GBW08669);將4種單標(biāo)配制成2 mg/L(以砷計)的儲備液,4℃避光保存;分析時用超純水稀釋為5、10、20μg/L混合標(biāo)準(zhǔn)系列。

水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(G BW07307):用于確定總砷的消解方法。

流動相:2.0 mmol/L NaH2PO4/0.2 mmol/L EDTA(p H 6.0)。

調(diào)諧液:10μg/L7Li、89Y、140Ce、205Tl,購于Agilent公司。

超純水(電阻率18.2 MΩ·cm)。

1.3 HPLC及ICP-MS工作條件

測試前用調(diào)諧液對 ICP-MS進(jìn)行調(diào)諧,使89Y的靈敏度達(dá)到最優(yōu),從而使75As有較高的靈敏度和較低的檢出限。

由于40Ar和35Cl易形成75ArCl多原子離子,干擾75As。因此,在總砷的測定中,使用干擾方程校正75ArCl對75As的干擾;干擾校正公式推導(dǎo)如下:

75As=75M-75ArCl=75M-{77ArCl(35Cl豐度/37Cl豐度)}

但是,質(zhì)荷比為77的離子除了40Ar37Cl還有77Se,77ArCl=77M-{82Se(77Se豐度/82Se豐度)}

聯(lián)立方程(1)和(2),得式(3):

但質(zhì)荷比為82的離子還有82Kr,

82Se=82M-{83Kr(82Kr豐度/83Kr豐度)}

聯(lián)立方程(3)、(4),得到干擾方程如下:

在砷的形態(tài)分析中,采用時間分辨分析模式,儀器同時監(jiān)測75As和35Cl的信號,在色譜條件優(yōu)化時,避免Cl的出峰時間與各種目標(biāo)砷形態(tài)重疊,用以排除75ClAr+干擾峰[10],詳見2.1.1?？偵楹蜕樾螒B(tài)分析的主要儀器參數(shù)列于表1。

表1 總砷和砷形態(tài)分析的儀器參數(shù)Table 1 Instrumental parameters for total As determination and As speciation analysis

1.4 總砷的消解方法

準(zhǔn)確稱取0.1 g沉積物樣品,加入10 mL優(yōu)級純硝酸,用微波消解儀進(jìn)行消解。以GBW07307為標(biāo)準(zhǔn)樣品,參照EPA方法3051[11]對升溫程序做適當(dāng)調(diào)整,列于表2。消解完畢,用去離子水將樣品轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中定容,過0.45μm濾膜,4℃下保存。

1.5 砷形態(tài)的萃取方法

準(zhǔn)確稱取0.2 g沉積物樣品,加入10 mL 0.3 mol/L磷酸和1 mL 0.1 mol/L抗壞血酸進(jìn)行微波萃取。萃取程序參考文獻(xiàn)[7],設(shè)置10 min由室溫升至95℃,保持20 min,待冷卻至室溫后,將萃取液轉(zhuǎn)移并定容至25 mL,靜默后取上清液過0.22μm醋酸纖維濾膜,于4℃下保存 ,備用。

表2 微波消解的升溫程序Table 2 The temperature protocol for microwave digestion

1.6 樣品采集和保存

2009年10月至11月對太湖竺山灣(R1、R2、X1)、梅粱灣(R3、R4、X2)、貢湖(R5、X3)、胥湖(R6、R7、X4)、東太湖(R8、R9、X5)和開闊區(qū)(R10、R11、R12、R13、X6、X7)共計 20 個樣點進(jìn)行采樣研究,采樣點示于圖1,其中R為河流入湖河口,X為湖心。

圖1 太湖采樣點示意圖Fig.1 Diagram of sampling sites in Taihu Lake

1.6.1 柱狀沉積物樣品的采集和保存使用彼得森柱狀采樣器(內(nèi)徑為60 mm、長度為100 cm的可分離PVC管),采到的柱狀沉積物棄去上覆水,按流泥層、污染層、過渡層A、過渡層B和健康層分為5層,分別裝入封口袋內(nèi),排出袋內(nèi)空氣,密封,帶回實驗室進(jìn)行冷凍干燥,除去植物和貝類等雜物,用瑪瑙研缽研磨后,過100目篩,低溫避光保存。

1.6.2 表層沉積物樣品的采集和保存使用彼得森柱狀采樣器準(zhǔn)確采集表層10 cm沉積物樣品,按1.6.1方法進(jìn)行處理和保存。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物中不同形態(tài)砷的分析方法驗證

2.1.1 色譜體系的選擇 基于砷在環(huán)境中可能的存在形態(tài),初步確定 As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA和DMA 4種砷形態(tài)作為主要考察目標(biāo)。這4種砷形態(tài)主要以陰離子形式存在,其分離多采用離子交換機理,而磷酸鹽通常作為陰離子分離的淋洗液,因此選擇陰離子交換柱,磷酸二氫鈉作為基礎(chǔ)淋洗液。

由于實際樣品中可能含有氯,在提取過程中含氯的物種會進(jìn)入提取液中。而在ICP-MS測定時,等離子體中的Ar易與樣品基質(zhì)中大量的Cl結(jié)合形成75ArCl分子離子,若 Cl的含量過高,則可能會嚴(yán)重干擾75As的測定。但樣品中的Cl是以離子形式存在的(例如:Cl-或ClO4-等),當(dāng)樣品進(jìn)入陰離子交換柱內(nèi)進(jìn)行色譜分離時,樣品中的所有離子都可能與色譜柱作用,但不同離子的保留時間可能不同。這意味著,如果使Cl離子的出峰時間與4種目標(biāo)As形態(tài)的出峰時間錯開,即使樣品中Cl的含量很高,也只可能僅造成其出峰的這一小段時間內(nèi)As的基線變化,但4種As形態(tài)的色譜峰并不會受到ArCl干擾,因此不會影響砷形態(tài)的定量。對于離子交換色譜而言,淋洗液的濃度、p H值等因素對各種離子的保留時間影響較大,因此,通過優(yōu)化色譜條件,最終選擇淋洗液為 2.0 mmol/L NaH2PO4/0.2 mmol/L EDTA(p H 6.0)。在此條件下,含氯物種與4種As形態(tài)的保留時間不同,有效避免了ArCl對As形態(tài)測定的影響。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖 按照所建立的HPLC-ICP-MS分析方法 ,用 5、10、20μg/L(以砷計)的 As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA 和 DMA 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣,得到不同砷形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜譜圖,示于圖2。在10 min內(nèi),4種形態(tài)砷的色譜峰可以完全分離,標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好,r2＞0.99。表明實驗所采用的流動相和色譜條件可以滿足分析的需要。

圖2 不同砷形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖Fig.2 The standard chromatogram of arsenic speciations

2.1.3 檢出限與重現(xiàn)性 在 HPLC-ICP-MS應(yīng)用中,ICP-MS僅作為色譜的檢測器,因此檢測限定義為信噪比(S/N)為3∶1時所對應(yīng)的濃度。計算進(jìn)樣量為20μL時,本方法對As(III)、DMA、MMA、As(V)的檢出限分別為0.49、0.81、0.93、1.4μg/L。對20.0μg/L 的 4種砷形態(tài)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)測定6次(進(jìn)樣量為20 μL),峰面積相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為 As(III)2.8%、DMA3.3%、MMA2.2%、As(V)2.4%。

2.1.4 加標(biāo)回收率 取3份沉積物樣品,按照每種組分5 mg/kg的加入量,分別加入到 As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA 和 DMA 標(biāo)準(zhǔn)溶液中 ,對加標(biāo)樣進(jìn)行微波萃取后,計算樣品的加標(biāo)回收率,結(jié)果列于表3。樣品的加標(biāo)回收率為94.2%～110%,平均加標(biāo)回收率為103%,表明該方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

表3 4種砷形態(tài)的加標(biāo)回收率(%)Table 3 Standard recoveries of 4 arsenic speciations(%)

2.1.5 樣品的提取效率 將本方法測定的樣品中不同砷形態(tài)的量相加,與采用微波消解法測定的總砷含量進(jìn)行比較,計算樣品中砷形態(tài)的提取效率,結(jié)果列于表4。樣品中砷形態(tài)的提取效率為80.4%～98.7%,平均提取效率為91.0%。由此可見,采用本方法對沉積物中不同砷形態(tài)進(jìn)行提取,其提取效率是較高的。

2.2 太湖表層沉積物中砷的污染現(xiàn)狀

對5個湖灣及開闊區(qū)域共20個采樣點的樣品檢測結(jié)果表明,太湖沉積物中總砷的含量范圍介于6.51～13.46 mg/kg之間,平均為10.39 mg/kg,低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)一級標(biāo)準(zhǔn)(15 mg/kg)。由于太湖水體交換較充分,沒有出現(xiàn)沉積物中砷嚴(yán)重聚集的區(qū)域,全湖砷的最高含量出現(xiàn)在竺山灣河流入湖口處,最低值出現(xiàn)在東太湖湖心處。竺山灣湖心和入湖口含量差別明顯,梅粱灣和胥湖的湖心和入湖口處含量相當(dāng),且總體含量較高,貢湖和開闊區(qū)含量相當(dāng);東太湖相對砷的含量最低,無論是湖心處還是河流入湖口處的含量均低于全湖平均值,示于圖3。

圖3 各湖區(qū)表層沉積物中砷的污染狀況Fig.3 The arsenic pollution of sediment in different regions of Taihu Lake

圖4 太湖表層沉積物中不同砷形態(tài)的分布特征Fig.4 The distribution of the arsenic speciations in sediment of Taihu Lake

2.3 太湖表層沉積物中不同砷形態(tài)的分布特征

對樣品中 As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA 和 DMA的檢測結(jié)果示于圖4。結(jié)果表明,太湖湖區(qū)表層沉積物中的砷主要為無機形態(tài),未檢出有機砷形態(tài)。在無機砷中,As(Ⅲ)形態(tài)與As(Ⅴ)形態(tài)的比例約為1∶3,這一比例關(guān)系在各湖區(qū)的表層沉積物中沒有顯著差異,表明太湖表層沉積物基本上處于氧化性沉積環(huán)境中。

2.4 沉積剖面沉積物中不同砷形態(tài)的分布

對在竺山灣湖區(qū)采集的1個沉積剖面中4個沉積物樣本進(jìn)行分析,結(jié)果示于圖5。有研究表明[13],太湖不同湖區(qū)湖底沉積物的平均沉積速率為0.28～0.41 cm/a。因此對照采樣深度可以看出,近20年來,太湖湖底沉積物中砷的含量有顯著增加。4個沉積剖面沉積物中砷的形態(tài)均為無機形態(tài),As(Ⅴ)的含量高于As(Ⅲ)的含量,各沉積剖面沉積物中砷形態(tài)的相對比例無顯著差異。但As(Ⅲ)形態(tài)與As(Ⅴ)形態(tài)的比例與表層沉積物相比有所提高,該現(xiàn)象有待更多樣品分析結(jié)果的驗證。

圖5 沉積剖面沉積物中不同砷形態(tài)的分布Fig.5 The section distribution of the arsenic speciations in sediment

3 結(jié)論

從不同砷形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖可以看出,4種砷形態(tài)的色譜峰在10 min內(nèi)可以得到完全分離,且標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好。樣品的加標(biāo)回收率為94.2%～110%,樣品中砷形態(tài)的提取效率為80.4%～98.7%,表明該方法對沉積物中不同砷形態(tài)有較高的提取效率,具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。

按照所建立的 HPLC-ICP-MS方法考察了太湖湖區(qū)沉積物中砷的形態(tài)分布特征。結(jié)果表明,太湖沉積物中總砷的含量低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)一級標(biāo)準(zhǔn),總體來說,未出現(xiàn)砷的污染情況。表層沉積物中的砷主要為無機形態(tài),未檢出有機砷形態(tài)。As(Ⅴ)形態(tài)的含量高于As(Ⅲ),表明太湖表層沉積物基本上處于氧化性沉積環(huán)境。近20年來,太湖湖底沉積物中砷的含量有顯著增加。檢測的沉積剖面沉積物中砷的形態(tài)亦為無機形態(tài),各沉積剖面沉積物中砷形態(tài)的相對比例無顯著差異。

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