離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用(IC-ICP-MS)測(cè)定水體中的砷形態(tài)

李林林，朱英存

蘇州科技大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院，蘇州215011

砷元素在自然界中豐度排在第20 位[1]，具有很強(qiáng)的毒性和致癌作用，是水環(huán)境和土壤環(huán)境中有毒污染元素的典型代表。砷元素以許多不同化合物的形式存在，空氣、土壤、沉積物和水中發(fā)現(xiàn)的砷化物主要有亞砷酸鹽、砷酸鹽等無機(jī)砷以及一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)等簡單烷基化有機(jī)砷。不同形態(tài)的砷具有不同的物理及化學(xué)性質(zhì)，特別是其毒性依賴于其化學(xué)形態(tài)，其中無機(jī)砷的毒性最大，有機(jī)砷的毒性較小，因此對(duì)砷的存在形態(tài)進(jìn)行分析具有重要意義。

人類主要通過飲用水和食物攝入砷化物，而飲用水被認(rèn)為是全球最主要的攝取來源之一。根據(jù)世界衛(wèi)生組織對(duì)于飲用水的相關(guān)規(guī)定，飲用水中總砷的限值為10 ng·mL-1，許多國家通過立法規(guī)定了此限值[2]?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)水體中的無機(jī)砷的分析方法有硼氫化鉀-硝酸銀分光光度法和氫化物發(fā)生原子吸收光譜法，這2 種方法選擇性較差，無法準(zhǔn)確測(cè)定砷的存在形態(tài)，只能測(cè)定總砷的含量，因而也無法準(zhǔn)確地判斷其危害性?，F(xiàn)用于砷元素形態(tài)分析的主要是聯(lián)用技術(shù)，即先用有效的在線分離技術(shù)將元素砷的各種化學(xué)形態(tài)進(jìn)行選擇性分離，然后用高靈敏度的無機(jī)元素檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。其中高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-ICP-MS)是目前砷形態(tài)分析中應(yīng)用最多的方法之一，高效液相色譜將不同形態(tài)的砷分離后再使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)[3-5]，該方法具有靈敏度高、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)。目前離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用(IC-ICP-MS)技術(shù)[6-12]在元素形態(tài)分析中的應(yīng)用研究越來越多，荊淼等[6]采用陰離子交換色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測(cè)定面粉中的痕量和Br-。使用DIONEX CarBonPac PA-100(250 mm×4 mm,i.d.)色譜柱，以5 mmol·L-1NH4NO3作為淋洗液，流速為1 mL·min-1，分離了和Br-，該方法在100 μL 進(jìn)樣量下BrO-3和Br-的檢出限均低于0.5 μg·L-1;蘇宇亮等[7]采用IC-ICP-MS 技術(shù)分析水中的和I-，該方法以IonPac AS14 作為分析柱，30 mmol·L-1(NH4)2CO3為淋洗液，1 mL·min-1流速，1 mL 的進(jìn)樣量和I-的方法檢出限分別為0.066和0.045 μg·L-1;Chu 等[9]采用(NH4)2CO3和甲醇(pH 調(diào)節(jié)到8.5)作為淋洗液，在8 min 之內(nèi)分離了植物油中6 種不同形態(tài)砷的化合物，6 種砷形態(tài)的檢出限在0.008 ～0.024 ng·mL-1之間;黃紅霞[10]采用IC-ICP-MS 技術(shù)分析豬肉中的無機(jī)砷，采用KOH 溶液梯度淋洗，0 ～5 min KOH 溶液濃度為5 mmol·L-1,5 ～12 min KOH溶液濃度為種砷形態(tài)在10 min 之內(nèi)完全分離。采用IC-ICP-MS 技術(shù)測(cè)定水體中的砷形態(tài)研究報(bào)道相對(duì)較少。

本研究建立了IC-ICP-MS 聯(lián)用技術(shù)測(cè)定水體中4種砷形態(tài)的方法，通過改變影響離子色譜分離的主要因素:淋洗液的種類、濃度和流速等條件，總結(jié)出該方法對(duì)不同形態(tài)砷的分離和測(cè)定的最佳條件，并在最佳條件下，進(jìn)行方法的線性范圍、檢出限和重現(xiàn)性研究，該方法具有靈敏度高、線性范圍寬、準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)水體中不同形態(tài)砷的測(cè)定。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 儀器試劑

Agilent 7500a 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 公司，美國);IonPac AS18 陰離子色譜柱(250 mm×4.0 mm);IonPac AG18 陰離子保護(hù)柱(50 mm×4.0 mm);美國Millipore 純水系統(tǒng)。

砷的4 種形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(100 mg·L-1)分別用亞砷酸鈉(Fluka 公司，99.99%)、砷酸鈉(Fluka 公司，99.99%)、一甲基砷酸鈉(MMA，F(xiàn)luka 公司，99.9%)和二甲基砷酸(DMA，F(xiàn)luka 公司，99%)配制而成。As(III)、As(V)、DMA 和MMA 以及4 種形態(tài)的混合液等系列標(biāo)準(zhǔn)工作液均由儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋配制。其他主要試劑還有Na2CO3(國藥，GR)、NaHCO3(Merck 公司，GR)、NaOH(沃 凱公司，GR)、NH4HCO3(Merck 公司，AR)和HCl(國藥，AR)等。

1.2 儀器工作條件

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀:射頻功率1 350 W，等離子氣流量15.0 L·min-1,輔助氣(Ar 氣)流量1.13 L·min-1，霧化氣(Ar 氣)流量1.0 L·min-1，霧化器溫度2℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將砷的4 種形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)混合液配成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液與實(shí)際水樣一起進(jìn)行檢測(cè)。水樣采集后立即加鹽酸酸化保存(調(diào)節(jié)pH 至2.0 左右)，分析前將采集來的水樣用NaOH 調(diào)pH 至中性后，經(jīng)0.45 μm 膜(聚四氟乙烯，PTFE)過濾后直接進(jìn)入色譜系統(tǒng)分析，以標(biāo)準(zhǔn)曲線法對(duì)樣品中的不同砷形態(tài)濃度進(jìn)行定量。

水樣總砷的測(cè)定:水樣經(jīng)0.45 μm 膜(聚四氟乙烯，PTFE)過濾后，用ICP-MS 直接測(cè)定，以砷的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量。

實(shí)際水樣的加標(biāo)回收采用標(biāo)準(zhǔn)加入法，即在實(shí)際水樣中加入已知濃度的4 種砷形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后進(jìn)入色譜系統(tǒng)進(jìn)行分析測(cè)定，加標(biāo)回收率計(jì)算方法如下:

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 色譜條件的選擇

2.1.1 淋洗液的選擇

考察了Na2CO3/NaHCO3(物質(zhì)的量比為4∶1)、NaOH和NH4HCO33 種不同的淋洗液(濃度變化為1.0 ～30 mmol·L-1)對(duì)砷形態(tài)的分離效果，結(jié)果表明，隨著淋洗液濃度的增大，洗脫能力增強(qiáng)，3 種淋洗液都可以使4 種砷的形態(tài)得到分離。NH4HCO3作為淋洗液時(shí)的完全分離時(shí)間最短，而且采用Na2CO3/NaHCO3和NaOH 為淋洗液時(shí)，過多的鈉離子會(huì)造成ICP-MS 進(jìn)樣口的鹽堆積堵塞;當(dāng)NH4HCO3濃度達(dá)到20 mmol·L-1時(shí)砷的4 種形態(tài)可以得到完全分離，當(dāng)濃度大于20 mmol·L-1時(shí)，分離效果并沒有顯著變化。因此選擇20 mmol·L-1的NH4HCO3作為離子色譜的淋洗液。

2.1.2 淋洗液流速對(duì)保留時(shí)間和分離效果的影響

研究了流速為0.5 ～1.5 mL·min-1的NH4HCO3淋洗液對(duì)保留時(shí)間和分離度的影響。實(shí)驗(yàn)表明，隨著淋洗液流速的增加，保留時(shí)間減小，當(dāng)流速大于1.2 mL·min-1時(shí)，DMA 和MMA 無法有效分離。同時(shí)，隨著淋洗液流速的增加，當(dāng)用峰面積進(jìn)行定量時(shí)，檢測(cè)靈敏度有一定程度的降低，因?yàn)楫?dāng)淋洗液流速增加，進(jìn)入色譜峰區(qū)帶內(nèi)的陰離子量會(huì)有所減少，造成峰面積降低。因此，流速較低時(shí)靈敏度更高。故選擇淋洗液流速為1.0 mL·min-1。圖1 為砷的4 種形態(tài)的分離圖，4 種砷形態(tài)的濃度均為5 μg·L-1，20 mmol·L-1的NH4HCO3作 為 淋 洗 液，流 速 為1.0 mL·min-1。

圖1 4 種砷形態(tài)的色譜分離圖Fig.1 Chromatogram of four arsenic species

表1 用于砷形態(tài)分析的不同聯(lián)用技術(shù)比較Table 1 Comparison of different coupled detection methods for arsenic speciation

2.1.3 色譜最佳條件

綜合考慮淋洗液種類和流速兩點(diǎn)可知，選用Ionpac AS18 作為分離柱，20 mmol·L-1NH4HCO3作為淋洗液，流速1.0 mL·min-1，在較短的時(shí)間(10 min)內(nèi)使4 種砷形態(tài)得到較好的分離。表1 詳細(xì)比較了本方法與其他IC-ICP-MS 聯(lián)用技術(shù)的色譜條件。較其他方法而言，本方法樣品處理步驟極少，僅需過濾便可以快速測(cè)定水中砷形態(tài);且本方法使用NH4HCO3作為淋洗液，無需加入其他有機(jī)溶劑，在10 min 內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)4 種砷形態(tài)的有效分離;NH4HCO3作為淋洗液，與鈉鹽和鉀鹽相比，不會(huì)改變等離子體的電離條件，不易在錐口形成鹽沉積而造成堵塞，而且具有很好的分離效果。

2.2 工作曲線和檢出限

準(zhǔn)確配制一系列砷形態(tài)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(0、0.05、0.1、0.5、1、5、20 和50 μg·L-1)，在上述優(yōu)化條件下測(cè)定了4 種砷形態(tài)的線性范圍和檢出限(以3倍信噪比計(jì)算)，結(jié)果如表2 所示。武鑠等[16]采用液相色譜-氫化物發(fā)生/原子熒光聯(lián)用技術(shù)分離測(cè)定了啤酒中4 種砷形態(tài)，4 種砷形態(tài)的方法檢出限在800 ～1 200 ng·L-1之間。

表2 檢測(cè)方法的工作曲線、線性范圍和檢出限Table 2 Working curve,linear range and detection limit of the studied method

2.3 實(shí)際樣品分析

選取不同類別的實(shí)際水樣(廢水、深井地下水和地表水)，在上述優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，使用IC-ICP-MS 聯(lián)用技術(shù)分析水中砷的形態(tài)，同時(shí)分析水樣中總砷的含量用以比較，結(jié)果見表3。從結(jié)果可以看出，廢水和地表水中的砷化合物相對(duì)簡單，主要以無機(jī)砷為主要存在形態(tài)。深井地下水中砷的存在形態(tài)較為復(fù)雜，4 種砷形態(tài)均有檢出。本方法的色譜回收率也都在90%左右。

表3 實(shí)際水樣中4 種砷形態(tài)的測(cè)定結(jié)果(n=3)Table 3 Determination of four arsenic species in real water samples(n=3)

2.4 回收率和精密度

用該方法對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。使用Ionpac AS18 作為分離柱，20 mmol·L-1NH4HCO3作為淋洗液，流速為1.0 mL·min-1，對(duì)4 種砷形態(tài)進(jìn)行分離，利用ICP-MS 進(jìn)行檢測(cè)，建立了ICICP-MS 聯(lián)用測(cè)定環(huán)境水體中As(III)、DMA、MMA和As(V)這4 種砷形態(tài)的分析方法。該方法檢測(cè)靈敏準(zhǔn)確，4 種砷形態(tài)的檢出限在10 ～30 ng·L-1之間，且實(shí)際樣品的加標(biāo)回收率為82.6%～110%。IC 與ICP-MS 的連接簡單，方法對(duì)水體中砷的形態(tài)分析具有較大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于研究水體中各種砷形態(tài)的遷移轉(zhuǎn)化及其毒性毒理研究具有重要的意義。

表4 實(shí)際水樣中砷的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=6)Table 4 Results of recovery test for arsenic in real water samples(n=6)

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