液相色譜-氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法檢測高砷煤礦區(qū)苔蘚中的砷形態(tài)

張 萌， 張瑞雪*,2， 吳 攀,2， 官慶松

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽 550025；2.貴州大學(xué)礦山環(huán)境治理工程技術(shù)中心，貴州貴陽 550025)

砷是一種具有毒性的類金屬元素，其毒性不僅與元素總量有關(guān)，而且與其化學(xué)形態(tài)密切相關(guān)。研究表明，無機態(tài)的亞砷酸鹽(As(Ⅲ))和砷酸鹽(As(Ⅴ))的毒性較高，而一甲基砷酸(MMA)和二甲基砷酸(DMA)的毒性較小[1]。不同形態(tài)砷的物理和化學(xué)特性不同，因此具有不同程度的移動性、生物可利用性及毒性，砷形態(tài)是影響植物中砷的遷移和生物有效性的關(guān)鍵因素[2]。苔蘚植物因其具有特殊的生理和代謝特征，被認為是指示污染程度和反應(yīng)污染物最好的生物監(jiān)測器[3]。因此，研究苔蘚中砷的不同形態(tài)，對于進一步探討砷在苔蘚及其環(huán)境介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化有著重要的意義。目前，砷形態(tài)的研究大多集中在土壤、水、海產(chǎn)品、中藥和極少數(shù)其他植物中[5]，且提取溶劑多采用甲醇-水混合液或酸溶液，其輔助提取方法主要有超聲、微波和水浴提取。劉守廷等[6]研究表明，10%HCl振蕩提取適合海生動物型海產(chǎn)品中砷形態(tài)；王亞等[7，8]用水-微波輔助提取法提取紫菜、微藻中砷形態(tài)；李莉等[9]用甲醇∶水(1∶9，V/V)混合液為提取液，在30 ℃超聲提取煙草中砷形態(tài)；楊麗君[10]等用甲醇∶水(1∶9)混合液超聲提取果蔬中砷形態(tài)；倪張林等[11]采用磷酸∶水(1∶99，V/V)作為花茶中砷形態(tài)的提取劑；吳燁飛等[12]用稀HCl為提取劑提取海藻中的砷形態(tài)；馬杰等[13]用甲醇∶水(1∶9，V/V)超聲浸提蜈蚣草根和葉中砷形態(tài)。不同植物的內(nèi)部成分差異較大，因此針對不同植物樣品中砷的提取方法研究必不可少[14]。

液相色譜-氫化物發(fā)生-原子熒光光譜(LC-HG-AFS)聯(lián)用技術(shù)具有分析成本低、靈敏度高、選擇性好、線性范圍寬等優(yōu)點[4]。本文初步探索了苔蘚中砷形態(tài)的提取、分離與檢測方法，考察不同浸提劑及提取條件下，采用LC-HG-AFS分析苔蘚中砷形態(tài)的可靠性，以及實際苔蘚樣品中砷形態(tài)分布特征。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LC-AFS 97型原子熒光形態(tài)分析儀(北京海光儀器公司)；CEM Mars 6型微波消解儀(美國)；KQ-700DE型數(shù)控超聲波清洗器；GL-20G-Ⅱ型高速冷凍離心機(上海安亭科學(xué)儀器廠)；冷凍干燥機(北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司)；LabTech ED54型智能樣品消解儀(北京萊伯泰科公司)。

As(Ⅲ)標準溶液(GBW08666)、As(Ⅴ)標準溶液(GBW08667)、MMA標準溶液(GBW08668)、DMA標準溶液(GBW08669)，均購于國家標準物質(zhì)中心，實驗時將4種單標溶液配制成2 mg/L(以砷計)的儲備液，4 ℃避光保存。H3PO4、HNO3、KBH4、KOH均為優(yōu)級純，甲醇為色譜純。實驗用水為超純水(電阻率18.2 MΩ·cm)。

1.2 樣品前處理及測定

1.2.1樣品總砷前處理及測定將采自貴州興仁縣高砷煤礦區(qū)的苔蘚樣品分別用自來水、超純水洗凈后，-40 ℃ 凍干至恒重，在冷凍條件下研磨，備用。樣品消解采用電熱消解法，稱量0.1 g(精確至0.0001 g)的苔蘚樣品，放入50 mL的消煮管中，加10 mL HNO3-HClO4混酸(4∶1，V/V)，靜置過夜，置于消解儀中于150 ℃消解至消解液澄清，趕酸后加入5%HCl、1%硫脲后定容至50 mL，用原子熒光光譜儀測定總砷，其儀器測定參數(shù)見表1。

1.2.2苔蘚中砷形態(tài)前處理方法及測定水浴提?。悍Q取凍干的苔蘚粉末0.1 g(精確至0.0001 g)于50 mL離心管中，加入10 mL提取劑，95 ℃水浴提取40 min，3 000 r/min離心20 min，上清液過0.45 μm濾膜后，測定砷形態(tài)含量。微波提?。悍Q取凍干的苔蘚粉末0.1 g(精確至0.0001 g)于微波消解罐內(nèi)，加入10 mL提取劑，微波消解溫度5 min提升至90 ℃，保持30 min，3 000 r/min離心20 min，取上清液過0.45 μm濾膜后，測定砷形態(tài)含量。

1.3 液相色譜及HG -AFS條件

色譜柱為Hamilton PRP-X100陰離子交換柱(250×4.1 mm，10 μm)，流動相為1.791 g/L Na2HPO4與6.052 g/L KH2PO4溶液(0.45 μm濾膜過濾，超聲脫氣30 min)。具體儀器參數(shù)如表1所示。

表1 砷形態(tài)分析的LC-HG -AFS運行參數(shù)

2 結(jié)果與討論

圖1 不同濃度砷形態(tài)標準溶液的色譜圖

2.1 砷形態(tài)分析的標準曲線、檢出限與精密度

以20、40、80、100 μg/L(以砷計)的As(Ⅲ)、DMA、MMA和As(Ⅴ)混合標準溶液進樣，得到不同砷形態(tài)的色譜圖，如圖1所示。在9 min內(nèi)，4種砷形態(tài)完全分離，各形態(tài)砷的標準曲線線性良好，相關(guān)系數(shù)R2在0.9992～1.000范圍。通過計算得四種砷形態(tài)的檢出限為0.47～1.26 μg/L。取40 μg/L混合標準液重復(fù)進樣5次，As(Ⅲ)、DMA、MMA、As(Ⅴ)的相對標準偏差(RSD)分別為1.23%、1.97%、2.14%和1.78%，均小于5%，表明所采用的儀器條件和實驗方法可滿足砷形態(tài)分析的需要。方法的線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限等見表2。

表2 As(Ⅲ)、MMA、DMA、As(Ⅴ)線性方程、檢出限、精密度(n=5)

2.2 苔蘚中砷形態(tài)的提取

2.2.1苔蘚中砷形態(tài)提取條件的選擇實驗首先比較了以純水和甲醇∶水(1∶1、1∶3、1∶9)為提取溶劑，超聲提取不同時間(10、20、30 min)的提取效果。結(jié)果顯示，純水在30 min時提取率最高，但僅為12.71%；而以1∶1和1∶3甲醇∶水的提取效率極低，且相同時間內(nèi)隨著提取溶劑中水的比例增加，其提取率增加。實驗結(jié)果說明，甲醇∶水不適合用作苔蘚中砷形態(tài)的提取溶劑?？赡苁怯捎谠诩状肌盟橘|(zhì)中超聲空化效應(yīng)對苔蘚結(jié)構(gòu)破壞能力有限，導(dǎo)致砷形態(tài)提取率低。進一步比較了不同濃度的H3PO4(0.3、0.6、0.9 mol/L)、水、7%HCl作為提取劑，在微波和水浴作為輔助提取條件下對苔蘚砷形態(tài)的提取效果(提取條件見1.2.2)。實驗結(jié)果如表3所示，實驗結(jié)果為3次平行實驗數(shù)據(jù)的平均值。結(jié)果表明：7%HCl、水浴條件下，40 min對同一苔蘚樣品中砷的提取率最高，其提取率為94.48%～96.09%。苔蘚中砷主要為無機形態(tài)，DMA、MMA由于濃度低于檢出限，未檢出。

表3 不同提取劑在水浴和微波條件下對苔蘚中砷形態(tài)的提取結(jié)果

2.2.2苔蘚中砷形態(tài)加標回收實驗為驗證方法的可靠性，對待測樣品進行加標回收實驗。根據(jù)樣品中實際背景值情況，對As(Ⅲ)、DMA、MMA三種形態(tài)砷加標量為5 mg/kg，As(Ⅴ)加標量為10 mg/kg，5次重復(fù)測定。實驗結(jié)果如表4所示，As(Ⅲ)、DMA、MMA、As(Ⅴ)加標回收率為91.40%～113.72%，表明本文方法可行。圖2為苔蘚中砷形態(tài)背景值和加標值的對比圖譜。

表4 苔蘚中4種砷形態(tài)的平均回收率和RSD(n=5)

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圖2 苔蘚中砷形態(tài)背景值(a)和加標值(b)的對比圖譜

2.3 高砷煤礦區(qū)苔蘚中砷形態(tài)分析

樣品采集時間為夏季8月末，在研究區(qū)貓石頭水庫上游沿著礦山廢水溪流流向，對溪流兩旁優(yōu)勢種群花狀濕地蘚及其下表層土壤和溪流水進行樣品采集，同時現(xiàn)場測定水樣中pH、Eh、EC等易變參數(shù)。

對采集濕地蘚采用7%HCl-水浴輔助提取，LC-HG -AFS法檢測砷形態(tài)，結(jié)果見表5。由數(shù)據(jù)可見，研究區(qū)花狀濕地蘚中砷主要以無機形態(tài)的As(Ⅴ)和As(Ⅲ)存在，其中As(Ⅴ)含量最高，As(Ⅲ)次之，未檢出MMA和DMA。且不同生長環(huán)境下的苔蘚體內(nèi)As(Ⅴ)和As(Ⅲ)含量差異性較大。因此可推斷本研究區(qū)苔蘚對砷的吸收能力受其生長環(huán)境的影響較大，這可能與該地區(qū)特殊的苔蘚生長環(huán)境有關(guān)。

表5 溪流區(qū)7個采樣點苔蘚砷形態(tài)的測定

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3 結(jié)論

本研究初步探討了對苔蘚中砷形態(tài)的檢測方法，該方法以7%HCl為提取劑，95 ℃水浴提取40 min，其提取率90%以上；用LC-HG -AFS聯(lián)用技術(shù)對As(Ⅲ)、DMA、MMA、As(Ⅴ)四種砷形態(tài)進行測定，加標回收率為91.40%～113.72%，說明本方法準確可靠、可行。對高砷煤礦區(qū)酸性礦山廢水溪流旁的苔蘚中砷存在形式進行了研究，結(jié)果表明，本研究區(qū)花狀濕地蘚砷形態(tài)主要以As(Ⅲ)、As(Ⅴ)存在，且As(Ⅴ)的含量高于As(Ⅲ)含量。