高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜法測定禽類生物樣品中7種砷形態(tài)

劉 崴, 胡俊棟, 楊紅霞, 李 冰

(國家地質實驗測試中心, 北京 100037)

高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜法測定禽類生物樣品中7種砷形態(tài)

劉 崴, 胡俊棟, 楊紅霞, 李 冰

(國家地質實驗測試中心, 北京 100037)

采用高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜(HPLC-ICP-MS)聯(lián)用技術測定禽類生物樣品中砷甜菜堿(AsB)、二甲基砷(DMA)、As(Ⅲ)、一甲基砷(MMA)、As(Ⅴ)、阿散酸(ASA)和硝苯砷酸(NPAA)等7種砷形態(tài)。以人工胃液超聲振蕩法提取禽類生物樣品中的砷,采用Dionex IonPacTMAS19陰離子交換柱分離7種砷形態(tài),并用ICP-MS測定其含量。各砷形態(tài)的質量濃度在一定范圍內與峰面積呈線性關系,檢出限(3s,以砷計)在0.070～0.099 μg·L-1之間。加標回收率在74.0%～112%之間,測定值的相對標準偏差(n=6)在2.0%～5.9%之間。采用該方法分析礦區(qū)禽類生物樣品,各砷形態(tài)含量的測定值之和與ICP-MS測得的總砷含量基本一致。

高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜法; 砷形態(tài); 禽類生物樣品; 人工胃液

砷是一種具有較強毒性和致癌性的元素,普遍存在于自然界中[1]。環(huán)境中的砷主要來源于天然存在的砷和人為活動。砷元素主要通過食物鏈和砷源接觸在人體內的富集[2]。有關砷毒理學研究發(fā)現(xiàn),砷的毒性大小與其形態(tài)有密切的關系,無機態(tài)砷的毒性大于有機態(tài)砷[3-6],而砷甜菜堿(AsB)和砷膽堿(AsC)則通常被認為毒性很小或基本無毒性[7-8]。近年來,有機砷類制劑作為動物抗病原微生物和促生長類的飼料添加劑,在世界范圍內廣泛使用。其種類主要有阿散酸(ASA)、硝苯砷酸(NPAA)和洛克沙胂(ROX)等。雖然有機砷的毒性比無機砷小,但過量使用也會引起中毒,并且在動物體內代謝過程中,有機砷制劑可能產生殘留或降解為其他砷形態(tài)化合物,若進入食物鏈將會威脅人體健康。未被利用的有機砷則可通過糞尿排出,在土壤微生物的作用下逐步轉化為無機砷,造成土壤和水體的砷污染[9-12]。礦產資源的開采和有色金屬的冶煉等活動會造成相應礦物元素在土壤、水體和植物等不同環(huán)境介質間的聚集和遷移,最終通過生物鏈在動物和人體體內富集。因此,開展礦區(qū)禽類等生物樣品中砷元素形態(tài)分析方法研究對了解該研究區(qū)域不同環(huán)境介質中砷元素賦存狀態(tài)、可靠評價當?shù)厣槲廴緺顩r等具有重要意義。

元素形態(tài)分析通常采用聯(lián)用技術,即先用有效的在線分離技術將某種元素的各種化學形式進行選擇性分離,接著用高靈敏度的無機元素檢測技術進行測定。目前,砷形態(tài)分析所采用的聯(lián)用技術主要有高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜法(HPLC-ICP-MS)[13-14]、毛細管電泳-電感耦合等離子體質譜法(CE-ICP-MS)[15]和高效液相色譜-氫化物發(fā)生原子熒光光譜法(HPLC-HG-AFS)[16]等。其中,HPLC-ICP-MS應用最為廣泛[7,13,17]。HPLC通常在室溫下進行,對高沸點和熱不穩(wěn)定化合物不需要進行衍生化處理即可分離。ICP-MS以其靈敏度高、檢出限低、可檢測元素多、線性范圍寬等優(yōu)勢被公認為最強有力的痕量和超痕量無機元素分析技術。同時,ICP-MS可以方便地與不同分離技術聯(lián)用的特點為形態(tài)分析提供了重要的檢測手段。

本工作優(yōu)化樣品前處理方法,采用Dionex IonPacTMAS19陰離子交換色譜柱分離,用ICP-MS測定礦區(qū)禽類生物樣品中的AsB、二甲基砷(DMA)、As(Ⅲ)、一甲基砷(MMA)、As(Ⅴ)、ASA、NPAA等7種砷形態(tài)。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7500a型電感耦合等離子體質譜儀;Agilent 1100型高效液相色譜儀;HH·S-21型恒溫水浴鍋;Sigma 3-18K型高速離心機;LabTech EG20A plus型電熱板;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱。

AsB溶液標準物質(GBW 08670)、MMA溶液標準物質(GBW 08668)、AsO33-溶液標準物質(GBW 08666)、DMA溶液標準物質(GBW 08669)、AsO43-溶液標準物質(GBW 08667)。

p-ASA純度為99%,NPAA純度為99%。

甲醇為HPLC級,其他試劑均為優(yōu)級純,試驗用水為去離子水再經Milli-Q裝置純化(電導率大于18 MΩ·cm-1)。

人工胃液:按照《中國人民共和國藥典》(2005版)制備,將324 mL鹽酸用水稀釋至1 L,分取16.4 mL,加水800 mL、胃蛋白酶10 g,搖勻后,加水稀釋成1 L。

1.2 儀器工作條件

1) HPLC Dionex IonPacTMAS19色譜柱(250 mm×4 mm,5 μm);流動相A為水,流動相B為pH 9.5的50 mmol·L-1碳酸銨溶液;進樣量50 μL。

梯度洗脫程序:0 min時,A為100%,流量為1.0 mL·min-1;15 min時,B為100%,流量為1.2 mL·min-1;18 min時,A為100%,流量為1.2 mL·min-1;20 min時,B為100%,流量為1.0 mL·min-1。

2) ICP-MS 采樣深度6.3 mm,射頻功率1 400 W,射頻電壓1.56 V,載氣流量1.05 L·min-1,霧化器Babinton型,采樣模式為時間分辨,采集時間1 300 s,樣品提升速率0.8 mL·min-1。調諧溶液為10 μg·L-1的Li、Y、Ce、Tl混合溶液。

由于35Cl和儀器所用的高純載氣(氬氣)易形成75ClAr+,干擾75As,因此在砷總量測定中使用干擾方程75As=75M-77M(3.127)+82M(2.733)-83M(2.757)來校正該多原子離子干擾。在砷形態(tài)分析中,采用時間分辨分析模式,同時監(jiān)測75As、72Ge、77Se、83Kr、35Cl的信號,用以排除75ClAr+的干擾峰[18]。

1.3 砷形態(tài)分析樣品前處理方法

方法一:稱取凍干樣品0.200 g于50 mL離心管中,加入甲醇(1+1)溶液10 mL,于60 ℃水浴提取2 h,以6 000 r·min-1離心10 min,將上清液轉移至100 mL小燒杯中。向殘渣中再加入甲醇(1+1)溶液5 mL,于60 ℃水浴提取0.5 h,以6 000 r·min-1離心10 min,合并上清液。然后置于60 ℃電熱板上蒸至近干,用水溶解并定容至10 mL,過0.45 μm濾膜后上機測定。

方法二:稱取凍干樣品0.200 g于50 mL離心管中,加入人工胃液10 mL,于37 ℃超聲提取2 h,以6 000 r·min-1離心10 min,上清液經0.45 μm濾膜后上機測定。

1.4 測定總砷含量的樣品前處理方法

稱取樣品0.100 g加入10 mL聚四氟乙烯坩堝中,先加入BV-Ⅲ級硝酸2 mL進行預消解,然后緩慢逐滴加入過氧化氫0.5 mL,待反應完畢無氣泡產生后將聚四氟乙烯坩堝放入鋼套中擰緊,放入烘箱,在150 ℃密封消解5 h。冷卻后取出,并放在130 ℃電熱板上趕酸至小體積,然后用水定容至10 mL,用ICP-MS測定。

2 結果與討論

2.1 色譜行為

試驗選用Dionex IonPacTMAS19陰離子色譜柱分離不同砷形態(tài),并對流動相組成、流動相的濃度、洗脫方式等進行了優(yōu)化,結果表明:選用水和碳酸銨溶液為流動相,在梯度洗脫的條件下可以實現(xiàn)AsB、DMA、As(Ⅲ)、MMA、As(Ⅴ)、ASA、NPAA等7種不同砷形態(tài)的完全分離。增大流動相濃度可縮小各砷形態(tài)的保留時間,但過高的鹽濃度會使碳在ICP-MS錐孔上堆積,長時間可造成錐孔的堵塞。綜合考慮,試驗選取碳酸銨溶液的濃度為50 mmol·L-1。在梯度洗脫的條件下,7種砷形態(tài)在20 min內可實現(xiàn)完全分離,色譜圖見圖1。

圖1 7種砷形態(tài)的混合標準溶液色譜圖Fig. 1 Chromatogram of mixed standard solution ofseven arsenic species

2.2 標準曲線與檢出限

對不同質量濃度的砷形態(tài)混合標準溶液系列進行測定。以各砷形態(tài)的質量濃度對峰面積繪制標準曲線,各砷形態(tài)的線性范圍、線性回歸方程與相關系數(shù)見表1。

配制估計檢出限3～5倍的7種砷形態(tài)混合標準溶液,連續(xù)測定7次,求得其標準偏差。以3倍標準偏差所對應的砷質量濃度計算方法的檢出限,結果見表1。

表1 線性參數(shù)和檢出限Tab. 1 Linearity parameters and detection limits

由表1可知:7種砷形態(tài)的檢出限在0.070～0.099 μg·L-1之間,可滿足禽類等生物樣品中砷形態(tài)的測定需要。

2.3 前處理方法優(yōu)化

比較了甲醇(1+1)溶液60 ℃水浴提取法和人工胃液37 ℃超聲振蕩提取法對砷形態(tài)混合標準溶液、DORM-2、GBW 10018等3個樣品中砷形態(tài)的提取效果,結果見表2和表3。通過對3個樣品提取率及7種砷形態(tài)的加標回收率的比較可以看出,兩種樣品前處理方法均可保證標準溶液在樣品處理過程中的各砷形態(tài)的穩(wěn)定,說明樣品前處理方法本身不會導致各砷形態(tài)的轉化。

由表2可知:采用甲醇(1+1)溶液水浴法提取,DORM-2標準物質中所提取的砷主要以AsB形態(tài)存在,并且提取的AsB質量比與標準值[(16.4±1.1) mg·kg-1]基本一致;此外,還提取出少量的DMA,7種砷形態(tài)的加標回收率在90.7%～109%之間,各砷形態(tài)在樣品前處理過程中保持穩(wěn)定,沒有發(fā)生形態(tài)間的轉化;各砷形態(tài)測定值之和(16.57 mg·kg-1)低于總砷的標準值[(18.0±1.1) mg·kg-1],總砷提取率為92.1%。雞肉GBW 10018標準物質中的砷主要以AsB和DMA有機砷形態(tài)存在,除As(Ⅲ)加標回收率偏低外,其他各砷形態(tài)的加標回收率在80.5%～96.5%之間;各砷形態(tài)之和(0.080 mg·kg-1)比總砷的標準值[(0.109±0.013) mg·kg-1]偏低,總砷提取率為73.4%。

表2 水浴法提取砷形態(tài)的分析結果Tab. 2 Analytical results of arsenic speciation by bathing extraction method

由表3可知:采用人工胃液超聲振蕩法提取,DORM-2標準物質中所提取的砷主要以AsB形態(tài)存在,并且提取的AsB質量比與標準值一致;此外,還提取出少量的DMA,7種砷形態(tài)的加標回收率在92.0%～107%之間,各砷形態(tài)在樣品前處理過程中保持穩(wěn)定,沒有發(fā)生形態(tài)間的轉化。各砷形態(tài)測定值之和(16.69 mg·kg-1)較總砷的標準值偏低,提取率為92.7%。雞肉GBW 10018標準物質中的砷主要以AsB、DMA、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)等4種砷形態(tài)存在,且各砷形態(tài)在樣品處理過程中均保持穩(wěn)定,沒有發(fā)生形態(tài)間的轉化,各砷形態(tài)的加標回收率在72.0%～93.3%之間;各砷形態(tài)測定值之和(0.108 mg·kg-1)與總砷標準值基本一致,該結果優(yōu)于甲醇(1+1)溶液水浴法提取結果。

表3 超聲法提取砷形態(tài)的分析結果Tab. 3 Analytical results of arsenic speciation by ultrasonic extraction method

因此,試驗選擇人工胃液超聲振蕩提取法為生物樣品砷形態(tài)分析的樣品前處理方法。

2.4 精密度與回收試驗

按試驗方法對采集的雞肉和雞肝樣品中的砷形態(tài)進行測定,并做加標回收試驗,結果見表4。

由表4可知:實際樣品中的砷主要以DMA、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)形態(tài)存在,各砷形態(tài)的加標回收率在74.0%～112%之間,測定值的相對標準偏差(n=6)在2.0%～5.9%之間。

表4 精密度與回收試驗結果(n=6)Tab. 4 Results of tests for precision and recovery

2.5 樣品分析

利用建立的方法對礦區(qū)所采集的5個雞肉樣品及5個雞肝樣品中的砷形態(tài)進行測定,并采用ICP-MS測定總砷,結果見表5。

表5 礦區(qū)禽類生物樣品中砷形態(tài)分析結果Tab. 5 Analytical results of arsenic speciation in poultry samples from mining area mg·kg-1

由表5可知:除部分雞肝樣品外,其他樣品中砷主要以DMA、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)形態(tài)存在,總砷質量比均低于國家畜禽肉類中砷的限量值(0.5 mg·kg-1),其中5個樣品中的總無機砷質量比大于0.05 mg·kg-1。各砷形態(tài)測定值之和與采用ICP-MS所測得的總砷測定值基本一致。

本工作建立了禽類生物樣品中AsB、DMA、As(Ⅲ)、MMA、As(Ⅴ)、ASA和NPAA等7種砷形態(tài)的分離與檢測方法,優(yōu)化了樣品前處理方法,保證了樣品前處理過程中各砷形態(tài)的穩(wěn)定。方法的檢出限和精密度均能滿足分析要求,可為砷元素的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境研究提供重要的技術支持。

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Determination of Seven Arsenic Species in Poultry Biological Samples by HPLC-ICP-MS

LIU Wei, HU Jun-dong, YANG Hong-xia, LI Bing

(NationalResearchCenterforGeoanalysis,Beijing100037,China)

HPLC-ICP-MS was applied to the determination of seven arsenic species, including arsenobetaine, dimethyl arsenic, As(Ⅲ), monomethyl arsenic, As(Ⅴ), arsanilic acid and nitrobenzene arsenic acid, in poultry biological samples. Arsenic in samples was extracted with artificial gastric juice by ultrasonic oscillation method, and the seven arsenic species were separated on a Dionex IonPacTMAS19 ion exchange column and determined by ICP-MS. Linear relationships were found between peak areas and mass concentrations of the seven arsenic speues in defined ranges, with detection limits (3s) in the range of 0.070-0.099 μg·L-1. Recovery rates obtained by standard addition method were in the range of 74.0%-112%, and RSDs (n=6) were in the range of 2.0%-5.9%. The method was used to analyze poultry biological samples in mining area, giving the sum of contents of seven arsenic species in agreement with the contents of total arsenic determined by ICP-MS.

HPLC-ICP-MS; Arsenic species; Poultry biological samples; Artificial gastric juice

10.11973/lhjy-hx201703011

2016-02-25

國家自然科學基金項目(41301565);中國地質科學 院基本科研業(yè)務費項目(YYWF201620);中國地質大調查項目 (12120113015400)

劉 崴(1981-),女,天津人,副研究員,主要從事痕 量超痕量元素含量及元素形態(tài)分析方法研究工作。E-mail:hat- tieliu@126.com

O657

A

1001-4020(2017)03-0299-06