硫代砷化物的合成、鑒定和定量分析方法研究

王敏黛+郭清海

摘要 制備了4種硫代砷酸鹽，采用電噴霧高分辨質(zhì)譜（ESIHRMS）進(jìn)行鑒定，確證為一硫代砷酸鹽（HnAsSOn-33）、二硫代砷酸鹽（HnAsS2On-32）、三硫代砷酸鹽（HnAsS3On-3）和四硫代砷酸鹽（HnAsS4n-3）。以合成的硫代砷酸鹽為標(biāo)準(zhǔn)品，建立了基于離子色譜電感耦合等離子質(zhì)譜（ICICPMS）同時(shí)測(cè)定4種硫代砷酸鹽、亞砷酸鹽和砷酸鹽的方法。本方法線性范圍為3.3～833μg/L，線性相關(guān)系數(shù)R2>0.99，方法檢出限為0.4～25μg/L。本研究合成的硫代砷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及建立的定量分析方法，對(duì)后續(xù)富含硫化物的天然水體中不同形態(tài)砷的遷移和轉(zhuǎn)化研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞硫代砷化物；合成；鑒定；電噴霧高分辨質(zhì)譜；離子色譜電感耦合等離子體質(zhì)譜；定量分析

1引言

作為危害性最大的致癌物質(zhì)之一，環(huán)境介質(zhì)（水、土壤、農(nóng)作物等）中砷經(jīng)富集并被人體長期攝入可導(dǎo)致不同癥狀的慢性砷中毒。天然高含量砷的水的廣泛存在是環(huán)境砷異常的重要表現(xiàn)之一，已使全球數(shù)億人受到威脅。目前，天然水中砷的地球化學(xué)和環(huán)境歸宿研究通常將砷酸鹽、亞砷酸鹽、甲基砷和二甲基砷等作為砷的主要形態(tài)。然而，近年來對(duì)富硫化物天然水的研究發(fā)現(xiàn)，具備巖漿熱源的高溫水熱系統(tǒng)在巖漿脫氣過程的影響下，所排泄的地?zé)崴崛虻責(zé)峋黧w）常同時(shí)富集硫化物和砷，硫代砷化物已被證明是冰島Geysir等地?zé)釁^(qū)的高溫地?zé)崴猩榈闹饕嬖谛问?，此類富?富硫地?zé)崴械纳橛邢喈?dāng)比例以硫代砷化物的形式存在[1～3＼]。在以水熱形式存在的地?zé)豳Y源的開發(fā)利用過程中，地?zé)崃黧w中高含量砷對(duì)地表水的污染[4＼]也受到了研究者的密切關(guān)注，但硫代砷化物作為流體中砷的主要形態(tài)，卻長期被研究者忽視。硫代砷化物種類繁多，包括多種硫代砷酸鹽和硫代亞砷酸鹽，以及不同類型的甲基硫代砷化物。與砷的常見形態(tài)不同，各類硫代砷化物的毒性和生物毒理作用大不相同[5，6＼]。PlanerFriedrich等[6＼]在進(jìn)行硫代砷化物對(duì)費(fèi)氏弧菌的毒理效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，硫代砷化物的毒性與其中SH官能團(tuán)的數(shù)量呈正相關(guān)；一硫代砷化物和二硫代砷化物的毒性遠(yuǎn)小于三硫代砷化物，而三硫代砷化物的毒性則與亞砷酸鹽相當(dāng)。曹煊等[7＼]發(fā)現(xiàn)人體肝細(xì)胞在砷代謝的過程中可產(chǎn)生一甲基硫代砷酸，而人體代謝砷的過程可認(rèn)為是砷的毒性降低的過程，這顯示甲基硫代砷化物的毒性相對(duì)較低。硫代亞砷酸鹽僅在極其嚴(yán)苛的條件下才能穩(wěn)定存在。即便在厭氧條件下，如水環(huán)境偏堿性（水中SH

含量小于OH

），硫代亞砷酸鹽也不能長時(shí)間穩(wěn)定存在，會(huì)轉(zhuǎn)化為亞砷酸鹽；而在有氧條件下，硫代亞砷酸鹽則迅速轉(zhuǎn)化為硫代砷酸鹽[8＼]。綜上所述，硫代亞砷酸鹽主要存在于強(qiáng)還原/高硫化物/非強(qiáng)堿性地下水環(huán)境中，一旦地下水升流至近地表偏氧化環(huán)境或泉口，即轉(zhuǎn)化為硫代砷酸鹽。因此，針對(duì)天然水中的砷在地表的環(huán)境地球化學(xué)過程研究，無需考慮硫代亞砷酸鹽形態(tài)。

天然水樣品中硫代砷化物檢測(cè)技術(shù)是開展其環(huán)境地球化學(xué)研究的必要前提。Schwedt等[9＼]通過毛細(xì)管電泳和離子色譜分離檢測(cè)不同形態(tài)的硫代砷化物，分離時(shí)間長達(dá)5h。其后，加拿大、德國和冰島的研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了測(cè)試方法[10～12＼]，采用離子色譜分離不同形態(tài)硫代砷化物并利用原子熒光在線檢測(cè)，但該技術(shù)僅用于內(nèi)部研究，尚未向外界開放。國內(nèi)尚未見關(guān)于天然水環(huán)境中硫代砷化物研究的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，建立水體中不同形態(tài)硫代砷化物的同時(shí)檢測(cè)方法具有重要意義。此外，硫代砷化物的存在也對(duì)砷的環(huán)境地球化學(xué)行為有重要影響，很多科學(xué)問題亟待解決。例如，熱泉排泄后其中硫代砷化物將進(jìn)一步在富氧大氣環(huán)境下發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化，氧化還原條件的變化、含硫/鐵礦物的沉淀、光催化效應(yīng)等將對(duì)砷的不同存在形態(tài)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，而當(dāng)前缺乏針對(duì)上述過程影響下熱泉環(huán)境中硫代砷化物形態(tài)轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)研究。目前，已開展了一些針對(duì)天然水系統(tǒng)中砷、硫、鐵地球化學(xué)過程的研究[13～18＼]，但對(duì)于熱泉環(huán)境中硫代砷化物在砷、硫、鐵地球化學(xué)耦合過程（控制砷的環(huán)境地球化學(xué)遷移的主要過程）中的作用卻所知甚少。

本研究建立了水中不同形態(tài)硫代砷酸鹽的同時(shí)定量分析方法。目前，尚無商品化的硫代砷酸鹽，因此本研究通過改進(jìn)一硫代砷酸鹽、二硫代砷酸鹽、四硫代砷酸鹽[11＼]和三硫代砷酸鹽[19＼]合成方法，合成了高純度的4種硫代砷酸鹽，并采用電噴霧高分辨質(zhì)譜進(jìn)行了確證。以合成的4種硫代砷酸鹽以及商品化的砷酸鹽和亞砷酸鹽為標(biāo)準(zhǔn)樣品，建立了基于離子色譜電感耦合等離子體質(zhì)譜同時(shí)定量測(cè)定4種硫代砷化物及砷酸鹽和亞砷酸鹽的方法。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

ICS900型離子色譜儀（美國ThermoFisher公司）；7700x型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS，美國Agilent公司）；DionexIonPacAS19陰離子交換柱（250mm×4mm，10μm）和保護(hù)柱AG19（50mm×4mm，10μm）（美國ThermoFisher公司）；KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）。

升華硫（化學(xué)純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；Na3AsO3（分析純，西亞試劑）；Na2S、As2O3（分析純，上海統(tǒng)亞化工科技發(fā)展有限公司）；NaOH（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；As2S5（優(yōu)級(jí)純，JP德國SigmaAldrich公司）；As（III）（GBW08666，純度≥98.5%，中國計(jì)量科學(xué)研究院）；As（V）（GBW08667，純度≥98.1%，中國計(jì)量科學(xué)研究院）。

2.2硫代砷化物制備

一硫代砷酸鹽：將5.00gAs2O3和6.00gNaOH溶于20mL脫氣水，加入1.44g單質(zhì)硫，在回流裝置中加熱至100℃，保持2h。過濾溶液中多余的單質(zhì)硫，濾液在4℃下冷卻，真空干燥。將晶體溶解于脫氣水中，加乙醇使其重結(jié)晶，過濾、干燥得到一硫代砷酸鈉（晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)式：Na3AsSO3·7H2O，溶液中存在形式HnAsSOn-33）。

二硫代砷酸鹽：上述步驟中單質(zhì)硫的加入量更換為5.76g，可得二硫代砷酸鈉晶體（晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)式：Na3AsO2S2·7H2O；溶液中存在形式：HnAsS2O2n-3）。

三硫代砷酸鹽：將0.2gNa3AsS4·8H2O溶于20mL0.1mol/LNaOH，完全溶解后，加入0.244gBaCl2晶體（BaCl2·8H2O），過濾，濾液真空蒸干，得到Na3AsS3O·8H2O晶體，溶液中存在形式：HnAsSOn-33。JP

四硫代砷酸鹽：將2.68gNa2S和1.35gNaOH溶于100mL脫氣水，加入3.48gAs2S5，加入乙醇使其沉淀。沉淀經(jīng)過濾、干燥并溶解于0.2mol/LNaOH溶液，再加入乙醇再沉淀，再經(jīng)過濾、干燥即得到四硫代砷酸鈉晶體（晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)式：Na3AsS4·8H2O；溶液中存在形式：HnAsS4n-3）。

上述4種晶體溶于經(jīng)脫氣處理的0.1mol/LNaOH溶液中，配制各種硫代砷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，現(xiàn)配現(xiàn)用。JP

實(shí)驗(yàn)全過程在無氧氮?dú)猸h(huán)境中完成，采用即時(shí)制備的超純水，并超聲脫氣15min。

2.3儀器分析條件

電噴霧高分辨質(zhì)譜（ESIHRMS）條件：流動(dòng)相為甲醇0.2%乙酸（3KG-3∶KG-57，V/V），流速為0.3mL/min，進(jìn)樣體積5μL，采用負(fù)離子全掃描模式，荷質(zhì)比范圍m/z120～210，分辨率為70000。

離子色譜電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICICPMS）條件：IC淋洗液為80mmol/LKOH（pH12.9），流速1.3mL/min，進(jìn)樣體積200μL；ICPMS功率1450W，載氣流量1.10L/min，輔助氣流量0.9L/min，監(jiān)測(cè)離子m/z75，總采集時(shí)間20min。

3結(jié)果與討論

3.1ESIHRMS鑒定制備的硫代砷酸鹽

水中無機(jī)硫代砷化物單體及其脫質(zhì)子產(chǎn)物種類繁多，詳見表1。如引言中所述，針對(duì)天然水中的砷在地表的環(huán)境地球化學(xué)過程研究，無需考慮硫代亞砷酸鹽形態(tài)，在本研究中僅合成各類硫代砷酸鹽（包括一硫代砷酸鹽、二硫代砷酸鹽、三硫代砷酸鹽和四硫代砷酸鹽）的標(biāo)準(zhǔn)樣品，采用ESIHRMS進(jìn)行鑒定。JP

所制備的一硫代砷酸鹽為無色透明的短柱狀晶體，二硫代砷酸鹽為淡黃色薄片狀晶體，三硫代砷酸鹽為白色粒狀晶體，四硫代砷酸鹽為有油脂光澤白色薄片狀晶體。采用NikonUFX11生物顯微鏡及照相系統(tǒng)獲得的晶體照片如圖1所示。

采用電噴霧高分辨質(zhì)譜對(duì)合成的四種硫代砷酸鹽進(jìn)行鑒定，結(jié)果如圖2所示。一硫代砷酸鹽質(zhì)譜圖（圖2a）在m/z156.8931處出現(xiàn)唯一峰，且與H2AsSO-3理論質(zhì)荷比m/z156.8935相匹配（表2），確定所合成化合物即為一硫代砷酸鹽。圖2b為二硫代砷酸鹽的譜圖，最主要質(zhì)譜峰出現(xiàn)在m/z172.87065處，與H2AsS2O-2理論質(zhì)荷比m/z172.8707一致。同理，圖2c和圖2d表明，所合成的化合物分別為三硫代砷酸鹽和四硫代砷酸鹽。圖2中各譜圖表征的化合物離子均出現(xiàn)了34S的同位素峰，兩個(gè)含有不同硫同位素（32S和34S）的化合物的離子質(zhì)譜峰的比值與硫同位素天然豐度（32S/34S）幾乎完全一致，進(jìn)一步表明合成的化合物為硫代砷酸鹽。

3.2ICICPMS分析

用ICICPMS分析了一硫代砷酸鹽、二硫代砷酸鹽、三硫代砷酸鹽、四硫代砷酸鹽、亞砷酸鹽和砷酸

鹽的單一形態(tài)溶液（As濃度50μg/L）。單一ZH（形態(tài)砷的譜圖表明：亞砷酸鹽（125s）、砷酸鹽（134s）、一硫代砷酸鹽（154s）和四硫代砷酸鹽（392s）

均可得到單一峰；二硫代砷酸鹽和三硫代砷酸鹽的主峰分別在183和268s處，但二硫代砷酸鹽譜圖同時(shí)出現(xiàn)3個(gè)小峰，分別為亞砷酸鹽、砷酸鹽和一硫代砷酸鹽；三硫代砷酸鹽譜圖則出現(xiàn)由少量砷酸鹽和一CM（19硫代、二硫代和四硫代砷酸鹽形成的雜峰。CM）ZH）上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)＼[12＼]的研究結(jié)果非常相似：一硫代砷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)純度高，但其它標(biāo)準(zhǔn)均為混合物，多次結(jié)晶仍然難以進(jìn)一步純化二硫代和三硫代砷酸鹽。圖3為6種形態(tài)砷化合物的混合標(biāo)準(zhǔn)物的ICICPMS譜圖，所合成的4種硫代砷酸鹽可以完全分離。下一步工作有望采用梯度洗脫分離IC系統(tǒng)同時(shí)分離亞砷酸鹽、砷酸鹽和硫代砷酸鹽。

3.3方法分析性能和實(shí)際樣品檢測(cè)

用ICICPMS測(cè)定了含有一定比例的亞砷酸鹽、砷酸鹽以及一硫代、二硫代、三硫代和四硫代砷酸鹽的系列濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，除亞砷酸鹽的濃度依次為337.3，67.5，33.7，13.5，6.75和3.37μg/L外，其它標(biāo)準(zhǔn)物的濃度分別為833，166.7，83.3，33.3，16.7和8.33μg/L。結(jié)果表明（表3），總砷濃度在45.15～4515.43μg/L范圍內(nèi)，除砷酸鹽由于只有一個(gè)樣品顯示出峰而無法計(jì)算相關(guān)系數(shù)外，其它標(biāo)準(zhǔn)物的相關(guān)系數(shù)R2>0.99，檢出限依次分別為0.4，25.0，3.3，1.0和1.3μg/L。表4為利用上述工作曲線測(cè)定的7個(gè)不同濃度系列的6種形態(tài)砷含量的總和與理論總砷含量的對(duì)比。所有濃度系列的濃度測(cè)定值與理論值比值在83.99%～113.60%之間，表明本方法可用于檢測(cè)總砷含量>18μg/L的水樣。對(duì)于硫代砷化物的主要天然載體——富硫化物地?zé)崴裕渖楹恳话阍?.1～50mg/L范圍內(nèi)[3＼]。

將含有6種不同形態(tài)砷的混合樣品逐級(jí)稀釋，根據(jù)所測(cè)峰高或手動(dòng)積分峰面積的最小濃度，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算檢出限（表3）。

考察了所建立方法的影響因素和實(shí)際應(yīng)用性能。富集硫代砷化物的天然水多見于高溫?zé)崛?，因此，本研究選擇采自滇藏地?zé)釒У臒崛畼?，?duì)其中砷的各種形態(tài)進(jìn)行了測(cè)定，該熱泉樣品總砷含量為1760.1μg/L，總硫化物含量為0.21mg/L，總?cè)芙夤腆w為2626mg/L，水化學(xué)類型為HCO3ClNa型，主要陰陽離子分別為HCO-3、Cl

和Na+（含量分別為1241、715.9和893.4mg/L）。此外，用超純水配制了總砷含量及總硫化物含量與該熱泉樣品完全相同的水溶液，除少量Na+外，此溶液不含熱泉中的其它所有化學(xué)組分。檢測(cè)結(jié)果表明，天然熱泉樣品中砷的各種形態(tài)分別為：砷酸鹽1093.7μg/L；一硫代砷酸鹽CM（223608.2μg/L；二硫代砷酸鹽9.7μg/L；三硫代砷酸CM）

鹽48.5μg/L。配制水溶液中砷的各種形態(tài)ZH（分別為：砷酸鹽1210.4μg/L；一硫代砷酸鹽505.8μg/L；二硫代砷酸鹽8.6μg/L；三硫代砷酸鹽35.3μg/L。上述結(jié)果表明，實(shí)際天然水樣品中砷和硫化物之外的其它化學(xué)組分對(duì)硫代砷化物分析結(jié)果有一定干擾，但影響不大，可以忽略，因此，本方法具有較好的實(shí)用性。

4結(jié)論

本研究制備了4種硫代砷化物，ESICM（183HRMS鑒定結(jié)果表明所合成物質(zhì)純度較CM）ZH）高，作為砷定量分析的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。初步建立了基于ICICPMS聯(lián)用系統(tǒng)同時(shí)測(cè)定一硫代砷酸鹽、二硫代砷酸鹽、三硫代砷酸鹽、四硫代砷酸鹽、亞砷酸鹽和砷酸鹽的方法。本研究所合成的硫代砷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其分析方法對(duì)于研究富硫化物天然水體中砷的形態(tài)及其在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化具有一定實(shí)用意義。

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Withthesyntheticthioarsenatesasstandards，aquantitativeanalyticalmethodbasedonionchromatographinductivelycoupledplasmamassspectrometry（ICICPMS）wassetuptosimultaneouslydeterminetheconcentrationsofarsenite，arsenate，monothioarsenate，dithioarsenate，trithioarsenate，andtetrathioarsenateinwater.Thelinearrangeofthemethodwasfrom3.3μg/Lto833μg/Lwiththecorrelationcoefficientshigherthan0.99，andthedetectionlimitswerebetween0.4μg/Land25μg/L.Thesyntheticstandardmaterialsofthioarsenatesandthequantitativeanalysismethodestablishedinthisstudyareofgreatsignificanceforfutureinvestigationsontheenvironmentaltransportationandtransformationofvariousarsenicspeciesderivedfromnaturalsulfidicwaters.

KeywordsThioarsenate；Synthesis；Identification；Electrosprayionizationhighresolutionmassspectrometry；Ionchromatographinductivelycoupledplasmamassspectrometry；Quantitativeanalysis

HQWT6JY（Received18March2016；accepted30August2016）

ThisworkwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（Nos.41572335，21305130）andtheResearchProgramofStateKeyLaboratoryofBiogeologyandEnvironmentalGeologyofChina（No.GBL11505）.