全自動(dòng)蒸餾前處理-ID/GC-ICP-MS測(cè)定海水中痕量甲基汞

冷金慧，王立軍，劉 亮，高亞倩，林忠勝，王 華*

(1.大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.國(guó)家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023；3.遼寧師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116029)

汞(Hg)是毒性最強(qiáng)的重金屬污染物之一，已被列為優(yōu)先控制污染物[1]。Hg主要以無(wú)機(jī)形式進(jìn)入水環(huán)境，并可在水環(huán)境中轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的甲基汞(MeHg)[2-3]。天然水體中MeHg的質(zhì)量濃度通常為0.02～0.10 ng·L-1[4]，對(duì)海水中MeHg進(jìn)行測(cè)定時(shí)，由于海水鹽度高，成分復(fù)雜，且其中MeHg的含量相對(duì)更低，必須對(duì)樣品進(jìn)行脫鹽和富集，對(duì)樣品前處理的要求更高，因此對(duì)海水中MeHg的準(zhǔn)確測(cè)定仍是當(dāng)前Hg形態(tài)分析的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)[1]。目前，測(cè)定海水中MeHg通常采用蒸餾或溶劑萃取的樣品前處理方式，其中蒸餾法因回收率相對(duì)較高而最為常用[5]，也是美國(guó)環(huán)保署(EPA)的推薦方法[6]。但蒸餾法存在蒸餾時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、效率較低(3 h以上)[6]以及組分易損失[7]、操作產(chǎn)生甲基汞[4]等問(wèn)題，影響MeHg分析的準(zhǔn)確性。

近年來(lái)，電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)因靈敏度高、分析速度快、具備同位素分析能力等特點(diǎn)，在重金屬元素痕量分析中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在汞的形態(tài)分析和同位素組成分析中備受青睞[8-9]。由于采用同位素稀釋法(ID)基本可忽略樣品前處理過(guò)程中的回收率問(wèn)題[7]，因此基于ICP-MS的同位素分析能力，采用氣相色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用(GC-ICP-MS)進(jìn)行測(cè)定已成為痕量Hg形態(tài)分析的有效手段[10-11]。而全自動(dòng)蒸餾是水和廢水中總氰化物、揮發(fā)酚等易揮發(fā)組分分析常用的樣品前處理方法[12]，與EPA1630方法中推薦的聚四氟乙烯蒸餾系統(tǒng)相比，全自動(dòng)蒸餾系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、蒸餾效率高、無(wú)需通氮吹掃等優(yōu)勢(shì)，但目前尚無(wú)用于海水中MeHg前處理的報(bào)道。

為提高海水中MeHg的蒸餾效率，本文采用全自動(dòng)蒸餾儀對(duì)海水樣品進(jìn)行前處理，并基于同位素稀釋/氣相色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用(ID/GC-ICP-MS)分析技術(shù)，建立了高效、準(zhǔn)確、靈敏的海水中MeHg的分析方法，為進(jìn)一步開(kāi)展海洋環(huán)境中Hg的生物地球化學(xué)循環(huán)研究提供了支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7500ce，美國(guó))；STEHDB-106-3/1全自動(dòng)蒸餾儀(濟(jì)南盛泰科技有限公司)；手動(dòng)吹掃捕集、裂解解吸及恒溫氣相色譜儀(Brooks Rand，美國(guó))。

Me201Hg同位素稀釋劑(Applied Isotope Technologies，美國(guó))；MeHg標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 mg·L-1，Brooks Rand，美國(guó))；1% NaBEt4溶液、2 mol·L-1HAc-NaAc緩沖液、0.2 mol·L-1BrCl溶液按文獻(xiàn)方法[6]配制。

1.2 儀器工作條件

吹掃捕集系統(tǒng)主要由硼硅玻璃反應(yīng)瓶(200 mL)、氣體浮子流量計(jì)、Tenax富集管組成。Tenax富集管為100 mm×4 mm i.d.石英管，其中填充150 mg的Tenax TA作為吸收材料；裂解解吸系統(tǒng)通過(guò)0.5 mm的鉻鎳線圈進(jìn)行加熱，吸附的乙基化汞物質(zhì)在200 ℃下從Tenax柱上解吸；氣相色譜柱為硅烷化的硅膠玻璃，內(nèi)徑為0.5 cm，長(zhǎng)度為75 cm，填料為 15% OV-3 Chrom W-AW(DMCS)80/100，載氣為高純氬氣，流速為40 mL·min-1，GC柱溫為38 ℃。

GC與ICP-MS聯(lián)用時(shí)，通過(guò)T型PFA轉(zhuǎn)接頭將氣相色譜流出氣路與ICP-MS載氣混合，混合后的氣路直接連接于ICP-MS中心矩管上，管路無(wú)需加熱[7]，氣體流速均由內(nèi)部質(zhì)量流量控制器控制。測(cè)定時(shí)，采用時(shí)間分辨模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，積分時(shí)間設(shè)為100 ms，樣品采集總時(shí)間400 s。以202Hg為參比同位素，201Hg為同位素稀釋劑，通過(guò)ICP-MS自帶色譜軟件分別對(duì)202Hg和201Hg的峰面積進(jìn)行定量，采用同位素稀釋法計(jì)算甲基汞的含量[9]。

1.3 海水樣品采集與預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)用海水樣品采自大連市近岸海域。為避免樣品采集過(guò)程中受到沾污，用于海水樣品采集的Niskin采水器內(nèi)壁、鉛垂均采用特氟龍涂層處理，纜繩為涂塑不銹鋼絲繩。采集的海水樣品儲(chǔ)存于經(jīng)酸浸泡清洗處理的聚乙烯水樣桶中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，在百級(jí)潔凈工作臺(tái)內(nèi)將海水樣品轉(zhuǎn)移至250 mL Prex?玻璃瓶中，按照每升樣品2 mL的比例加入9 mol·L-1H2SO4溶液，室溫下平衡反應(yīng)24 h，用于分析。

1.4 海水中MeHg的蒸餾與富集

采用全自動(dòng)蒸餾儀進(jìn)行海水樣品的蒸餾處理。向蒸餾瓶中加入200 mL酸化處理的海水樣品，同時(shí)加入一定量的Me201Hg同位素稀釋劑，靜置過(guò)夜，使同位素稀釋劑與海水中的配體反應(yīng)達(dá)到平衡。向收集瓶?jī)?nèi)加入10 mL超純水，設(shè)定蒸餾溫度為125 ℃后開(kāi)始蒸餾，蒸餾約40 min后，得到蒸餾液約150 mL，用精密pH試紙檢查蒸餾液的pH值，若pH<2.0，采用氫氧化鉀溶液調(diào)至pH 4.0～7.0。得到的蒸餾液室溫避光保存，48 h內(nèi)完成測(cè)定。

量取100 mL蒸餾液轉(zhuǎn)移至吹掃捕集瓶?jī)?nèi)，加入300 μL醋酸緩沖液，搖勻，連接干燥管和Tenax管，加入50 μL NaBEt4溶液，密閉條件下反應(yīng)10 min，將甲基汞轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的乙基甲基汞，反應(yīng)完全后，以200～300 mL·min-1的速率通氮?dú)獯祾?5 min，將乙基甲基汞富集于Tenax管上，上機(jī)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 GC-ICP-MS儀器工作條件優(yōu)化

圖1 ID/GC-ICP-MS聯(lián)用測(cè)定海水中甲基汞的色譜圖Fig.1 Chromatograms of metheylmercury in the seawater measured by ID/GC-ICP-MS

GC載氣流速和柱溫對(duì)MeHg的出峰時(shí)間也具有較大影響。通常載氣流速和柱溫越高，出峰時(shí)間越快，分析速度越快，但過(guò)高的載氣流速和柱溫也會(huì)影響MeHg的分離效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，在載氣流速為40 mL·min-1，GC柱溫為38 ℃，積分時(shí)間為100 ms，總分析時(shí)間為400 s的情況下，MeHg可以達(dá)到較好的分離效果，Hg2+的離子強(qiáng)度也可降至基線水平，如圖1所示。

2.2 蒸餾過(guò)程中的干擾

研究表明，酸加入過(guò)多或過(guò)度蒸餾可能導(dǎo)致蒸餾液的pH值過(guò)低，無(wú)法通過(guò)加入醋酸緩沖溶液調(diào)節(jié)樣品pH值至乙基化反應(yīng)的最佳范圍(pH 4.0～7.0)，從而影響乙基化效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。因此當(dāng)蒸餾液的pH<2.0時(shí)，需用KOH溶液調(diào)節(jié)蒸餾液的pH值至4.0～7.0，再進(jìn)行樣品的乙基化過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，200 mL海水樣品穩(wěn)定蒸餾約40 min后，可獲得蒸餾液約150 mL，蒸餾液的pH值為5.0～6.0，由于蒸餾過(guò)程未對(duì)乙基化過(guò)程產(chǎn)生影響，后續(xù)實(shí)驗(yàn)不再對(duì)蒸餾液進(jìn)行pH值調(diào)整。

由于無(wú)法對(duì)全自動(dòng)蒸餾儀的冷凝管和導(dǎo)流管等部位進(jìn)行拆卸清洗，蒸餾儀內(nèi)殘留的MeHg會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果帶來(lái)較大影響。為消除蒸餾儀中MeHg殘留的影響，本實(shí)驗(yàn)向蒸餾瓶中加入強(qiáng)氧化性的BrCl溶液，將MeHg氧化為無(wú)機(jī)汞，以降低實(shí)驗(yàn)空白。具體方法為：向蒸餾瓶?jī)?nèi)加入200 mL超純水和0.5 mL BrCl溶液進(jìn)行蒸餾，蒸餾完成后，棄去蒸餾液，用超純水清洗蒸餾瓶、收集瓶后，再加入200 mL超純水重復(fù)蒸餾，以保證蒸餾儀內(nèi)無(wú)BrCl溶液殘留。對(duì)比測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的MeHg測(cè)定結(jié)果為(0.113±0.057) ng·L-1，明顯高于BrCl處理后海水中MeHg的測(cè)定結(jié)果(0.050 8±0.008) ng·L-1，且前者的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)達(dá)50%，也遠(yuǎn)高于后者(16%)。研究表明，采用BrCl溶液對(duì)蒸餾設(shè)備進(jìn)行清洗，能夠有效消除蒸餾儀內(nèi)的MeHg殘留，降低實(shí)驗(yàn)空白，提高測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

此外，在樣品的前處理效率方面，與EPA1630方法推薦的特氟龍材質(zhì)的蒸餾系統(tǒng)相比，實(shí)驗(yàn)所用的自動(dòng)蒸餾儀由于蒸餾瓶受熱面積較大且玻璃熱傳導(dǎo)性能更好，具有較高的蒸餾效率，通常情況下僅需45 min即可完成樣品的蒸餾前處理。另外，與特氟龍材質(zhì)不同，玻璃材質(zhì)器皿由于可采用BrCl溶液進(jìn)行清洗，大大縮短了批次測(cè)定時(shí)蒸餾管的清洗時(shí)間，顯著提高了樣品的前處理效率。

2.3 同位素添加量的影響

在進(jìn)行同位素稀釋時(shí)，同位素的添加量對(duì)樣品的測(cè)定結(jié)果可能存在影響。當(dāng)同位素稀釋劑添加濃度與樣品中的分析物濃度相匹配時(shí)，可最大程度降低同位素稀釋法分析的不確定性[7]。為研究同位素添加量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，取200 mL海水樣品5個(gè)，每個(gè)樣品中均加入0.050 ng的MeHg天然同位素標(biāo)準(zhǔn)品，分別向樣品中加入0.010、0.050、0.080、0.100、0.200 ng同位素稀釋劑，靜置過(guò)夜，蒸餾后進(jìn)行測(cè)定，得到海水中MeHg的質(zhì)量濃度分別為0.307、0.309、0.296、0.319、0.331 ng·L-1，采用“2.2”中經(jīng)BrCl處理的海水中MeHg的本底值計(jì)算得加標(biāo)回收率分別為102%、103%、98.2%、107%和122%。采用t檢驗(yàn)對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)樣品測(cè)定回收率與理論回收率(100%)之間無(wú)顯著性差異(p>0.05)。因此MeHg加標(biāo)量為0.050 ng，同位素稀釋劑的添加量在0.010～0.200 ng范圍內(nèi)，即樣品中同位素稀釋的濃度最高達(dá)到MeHg濃度4倍的情況下，對(duì)MeHg的測(cè)定結(jié)果無(wú)明顯影響。

為進(jìn)一步研究同位素添加量對(duì)不同濃度樣品測(cè)定的影響，取200 mL海水樣品5個(gè)，分別加入0.020、0.050、0.10、4.0、10.0 ng的MeHg天然同位素標(biāo)準(zhǔn)品，每個(gè)樣品中均加入0.030 ng同位素稀釋劑，得到加標(biāo)量為0.020 ～4.0 ng時(shí)海水樣品的回收率分別為110%、107%、115%和111%。表明MeHg加標(biāo)量在4.0 ng以內(nèi)，即樣品中MeHg的濃度達(dá)到同位素稀釋劑濃度100倍以上的情況下，MeHg的測(cè)定結(jié)果仍能夠滿足分析準(zhǔn)確性的要求。而當(dāng)MeHg加標(biāo)量達(dá)到10.0 ng時(shí)，由于樣品中MeHg濃度較高，同位素比值的測(cè)定不確定度顯著提高，實(shí)測(cè)同位素比值R(202Hg/201Hg)已高于自然界中Hg的天然豐度比值(2.265)，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算樣品中MeHg的濃度。

綜上，在同位素稀釋劑添加濃度與樣品中的MeHg濃度不存在嚴(yán)重不匹配的情況下，同位素稀釋劑的添加量對(duì)海水樣品中MeHg的測(cè)定結(jié)果影響較小。

2.4 蒸餾過(guò)程中無(wú)機(jī)汞含量的影響

Bloom等[13]的研究表明，采用蒸餾法提取樣品中的MeHg，部分無(wú)機(jī)汞(Hg2+)可能會(huì)在蒸餾過(guò)程中轉(zhuǎn)化為MeHg(稱為操作產(chǎn)生甲基汞)，從而影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。為研究海水中Hg2+含量對(duì)MeHg測(cè)定結(jié)果的影響，首先采用冷原子熒光分光光度法(CV-AFS)測(cè)得海水樣品中總汞(THg)的質(zhì)量濃度為(9.40±0.20) ng·L-1，由于海水中THg的含量較低，因此實(shí)驗(yàn)中Hg2+的加標(biāo)濃度未考慮本底值的影響。取200 mL海水樣品4個(gè)，分別加入Hg2+溶液，使樣品中Hg2+的加標(biāo)質(zhì)量濃度分別為0、1.0、10、100 μg·L-1，每個(gè)樣品中均加入0.050 ng天然同位素標(biāo)準(zhǔn)品和0.030 ng同位素稀釋劑，靜置過(guò)夜，蒸餾后進(jìn)行測(cè)定。由表1可見(jiàn)，當(dāng)Hg2+加標(biāo)質(zhì)量濃度為1.0 μg·L-1時(shí)，樣品中操作產(chǎn)生甲基汞的比例(Artifact%)約為2.3%，對(duì)甲基汞測(cè)定的影響較小，但隨著Hg2+含量的增加，MeHg的測(cè)定結(jié)果增大，當(dāng)Hg2+的質(zhì)量濃度達(dá)到10 μg·L-1和100 μg·L-1時(shí)，操作產(chǎn)生甲基汞的比例分別為80%和94%。同時(shí)，Hg2+的加標(biāo)質(zhì)量濃度分別為0、1.0 μg·L-1時(shí)，MeHg的回收率分別為95.7%和98.5%，而Hg2+的加標(biāo)濃度分別為10、100 μg·L-1時(shí)，MeHg的回收率分別為464%和2 096%。Bloom等[13]的研究認(rèn)為，樣品中MeHg占THg的比例較低(<1%)時(shí)，蒸餾過(guò)程中操作產(chǎn)生的MeHg可能對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，并且總有機(jī)碳(TOC)含量可能是影響操作產(chǎn)生甲基汞的最主要因素。在本研究中，天然海水中MeHg占THg的比例約為0.5%，Hg2+的加標(biāo)質(zhì)量濃度為1.0 μg·L-1時(shí)，MeHg占THg的比例約為0.03%，雖然樣品中MeHg占THg的比例遠(yuǎn)低于1%，但MeHg的測(cè)定結(jié)果仍可以滿足分析要求，這可能與實(shí)驗(yàn)所用的海水樣品中天然有機(jī)物的含量相對(duì)較低有關(guān)(TOC含量為(1.21±0.08) mg·L-1)。

表1 蒸餾過(guò)程中操作產(chǎn)生甲基汞對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響Table 1 The impact on the methylmercury concentration by artifact in distillation process

*no data

2.5 準(zhǔn)確度、精密度與檢出限

由“2.3”研究結(jié)果可知，海水樣品MeHg的加標(biāo)量在0.020～4.0 ng范圍時(shí)，回收率為98.2%～122%。由“2.2”研究結(jié)果可知，MeHg質(zhì)量濃度為0.050 8 ng·L-1的天然海水樣品，5次測(cè)定的RSD為16%。加標(biāo)0.050 ng的海水樣品，5次獨(dú)立測(cè)定R(202Hg/201Hg)的RSD為3.7%，MeHg測(cè)定的RSD為5.4%(表2)。表明方法的準(zhǔn)確度和精密度均滿足分析要求。

按照每升樣品2 mL的比例向超純水中加入9 mol·L-1H2SO4溶液作為空白樣品，連續(xù)7次測(cè)定方法的空白為(0.010±0.003) ng·L-1，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算得方法的檢出限為0.009 ng·L-1。

表2 加標(biāo)海水樣品的測(cè)定結(jié)果Table 2 Analytical results of spiked sea water

2.6 大連灣海水樣品的測(cè)定

于2017年7月在大連灣內(nèi)采集了6個(gè)表層海水樣品，采用自動(dòng)蒸餾前處理-ID/GC-ICP-MS法對(duì)海水中MeHg進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明:大連灣內(nèi)MeHg的質(zhì)量濃度為(0.048 5～0.155)ng·L-1，平均值為(0.103±0.036)ng·L-1，其平均濃度略高于舊金山灣(0.052±0.052 ng·L-1)[14]和切薩皮克灣(0.078±0.094 ng·L-1)[15]。從實(shí)際樣品的分析應(yīng)用看，本方法能夠滿足近岸海水中MeHg的分析要求。

3 結(jié) 論

本文建立了基于全自動(dòng)蒸餾前處理，同位素稀釋/氣相色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用的海水中痕量甲基汞的分析方法，研究了蒸餾過(guò)程中的空白干擾及消除，以及同位素添加量和無(wú)機(jī)汞含量對(duì)甲基汞測(cè)定的影響。對(duì)方法的檢出限、精密度及回收率等的考察結(jié)果表明，本方法的前處理效率較高，操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、靈敏，適用于近岸海水中痕量MeHg的分析。