振蕩提取-高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定藻類中6種形態(tài)砷化合物

周志豪，黃振華，周朝生，陸榮茂，曾國(guó)權(quán)，陳星星

(浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所 浙江省近岸水域生物資源開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325005)

砷是一種普遍存在于藻類中主要的有害重金屬元素之一，其毒性不僅與元素總量有關(guān)，還與其存在的化學(xué)形態(tài)密切相關(guān)[1]。As的化學(xué)形態(tài)包括高毒性的As(Ⅲ)、As(Ⅴ)，低毒性的甲基砷酸(MMA)、二甲基砷酸(DMA)和基本無(wú)毒的三甲基砷酸(TMA)、砷甜菜堿(AsB)、砷膽堿(AsC)和砷糖(AsS)。目前，對(duì)砷的形態(tài)分析主要集中在中藥材、香菇，而藻類中As的相關(guān)研究主要集中在對(duì)其總量的測(cè)定，對(duì)于其形態(tài)分析研究較少。為對(duì)藻類樣品中As的不同形態(tài)進(jìn)行有效的分離測(cè)定，合適的分離手段和檢測(cè)方法必不可少。HPLC具有分離高沸點(diǎn)、難揮發(fā)性的物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，而且能設(shè)置不同分離程序；電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、干擾少、可連續(xù)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用HPLC與ICP-MS聯(lián)用技術(shù)建立同時(shí)快速檢測(cè)藻類各形態(tài)As的分析方法，旨在為藻類中As的形態(tài)分析及其安全性評(píng)價(jià)提供參考[2-4]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2016年9月～2016年12月間，在浙江蒼南、洞頭、平陽(yáng)、瑞安、舟山六橫蒼洞、三門、臨海、溫嶺采集了6個(gè)羊棲菜、9個(gè)海帶、19個(gè)紫菜， 這3個(gè)品種共34個(gè)藻類樣品。

AsC、AsB、AsⅢ、DMA、MMA、AsⅤ(含量分別為(28.0±1.1)、(38.8±1.1)、(75.7±1.2)、(52.9±1.8)、(25.1±0.8)、(17.5±0.4)μg ·g-1)國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院；磷酸二氫銨(優(yōu)級(jí)純)；雙氧水(優(yōu)級(jí)純)；硝酸(優(yōu)級(jí)純)

1.2 儀器與設(shè)備

采用安捷倫7900電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定As；采用安捷倫1260HPLC和7900電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)聯(lián)用測(cè)定砷的形態(tài)；ETHOS UP密閉微波消解儀(意大利Milestone公司)。

1.3 方法

1.3.1 HPLC-ICP-MS條件

HPLC條件：Hamilton PRPX-100陰離子交換柱(250 mm×4.1 mm,10 μm)；流動(dòng)相A：水，流動(dòng)相B：25 mmol/L磷酸二氫銨溶液(以氨水調(diào)節(jié)pH值至8.0)；梯度洗脫程序：0～15min，100%A～100%B，15～20min，100%B～100%A；20～25min，100%A；流速1.0 mL/min；進(jìn)樣量50 μL。

1.3.2 樣品前處理

用采樣點(diǎn)海水清洗去除海藻表面附著物。4 ℃下運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。超純水沖洗數(shù)次，60 ℃烘干至恒重。磨碎，過(guò)60目篩于-20 ℃，密封避光保存待測(cè)[1,5]。分析過(guò)程以國(guó)家生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10023(紫菜)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3.3 總砷含量的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取藻類樣品1.000 g(精確到0.0001 g)于微波消解管中，加入6 mL優(yōu)級(jí)純硝酸，2 mL優(yōu)級(jí)純過(guò)氧化氫，采用微波消解儀消化至溶液澄清透明，消解程序見表1。消解程序結(jié)束后，待其冷卻，取出消解管，于160 ℃趕酸至近干，用體積分?jǐn)?shù)2 %硝酸定容至10 mL，過(guò)0.22μm濾膜，同時(shí)做樣品空白，配制標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液，用ICP-MS儀檢測(cè)樣品中總砷的含量。

1.3.4 提取方式的選擇

設(shè)計(jì)了機(jī)械振蕩裝置，并研究了不同的振蕩頻率、振蕩時(shí)間(180～360min)對(duì)6種形態(tài)砷化物的提取。

1.3.5 藻類樣品中6種形態(tài)砷化合物的提取

準(zhǔn)確稱取2.0000 g(精確到0.0001 g)藻類樣品于50 mL離心管中，加入30 mL 0.3 mol/L乙酸溶液提取，將藻類樣品混合均勻后進(jìn)行振蕩提取，10000 r/min離心10min，收集上清液，將沉淀重復(fù)提取2次，合并上清液，將上清液于1 0000 r/min離心10min后過(guò)0.22 μm濾膜，40 ℃條件下濃縮至近干，用超純水定容至10 mL，過(guò)0.22 μm濾膜進(jìn)行HPLC-ICP-MS分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 色譜條件優(yōu)化

樣品中的AsC、AsB、AsⅢ、DMA、MMA、AsⅤ等砷形態(tài)化合物，會(huì)由于溶液中的不同的pH值而呈現(xiàn)不同的電性，從而影響其在柱子上的保留時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)采用了Hamilton PRPX-100(250 mm×4.1 mm,10 μm)陰離子交換柱對(duì)不同形態(tài)的As進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)。選取了碳酸銨溶液、磷酸鹽緩沖液及磷酸二氫銨溶液3種流動(dòng)相進(jìn)行分離。結(jié)果表明，AsC、AsB、AsⅢ、DMA、MMA、AsⅤ這6種形態(tài)砷在磷酸二氫銨溶液作用下，分離時(shí)間較短，峰形較佳；而在流動(dòng)相磷酸鹽緩沖液和碳酸銨溶液作用下，6種砷形態(tài)化合物并不能完全分離，AsC和AsB無(wú)法分開。另外實(shí)驗(yàn)還考察了磷酸二氫銨濃度對(duì)6種形態(tài)砷保留時(shí)間的影響，分別采用15、20、25、30和35 mmol/L，5種不同濃度的磷酸二氫銨溶液，對(duì)6種形態(tài)As的混標(biāo)溶液進(jìn)行梯度洗脫，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)磷酸二氫銨濃度增大時(shí)，各形態(tài)As的保留時(shí)間表現(xiàn)各不相同，AsⅤ的保留時(shí)間快速的減少，DMA、MMA的保留時(shí)間緩慢的減少，AsC、AsB、AsⅢ的保留時(shí)間并沒有太大變化，這表明磷酸二氫銨濃度增大時(shí)，對(duì)不同形態(tài)的砷洗脫能力并不完全相同；當(dāng)磷酸二氫銨濃度達(dá)到25 mmol/L時(shí)，20min內(nèi)6種形態(tài)的As達(dá)到基線分離，峰形較佳，已能完全滿足測(cè)試要求，當(dāng)度大于25 mmol/L時(shí)部分形態(tài)As的色譜峰開始出現(xiàn)重疊，而且流動(dòng)相濃度過(guò)大，易在柱子內(nèi)沉積堵塞，因此本實(shí)驗(yàn)采用25 mmol/L磷酸二氫銨為流動(dòng)相[7]。

pH值對(duì)不同形態(tài)As的分離有較大的影響，實(shí)驗(yàn)考察了pH值對(duì)其保留時(shí)間的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：pH值在5.0～10.0范圍時(shí)，6種形態(tài)的As可以較好地分離開，由于pH值增大有利于縮短分離時(shí)間，因此為了保證分離度的同時(shí)縮短分析時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)選擇pH值8.0。

圖1 磷酸二氫銨濃度對(duì)6種形態(tài)As的色譜保留時(shí)間的影響

圖2 磷酸二氫銨pH值對(duì)6種形態(tài)As的色譜峰保留時(shí)間的影響

2.2 提取劑的優(yōu)化

對(duì)于多形態(tài)砷提取劑相關(guān)報(bào)道，常見的提取溶劑有水、低濃度酸、甲醇水等體系。本實(shí)驗(yàn)比較了不同提取溶劑的萃取效率，在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)采用甲醇/水(體積比1∶1)振蕩提取時(shí)，各形態(tài)As的總提取效率有時(shí)會(huì)高達(dá)130%。這可能是因?yàn)榧状既軇┨岣吡薃s的離子化效率，從而增強(qiáng)了As的信號(hào)值。另外采用甲醇溶劑會(huì)使得實(shí)際樣品的提取液與標(biāo)準(zhǔn)溶液pH值存在差異，也就使得保留時(shí)間產(chǎn)生偏移，但是乙酸作為提取劑可以有效地避免這一現(xiàn)象。

2.3 提取方式的選擇

振蕩提取裝置是實(shí)驗(yàn)室自我設(shè)計(jì)的裝置，如圖3所示。

13a1：提取管；13b：提取管配件；13a2提取管密封蓋；12a：第一夾頭；12b：第二夾頭；12c：懸置部圖3 振蕩提取裝置

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)振蕩頻率在200 r/min；時(shí)間設(shè)置在200min，對(duì)藻類中砷的提取較完全。

2.4 方法線性范圍與檢出限

分別配制1、2、5、10、20、50 μg/L的系列砷形態(tài)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化的HPLC條件下進(jìn)行分析，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，如表1所示，6種形態(tài)的砷化合物的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9980。在優(yōu)化的HPLC工作條件下，采用逐級(jí)稀釋法以3倍信噪比測(cè)定檢出限，AsC、AsB、AsⅢ、DMA、MMA和AsⅤ的檢出限分別為0.26、0.27、0.0.34、0.29、0.24、0.31 μg/L。

表1 6種砷化合物的標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限及精密度

2.5 方法的精密度

為考察方法的精密度，選擇50 μg/L的6種砷形態(tài)的混合標(biāo)樣連續(xù)測(cè)定6次，按優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析，以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)價(jià)其重復(fù)性，如表1所示，6種形態(tài)砷化合物的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.6%～3.9%，均小于5%。

2.6 加標(biāo)回收率

選擇藻類樣品進(jìn)行研究，選擇提取效果最好的0.3 mol/L乙酸溶液進(jìn)行振蕩提取，分別向其中加入低、中、高3種濃度的6種砷形態(tài)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，按優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)定，如表所示。AsC、AsB、AsⅢ、DMA、MMA和AsⅤ的加標(biāo)回收率分別為92.5%～96.35%、94.2%～98.2%、89.1%～93.1%、85.1%～90.1%、92.1%～98.3%、88.1%～93.4%。

2.7 樣品測(cè)定

AsC為砷膽堿、AsB為砷甜菜堿、AsⅢ為三價(jià)砷、DMA為二甲基砷、MMA為一甲基砷、AsⅤ為五價(jià)砷

圖4 藻類樣品的HPLC-ICP-MS色譜圖

樣品經(jīng)過(guò)0.3 mol·L-1乙酸溶液振蕩提取，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)羊棲菜砷的種類較多，在砷甜菜堿和五價(jià)砷之間有三個(gè)未知峰；其次是海帶，除了一個(gè)三價(jià)峰以外，也有三個(gè)未知峰；紫菜中砷的種類較少，一個(gè)三價(jià)峰和一個(gè)未知峰，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)紫菜中有機(jī)砷占總砷比例比羊棲菜和海帶都要大。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化色譜條件時(shí)，AsC、AsB和 As(Ⅲ)并沒有隨著我們對(duì)流動(dòng)相濃度改變，出峰時(shí)間而發(fā)生變化，因?yàn)樵谔荻认疵摮绦颍?～20min，100%A～100%B，而最晚出峰的As(Ⅲ)也僅2.6min，因此流動(dòng)相溶液大部分為水溶液，而水溶液中，As(Ⅲ)、As(V)、DMA和MMA是以陰離子形式存在，而AsB和AsC是以陽(yáng)離子形式存在[6]。因此，對(duì)于陰離子交換柱，在以磷酸二氫銨為流動(dòng)相條件下，As(Ⅲ)、As(V)、DMA、MMA和色譜柱固定相上的離子交換劑基團(tuán)相互作用，二甲基砷以HA和A-各占一半的形式存在，因此在陰離子色譜柱上有一定保留；一甲基砷完全以HA-的形式存在，因此在陰離子色譜柱上保留強(qiáng)于二甲基，而As(V)部分已經(jīng)以HA2-的形式存在，是這幾種離子中保留最強(qiáng)的，按照作用力的大小，As(Ⅲ)、DMA、MMA和As(V)依次被洗脫出來(lái)[8]。而AsC和AsB無(wú)法與離子交換劑的交換中心發(fā)生交換，只能隨著流動(dòng)相先流出，因此當(dāng)As(Ⅲ)、As(V)、DMA、MMA、AsC和AsB同時(shí)存在時(shí)，總是AsC和AsB最先出峰[7-9]。

萃取溶劑的選擇。在研究樣品提取溶劑時(shí)，剛開始考慮甲醇水作為提取溶劑，但我們發(fā)現(xiàn)甲醇水比例較難把握，較少對(duì)樣品提取效率不高，多了甲醇具有弱變形性質(zhì)，反而降低了提取效率，這可能是甲醇含量多了，提取出樣品中有機(jī)物質(zhì)，從而干擾了測(cè)定的精確性，并且要甲醇的增敏效應(yīng)，必然在前處理中增加相應(yīng)的操作步驟，給實(shí)驗(yàn)操作者帶來(lái)一定勞動(dòng)強(qiáng)度。其二，甲醇屬于無(wú)色易揮發(fā)的液體，具有一定的毒性，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者身體健康有潛在的危害。其三，乙酸在作為提取溶劑時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)溶液在pH值上保持了一致，避免了樣品峰的偏移，并且能有效的提取樣品中的多形態(tài)砷[10-11]。

4 結(jié)論

建立了AsC、AsB、AsⅢ、DMA、MMA和AsⅤ6種形態(tài)As的HPLC-ICP-MS方法。6種不同形態(tài)的As的HPLC-ICP-MS方法。6種不同形態(tài)的As在20min內(nèi)實(shí)現(xiàn)了基線分離。藻類中的As含量較低，且大部分以低毒的砷糖形式存在。振蕩溶劑提取能同時(shí)將有機(jī)As和無(wú)機(jī)As提取出來(lái)，較客觀地反映樣品中As的形態(tài)分布。對(duì)于藻類樣品中As的安全性評(píng)價(jià)而言，其形態(tài)分析比總量檢測(cè)更為合理。本方法準(zhǔn)確、可靠，可為藻類中As的形態(tài)分析及安全性評(píng)價(jià)提供參考。