高效液相色譜-電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜法同時(shí)測(cè)定土壤中的阿散酸、洛克沙胂及其降解產(chǎn)物

安婭麗，趙艷萍，劉 寧，班 睿

(1.貴州民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.廣東省測(cè)試分析研究所 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省水環(huán)境污染在線監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510070)

阿散酸(p-ASA)和洛克沙胂(ROX)是一類有機(jī)胂化合物，常作為飼料添加劑用于畜禽飼養(yǎng)業(yè)[1]。但兩者大部分不能被動(dòng)物腸道吸收，會(huì)通過畜禽廢水或動(dòng)物糞便釋放到土壤中，進(jìn)而造成農(nóng)田土壤及地下水環(huán)境砷污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[2]。砷的毒性由形態(tài)決定，亞砷酸(As(Ⅲ))和砷酸(As(Ⅴ))以及有機(jī)胂，特別是一甲基砷(MMA)和二甲基砷(DMA)，已被公認(rèn)為環(huán)境中砷的主要毒性形態(tài)[3-4]。通常，As(Ⅲ)的毒性大于As(Ⅴ)，而MMA 和DMA的毒性低于無(wú)機(jī)砷(i-As)[3-4]。由于p-ASA和ROX在土壤中極易降解為毒性更高的其它砷形態(tài)(如i-As、MMA和DMA)[5]，因此明確有機(jī)胂飼料添加劑污染土壤中的砷形態(tài)對(duì)于評(píng)價(jià)其中砷的轉(zhuǎn)化規(guī)律、毒性及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

元素形態(tài)分析的常用方法為高效液相色譜(HPLC)與電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS) 聯(lián)用法[6-8]，但目前同時(shí)檢測(cè)阿散酸、洛克沙胂和常規(guī)砷的HPLC-ICP-MS方法分析時(shí)間較長(zhǎng)(>20 min)[2]。另外，傳統(tǒng)的ICP-MS在分析As時(shí),樣品中存在的Cl元素會(huì)形成40Ar35Cl而干擾75As的檢測(cè)。而電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜(ICP-MS/MS)技術(shù)[9]利用O2和As反應(yīng)生成新的目標(biāo)物75As16O，能夠消除40Ar35Cl的干擾，并提高檢測(cè)靈敏度。

目前，有機(jī)胂和常規(guī)砷形態(tài)的常用提取方法為振蕩提取法[2]，但該法耗時(shí)長(zhǎng)(>12 h)，提取效率低。本文采用微波輔助加熱提取，建立了一種高效、快速、準(zhǔn)確測(cè)定i-As和4種有機(jī)胂形態(tài)(MMA、DMA、p-ASA和ROX)的HPLC-ICP-MS/MS法，可為評(píng)估土壤中的砷形態(tài)污染狀況提供可靠依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 8800型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、Agilent 1260型高效液相色譜儀(安捷倫科技有限公司)；Hamilton PRP-X100(250 mm×4.1 mm，10 μm)陰離子交換柱(美國(guó)Hamilton 公司)；TOPEX+全能型微波化學(xué)工作平臺(tái)(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)；超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)；萬(wàn)分位電子分析天平(廣州市授科儀器科技有限公司)；冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：砷酸溶液(GB08667)、亞砷酸溶液(GB08666) 和一甲基砷溶液(GB08668)(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院)；二甲基砷(德國(guó)Sigma公司)；阿散酸和洛克沙胂(梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司)；甲醇(色譜純，德國(guó)默克公司)；磷酸氫二銨、磷酸、二水合磷酸二氫銨(分析純，廣州化學(xué)試劑廠)；其他試劑均為優(yōu)級(jí)純。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液：由于As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和MMA呈液態(tài)，DMA、p-ASA和ROX呈固態(tài)，因此先配制1 000 mg/L(文中所有砷溶液均以As計(jì)) DMA、p-ASA和ROX的單標(biāo)溶液，然后分別精密移取適量As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、DMA、MMA、p-ASA和ROX單標(biāo)溶液，用去離子水稀釋配成質(zhì)量濃度為2 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2 儀器工作條件

HPLC條件：色譜柱：Hamilton PRP-X100(250 mm×4.1 mm,10 μm)；流速：1.5 mL/min；流動(dòng)相：A為水，B為60 mmol/L(NH4)2HPO4-5%甲醇(pH 6.0)；梯度洗脫程序：0～3 min，100%A；3～5 min，100%～80%A；5～5.5 min，80%～0%A；5.5～16 min，0%A；16～17 min，0%～100%A；17～18 min，100%A。

ICP-MS/MS條件：高頻發(fā)射功率：1 550 W；載氣：高純氬氣，流速為0.7 L/min，補(bǔ)償氣流速為0.3 L/min；樣品提升速度：0.3 r/s；采樣深度：8 mm；采樣錐：孔徑為1.0 mm，Pt錐；截取錐：孔徑為7.0 mm，Ni錐。蠕動(dòng)泵速為0.4 r/s，積分時(shí)間為0.3 s，分析方式為脈沖、模擬，碰撞氣為O2,氣體流量40%，檢測(cè)質(zhì)量數(shù)為m/z75(As)、m/z91(AsO)。

1.3 樣品前處理方法

樣品采集與保存：實(shí)驗(yàn)采用3種類型的背景土壤樣品，其中園林土和稻田土來(lái)自廣州市，菜園土來(lái)自韶關(guān)市。實(shí)際飼料添加劑污染土壤樣品采自清遠(yuǎn)市的養(yǎng)雞場(chǎng)和養(yǎng)豬場(chǎng)。土壤樣品在現(xiàn)場(chǎng)取樣后，用塑料密封袋保存，運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室后于避光處風(fēng)干，過2 mm篩后，常溫保存。

加標(biāo)樣品制備：稱取100 mg風(fēng)干的土壤樣品于10 mL離心管中，加入As(Ⅲ)、 As(Ⅴ)、MMA、DMA、p-ASA和ROX混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，各砷形態(tài)的加標(biāo)水平為2 mg/kg，避光老化24 h，于-20 ℃冷凍24 h以上，冷凍干燥備用。

加標(biāo)樣品提取：向凍干的加標(biāo)樣品中加入5 mL提取液，將10 mL離心管置于盛有30 mL蒸餾水的微波消解罐中，設(shè)定微波萃取溫度為60～80 ℃，萃取時(shí)間為15～120 min，萃取液經(jīng)3 000 r/min離心5 min后，取上清液過0.45 μm濾膜，濾液在24 h內(nèi)完成測(cè)定。優(yōu)化液固比條件時(shí)，相應(yīng)地調(diào)整土壤的稱樣量和提取劑的添加量。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件的優(yōu)化

砷形態(tài)分析的常用色譜柱為C18和陰離子交換柱。Liu等[2]研究表明，C18柱不適用于環(huán)境樣品中有機(jī)砷飼料添加劑及其降解產(chǎn)物的檢測(cè)。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[10]，本實(shí)驗(yàn)采用陰離子交換色譜柱Hamilton PRP-X100(250 mm×4.1 mm,10 μm)進(jìn)行分離。

圖1 6種砷形態(tài)的色譜圖Fig.1 Chromatogram of six arsenic species

流動(dòng)相的成分、濃度和pH值對(duì)目標(biāo)物的分離和保留具有顯著影響。由于磷酸鹽常作為流動(dòng)相用于分離各種砷形態(tài)[11]，因此考察了0～100 mmol/L(NH4)2HPO4的分離效果，發(fā)現(xiàn)60 mmol/L(NH4)2HPO4可有效分離各種砷形態(tài)，但ROX的峰形較寬。實(shí)驗(yàn)嘗試在流動(dòng)相中添加0～10%的甲醇，發(fā)現(xiàn)添加5%甲醇可有效改善ROX的峰形。本實(shí)驗(yàn)最終采用純水和60 mmol/L(NH4)2HPO4-5%甲醇(pH 6.0)作為流動(dòng)相，在“1.2”所示的梯度洗脫方式下實(shí)現(xiàn)了6種砷形態(tài)的良好分離(見圖1)。

2.2 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

使用5 μg/L 的砷單標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)氧氣流速進(jìn)行優(yōu)化，使m/z75(As)和m/z91(AsO)的靈敏度最佳，實(shí)驗(yàn)最終選擇氣體流量為40%；同時(shí)用1 μg/L的Ce、Co、Li、Mg、Tl和Y調(diào)諧液對(duì)其他質(zhì)譜參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使低質(zhì)量數(shù)(m/z7)、中質(zhì)量數(shù)(m/z89)和高質(zhì)量數(shù)(m/z205)的靈敏度最佳；每次樣品分析前，需用1 μg/L 的Ce、Co、Li、Mg、Tl和Y調(diào)諧液進(jìn)行測(cè)試，使各項(xiàng)指標(biāo)(氧化物水平70CeO+/140Ce+≤1.2%,雙電荷數(shù)70CeO2+/140Ce+≤2.0%)滿足要求。優(yōu)化的質(zhì)譜條件如“1.2”所示。

2.3 樣品前處理?xiàng)l件的優(yōu)化

2.3.1 提取劑的選擇砷形態(tài)分析的提取劑有三氟乙酸、有機(jī)酸、磷酸鹽緩沖液和碳酸鹽緩沖液[12-13]。其中，磷酸鹽因與砷是同族元素，其性質(zhì)類似，對(duì)砷的提取效果較好而常作為土壤中砷形態(tài)分析的提取劑[14]。在提取劑與土壤的液固比為20 mL/g，60 ℃微波加熱萃取30 min條件下，分別考察了0.1 mol/L NaH2PO4-0.1 mol/L H3PO4(體積比9∶1)和0.5 mol/L H3PO4兩種提取劑對(duì)園林土、菜園土、稻田土3種加標(biāo)(2 mg/kg)土壤中砷形態(tài)的提取效果。結(jié)果顯示，這2種提取劑對(duì)p-ASA和ROX的提取率較低，分別為25.5%～53.6%和57.3%～89.8%。而0.1 mol/L NaH2PO4-0.1 mol/L H3PO4(9∶1)對(duì)不同砷形態(tài)的提取效率總體優(yōu)于0.5 mol/L H3PO4，因此選其作為提取劑。

2.3.2 液固比的影響以0.1 mol/L NaH2PO4-0.1 mol/L H3PO4(9∶1)為提取劑，在60 ℃微波萃取30 min條件下，以加標(biāo)(2 mg/kg)菜園土為例，考察了提取劑與土壤的液固比(2～100 mL/g)對(duì)各砷形態(tài)回收率的影響。結(jié)果如表1所示，樣品中各砷形態(tài)的提取回收率隨固液比的增大而提高，當(dāng)液固比大于50 mL/g時(shí)，阿散酸的提取率有所降低。綜合考慮提取效率及提取劑用量，選擇液固比為50 mL/g。

表1 液固比對(duì)提取回收率的影響Table 1 Influence of liquid-to-solid ratio on extraction recovery

2.3.3 微波萃取溫度的影響以0.1 mol/L NaH2PO4-0.1 mol/L H3PO4(9∶1)為提取劑，在液固比50 mL/g，微波萃取30 min條件下，分別考察了微波加熱溫度(60、80、100 ℃)對(duì)加標(biāo)(2 mg/kg)菜園土中各砷形態(tài)回收率的影響。由表2可知，隨著溫度增加，各砷形態(tài)的回收率逐漸增大，但溫度由80 ℃升至100 ℃ 時(shí)，p-ASA的回收率降低，可能是由于高溫導(dǎo)致p-ASA轉(zhuǎn)變?yōu)閕-As。因此，最終選擇微波萃取溫度為80 ℃，該溫度下各砷形態(tài)的回收率總體較好。

表2 微波萃取溫度對(duì)提取回收率的影響Table 2 Influence of microwave temperature on extraction recovery

2.3.4 微波萃取時(shí)間的影響以0.1 mol/L NaH2PO4-0.1 mol/L H3PO4(9∶1)為提取劑，在液固比50 mL/g、微波溫度80 ℃條件下，考察了微波萃取時(shí)間(15、30、60、120 min)對(duì)加標(biāo)(2 mg/kg)菜園土中各砷形態(tài)回收率的影響。結(jié)果表明，各砷形態(tài)的回收率隨萃取時(shí)間的增加而增大，萃取時(shí)間為30 min和60 min時(shí)，各砷形態(tài)的回收率差別不大，當(dāng)萃取時(shí)間增至120 min時(shí)，除i-As外其他砷形態(tài)的回收率均下降。為節(jié)省時(shí)間，最終選擇微波萃取時(shí)間為30 min。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限與精密度

分別配制0、5、10、20、50、100、200、500 μg/L的系列砷化合物混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，在優(yōu)化的色譜和質(zhì)譜條件下進(jìn)行分析,以各砷形態(tài)的峰面積(y)對(duì)質(zhì)量濃度(x，μg/L)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如表3所示。各砷形態(tài)在0～500 μg/L范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)r2≥ 0.999 1。以色譜峰信噪比S/N=3，計(jì)算得各砷形態(tài)的檢出限(LOD)為0.043～0.080 μg/kg;以50 μg/L混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液連續(xù)進(jìn)樣6次，測(cè)得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.7%～3.8%。

表3 各砷形態(tài)的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 3 Linear equations,correlation coefficients(r2),detection limits and relative standard deviations of different arsenic species

2.5 加標(biāo)回收率

采用本方法對(duì)園林土、稻田土和菜園土3種空白土壤進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)水平為0.5、2、5 mg/kg，每個(gè)加標(biāo)濃度平行3次。結(jié)果顯示，i-As、DMA、MMA、p-ASA和ROX的回收率分別為71.6%～106%、90.5%～105%、85.1%～104%、77.6%～94.2%和92.3%～99.9%。3種土壤中總砷的提取率達(dá)81.4%～102%，說明該提取方法的提取效果較好。

2.6 實(shí)際樣品分析

采用本方法對(duì)廣東省清遠(yuǎn)市的4份土壤樣品進(jìn)行砷形態(tài)分析(如表4)。結(jié)果顯示，實(shí)際土壤中的砷主要以無(wú)機(jī)砷和一甲基砷的形式存在，其中無(wú)機(jī)砷含量最高。同時(shí)檢出阿散酸和洛克沙胂，表明有機(jī)砷類飼料添加劑在養(yǎng)殖業(yè)中廣泛使用，并殘留于土壤中。

表4 實(shí)際樣品的分析結(jié)果Table 4 Analysis results of real soil samples w/(mg·kg-1)

*not detected

3 結(jié) 論

本文建立了一種微波輔助提取/HPLC-ICP-MS/MS測(cè)定土壤中無(wú)機(jī)砷、阿散酸、洛克沙胂、一甲基砷和二甲基砷的方法，整個(gè)提取操作可在30 min內(nèi)完成，并在15 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)各砷形態(tài)的分離。結(jié)果表明，各砷形態(tài)的檢出限為0.043～0.080 μg/kg，加標(biāo)回收率為71.6%～106%。實(shí)際污染土壤樣品的分析結(jié)果表明，阿散酸和洛克沙胂等飼料添加劑在養(yǎng)殖業(yè)中的廣泛使用，使得各砷形態(tài)可能在養(yǎng)雞場(chǎng)和養(yǎng)豬場(chǎng)附近土壤中殘留，它們?cè)谕寥乐械霓D(zhuǎn)化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。