液相色譜-原子熒光光譜法測(cè)定水溶肥料中無(wú)機(jī)砷含量

黃均明，柴 剛，韓巖松，保萬(wàn)魁，劉紅芳，劉 蜜，王 旭

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.北京海光儀器有限公司，北京 100015）

砷的各種不同存在形態(tài)具有顯著不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，常見(jiàn)的砷形態(tài)有：亞砷酸（As3+）、砷酸（As5+）、一甲基砷酸（MMA）、二甲基砷酸（DMA）、砷甜菜堿（AsB）以及砷膽堿（AsC）、砷糖（AsS）等。不同形態(tài)的砷化合物毒性差異很大，其毒性依次為As3+＞As5+＞MAA＞DMA＞AsC＞AsB。無(wú)機(jī)砷毒性較大，有機(jī)砷毒性較小，砷與有機(jī)基團(tuán)結(jié)合越多，毒性越?。?］。AsB 和AsC 常被認(rèn)為是無(wú)毒的，通常存在于海洋動(dòng)物體內(nèi)；AsS 無(wú)毒，通常存在于海洋植物中［2-4］。與有機(jī)砷相比，無(wú)機(jī)砷具有更高的植物有效性，容易被農(nóng)作物吸收并積累在體內(nèi)［5］。砷及其化合物進(jìn)入體內(nèi)后，通常會(huì)在骨骼、肺、肝、腎等部位蓄積，并與細(xì)胞中的酶系統(tǒng)結(jié)合，導(dǎo)致許多酶的生物作用失去活性，從而造成代謝障礙［6］。

水溶肥料具有易被作物吸收，可以應(yīng)用于噴滴灌等設(shè)施農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)水肥一體化等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。有統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)部分水溶肥料產(chǎn)品中有害元素含量不符合我國(guó)現(xiàn)行農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水溶肥料 汞、砷、鎘、鉛、鉻的限量要求》（NY 1110-2010）［7］的要求，其中As 超標(biāo)率為3.50%［8］。然而，有些利用海藻等海洋資源作為原料的有機(jī)水溶肥料，砷主要以無(wú)毒的砷糖以及少量毒性很低的二甲基砷酸存在，幾乎不含無(wú)機(jī)砷［9-11］，所以有必要建立一種砷的形態(tài)分析方法，給出相關(guān)毒性的確切信息，從而客觀、科學(xué)地分析評(píng)價(jià)該類(lèi)產(chǎn)品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

目前，高效液相色譜（HPLC）是砷形態(tài)分析中常用的分離技術(shù)［12］，與其聯(lián)用的檢測(cè)方法有質(zhì)譜法（MS）［13-20］、原子熒光光譜法（AFS）［21-24］、原子吸收分光光度法（AAS）［25-26］等。此外，其它分離檢測(cè)方法也有報(bào)道［27-33］。本試驗(yàn)建立了一種利用液相色譜-原子熒光（LC-AFS）技術(shù)測(cè)定水溶肥料中無(wú)機(jī)砷含量的分析方法。

1 材料與方法

1.1 試劑

亞砷酸根（As3+）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW08666）、砷酸根（As5+）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW08667）、一甲基砷酸（MMA）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW08668）、二甲基砷酸（DMA）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW08669）：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院；超純水（電阻率18.2 MΩ·cm）；鹽酸、硝酸均為優(yōu)級(jí)純；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、氫氧化鉀、硼氫化鉀均為分析純。

王水：將鹽酸與硝酸按體積比3∶1 混合。

硼氫化鉀溶液：ρ（KBH4）= 20 g/L。稱(chēng)取20 g 硼氫化鉀，用5 g/L 氫氧化鉀溶液溶解并定容至1 000 mL，現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.2 儀器

液相色譜-原子熒光光譜聯(lián)用儀（LC-AFS6500）：由液相色譜儀與原子熒光光譜儀組成；高速離心機(jī)（轉(zhuǎn)速可達(dá)8 000 r/min，TGL-20B）；超純水處理系統(tǒng)（UPW-20N）；超聲波清洗機(jī)（SK5200HP）；pH 計(jì)（FE20）；真空泵（AP-01P）；快速混勻器（SK-1）；微孔濾膜（水系）。

1.3 供試樣品

大量元素水溶肥料、微量元素水溶肥料、含氨基酸水溶肥料、含腐植酸水溶肥料、有機(jī)水溶肥料等水溶肥料若干個(gè)。

1.4 樣品前處理

1.4.1 試樣的制備

將樣品縮分至約100 g，將其迅速研磨至全部通過(guò)0.50 mm 孔徑試驗(yàn)篩（如樣品潮濕，可通過(guò)1.00 mm 孔徑試驗(yàn)篩），混合均勻，置于潔凈、干燥容器中；液體樣品經(jīng)搖動(dòng)均勻后，迅速取出約100 mL，置于潔凈、干燥容器中。

1.4.2 試樣溶液的制備

稱(chēng)取0.2 ～2 g（精確至0.000 1 g）混合均勻的試樣于50 mL 塑料離心管中，加入20 mL 1%王水溶液，在室溫下水浴超聲30 min，取出，放至室溫，置于離心機(jī)中以8 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心10 min，過(guò)0.45 μm 水系微孔濾膜后，待測(cè)。

1.5 儀器條件

LC 條件：色譜柱為Hamilton PRP-X100 分離柱（250 mm ×4.1 mm，10 μm）、Hamilton PRP-X100保護(hù)柱（10 mm ×4.1 mm，10 μm）；流動(dòng)相為磷酸氫二鈉（5 mmol/L）-磷酸二氫鉀（44.5 mmol/L）混合溶液，此時(shí)pH 值約為5.9，流速為1.0 mL/min；柱溫為室溫；進(jìn)樣量體積為100 μL。

AFS 條件：負(fù)高壓為300 V；砷燈總電流為60 mA；主電流/輔助電流為30/30；原子化方式為火焰原子化；載液為5%鹽酸溶液，流速為4 mL/min；還原劑為20 g/L 硼氫化鉀溶液，流速為4 mL/min；載氣流速為400 mL/min；屏蔽氣流速為800 mL/min。

1.6 色譜條件的選擇

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化色譜條件后，As3+、DMA、MMA 和As5+4 種砷形態(tài)化合物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液能在6 min 之內(nèi)依次出峰，實(shí)現(xiàn)完全分離。其中，色譜 柱：Hamilton PRP-X100 分 離 柱（250 mm×4.1 mm，10 μm）；流動(dòng)相為磷酸氫二鈉（5 mmol/L）-磷酸二氫鉀（44.5 mmol/L）混合溶液，此時(shí)pH值約為5.9，流速為1.0 mL/min。分析色譜圖見(jiàn)圖1。

圖1 4 種砷形態(tài)化合物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖（100 ng/mL）

1.7 前處理方法的選擇

1.7.1 提取劑的選擇

分別選擇水、1%硝酸、1%鹽酸、1%王水4種提取劑對(duì)F1 ～F3（有機(jī)水溶肥料）、F4（大量元素水溶肥料）以及F5（微量元素水溶肥料）5 個(gè)樣品進(jìn)行了試驗(yàn)。提取過(guò)程為超聲提取30 min，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同提取劑對(duì)無(wú)機(jī)砷檢測(cè)的影響

結(jié)果顯示，試樣F1、F3、F4、F5 以上述4 種不同提取劑提取，所測(cè)得的無(wú)機(jī)砷含量較一致，且平行測(cè)定結(jié)果也較好。在試樣F2 中，以3 種稀酸為提取劑時(shí)，相互間結(jié)果較一致；而以水作為提取劑時(shí)無(wú)機(jī)砷測(cè)定值偏低，而且兩個(gè)平行間測(cè)定值相差較大。綜上所述，以水作為提取劑對(duì)于某些樣品來(lái)說(shuō)提取無(wú)機(jī)砷效果不佳，而1%硝酸、1%鹽酸以及1%王水3 種稀酸是較為理想的無(wú)機(jī)砷提取劑。鑒于試樣的復(fù)雜性，本方法選取稀王水作為提取劑。

1.7.2 提取劑濃度的選擇

分別以0.1%、0.2%、0.5%、1%以及2%的王水溶液為提取劑，對(duì)試樣F1 ～F5 進(jìn)行提取。通過(guò)檢測(cè)上述5 種提取劑提取試樣后的pH 值發(fā)現(xiàn)，0.1%、0.2%、0.5%以及1%的王水溶液為提取劑的試樣提取液pH 值均符合該色譜柱的使用要求（色譜柱pH 值的使用要求在1 ～13），可以直接上機(jī)檢測(cè)，且對(duì)試樣F1 ～F5 中無(wú)機(jī)砷含量的提取結(jié)果差異不大；而以2%的王水溶液為提取劑的試樣提取液pH 值小于1，因不符合色譜柱的使用要求，故需用調(diào)節(jié)pH 值后才能上機(jī)檢測(cè)。此外，在調(diào)節(jié)pH 值的過(guò)程中，個(gè)別試樣還會(huì)出現(xiàn)沉淀，測(cè)定平行結(jié)果相差較大。所以綜合考慮試樣的復(fù)雜性和試驗(yàn)操作的簡(jiǎn)便性，本方法采用濃度1%的王水溶液作為提取劑。

1.8 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制

用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別配制濃度為0、10、20、50、80 和100 ng/mL 系 列As3+和As5+混 合 標(biāo) 準(zhǔn) 溶 液。過(guò)微孔濾膜后，按濃度由低到高進(jìn)樣檢測(cè)，以標(biāo)準(zhǔn)系列溶液質(zhì)量濃度（ng/mL）為橫坐標(biāo)，以峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.9 試樣溶液的測(cè)定

將試樣溶液或經(jīng)稀釋一定倍數(shù)后與測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列溶液相同的條件下測(cè)定，在標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)上查出相應(yīng)的質(zhì)量濃度（ng/mL）。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸方程、線(xiàn)性范圍和檢出限

配制一系列濃度的As3+和As5+混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在所選擇的最佳試驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)定，分別以As3+和As5+質(zhì)量濃度x（ng/mL）為橫坐標(biāo)、峰面積y作為縱坐標(biāo)，得到回歸方程、線(xiàn)性范圍和相關(guān)系數(shù)（R），并以信噪比（S/N）為3 確定檢出限。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 As3+和As5+測(cè)定的回歸方程、線(xiàn)性范圍和檢出限

2.2 方法精密度

為考察該方法的精密度，分別對(duì)3 個(gè)樣品進(jìn)行6 次平行測(cè)定，測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.90%～3.66%，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 精密度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 方法準(zhǔn)確度

通過(guò)加標(biāo)回收試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)本方法的準(zhǔn)確性。在上述不同類(lèi)型肥料試樣（S01 ～S05，S10）中，加入定量的無(wú)機(jī)砷標(biāo)準(zhǔn)溶液。經(jīng)兩次平行測(cè)定，計(jì)算得出無(wú)機(jī)砷回收率為91.9%～107.5%，結(jié)果見(jiàn)表3。

2.4 前處理方法對(duì)砷形態(tài)化合物穩(wěn)定性的影響

取4 個(gè)空白樣品（水），分別加入不同濃度的無(wú)機(jī)砷（As3+和As5+）和有機(jī)砷（MMA 和DMA）4 種砷形態(tài)化合物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，按所建立方法考察4 種砷形態(tài)的加標(biāo)回收率，每個(gè)試樣經(jīng)兩次平行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 前處理方法對(duì)砷形態(tài)穩(wěn)定性的影響

結(jié)果表明，4 種不同濃度加標(biāo)液所測(cè)的無(wú)機(jī)砷和有機(jī)砷的回收率為98.0%～103.5%，從而說(shuō)明此方法可以作為水溶肥料中無(wú)機(jī)砷提取的前處理方法。

2.5 試樣溶液穩(wěn)定性

為了考察試樣溶液穩(wěn)定性，重復(fù)測(cè)定之前測(cè)過(guò)的并于4℃冰箱保存的試樣溶液無(wú)機(jī)砷含量，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 試樣溶液穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，試樣溶液的無(wú)機(jī)砷含量在第8 d 和第1 d 兩次測(cè)定值變化不大，說(shuō)明樣品經(jīng)過(guò)前處理后，保存在4℃冰箱，試樣溶液的無(wú)機(jī)砷含量在8 d內(nèi)較穩(wěn)定。

2.6 樣品測(cè)定

采用本方法對(duì)19 個(gè)不同類(lèi)型的水溶肥料中無(wú)機(jī)砷含量進(jìn)行測(cè)定，所測(cè)樣品數(shù)據(jù)顯示較好的平行性，見(jiàn)表5。其中一個(gè)樣品的色譜圖見(jiàn)圖4。

表5 水溶肥料中無(wú)機(jī)砷含量平行測(cè)定結(jié)果

圖4 樣品色譜圖

3 結(jié)論

本方法以1%王水溶液作為提取劑，在室溫下水浴超聲30 min 提取水溶肥料中無(wú)機(jī)砷，然后采用液相色譜-原子熒光光譜法聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有快速、靈敏、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，是水溶肥料中無(wú)機(jī)砷含量測(cè)定的一種理想方法。該方法的建立，將進(jìn)一步為水溶肥料產(chǎn)品危害性的客觀評(píng)價(jià)、質(zhì)量監(jiān)督和市場(chǎng)監(jiān)管提供技術(shù)支撐，為規(guī)范肥料的環(huán)境安全指標(biāo)和肥料行業(yè)健康發(fā)展提供技術(shù)保障。