高效液相色譜–電感耦合等離子體質(zhì)譜法同步測(cè)定海水中的無(wú)機(jī)砷與六價(jià)鉻

黃鍵，張文國(guó)，施錦輝，曹海峰，王紅衛(wèi)，葛紅梅，王金娟

(南通海關(guān)綜合技術(shù)中心，江蘇南通 226004)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，在工業(yè)中具有廣泛用途的重金屬通過(guò)各種方式排放至環(huán)境中，當(dāng)重金屬通過(guò)水源或是食物鏈進(jìn)入人體并達(dá)到一定閾值時(shí)會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。通過(guò)元素分析的手段可對(duì)環(huán)境或食品中的重金屬進(jìn)行檢測(cè)。隨著認(rèn)識(shí)的深入，人們發(fā)現(xiàn)，即使是同樣的元素，由于其存在形式的差異，在環(huán)境、食物鏈、動(dòng)植物體內(nèi)的遷移蓄積規(guī)律是不同的，且其元素活性與生物毒性也不同［1］，因此其在人體內(nèi)的代謝方式和危害也不同。如砷在自然界中存在形式多樣，在海產(chǎn)品中以砷甜菜堿和砷膽堿的形式存在，幾乎無(wú)毒性；有機(jī)砷如甲基胂酸和二甲基胂酸，其毒性中等；而無(wú)機(jī)砷如亞砷酸鹽和砷酸鹽則毒性較高［2］。鉻在自然界中廣泛存在，常見(jiàn)的形態(tài)為Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，Cr(Ⅲ)為人體必需元素，只能外源性吸收，因此其常常作為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑加入保健食品中，而Cr(Ⅵ)則具有致癌性，對(duì)人身體有害［3］。因此，傳統(tǒng)的元素分析測(cè)量重金屬的總量往往難以表征該元素的真實(shí)生物活性與危害。分析砷、鉻等元素時(shí)，其形態(tài)分析比總量分析更為重要。

近年來(lái)，元素形態(tài)分析越來(lái)越受到人們的重視。單一的儀器或技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)元素形態(tài)的精確測(cè)定，人們常使用色譜與其它儀器聯(lián)用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)分離和檢測(cè)元素的不同形態(tài)［4–8］。常見(jiàn)的聯(lián)用方式有液相色譜–原子熒光光譜法、液相色譜–電感耦合等離子體質(zhì)譜法等。目前對(duì)元素形態(tài)分析的研究多集中于單一元素的不同形態(tài)［9–13］，對(duì)多種元素形態(tài)同步分析的報(bào)道較少［14–17］。電感耦合等離子體質(zhì)譜法可同時(shí)分析數(shù)種元素，結(jié)合色譜技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種元素不同形態(tài)的同步分析，從而提高分析效率，節(jié)省檢測(cè)成本。

筆者采用高效液相色譜–電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時(shí)分析海水中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和Cr(Ⅵ) 3種元素形態(tài)，利用優(yōu)化的色譜條件消除了干擾物對(duì)測(cè)定的影響，方法的分離度好，操作簡(jiǎn)單，適用于海水中無(wú)機(jī)砷和六價(jià)鉻的形態(tài)分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

高效液相色譜儀：Agilent 1290 Infinity 型，美國(guó)安捷倫科技有限公司；

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀：Agilent 7700x 型，美國(guó)安捷倫科技有限公司；

分析天平：BS 224S 型，感量為0.1 mg，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；

超純水機(jī)：Direct-Q 型，默克密理博公司；

As(Ⅲ)，As(Ⅴ)，Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液：質(zhì)量濃度均為1 000 mg／L，美國(guó)o2si 公司；

硝酸：優(yōu)級(jí)純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～68%，西隴科學(xué)股份有限公司；

氨水：色譜純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～22%，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司；

氯化鈉：分析純，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司；

高純氬氣：純度大于99.999%，南通天源氣體有限公司；

海水樣品：沿海養(yǎng)殖場(chǎng)中的海水；

實(shí)驗(yàn)用水：去離子水，電阻率不小于18 M?·cm，自制。

1.2 溶液配制

標(biāo)準(zhǔn)貯備液：10 mg／L，分別精確稱(chēng)取As(Ⅲ)，As(Ⅴ)，Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液適量，置于容量瓶中，用去離子水稀釋后定容至標(biāo)線。標(biāo)準(zhǔn)貯備液在4℃下可大約保存3 個(gè)月。

系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：稱(chēng)取一定質(zhì)量的氯化鈉，用去離子水配制成3.5%的鹽溶液以模仿海水基質(zhì)，分別精確移取適量的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，用上述鹽溶液配制成As(Ⅲ)，As(Ⅴ)質(zhì)量濃度分別為10.00，20.00，50.00，100.00，250.00 μg／L，Cr(V)質(zhì)量濃度分別為20.00，50.00，100.00，200.00，500.00 μg／L 的系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作液。

流動(dòng)相：量取一定體積的硝酸，用適量去離子水稀釋?zhuān)褂冒彼{(diào)節(jié)pH 至9.0，定容，其中硝酸銨的濃度為40 mmol／L，超聲脫氣后備用。

1.3 儀器工作條件

1.3.1 高效液相色譜儀

陰離子交換色譜柱：Hamilton PRP–X100 型柱(250 mm×4.1 mm，10 μm，瑞士哈美頓博納圖斯股份公司)；柱溫：25℃；進(jìn)樣體積：20 μL；流量：1 mL／min；流動(dòng)相：40 mmol／L 硝酸銨溶液(用氨水調(diào)節(jié)至pH 9)；等度洗脫。

1.3.2 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀

RF 發(fā)射功率：1 550 W；霧化室溫度：2℃；測(cè)定模式：No Gas；等離子體氣：氬氣，流量為15 L／min；載氣：氬氣，流量為1.05 L／min；輔助氣：氬氣，流量為0.9 L／min；稀釋?zhuān)a(bǔ)償氣：氬氣，流量為0.07 L／min；提取透鏡組電壓：–180 V；歐米伽偏轉(zhuǎn)電壓：–90 V；歐米伽透鏡電壓：9.8 V；偏轉(zhuǎn)電壓：–3.0 V；霧化器：玻璃同心霧化器；監(jiān)測(cè)質(zhì)量數(shù)：m／z52，75；鎳采樣錐和截取錐。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

使用聚乙烯瓶收集樣品，于4℃下保存，并于24 h 內(nèi)進(jìn)行分析，以避免元素在不同價(jià)態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，樣品經(jīng)0.22 μm 水相濾膜過(guò)濾后，在1.3 儀器工作條件下進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件的選擇

2.1.1 色譜柱

色譜分離的主要條件包括色譜柱和流動(dòng)相。金屬元素大多以離子形態(tài)存在，故可使用離子交換柱對(duì)其進(jìn)行分離，也可使用絡(luò)合劑將其衍生化配合反相色譜對(duì)其進(jìn)行分離。無(wú)機(jī)砷與六價(jià)鉻均以酸根的形式存在，為陰離子形態(tài)，因此陰離子交換色譜柱是最適合的分析柱。文獻(xiàn)［16–17］與GB 5009.11–2014［18］中使用陰離子交換柱對(duì)無(wú)機(jī)砷或六價(jià)鉻進(jìn)行分離。進(jìn)一步試驗(yàn)表明，ZORBAX SB–C18柱(150 mm×4.6 mm，5 μm，美國(guó)安捷倫科技有限公司)與Eclipse Plus C18柱(150 mm×4.6 mm，5 μm，美 國(guó)安捷倫科技有限公司)等液相色譜柱對(duì)六價(jià)鉻有一定的保留作用，但是它們對(duì)無(wú)機(jī)砷的保留較差，As(Ⅲ)與As(Ⅴ)的色譜峰出現(xiàn)部分重疊，無(wú)法得到有效分離，而Hamilton PRP–X100 陰離子交換色譜柱對(duì)3 種元素形態(tài)的保留較好，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)砷的基線分離，因此選用Hamilton PRP–X100 陰離子交換色譜柱對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行分離。

2.1.2 流動(dòng)相

除色譜柱外，流動(dòng)相也是影響色譜分離的重要因素之一。選擇流動(dòng)相時(shí)，候選物質(zhì)既要提供洗脫待測(cè)物所需的離子強(qiáng)度，又要對(duì)目標(biāo)分離物不產(chǎn)生干擾。由于本方法以液相色譜–電感耦合等離子體質(zhì)譜儀聯(lián)用，為了避免電感耦合等離子體離子化效率降低，盡量不選擇鈉、鉀元素的鹽溶液。查閱文獻(xiàn)［8］［13］得知，磷酸二氫銨溶液一般可用于砷的形態(tài)分析，硝酸銨溶液一般用于六價(jià)鉻的分析，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上述兩種流動(dòng)相均可實(shí)現(xiàn)砷與鉻的形態(tài)分離，考慮到磷酸鹽難以分解，可能存在堵塞截取錐、抑制等離子體電離效率等問(wèn)題，故采用硝酸銨溶液作為流動(dòng)相。對(duì)無(wú)機(jī)砷進(jìn)行形態(tài)分析時(shí)，流動(dòng)相中加入少量甲醇等有機(jī)溶劑能夠提高分析靈敏度，但有機(jī)溶劑會(huì)在等離子體中形成40Ar12C，從而影響鉻的信噪比和檢出限，并且碳積聚在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀錐口可能導(dǎo)致堵塞，增加儀器維護(hù)頻率。故流動(dòng)相中不加入有機(jī)溶劑。

2.1.3 流動(dòng)相濃度與酸度

流動(dòng)相選擇合適的濃度與酸度可實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)砷和六價(jià)鉻的分離與測(cè)定。配制一定濃度的硝酸溶液，使用氨水調(diào)節(jié)pH 值，即可得到一定濃度和pH 值的硝酸銨溶液。海水中平均鹽濃度大約為3.5%，因此配制3.5%的氯化鈉溶液作為基質(zhì)，并以此配制系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，研究流動(dòng)相濃度與pH 值對(duì)無(wú)機(jī)砷和六價(jià)鉻測(cè)定結(jié)果的影響。本試驗(yàn)中，在碎片離子m／z75，52 處檢測(cè)到干擾信號(hào)，分別為氯化物40Ar35Cl+和36Cl16O+，上述氯化物會(huì)對(duì)75As 和52Cr 產(chǎn)生干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明，流動(dòng)相的濃度與pH 值只影響待測(cè)物質(zhì)的保留時(shí)間，對(duì)上述氯化物的色譜參數(shù)無(wú)影響。

離子交換色譜中，增加流動(dòng)相的濃度可提高流動(dòng)相的洗脫能力，從而減少待測(cè)物質(zhì)的保留時(shí)間，改變pH 值也可對(duì)待測(cè)物質(zhì)的分離產(chǎn)生影響。由于海水基質(zhì)中氯化物的干擾，需要選擇合適的流動(dòng)相濃度與酸度，使得待測(cè)物質(zhì)與干擾物質(zhì)完全分開(kāi)。通過(guò)一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硝酸銨溶液濃度為40 mmol／L，pH 值為9 時(shí)，目標(biāo)物質(zhì)與干擾物質(zhì)完全分離，色譜圖如圖1 所示。

圖1 無(wú)機(jī)砷與六價(jià)鉻的加標(biāo)樣品色譜圖

2.2 質(zhì)譜條件的選擇

砷是單同位素，在m／z75 時(shí)，海水基質(zhì)中的氯離子會(huì)在氬氣等離子體中形成40Ar35Cl+，對(duì)砷的測(cè)量產(chǎn)生干擾，因此通過(guò)改變色譜條件將氯離子與砷進(jìn)行分離。選擇豐度最高的m／z52 測(cè)量鉻的信號(hào)，36Cl16O+對(duì)其測(cè)量產(chǎn)生干擾，同樣利用最優(yōu)化的色譜條件將干擾物與其分離。

2.3 線性方程與檢出限

量取一定體積的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，將其用3.5%的鹽水配制成系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，其中As(Ⅲ)，As(Ⅴ)的質(zhì)量濃度為10～250 μg／L，Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度為20～500 μg／L。按1.3 儀器工作條件進(jìn)行測(cè)定，以各元素形態(tài)的質(zhì)量濃度（x，μg／L）為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的色譜峰面積（y）為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并計(jì)算出各元素形態(tài)的線性方程和線性相關(guān)系數(shù)。通過(guò)稀釋進(jìn)樣，按3 倍信噪比計(jì)算方法的檢出限。各元素形態(tài)的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)和檢出限數(shù)據(jù)列于表1。

表1 3 種元素形態(tài)的線性參數(shù)及檢出限

2.4 加標(biāo)回收試驗(yàn)

按1.4 實(shí)驗(yàn)方法對(duì)空白海水樣品進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，低、中、高三個(gè)濃度水平平行測(cè)定6次，3 種元素形態(tài)加標(biāo)回收率和精密度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果（n=6）

由表2 可知，3 種元素形態(tài)的平均回收率為85.1%～95.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.0%～3.8%（n=6），結(jié)果均滿(mǎn)足測(cè)量的準(zhǔn)確度要求。

2.5 實(shí)際樣品測(cè)定

應(yīng)用本方法對(duì)沿海養(yǎng)殖場(chǎng)中收集的10 個(gè)批次的海水樣品進(jìn)行測(cè)試，所有樣品中3 種元素形態(tài)的含量均低于檢出限。

3 結(jié)語(yǔ)

建立了同步分離和測(cè)定海水中As( Ⅲ)、As(Ⅴ)和Cr(Ⅵ)的高效液相色譜–電感耦合等離子體質(zhì)譜分析方法。海水樣品過(guò)膜后直接進(jìn)樣，以40 mmol／L 硝酸銨溶液為流動(dòng)相，并調(diào)節(jié)pH 至9.0，使用Hamilton PRP–X100 陰離子交換色譜柱，在20 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了上述3 種元素形態(tài)的分離檢測(cè)。本方法操作簡(jiǎn)便，回收率高，可為同步測(cè)定海水中砷和鉻的元素形態(tài)提供借鑒。