海水中汞樣品保存方法研究

陳衛(wèi)衛(wèi) ，趙 恒 ，楊 穎 ，2*，楊幸幸

（1. 國(guó)家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 上海 201206；2. 自然資源部海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海201206）

汞是毒性最強(qiáng)的重金屬污染物之一，已被我國(guó)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署、世界衛(wèi)生組織、歐盟及美國(guó)環(huán)境保護(hù)署等機(jī)構(gòu)列為優(yōu)先控制污染物[1]。我國(guó)汞污染環(huán)境問題較為突出，大規(guī)模的工、礦業(yè)活動(dòng)，如汞冶煉、鉛鋅冶煉、混汞采金和氯堿生產(chǎn)等導(dǎo)致的局地汞污染問題非常嚴(yán)峻。排放到環(huán)境中的汞隨著河流、直排口、大氣沉降等方式進(jìn)入海洋，最終影響海洋生態(tài)環(huán)境和食物鏈，因此海水中汞是監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境污染狀況的重要指標(biāo)之一。一般情況下，汞在海水中的含量極低，屬于痕量元素，且穩(wěn)定性差，從20 世紀(jì)70 年代以來，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水體中汞的樣品采集、保存和檢測(cè)方法的研究較多[2-8]。陸賢崑等[2]試驗(yàn)了Pyrex 玻璃瓶、聚乙烯瓶、聚四氟乙烯瓶等容器，并加入不同固定劑保存ng/L 級(jí)汞的天然海水樣品，發(fā)現(xiàn)玻璃瓶和聚四氟乙烯瓶適合較長(zhǎng)期保存汞樣品，聚乙烯瓶則對(duì)汞樣品有較明顯的沾污。羅偉權(quán)等[3]選擇了硝酸鉀、重鉻酸鉀和過硫酸鉀作固體保存劑，進(jìn)行了海水中汞樣保存的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)0.1%（w/v）過硫酸鉀作保存劑效果較好，可保存3 個(gè)月；硝酸鉀不宜用作海水中汞的保存劑。潛琬英等[4]試驗(yàn)了六種不同固定劑對(duì)近岸海水樣品和放置澄清的測(cè)汞海水樣品對(duì)汞的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)所試驗(yàn)的幾種試劑對(duì)未過濾的近岸海水樣品均沒有明顯的穩(wěn)定作用?！逗Ｑ蟊O(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB 17378.4-2007）[9]中要求用玻璃瓶盛裝海水中汞樣品，樣品不過濾，現(xiàn)場(chǎng)加濃硫酸至pH＜2，再加入一定量的5%（w/v）過硫酸鉀溶液，可以保存13 天。

根據(jù)前人的研究結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)方法，針對(duì)海水中汞監(jiān)測(cè)中存在的問題，本文開展了三方面技術(shù)驗(yàn)證。一是不同玻璃器皿對(duì)汞的吸附特性是否一致，選擇了常用的100 mL 普通磨口廣口玻璃瓶（簡(jiǎn)稱“玻璃瓶”或“瓶”），與100 mL 細(xì)長(zhǎng)棕色螺口硬質(zhì)玻璃樣品管（簡(jiǎn)稱“玻璃管”或“管”）進(jìn)行試驗(yàn)；二是驗(yàn)證汞樣品檢測(cè)中用到的過硫酸鉀氧化劑在采樣現(xiàn)場(chǎng)添加及在試驗(yàn)室檢測(cè)前添加的不同影響；三是驗(yàn)證樣品保存時(shí)效。

1 材料與方法

1.1 方法與儀器

本試驗(yàn)采用的分析方法為《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB 17378.4-2007）中原子熒光法[9]，采用 PF6-2 型非色散原子熒光光度計(jì)（檢出限＜1 ng/L）。試驗(yàn)用的玻璃瓶和玻璃管在使用前用相同的鹽酸溶液浸泡24 h 以上。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，共設(shè)置5 項(xiàng)變量，分別為試驗(yàn)容器（玻璃瓶和玻璃管）、空白檢驗(yàn)、水樣基質(zhì)影響（蒸餾水和海水，其中海水基體采用陳化后的遠(yuǎn)洋海水，并經(jīng)空白檢驗(yàn)合格）、加入過硫酸鉀氧化劑時(shí)間以及樣品保存時(shí)間，評(píng)價(jià)各變量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響程度。從樣品配制完成開始，分別測(cè)定了 1 d、2 d、7 d、14 d、20 d、27 d 共 6 批次樣品。試驗(yàn)樣品按如下方法制備：

（1） 分別移取 5.00 μg/L 樣品制備標(biāo)準(zhǔn)溶液4.00 mL 和 8.00 mL 于 500 mL 容量瓶，分別用蒸餾水、遠(yuǎn)洋海水定容，配制成濃度為40.0 ng/L 和80.0 ng/L 加標(biāo)樣。

（2）分別將兩種濃度的加標(biāo)樣保存于玻璃瓶、玻璃管中，每個(gè)濃度包含3 個(gè)平行樣，每批次共有36個(gè)標(biāo)樣，按時(shí)間順序共6 批次，樣品設(shè)置情況見表1。

（3）空白樣，使用蒸餾水和遠(yuǎn)洋海水作空白。蒸餾水空白樣品設(shè)置3 份，2 份保存于玻璃瓶，1 份于玻璃管中，其中保存于玻璃瓶的1 份空白用于提前加入氧化劑試驗(yàn)，每次測(cè)定3 個(gè)空白平行樣；空白樣品設(shè)置情況見表2。

表1 加標(biāo)樣品設(shè)置類型說明

表2 空白樣品設(shè)置類型說明

1.3 樣品預(yù)處理

（1）所有樣品均加入1 mL 濃硫酸固定；

（2）其中一份遠(yuǎn)海海水加標(biāo)樣，在加入硫酸固定劑后，立即加入2.5 mL 氧化劑，制成“海水+氧化劑”樣品。同時(shí)取用玻璃瓶配制12 個(gè)空白樣，在加入硫酸固定劑后，立即加入2.5 mL 氧化劑，制成“空白+氧化劑”樣品；

（3）除空白+氧化劑、海水+氧化劑（瓶）、海水+氧化劑（管）樣品外，其余樣品均在測(cè)量前一天加入過硫酸鉀氧化劑。

1.4 評(píng)估方法

1.4.1 準(zhǔn)確度和精密度 準(zhǔn)確度根據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB 17378.2-2007）[10]中兩組數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)中的成對(duì)數(shù)據(jù)t 檢驗(yàn)法對(duì)測(cè)定結(jié)果的回收率差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以評(píng)價(jià)不同試驗(yàn)條件測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。控制單一變量，將測(cè)定數(shù)據(jù)分為兩組進(jìn)行成對(duì)數(shù)據(jù)t檢驗(yàn)，當(dāng) t＜tɑ（0.05），差異不顯著，當(dāng) tɑ（0.05）＜t＜tɑ（0.01），差異較顯著，當(dāng) t＞tɑ（0.01），差異很顯著。成對(duì)數(shù)據(jù) t 檢驗(yàn)計(jì)算公式如式（1）。精密度根據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB 17378.2-2007）[10]中兩組數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)中的F 檢驗(yàn)法對(duì)測(cè)定結(jié)果的回收率方差的齊性進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算公式如式（2），以評(píng)價(jià)不同試驗(yàn)條件測(cè)得數(shù)據(jù)的精密度。

1.4.2 趨勢(shì)分析 統(tǒng)計(jì)樣品測(cè)定時(shí)間與試驗(yàn)回收率的Pearson 相關(guān)系數(shù)，分析測(cè)定時(shí)間與回收率的線性相關(guān)性，判斷樣品在冷藏條件下長(zhǎng)時(shí)間保存對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。將不同試驗(yàn)條件的6 批次數(shù)據(jù)與樣品測(cè)定時(shí)間做相關(guān)性分析，第一批次試驗(yàn)時(shí)間計(jì)1 天，后續(xù)5 批次試驗(yàn)時(shí)間分別為2、7、14、20 和 27 天。依據(jù) Pearson 相關(guān)系數(shù)（r）及顯著性水平（P）判斷相關(guān)性。Pearson 相關(guān)系數(shù)（r）的計(jì)算公式如式（3），P 值是配對(duì)t 檢驗(yàn)計(jì)算過程中得到的結(jié)果，用來評(píng)估相關(guān)程度計(jì)算結(jié)果的“顯著程度”。

P 值的計(jì)算是建立在如下兩個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)上的：（1）無效假設(shè) H0：兩參量間不存在“線性”關(guān)聯(lián)；（2）備擇假設(shè)H1：兩參量間存在“線性”關(guān)聯(lián)。若P＞0.05，則不能拒絕無效假設(shè)H0，說明測(cè)定時(shí)間與回收率線性相關(guān)性不顯著；若0.01＜P＜0.05，則測(cè)定時(shí)間與回收率線性相關(guān)性較顯著；若P＜0.01，則相信備擇假設(shè)H1，測(cè)定時(shí)間與回收率線性相關(guān)性很顯著；當(dāng)r＞0，測(cè)定時(shí)間與回收率呈正相關(guān)，當(dāng)r＜0，測(cè)定時(shí)間與回收率呈負(fù)相關(guān)，|r|越接近1，相關(guān)性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)設(shè)計(jì)的12 類樣品及內(nèi)控樣、空白樣等進(jìn)行測(cè)試，表3 匯總了本試驗(yàn)中不同控制變量樣品及空白樣品的測(cè)定數(shù)據(jù)的平均值。表中容器列為“瓶”的意為以玻璃樣品瓶為容器，為“管”的意為以玻璃樣品管為容器。

表3 各類樣品平行測(cè)試結(jié)果平均值統(tǒng)計(jì)表

2.2 異常值判斷與剔除

采用《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[10]中Grubbs 檢驗(yàn)法和加標(biāo)樣品回收率容許限值對(duì)測(cè)定結(jié)果中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判定。異常值剔除分為兩個(gè)步驟：

（1）采用Grubbs 檢驗(yàn)法對(duì)同一方法的不同時(shí)間批次得到的18 個(gè)測(cè)量值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，判斷3 個(gè)數(shù)據(jù)為異常值，不計(jì)入平均值的計(jì)算，分別為第4 批次玻璃瓶空白1 個(gè)，第3 批次玻璃管裝蒸餾水樣品（80 ng/L）1 個(gè)，第2 批次玻璃瓶裝海水樣品（80 ng/L）1 個(gè)。

（2）根據(jù)平行樣品測(cè)定值計(jì)算加標(biāo)樣品的平均回收率，根據(jù)《近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》（HJ442-2008），回收率容許值定為60%～120%，剔除不滿足回收率要求的12 個(gè)測(cè)量值，分別是玻璃瓶裝海水基質(zhì)立即加氧化劑樣品（40 ng/L）第 3、4、5、6 批次共8 個(gè)數(shù)據(jù)，玻璃瓶裝海水基質(zhì)立即加氧化劑樣品（80 ng/L）第4 和第6 批次共4 個(gè)數(shù)據(jù)，使平均回收率處于允許值范圍內(nèi)。

2.3 數(shù)據(jù)歸一化

與通?；厥章视?jì)算方法不同，為了對(duì)比六次測(cè)定批次間的變化情況，需使用內(nèi)控結(jié)果對(duì)樣品測(cè)量值進(jìn)行歸一化修正，即消除儀器響應(yīng)的波動(dòng)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。平均回收率的計(jì)算公式如式（4）。

式中：ci為樣品汞的測(cè)量值，單位為 ng/L；csb為樣品對(duì)應(yīng)容器的樣本空白測(cè)量值，單位為ng/L；crb為試劑空白測(cè)量值，單位為ng/L；cs為加入標(biāo)準(zhǔn)濃度，單位為ng/L。樣品取樣量為50 mL，在加1 mL硫酸和2.5 mL 氧化劑后，濃度會(huì)略有降低，加標(biāo)濃度為40 ng/L 的樣品實(shí)際濃度約為37.4 ng/L，80 ng/L的樣品實(shí)際濃度約為74.8 ng/L。

剔除異常數(shù)據(jù)后，計(jì)算得到各組平行樣的平均回收率，如表4 所示。

表4 平行樣品平均回收率匯總

2.4 試驗(yàn)變量影響分析

利用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件的成對(duì)t 檢驗(yàn)及F 檢驗(yàn)的方法對(duì)不同試驗(yàn)變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，結(jié)果見表5。檢驗(yàn)結(jié)果顯示：

（1）當(dāng)試驗(yàn)變量為試驗(yàn)容器時(shí)，以海水樣品統(tǒng)計(jì)，t＞tɑ(0.01)且 P＜0.01，表明使用不同容器得到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度差異顯著，使用玻璃瓶進(jìn)行的試驗(yàn)回收率平均值為95.8%，高于使用玻璃管的回收率平均值約4 個(gè)百分點(diǎn)，可能是因?yàn)楸缺砻娣e更大的玻璃管對(duì)汞吸附能力更強(qiáng)；Fɑ(0.05)＜F＜Fɑ(0.01)且 0.01＜P＜0.05，表明兩種條件的數(shù)據(jù)精密度差異較顯著，回收率標(biāo)準(zhǔn)偏差分析結(jié)果表明，玻璃管的回收率標(biāo)準(zhǔn)偏差略低于玻璃瓶，使用玻璃管的回收率波動(dòng)更小。此外，數(shù)據(jù)處理過程中剔除的15 個(gè)異常值中，使用玻璃瓶的為13 個(gè)，使用玻璃管的僅為2 個(gè)，表明使用玻璃瓶進(jìn)行試驗(yàn)更易受到干擾，而玻璃管的密封性更好，使用玻璃管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)精密度較高、穩(wěn)定性更強(qiáng)。

（2）當(dāng)試驗(yàn)變量為初始加標(biāo)濃度時(shí)，t＜tɑ(0.05)且P＞0.05，表明不同初始加標(biāo)濃度得到的回收率數(shù)據(jù)差異性不顯著，40 ng/L 和80 ng/L 的初始制備液進(jìn)行試驗(yàn)得到平均回收率分別為91.0%和91.3%，兩者較接近，認(rèn)為準(zhǔn)確度相同；Fɑ(0.05)＜F＜Fɑ(0.01)且 0.01＜P＜0.05，表明兩種初始加標(biāo)濃度測(cè)得的數(shù)據(jù)精密度差異較顯著，初始加標(biāo)濃度為40 ng/L 的回收率標(biāo)準(zhǔn)偏差要稍高于初始加標(biāo)濃度為80 ng/L 的回收率。

（3）當(dāng)試驗(yàn)變量為不同基質(zhì)時(shí)，t＞tɑ(0.01)且 P＜＜0.01，表明蒸餾水和海水作為不同基質(zhì)得到的回收率數(shù)據(jù)差異性很顯著，海水基質(zhì)的回收率平均值為91.9%，而蒸餾水基質(zhì)的回收率平均值為84.5%，海水作為基質(zhì)時(shí)的回收率明顯高于淡水基質(zhì)，準(zhǔn)確度較高。吳宏海等[11]研究表明，隨著離子強(qiáng)度增加，石英對(duì)Cu2+離子的吸附量逐漸減少，這是因?yàn)槿芤褐蠳a+離子與Cu2+離子競(jìng)爭(zhēng)石英表面的帶負(fù)電的吸附位點(diǎn)，海水基質(zhì)中的Na+離子強(qiáng)度明顯高于蒸餾水，因而溶液中Na+離子與玻璃容器表面吸附位點(diǎn)的結(jié)合能力更強(qiáng)，導(dǎo)致容器對(duì)Hg2+離子吸附減弱，進(jìn)而使海水基質(zhì)樣品的回收率升高；F＜Fɑ(0.05)且 P＞0.05，表明兩種基質(zhì)測(cè)得的數(shù)據(jù)精密度差異不顯著。

（4）當(dāng)試驗(yàn)變量為是在加入硫酸固定劑后，馬上加入2.5 mL 氧化劑時(shí)，由于瓶裝樣品中共有11個(gè)樣品結(jié)果為異常值，此處采用管裝海水樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，t＜tɑ(0.05)且 P＞0.05，表明是否立即加入氧化劑得到的回收率數(shù)據(jù)差異性不顯著，沒有立即加入氧化劑的回收率平均值為89.9%，而立即加入氧化劑的回收率平均值為91.9%，兩者較為接近，認(rèn)為準(zhǔn)確度相同；F＜Fɑ(0.05)且 P＞0.05，表明是否立即加入氧化劑測(cè)得的數(shù)據(jù)精密度差異不顯著。但是，值得注意的是，剔除的15 個(gè)異常值中，有12 個(gè)數(shù)據(jù)來自立即加入氧化劑的樣品，原因可能是立即加入氧化劑的試驗(yàn)操作更容易對(duì)樣品造成玷污。

表5 回收率準(zhǔn)確度及精密度檢驗(yàn)結(jié)果

表6 檢測(cè)結(jié)果與時(shí)間序列的相關(guān)性分析

2.5 回收率變化趨勢(shì)分析

6 批次樣品測(cè)定共持續(xù)27d，將試驗(yàn)時(shí)間與試驗(yàn)回收率結(jié)果做線性相關(guān)性分析，以判斷樣品在長(zhǎng)時(shí)間保存情況下，測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是否會(huì)受到影響。相關(guān)性分析結(jié)果如表6 所示。結(jié)果顯示，本試驗(yàn)涉及的12 種變量組合條件下，分析時(shí)間與回收率之間均無顯著相關(guān)性；圖1 為不同測(cè)定時(shí)間的回收率變化情況，第2 天回收率結(jié)果整體偏低應(yīng)為測(cè)定方法的系統(tǒng)誤差，可以通過儀器和試劑的校準(zhǔn)予以修正。因此，可以認(rèn)為不同初始條件的汞樣品在本試驗(yàn)的保存條件下可長(zhǎng)時(shí)間維持測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文試驗(yàn)結(jié)果表明，不同保存容器和預(yù)處理方法會(huì)對(duì)不同基質(zhì)的水質(zhì)汞樣品的回收率產(chǎn)生影響，具體結(jié)論如下：

（1）對(duì)樣品測(cè)定準(zhǔn)確度影響較大的因素為保存容器，磨口廣口玻璃瓶盛裝水樣的回收率更高，平均回收率為93.8%，高于使用細(xì)長(zhǎng)棕色硬質(zhì)玻璃管89.9%的平均回收率；但是精密度檢驗(yàn)結(jié)果及異常數(shù)據(jù)分析表明使用玻璃瓶測(cè)定的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，更易受到玷污。

（2）不同樣品基質(zhì)也是影響回收率的重要因素。海水樣品的平均回收率為93.4%，高于蒸餾水基質(zhì)的84.2%。本文試驗(yàn)采用了純海水基質(zhì)，但在河口區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)，鹽度變化大，情況更復(fù)雜，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖1 不同保存時(shí)間的回收率變化情況

（3）不同初始加標(biāo)濃度及是否在加入固定劑后立即加入氧化劑這兩個(gè)因素對(duì)回收率沒有影響，但較低濃度樣品檢測(cè)穩(wěn)定性降低，更易受其他因素影響。對(duì)于玻璃瓶采樣，立即加入氧化劑的操作可能是異常情況增加的原因之一。

（4）樣品長(zhǎng)時(shí)間保存后的測(cè)定結(jié)果顯示，汞的回收率不會(huì)受保存時(shí)間的影響，至少在27 天內(nèi)可維持測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

綜上，在實(shí)際水樣監(jiān)測(cè)過程中，可優(yōu)先選用廣口磨口玻璃瓶作為樣品保存容器，但要注意容器的密封性，做好樣品的防玷污措施；選擇硬質(zhì)螺口玻璃管時(shí)，需確認(rèn)容器吸附性是否達(dá)到平衡。如果樣品需保存一段時(shí)間后測(cè)定，不必在加入固定劑后立即加入氧化劑。經(jīng)預(yù)處理后的樣品可保存約1 個(gè)月。