高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時(shí)測定大氣PM2.5中6種砷形態(tài)和2種鉻形態(tài)的含量

花中霞,馬 輝,王小青

(石家莊市疾病預(yù)防控制中心,石家莊市化學(xué)毒物檢測及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊 050011)

地球大氣中的PM2.5對空氣質(zhì)量影響很大,已成為我國很多城市的首要空氣污染物[1-2]。PM2.5不僅粒徑微小,還易吸附空氣中的多種有害物質(zhì),通過呼吸作用進(jìn)入人體后,將持續(xù)沉積在肺部,對人體機(jī)能造成不可逆的損傷[3-7]。文獻(xiàn)[8-11]結(jié)果顯示,PM2.5中砷和鉻的毒性不僅與其含量有關(guān),還與其存在形態(tài)有關(guān)。GB 3095－2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]規(guī)定,環(huán)境空氣中砷和六價(jià)鉻[Cr(Ⅵ)]的年均限值分別為6,0.025 ng·m－3。常見砷形態(tài)毒性大小順序依次為三價(jià)砷[As(Ⅲ)]、五價(jià)砷[As(Ⅴ)]、二甲基砷(DMA)、一甲基砷(MMA),砷甜菜堿(AsB)、砷膽堿(AsC)和砷糖等形態(tài)被認(rèn)為基本無毒[13-15]。大氣中的鉻主要以三價(jià)鉻[Cr(Ⅲ)]和Cr(Ⅵ)等形態(tài)存在[16],其中Cr(Ⅲ)是維持人體健康的必需元素,而Cr(Ⅵ)則是重要的環(huán)境污染物,有致癌性[17]。因此,準(zhǔn)確測定大氣PM2.5中砷和鉻的形態(tài)及含量,有助于更科學(xué)、全面評價(jià)大氣PM2.5對人體健康的風(fēng)險(xiǎn)。

目前,單一元素形態(tài)分析的文獻(xiàn)報(bào)道較多[18-19],而多元素多形態(tài)同時(shí)分析的文獻(xiàn)較少[20],且研究對象不包括大氣PM2.5。鑒于此,本工作提出以高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時(shí)檢測PM2.5中6種砷形態(tài)[As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、DMA、MMA、AsB 和AsC]和2種鉻形態(tài)[Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)],該方法分離效果好、分析快速、靈敏度高,可滿足GB 3095－2012中相關(guān)限量要求。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1290型高效液相色譜儀;Agilent 7900型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀;HY-100BL型采樣器;PM2.5石英濾膜在采樣前后均在干燥器中放置24 h至恒重,置于－20 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?Heidolph Multi Reax型多管旋渦振蕩器;PHS-3E 型PH 計(jì);AE240型電子天平;Mili-Q Elix5型超純水設(shè)備。

Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液:編號為GSB04-1723－2004(e)和GSB04-1723－2004(b),質(zhì)量濃度均為1 000 mg·L－1。

As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、DMA、MMA、AsB 和AsC 標(biāo)準(zhǔn)溶液:編號分別為GBW 0866、GBW 08667、GBW 08669、GBW 08668、GBW 08670和GBW 08671,認(rèn)定值分別為1.011,0.233,0.706,0.335,0.518,0.374μmol·g－1。

Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)使用液:10.0 mg·L－1,取適量Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液,用20 mmol·L－1乙二胺四乙酸二鈉溶液稀釋而成。

混合標(biāo)準(zhǔn)使用液:1.0 mg·L－1,取適量Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)使用液和其他7種元素形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)溶液,用水稀釋而成。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:取適量混合標(biāo)準(zhǔn)使用液,用水逐級稀釋,配制成質(zhì)量濃度為1.0,5.0,10.0,20.0,50.0μg·L－1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

硝酸、氨水、乙二胺四乙酸二鈉、碳酸氫鈉均為優(yōu)級純;碳酸銨為色譜純;乙酸為分析純;試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 色譜條件

HAMILTON PRP-X100 離子色譜柱(250 mm×4.1 mm,10 μm);柱 溫25 ℃;流 量0.9 mL·min－1;進(jìn)樣量18μL;流動相A 為水,B為碳酸銨和硝酸銨的混合溶液(在50 mmol·L－1碳酸銨溶液中加入適量硝酸,使NO3－的物質(zhì)的量達(dá)到碳酸銨溶液中NH4＋物質(zhì)的量的80%,用氨水將上述溶液酸度調(diào)節(jié)至pH 8.35)。梯度洗脫程序:0～2.0 min,B由0升至100%,保持5.5 min;7.5～8.0 min,B由100%降至0,保持1.0 min。

1.2.2 電感耦合等離子體質(zhì)譜條件

入射功率1 550 W;等離子氣流量15 L·min－1,霧化氣流 量1.0 L·min－1,輔助氣 流量1.0 L·min－1;氦氣碰撞模式,碰撞氣流量0.43 L·min－1;蠕動泵轉(zhuǎn)速0.3 r·s－1;采樣深度8 mm;監(jiān)測元素砷和鉻質(zhì)量數(shù)分別為75和52。

1.3 試驗(yàn)方法

用采樣器在固定監(jiān)測點(diǎn)以100 L·min－1采樣流量采集大氣樣品,用一張PM2.5石英濾膜收集顆粒物,采集24 h,24 h內(nèi)上機(jī)測定。用陶瓷刀與等分切割器將濾膜等分為2份,取其中一份用陶瓷剪刀剪成碎片,并將其置于15 mL 離心管中,加入6 mL含20 mmol·L－1乙二胺四乙酸二鈉的流動相B(pH 8.35),于8 000 r·min－1轉(zhuǎn)速常溫渦旋振蕩30 min,過0.45μm 濾膜,濾液上機(jī)測定。隨同進(jìn)行空白試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動相B的選擇

考察了分別以50 mmol·L－1碳酸銨溶液,50,100 mmol·L－1硝酸銨溶液作流動相B時(shí)對砷和鉻的8種元素形態(tài)分離效果的影響。結(jié)果顯示,50,100 mmol·L－1硝酸銨溶液可使2種鉻形態(tài)達(dá)到較好分離,但不能使6種砷形態(tài)完全分離;50 mmol·L－1碳酸銨溶液可使8 種元素形態(tài)得到較好分離,但所得鉻基線響應(yīng)值比硝酸銨溶液作流動相B 時(shí)的要高1～2倍,且總洗脫時(shí)間較長。而在碳酸銨溶液中加入硝酸,二者反應(yīng)生成硝酸銨,形成碳酸銨與硝酸銨的混合溶液,用氨水調(diào)節(jié)溶液酸度,以其作流動相B時(shí),8種元素形態(tài)的基線響應(yīng)值均較低、保留時(shí)間適中、分離度較好。硝酸的添加量對鉻基線響應(yīng)值影響較大,比較了NO3－的物質(zhì)的量分別為NH4＋物質(zhì)的量的30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%時(shí)各元素形態(tài)的分離效果。結(jié)果顯示,NO3－物質(zhì)的量占比為30%時(shí),2種鉻形態(tài)分離效果較好,但6種砷形態(tài)不能完全分離;NO3－物質(zhì)的量占比為40%～60%時(shí),8種元素形態(tài)均可達(dá)到基線分離,但是鉻基線響應(yīng)值較高;NO3－物質(zhì)的量占比為70%～90%時(shí),鉻基線響應(yīng)值較低,但8種元素形態(tài)無法完全分離。進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在NO3－物質(zhì)的量占比為70%,80%的混合溶液中添加氨水,將其酸度調(diào)節(jié)至pH 8.48,8.35時(shí),8種元素形態(tài)均可達(dá)到基線分離,考慮到后者所得鉻基線響應(yīng)值更低,因此試驗(yàn)選擇添加的NO3－物質(zhì)的量為NH4＋物質(zhì)的量的80%,并用氨水將混合溶液的酸度調(diào)節(jié)至pH 8.35。以此條件測定20.0μg·L－1混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,8 種元素形態(tài)的出峰時(shí)間可縮短在10 min以內(nèi),色譜圖如圖1所示。

圖1 8種砷、鉻形態(tài)的色譜圖Fig.1 Chromatogram of the 8 species of arsenic and chromium

2.2 提取條件的選擇

試驗(yàn)比較了常溫超聲、水浴加熱超聲、常溫振蕩等3種提取方法的提取效果。結(jié)果顯示:水浴加熱超聲與常溫超聲均易導(dǎo)致砷形態(tài)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,其中As(Ⅲ)轉(zhuǎn)變?yōu)锳s(Ⅴ)的趨勢尤為明顯;常溫振蕩不易使各元素形態(tài)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,因此試驗(yàn)選擇的提取方法為常溫振蕩,并比較了提取時(shí)間分別為15,30,45,60 min時(shí)加標(biāo)樣品中(加標(biāo)量10.0μg·L－1)中8種元素形態(tài)的提取效果。結(jié)果顯示:在上述4個(gè)提取時(shí)間下,8種元素形態(tài)的回收率分別為72.2%～118%,71.1%～118%,58.9%～129%,51.5%～134%;回收率在提取時(shí)間30 min內(nèi)變化不大,在提取時(shí)間45,60 min 時(shí)變化較大,其中As(Ⅲ)的回收率分別降至58.9%,51.5%,As(Ⅴ)的回收率分別升至129%,134%,其他6種元素形態(tài)的回收率無明顯變化,說明As(Ⅲ)轉(zhuǎn)化為As(Ⅴ)。為保證各元素形態(tài)均被充分提取,試驗(yàn)選擇的提取時(shí)間為30 min。

試驗(yàn)進(jìn)一步比較了20 mmol·L－1碳酸氫鈉與20 mmol·L－1乙二胺四乙酸二鈉的混合溶液、0.3 mmol·L－1乙酸與20 mmol·L－1乙二胺四乙酸二鈉的混合溶液、含20 mmol·L－1乙二胺四乙酸二鈉的流動相B這3種提取溶劑(分別標(biāo)記為提取 溶 劑1＃、2＃、3＃)對加標(biāo)樣品中(加標(biāo)量10.0μg·L－1)中8種元素形態(tài)的提取效果。結(jié)果顯示,以提取溶劑1＃提取時(shí),Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在常溫振蕩方式下基本不能被提取出;以提取溶劑2＃提取時(shí),As(Ⅲ)、DMA 和MMA 的保留時(shí)間漂移較大,且Cr(Ⅲ)的回收率低于50.0%,提取效果不佳;以提取溶劑3＃提取時(shí),8種元素形態(tài)的回收率均在68.7%以上,提取效果較好。因此,試驗(yàn)選擇的提取溶劑為含20 mmol·L－1乙二胺四乙酸二鈉的流動相B,并比較了此溶液酸度分別為pH 8.00,8.35,8.50,9.00 時(shí)加標(biāo)樣品(加標(biāo)量10.0μg·L－1)中8種元素形態(tài)的提取效果,結(jié)果如圖2所示。

圖2 提取溶劑酸度對8種砷和鉻形態(tài)回收率的影響Fig.2 Effect of acidity of extraction solvent on the recovery of the 8 species of arsenic and chromium

由圖2 可知,提取溶劑酸度分別為pH 8.00,8.35,8.50,9.00 時(shí),8 種元素形態(tài)的回收率分別為59.7%～113%,71.1%～118%,51.8%～133%,50.9%～144%,其中pH 8.35時(shí)各元素形態(tài)的回收率均較好,因此試驗(yàn)選擇提取溶劑的酸度為pH 8.35。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和測定下限

按照儀器工作條件測定混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,以各元素形態(tài)的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),其對應(yīng)的響應(yīng)值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示,各元素形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)曲線均在1.0～50.0μg·L－1內(nèi)線性關(guān)系良好,其他線性參數(shù)見表1。

以3倍、10倍信噪比(S/N)計(jì)算檢出限(3S/N)和測定下限(10S/N),結(jié)果見表1。

由表1可知,8種元素形態(tài)的檢出限為0.003～0.025 ng·m－3,測定下限為0.011～0.082 ng·m－3。

表1 線性參數(shù)、檢出限和測定下限Tab.1 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

2.4 精密度和回收試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方法對空白樣品進(jìn)行3個(gè)濃度水平的加標(biāo)回收試驗(yàn),每個(gè)濃度水平平行測定6次,計(jì)算回收率和測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果見表2。

由表2 可知,8 種元素形態(tài)的回收率為68.7%～112%,RSD 為1.4%～9.2%。

表2 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

2.5 樣品分析

在石家莊市中心區(qū)域與東部邊緣區(qū)域各設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn),連續(xù)采樣5 d,分別標(biāo)記為中-1、中-2、中-3、中-4、中-5和東-1、東-2、東-3、東-4、東-5,按照試驗(yàn)方法分析。結(jié)果顯示:在10 個(gè)樣品中均檢出了As(Ⅴ),檢出量為0.74～2.35 ng·m－3;除此之外,還在東-2樣品中檢出了AsB 和As(Ⅲ),檢出量分別為0.04,0.12 ng·m－3,在東-3 樣品中檢出了AsB和Cr(Ⅲ),檢出量分別為0.18,0.44 ng·m－3,在東-5樣品中檢出了Cr(Ⅲ),檢出量為0.28 ng·m－3,砷檢出量均未超過GB 3095－2012規(guī)定的年均限值(6 ng·m－3)。

本工作以常溫振蕩法提取大氣中PM2.5中8種砷、鉻形態(tài),以高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時(shí)測定元素形態(tài)的含量,該方法高效、快速,適用于大批量大氣PM2.5樣品的分析。