離子色譜法在降水轉(zhuǎn)化和再循環(huán)背景下水體常見陰離子測定中的應(yīng)用

劉婉清

內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市氣象局，內(nèi)蒙古烏海 016000

現(xiàn)如今，化肥和農(nóng)藥被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，其中含有砷元素的化肥較為常見。砷與磷的化學(xué)性質(zhì)相似，可以形成氫化物，具有極強(qiáng)烈的毒性，在化肥的使用過程中通過水、土壤、植物、大氣等方式在環(huán)境中存在，給人類健康帶來隱患。砷是I類致癌物，為無閾化合物，即所有大于0的劑量都可誘發(fā)致癌反應(yīng)[1]。美國疾病控制中心（CDC）和癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）將砷定義為第一類致癌物，氯酸鹽定義為中等毒性化合物[2]，世界衛(wèi)生組織（WHO）及《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定砷、氯酸鹽在飲用水中的限量分別是0.01、0.7 mg/L[3]。

砷的生物毒性與存在形態(tài)直接相關(guān)，其中無機(jī)砷是砷化物致畸、致癌的主因；毒性最強(qiáng)的屬三價(jià)砷，化學(xué)式為As2O3，俗名砒霜；而有機(jī)砷通常被認(rèn)為是低毒性的。環(huán)境中的砷主要來源于天然礦藏和人類活動(dòng)，煤礦燃燒、煤炭冶煉都能釋放出無機(jī)砷。2014年，生態(tài)環(huán)境部和自然資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》指出砷是土壤中主要超標(biāo)污染物之一[4]。砷污染防治的首要環(huán)節(jié)是砷污染的識別，因此，砷測定方法的研究對于砷污染的識別及治理意義重大。基于目前市面上較為常見的測定方法，綜合選擇成本低廉、樣品前處理程序簡單，儀器設(shè)備操作相對容易，穩(wěn)定度高、測定結(jié)果準(zhǔn)確的方法，為今后的農(nóng)田土壤、湖泊沉積物中砷元素的測定提供理論依據(jù)[5]。

1 材料與方法

1.1 儀器和色譜分離條件

型號為Dionex ICS90離子色譜儀；Neofuge 15R Heal Force 離心機(jī)；AS9-HC型陰離子分析柱(250 mm×4 mm)；AS9-HC 型保護(hù)柱(50 mm×4 mm)；50 mmol硫酸抑制器再生液；手動(dòng)進(jìn)樣閥，進(jìn)樣體積：50 μL；固定流速：1.0 mL/min；電導(dǎo)檢測靈敏度3.2 μg/cm。

1.2 試劑及標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

NaOH、Na2CO3、NaHCO3、NaF、NaCl、Na2HPO4、NaNO3、Na2SO4、KBr、NaNO2均為優(yōu)級純試劑；1 000 mg/L的As(Ⅴ)和As(Ⅲ)購于國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；混纖維0.45 μm的濾膜；標(biāo)準(zhǔn)儲備液為100 μg/mL，用去離子水稀釋后使用(所有化學(xué)試劑，分析前均先過濾除去顆粒后再用)。

為避免堵塞保護(hù)柱，所有水樣需用0.45 μm的濾膜過濾，濾膜應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換(不超過3個(gè)水樣)淋洗液在配制時(shí)需在超聲振動(dòng)器中震動(dòng)20 min，也需經(jīng)過0.45 μm的濾膜過濾。透明聚乙烯一次性針管、各種規(guī)格的玻璃移液管、容量瓶、燒杯等均去漬洗凈，置放于硝酸質(zhì)量比為10%的酸缸中24 h后用去離子水潤洗干凈待用。

1.3 水樣預(yù)處理

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制用移液管準(zhǔn)確移取1000 mg/L的As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的標(biāo)準(zhǔn)溶液10 mL分別定容到100 mL的干凈容量瓶中，配制成濃度為100 mg/L的As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的標(biāo)準(zhǔn)溶液待用。配制混合標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，先準(zhǔn)確稱取NaF、NaCl、Na2HPO4、NaNO3、Na2SO4、KBr、NaNO2(如按配制1 L計(jì)算，則稱取量依次為0.221、0.165、0.5、0.1488、0.1472、0.1478、0.148 g)分 別配制成F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、HPO42-、SO42-濃度均為100 mg/L的貯存液。使用時(shí)，依次逐量移取上述貯存液于100 mL容量瓶中，用去離子水稀釋至刻度，配制成混合標(biāo)準(zhǔn)溶液待用。表1為本實(shí)驗(yàn)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度梯度。

表1 F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、AsO43-、HPO42-、SO42-標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度梯度

表2 F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、AsO43-、HPO42-、SO42- 保留時(shí)間 min

1.3.2 水樣的處理及檢測水樣于8 000 r/min轉(zhuǎn)速的離心機(jī)中離心10 min，取其上清液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，用一次性針管手動(dòng)進(jìn)樣，進(jìn)行色譜分析，可以測得除亞砷酸根外其他陰離子含量。對亞砷酸根的測量采取氧化差減法：取一份亞砷酸根的水樣100 mL，加入1 mL 30%的雙氧水放置2 h后超聲20 min進(jìn)樣分析，采用差減法測試亞砷酸根的含量(檢測結(jié)果在表4中列出)。

2 結(jié)果與分析

2.1 淋洗液的選擇對結(jié)果的影響

淋洗液是影響保留時(shí)間的重要因素，樣品的離子強(qiáng)度越強(qiáng)，保留時(shí)間隨之越長。在常見陰離子F-、Cl-、NO2-和Br-等陰離子存在下測定AsO43-，若色譜柱固定，則需要選擇適宜的淋洗液和淋洗條件。As(Ⅴ)在不同pH值的條件下，有H2AsO4-、HAsO42-和AsO43-幾 種形態(tài)，堿性越強(qiáng)，保留時(shí)間越長。這樣在不同的色譜條件下，As(Ⅴ)有時(shí)是強(qiáng)保留，有時(shí)是弱保留。故而合理選擇淋洗液對測定As(Ⅴ)十分重要。

型號為ICS-90額離子色譜默認(rèn)淋洗液為9 mmol的NaCO3溶液，但砷酸根在該淋洗條件下與其他陰離子完全重合，無法辨別，為延長各陰離子的出峰時(shí)間，以便于砷酸根的測量，選取3.5 mmol Na2CO3淋洗液，砷酸根的峰形仍不明顯。而最常見的淋洗液組分分別為Na2CO3+NaOH、Na2CO3+NaHCO3、Na2CO3+NaOH+NaHCO3等3種組分的淋洗液。本實(shí)驗(yàn)將分別為各不同濃度的淋洗液對砷酸根的保留時(shí)間作了對比，表3中列出在不同淋洗液條件下As(Ⅴ)及其他常見陰離子的保留時(shí)間。

表3 陰離子的線性，精密度及檢測限

綜上得出：As(Ⅴ)在不同組分的條件下，賦存形態(tài)各異，AsO43-因質(zhì)子化會出現(xiàn)多種峰，與其他陰離子峰形重疊，干擾試驗(yàn)分析。當(dāng)選用3.5 mmol的Na2CO3作淋洗液時(shí)，HPO42-出峰時(shí)間滯后，AsO43-與NO3-峰形重疊。選用Na2CO3/NaHCO3作淋洗液，各項(xiàng)陰離子整體出峰時(shí)間延后，且AsO43-與NO3-出峰時(shí)間幾乎一致，峰形不理想難以準(zhǔn)確分離；而選用組分為Na2CO3、NaHCO3或NaOH的淋洗液時(shí)，AsO43-與NO3-峰形仍有黏連。選用Na2CO3或NaOH作淋洗液可避免AsO43-質(zhì)子化出現(xiàn)的重疊峰，使得每個(gè)陰離子出峰時(shí)間各不相同，固定流速為1.0 mL/min，進(jìn)樣體積50 μL。以不同濃度的流動(dòng)相進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，選用的Na2CO3濃度為7.2 mmol時(shí)，砷酸根的出峰時(shí)間為10.020 min，與NO3-的出峰時(shí)間接近，峰形重疊，故棄去不用。而隨著淋洗液中Na2CO3濃度的增大，各陰離子出峰時(shí)間總體提前，且水的副峰值隨之增大。因此，淋洗液為2.0 mmol的2.0 mmol/L Na2CO3+2.0 mmol/L NaOH為最合適的淋洗液，這與朱巖等[6]的測定結(jié)果一致。

2.2 氧化劑的選擇

在H2O2-MnO2氧化體系中，MnO2起催化作用，容易帶入雜質(zhì)離子，不利于測定。王水氧化法效率較高，但是樣品中存在大量的Cl-和NO3-，為縮短反應(yīng)時(shí)間，提高效率，選用30%的雙氧水做氧化劑，經(jīng)超聲、過濾處理后進(jìn)樣分析，利用差減法測試亞砷酸根的含量。配制溶液時(shí)，在As(Ⅲ)中加入0.5～2 mL的30%的雙氧水，氧化2 h后，As(Ⅲ)的氧化率為95%，氧化4 h后，氧化完全。

2.3 方法的線性，精密度及檢測限

以濃度為0.2、1、2、5、10 mg/L配制系列陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化色譜的條件下，測得各項(xiàng)陰離子的標(biāo)準(zhǔn)曲線R2均大于0.9990，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，以2倍信噪比計(jì)算出最低檢測限在0.0542～0.0897 mg/L之間，采用峰高計(jì)算As(Ⅴ)，以峰高(cm)對應(yīng)離子含量(mg/L)求得線性回歸方程為y=0.3538x+0.0817。連續(xù)7次進(jìn)樣，計(jì)算出相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜1.53%。取濃度為2 mg/L的As(Ⅴ)5 mL，分別加入2、4、6、8、10 μg/L的As(Ⅴ)標(biāo)樣進(jìn)行加標(biāo)回收，計(jì)算出回收率在92.0%～107.2%之間，同時(shí)用氫化物發(fā)生-原子吸收光譜法(HG-AAS)做對比測定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜1.88%。

2.4 樣品檢驗(yàn)分析

取湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓自來水水樣，經(jīng)預(yù)處理后，采用標(biāo)準(zhǔn)加入回收法檢測，測試結(jié)果及回收率見表4。從測試結(jié)果看，大部分離子的回收率為91.79%～101.45%，滿足測試要求。

表4 水樣中陰離子的測定值及回收率

3 討論

本實(shí)驗(yàn)中砷酸根及亞砷酸根等常見陰離子的測定相對穩(wěn)定，前期處理方法簡單，樣品試劑成本較低。通過建立離子色譜測定水中的砷酸根及亞砷酸根等常見陰離子的方法體系，有利于排除實(shí)驗(yàn)干擾，且該方法成本低廉，容易操作，準(zhǔn)確度高。

然而，在測定的過程中，發(fā)現(xiàn)隨著淋洗液配比不同，型號為ICS90-A的離子色譜儀的各項(xiàng)陰離子整體出峰時(shí)間會隨之變化，時(shí)間最長的為Na2CO3+NaHCO3組合的淋洗液，測定時(shí)間最長甚至超過120 min，再加上前期的樣本處理，整體時(shí)間耗費(fèi)過長，Na2CO3+NaOH+NaHCO3組合時(shí)間最短也有70 min，用離子色譜法測定陰離子還需要淋洗液配比的優(yōu)化。目前，已有一些生物傳感器相對傳統(tǒng)的化學(xué)檢測方法，體現(xiàn)出更為簡便、快速、成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有靈敏度高、準(zhǔn)確性好、測定時(shí)間短、多元素同時(shí)測定等優(yōu)點(diǎn)，是未來諸多領(lǐng)域測定砷元素的重要方向之一。