電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時快速測定飲用水中溴、碘和磷

張?zhí)K敏，王瀟，徐雷，鄧文清，楊嘉偉

（1.中國測試技術(shù)研究院化學(xué)研究所,成都 610021；2.中國計量測試學(xué)會,北京 100125）

溴離子的存在是飲用水消毒過程中產(chǎn)生溴代物等副產(chǎn)物的重要原因。有研究表明,當(dāng)水中有機物含量一定時,溴代或碘代消毒副產(chǎn)物的生成量隨溴、碘離子濃度的升高而增加[1-2]。溴代和碘代消毒副產(chǎn)物對人體健康有極其不利的影響,其中溴酸根風(fēng)險等級較高,二氯一溴甲烷、碘乙酸及其衍生物等均有較強的致癌性[3]。世界各國已高度關(guān)注消毒副產(chǎn)物溴酸鹽,在制定水質(zhì)標(biāo)準時已將其列為控制指標(biāo),如美國環(huán)保局制訂的飲水標(biāo)準[4]和我國GB 8537—2018《食品安全國家標(biāo)準 飲用天然礦泉水》中規(guī)定溴酸鹽的限量指標(biāo)為10 μg/L。磷是人體必需的一種微量元素,也是農(nóng)藥、獸藥等有害物質(zhì)中的一種常見元素。水中溴、碘及磷非金屬含量的高低關(guān)系到食品和水質(zhì)的安全性,因此,對飲用水中的溴、碘及磷濃度的檢測引起了人們的廣泛關(guān)注。飲用水中可溶性非金屬元素溴和碘常采用離子色譜法或容量法分析。對磷及磷酸鹽的分析大多采用比色法。檢測3 種元素前的樣品處理過程復(fù)雜,每種元素采用不同的方法,分析時間長。離子色譜法雖能同時分析多種非金屬元素,但分析碘離子時耗時長達30 min,有時多個非金屬元素不能同時分析。文獻[5-9]報道了采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）方法測定飲用水、地表水、地下水及湖泊水中的金屬元素及兩種非金屬元素溴和碘,文獻[10-11]報道了采用離子色譜法測定了礦泉水中溴和碘的方法,這些方法都沒有涉及對溴、碘和磷三種元素的同時檢測。

目前的飲用水檢測標(biāo)準[12-13]對溴、碘和磷3種元素均有限量要求,筆者采用ICP-MS 法對飲用水中的可溶性溴、碘和磷3 種非金屬元素同時進行了快速檢測,方法具有較低的檢出限,良好的精密度,加標(biāo)回收率也較高,且在15 min內(nèi)可完成檢測。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀：ICPMS-2030 型,日本島津公司。

離子色譜儀：930型,瑞士萬通公司。

溴溶液標(biāo)準物質(zhì)：質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL,編號為GBW(E) 085153,四川中測標(biāo)物科技有限公司。

碘、磷溶液標(biāo)準物質(zhì)：質(zhì)量濃度均為1 000 μg/mL,編 號 分 別 為GBW(E) 082644、GBW(E)082645,中國測試技術(shù)研究院。

氬氣：純度為99.99%,成都東風(fēng)氣體有限公司。

氦氣：純度為99.999%,成都東風(fēng)氣體有限公司。

硝酸：BV-III級,北京化學(xué)試劑研究所。

氫氧化鈉：優(yōu)級純,成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器工作條件

高頻功率：1.2 kW；采樣深度：5.0 mm；等離子體氣體：氬氣,流量為8.0 L/min；輔助氣：氬氣,流量為1.10 L/min；載氣：氬氣,流量為0.70 L/min；積分時間分割次數(shù)：10；霧室溫度：5℃；池氣體：氦氣,流量為6.0 L/min；池電壓：-21 V；能量過濾器電壓：7.0 V；環(huán)境溫度：20～24 ℃,控制精度為 ±2 ℃；相對濕度：小于70%。

1.3 樣品處理

水樣過2 μm微孔濾膜,若水樣中渾濁或者帶有顏色,則加入1g/L的活性炭,充分搖勻后過2 μm微孔濾膜。過濾后水樣品50 mL,加入約0.05 g 氫氧化鈉（在水樣中質(zhì)量分數(shù)為0.1%）,即得樣品溶液。

1.4 溶液配制

系列混合標(biāo)準溶液：分別取質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL 的溴、碘和磷單標(biāo)溶液,用超純水稀釋成1.00 μg/mL的溴、碘及磷混合標(biāo)準溶液。分別取0、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00 mL 的1.00 μg/mL 溴、碘及磷混合標(biāo)準溶液,用質(zhì)量分數(shù)為0.1%的氫氧化鈉溶液稀釋成溴、碘及磷質(zhì)量濃度均分別為0.0、5.0、10、20、50、100 μg/L系列混合標(biāo)準溶液。

內(nèi)標(biāo)溶液：為Y、In和Sc的混合溶液,質(zhì)量濃度均為100 μg/L。以1 000 μg/mL 的釔、銦及鈧單標(biāo)溶液制備成1.00 μg/mL混合溶液后,取10.00 mL稀釋至100 mL,混勻。

1.5 儀器校準及樣品檢測

調(diào)整ICP-MS 的靈敏度、氧化物離子產(chǎn)率和雙電荷分辨率,符合儀器測量的指標(biāo)要求后進行標(biāo)準溶液和樣品的測量。分別取標(biāo)準空白溶液、3 組分系列混合標(biāo)準溶液、試劑空白溶液和樣品溶液,按照1.2 儀器工作條件,通過蠕動泵分別導(dǎo)入ICP-MS ,同時通過三通在線加入內(nèi)標(biāo)溶液進行檢測,得到3種元素及內(nèi)標(biāo)的響應(yīng)值。以標(biāo)準溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、校準后的響應(yīng)值為縱坐標(biāo)進行線性擬合,根據(jù)樣品溶液的響應(yīng)值計算樣品溶液中各元素含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析介質(zhì)及儀器條件的選擇

為了確定最好的分析介質(zhì),分別選用質(zhì)量分數(shù)0.1%的氫氧化鈉溶液、1%的硝酸溶液和超純水3種介質(zhì),同時在設(shè)備普通模式和碰撞模式下通過比較元素的信號值的大小,選擇最佳的實驗條件,試驗數(shù)據(jù)如表1。由表1 數(shù)據(jù)可知：三種介質(zhì)中,碰撞模式下的信號值低于普通模式的信號值,但碰撞模式會減少雙原子質(zhì)量數(shù)對待測元素的干擾,因此選用碰撞模式進行檢測。在該模式條件下,1%硝酸介質(zhì)中碘元素有明顯的記憶效應(yīng),每次完成樣品測試沖洗管路約10 min,系統(tǒng)內(nèi)殘留的碘離子仍不能完全有效去除,從而影響后續(xù)樣品中碘元素的測定,導(dǎo)致測定值偏高。因此不能使用1%硝酸溶液的介質(zhì)。碰撞反應(yīng)條件下,對比0.1%氫氧化鈉與超純水介質(zhì)中空白溶液、10 μg/L和50 μg/L溴、碘和磷標(biāo)準溶液信號值差異不大,且信號強度穩(wěn)定,但使用0.1%的氫氧化鈉溶液可以快速去除碘離子的記憶效應(yīng),因此最終選用介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)為0.1%的氫氧化鈉溶液。

表1 不同儀器條件下不同介質(zhì)中三種元素的信號值

2.2 堿性介質(zhì)濃度的選擇

為了選擇介質(zhì)氫氧化鈉溶液的最優(yōu)濃度,分別配制了0.01%、0.1%和0.5%的氫氧化鈉溶液進行試驗,試驗數(shù)據(jù)見表2。由表2 可知,隨著介質(zhì)氫氧化鈉溶液濃度增加,各元素信號有較小的增強,考慮到對ICP-MS 儀器、等離子體矩管及進樣系統(tǒng)的不利影響,最終選用0.1%氫氧化鈉溶液。

表2 不同濃度的氫氧化鈉介質(zhì)中的信號值

2.3 干擾同位素及內(nèi)標(biāo)元素的選擇

目標(biāo)元素質(zhì)量數(shù)的選擇直接影響到分析結(jié)果的準確性,通常要求選擇自然豐度高,共存溶液中雜質(zhì)干擾小的同位素進行測定。79Br 和81Br 兩種同位素的自然豐度比較接近,考慮到81Br的信號高一些,因此選用81Br。127I和31P在自然界豐度很高,是很穩(wěn)定的同位素,也不存在其它元素的干擾,因此選擇127I和31P。內(nèi)標(biāo)元素的加入可以有效的抑制基體效應(yīng)、監(jiān)測和校正信號漂移從而提高分析精度,根據(jù)目標(biāo)元素的質(zhì)量數(shù)范圍選擇高、中、低的質(zhì)量數(shù)元素作為內(nèi)標(biāo),最終選定81Br以89Y為內(nèi)標(biāo)、127I以115In為內(nèi)標(biāo)、31P以45Sc為內(nèi)標(biāo)。

2.4 線性范圍及檢出限

在優(yōu)化的工作條件下,對3 種元素的混合系列標(biāo)準溶液進行測定,得到各元素及內(nèi)標(biāo)的信號值,以元素的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、內(nèi)標(biāo)校準后的信號值為縱坐標(biāo)進行線性擬合,得標(biāo)準曲線線性方程和相關(guān)系數(shù)。

按照實驗方法對空白溶液平行測定11次,按測得信號的標(biāo)準偏差的3倍除以標(biāo)準曲線斜率計算方法的檢出限,按照檢出限的3 倍計算方法的定量限[14-15]。

3 種元素的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限、定量限見表3。結(jié)果表明,3 種元素質(zhì)量濃度在0～100 μg/L范圍內(nèi),線性相關(guān)系數(shù)大于0.999 6。

表3 線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限及測定下限

2.5 加標(biāo)回收與精密度試驗

向水樣品中加入5.0 μg/mL 的混合標(biāo)準溶液0.20 mL得到加標(biāo)樣品,同樣品做相同的預(yù)處理,分別測定樣品和加標(biāo)的樣品,平行試驗11 次,測定結(jié)果及加標(biāo)回收率、相對標(biāo)準偏差(RSD)見表4。由表4 可知,水樣中3 種元素的加標(biāo)回收率為92.6%～108%,相對標(biāo)準偏差為2.1%～2.4%,均小于2.5%,本方法的精密度、準確度均滿足分析要求。

表4 加標(biāo)回收試驗結(jié)果

2.6 比對試驗

按照ICP-MS 測試方法與離子色譜法[11,16]分別對兩個飲用水樣品進行3 次檢測（其中碘元素因未檢出,采用加標(biāo)溶液檢測）,測定結(jié)果見表5。經(jīng)過單因素方差分析,ICP-MS 測試結(jié)果與經(jīng)典的離子色譜測試結(jié)果無顯著性差異,數(shù)據(jù)吻合,說明本方法準確可靠,可用于飲用水中可溶性溴、碘和磷3種非金屬元素的檢測。

表5 飲用水樣品的檢測結(jié)果

3 結(jié)語

建立了ICP-MS法同時快速測定飲用水中可溶性溴、碘和磷3種元素含量的方法,該法檢測結(jié)果與離子色譜檢測結(jié)果相比較無顯著性差異。樣品前處理的方法簡單快速,分析檢測在15 min內(nèi)完成。該方法具有較低的檢出限,良好的精密度,較高的加標(biāo)回收率,且準確快速、操作性強、具有較高的實際應(yīng)用價值,在飲用水中非金屬元素分析檢測中具有較好的應(yīng)用前景。