離子色譜-電感耦合等離子體質譜聯用(IC-ICP-MS)測定水體中的砷形態

李林林，朱英存

蘇州科技大學環境與工程學院，蘇州215011

砷元素在自然界中豐度排在第20 位[1]，具有很強的毒性和致癌作用，是水環境和土壤環境中有毒污染元素的典型代表。砷元素以許多不同化合物的形式存在，空氣、土壤、沉積物和水中發現的砷化物主要有亞砷酸鹽、砷酸鹽等無機砷以及一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)等簡單烷基化有機砷。不同形態的砷具有不同的物理及化學性質，特別是其毒性依賴于其化學形態，其中無機砷的毒性最大，有機砷的毒性較小，因此對砷的存在形態進行分析具有重要意義。

人類主要通過飲用水和食物攝入砷化物，而飲用水被認為是全球最主要的攝取來源之一。根據世界衛生組織對于飲用水的相關規定，飲用水中總砷的限值為10 ng·mL-1，許多國家通過立法規定了此限值[2]。現行國家標準水體中的無機砷的分析方法有硼氫化鉀-硝酸銀分光光度法和氫化物發生原子吸收光譜法，這2 種方法選擇性較差，無法準確測定砷的存在形態，只能測定總砷的含量，因而也無法準確地判斷其危害性。現用于砷元素形態分析的主要是聯用技術，即先用有效的在線分離技術將元素砷的各種化學形態進行選擇性分離，然后用高靈敏度的無機元素檢測技術進行測定。其中高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜聯用(HPLC-ICP-MS)是目前砷形態分析中應用最多的方法之一，高效液相色譜將不同形態的砷分離后再使用電感耦合等離子體質譜儀進行檢測[3-5]，該方法具有靈敏度高、檢出限低等優點。目前離子色譜-電感耦合等離子體質譜聯用(IC-ICP-MS)技術[6-12]在元素形態分析中的應用研究越來越多，荊淼等[6]采用陰離子交換色譜-電感耦合等離子體質譜聯用技術測定面粉中的痕量和Br-。使用DIONEX CarBonPac PA-100(250 mm×4 mm,i.d.)色譜柱，以5 mmol·L-1NH4NO3作為淋洗液，流速為1 mL·min-1，分離了和Br-，該方法在100 μL 進樣量下BrO-3和Br-的檢出限均低于0.5 μg·L-1;蘇宇亮等[7]采用IC-ICP-MS 技術分析水中的和I-，該方法以IonPac AS14 作為分析柱，30 mmol·L-1(NH4)2CO3為淋洗液，1 mL·min-1流速，1 mL 的進樣量和I-的方法檢出限分別為0.066和0.045 μg·L-1;Chu 等[9]采用(NH4)2CO3和甲醇(pH 調節到8.5)作為淋洗液，在8 min 之內分離了植物油中6 種不同形態砷的化合物，6 種砷形態的檢出限在0.008 ～0.024 ng·mL-1之間;黃紅霞[10]采用IC-ICP-MS 技術分析豬肉中的無機砷，采用KOH 溶液梯度淋洗，0 ～5 min KOH 溶液濃度為5 mmol·L-1,5 ～12 min KOH溶液濃度為種砷形態在10 min 之內完全分離。采用IC-ICP-MS 技術測定水體中的砷形態研究報道相對較少。

本研究建立了IC-ICP-MS 聯用技術測定水體中4種砷形態的方法，通過改變影響離子色譜分離的主要因素:淋洗液的種類、濃度和流速等條件，總結出該方法對不同形態砷的分離和測定的最佳條件，并在最佳條件下，進行方法的線性范圍、檢出限和重現性研究，該方法具有靈敏度高、線性范圍寬、準確性好等優點，可以實現水體中不同形態砷的測定。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 儀器試劑

Agilent 7500a 電感耦合等離子體質譜儀(Agilent 公司，美國);IonPac AS18 陰離子色譜柱(250 mm×4.0 mm);IonPac AG18 陰離子保護柱(50 mm×4.0 mm);美國Millipore 純水系統。

砷的4 種形態標準儲備液(100 mg·L-1)分別用亞砷酸鈉(Fluka 公司，99.99%)、砷酸鈉(Fluka 公司，99.99%)、一甲基砷酸鈉(MMA，Fluka 公司，99.9%)和二甲基砷酸(DMA，Fluka 公司，99%)配制而成。As(III)、As(V)、DMA 和MMA 以及4 種形態的混合液等系列標準工作液均由儲備液逐級稀釋配制。其他主要試劑還有Na2CO3(國藥，GR)、NaHCO3(Merck 公司，GR)、NaOH(沃 凱公司，GR)、NH4HCO3(Merck 公司，AR)和HCl(國藥，AR)等。

1.2 儀器工作條件

電感耦合等離子體質譜儀:射頻功率1 350 W，等離子氣流量15.0 L·min-1,輔助氣(Ar 氣)流量1.13 L·min-1，霧化氣(Ar 氣)流量1.0 L·min-1，霧化器溫度2℃。

1.3 實驗方法

將砷的4 種形態標準混合液配成不同濃度的標準系列溶液與實際水樣一起進行檢測。水樣采集后立即加鹽酸酸化保存(調節pH 至2.0 左右)，分析前將采集來的水樣用NaOH 調pH 至中性后，經0.45 μm 膜(聚四氟乙烯，PTFE)過濾后直接進入色譜系統分析，以標準曲線法對樣品中的不同砷形態濃度進行定量。

水樣總砷的測定:水樣經0.45 μm 膜(聚四氟乙烯，PTFE)過濾后，用ICP-MS 直接測定，以砷的標準曲線進行定量。

實際水樣的加標回收采用標準加入法，即在實際水樣中加入已知濃度的4 種砷形態標準溶液，然后進入色譜系統進行分析測定，加標回收率計算方法如下:

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 色譜條件的選擇

2.1.1 淋洗液的選擇

考察了Na2CO3/NaHCO3(物質的量比為4∶1)、NaOH和NH4HCO33 種不同的淋洗液(濃度變化為1.0 ～30 mmol·L-1)對砷形態的分離效果，結果表明，隨著淋洗液濃度的增大，洗脫能力增強，3 種淋洗液都可以使4 種砷的形態得到分離。NH4HCO3作為淋洗液時的完全分離時間最短，而且采用Na2CO3/NaHCO3和NaOH 為淋洗液時，過多的鈉離子會造成ICP-MS 進樣口的鹽堆積堵塞;當NH4HCO3濃度達到20 mmol·L-1時砷的4 種形態可以得到完全分離，當濃度大于20 mmol·L-1時，分離效果并沒有顯著變化。因此選擇20 mmol·L-1的NH4HCO3作為離子色譜的淋洗液。

2.1.2 淋洗液流速對保留時間和分離效果的影響

研究了流速為0.5 ～1.5 mL·min-1的NH4HCO3淋洗液對保留時間和分離度的影響。實驗表明，隨著淋洗液流速的增加，保留時間減小，當流速大于1.2 mL·min-1時，DMA 和MMA 無法有效分離。同時，隨著淋洗液流速的增加，當用峰面積進行定量時，檢測靈敏度有一定程度的降低，因為當淋洗液流速增加，進入色譜峰區帶內的陰離子量會有所減少，造成峰面積降低。因此，流速較低時靈敏度更高。故選擇淋洗液流速為1.0 mL·min-1。圖1 為砷的4 種形態的分離圖，4 種砷形態的濃度均為5 μg·L-1，20 mmol·L-1的NH4HCO3作 為 淋 洗 液，流 速 為1.0 mL·min-1。

圖1 4 種砷形態的色譜分離圖Fig.1 Chromatogram of four arsenic species

表1 用于砷形態分析的不同聯用技術比較Table 1 Comparison of different coupled detection methods for arsenic speciation

2.1.3 色譜最佳條件

綜合考慮淋洗液種類和流速兩點可知，選用Ionpac AS18 作為分離柱，20 mmol·L-1NH4HCO3作為淋洗液，流速1.0 mL·min-1，在較短的時間(10 min)內使4 種砷形態得到較好的分離。表1 詳細比較了本方法與其他IC-ICP-MS 聯用技術的色譜條件。較其他方法而言，本方法樣品處理步驟極少，僅需過濾便可以快速測定水中砷形態;且本方法使用NH4HCO3作為淋洗液，無需加入其他有機溶劑，在10 min 內可以實現4 種砷形態的有效分離;NH4HCO3作為淋洗液，與鈉鹽和鉀鹽相比，不會改變等離子體的電離條件，不易在錐口形成鹽沉積而造成堵塞，而且具有很好的分離效果。

2.2 工作曲線和檢出限

準確配制一系列砷形態的混合標準溶液(0、0.05、0.1、0.5、1、5、20 和50 μg·L-1)，在上述優化條件下測定了4 種砷形態的線性范圍和檢出限(以3倍信噪比計算)，結果如表2 所示。武鑠等[16]采用液相色譜-氫化物發生/原子熒光聯用技術分離測定了啤酒中4 種砷形態，4 種砷形態的方法檢出限在800 ～1 200 ng·L-1之間。

表2 檢測方法的工作曲線、線性范圍和檢出限Table 2 Working curve,linear range and detection limit of the studied method

2.3 實際樣品分析

選取不同類別的實際水樣(廢水、深井地下水和地表水)，在上述優化的實驗條件下，使用IC-ICP-MS 聯用技術分析水中砷的形態，同時分析水樣中總砷的含量用以比較，結果見表3。從結果可以看出，廢水和地表水中的砷化合物相對簡單，主要以無機砷為主要存在形態。深井地下水中砷的存在形態較為復雜，4 種砷形態均有檢出。本方法的色譜回收率也都在90%左右。

表3 實際水樣中4 種砷形態的測定結果(n=3)Table 3 Determination of four arsenic species in real water samples(n=3)

2.4 回收率和精密度

用該方法對實際水樣進行加標回收實驗，結果見表4。使用Ionpac AS18 作為分離柱，20 mmol·L-1NH4HCO3作為淋洗液，流速為1.0 mL·min-1，對4 種砷形態進行分離，利用ICP-MS 進行檢測，建立了ICICP-MS 聯用測定環境水體中As(III)、DMA、MMA和As(V)這4 種砷形態的分析方法。該方法檢測靈敏準確，4 種砷形態的檢出限在10 ～30 ng·L-1之間，且實際樣品的加標回收率為82.6%～110%。IC 與ICP-MS 的連接簡單，方法對水體中砷的形態分析具有較大的應用價值，對于研究水體中各種砷形態的遷移轉化及其毒性毒理研究具有重要的意義。

表4 實際水樣中砷的加標回收實驗結果(n=6)Table 4 Results of recovery test for arsenic in real water samples(n=6)

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