微波輔助萃取-HPLC-AFS聯(lián)用技術檢測土壤樣品中砷的化學形態(tài)

陳邵鵬，仲 雪

1.蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 蘇州 215004 2.歐普圖斯(蘇州)光學納米科技有限公司，江蘇 蘇州 215125

砷是一種有毒并致癌的非金屬元素，有許多同素異形體。當前，砷污染已成為嚴重危害環(huán)境和健康的因素之一[1]。據(jù)報道，全球有至少5 000多萬人口正面臨著地方性砷中毒的威脅。隨著砷礦的開采和冶煉，污水灌溉，含砷農(nóng)藥、化肥等農(nóng)資產(chǎn)品的過量使用，土壤中砷元素不斷累積，嚴重影響植物、動物的生長和品質(zhì)，并且通過食物鏈進入人體，對人類的生存和健康構成嚴重威脅[2]。研究表明，砷在環(huán)境中的效應并不取決于砷總量，而是取決于存在的形態(tài)[3-4]，帶入土壤中的砷形態(tài)不僅有無機態(tài)，如亞砷酸鹽[As(Ⅲ)]、砷酸鹽[As(Ⅴ)]，還有有機態(tài)，如二甲基砷(DMA)、一甲基砷(MMA)，其中無機砷的毒性較有機砷大。因此，土壤中不同形態(tài)砷的監(jiān)測已成為開展環(huán)境健康風險評估、砷污染土壤診斷與修復等的重要環(huán)節(jié)。

目前，對土壤中砷形態(tài)的研究報道相對較少。一方面土壤樣品基體復雜，樣品需經(jīng)預處理后才可進行形態(tài)分析。而常用的消解提取方法包括超聲波提取、水浴消解提取、混合酸高溫消解提取等。這些方法均不同程度存在著試劑用量多、消解時間長、形態(tài)易轉(zhuǎn)化、測定速度慢、測定結(jié)果偏低等缺點。另一方面，石墨爐原子吸收法、分光光度法、高效液相色譜-原子吸收聯(lián)用法等檢測靈敏度不高[5-6]，而電感耦合等離子體質(zhì)譜法[7-13]雖然檢測靈敏度高，但設備昂貴，使用成本高，難以普及。

該文采用微波輔助萃取前處理技術，借助高效液相色譜對砷不同形態(tài)良好的分離能力，結(jié)合原子熒光光譜檢測器對砷專屬響應的特點，建立了微波輔助萃取-高效液相色譜(HPLC)-原子熒光光譜(AFS)聯(lián)用技術檢測土壤樣品中砷的化學形態(tài)。該方法有效解決了濕法消解過程中存在的諸多問題，具有高效、簡單、快速、靈敏、環(huán)保、空白值低和勞動強度低等優(yōu)勢，適合于大批量土壤樣品中不同形態(tài)砷的分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

AFS-9700型雙道原子熒光光度計，中國北京；高性能砷空心陰極燈，中國北京；LC-20AT型高效液相色譜泵，配自動進樣閥(l00 μL，10 AT型)，日本；PRPX-100陰離子交換柱(250 mm×4.6 mm，30 cm)，美國；Ethos320高壓密閉微波消解系統(tǒng)，意大利。

氬氣(99.999%)；硼氫化鉀、鹽酸、氫氧化鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀，均為優(yōu)級純；亞砷酸鹽[GBW 08666，(0.335±0.011)μmol/g]，砷酸鹽[GBW 08667，(0.233±0.005)μmol/g]，一甲基砷[GBW 08668，(0.335±0.011)μmol/g]，二甲基砷[GBW 08669，(0.706±0.024)μmol/g]，均購自國家標準物質(zhì)中心；實驗用水為去離子水經(jīng)Milli-Q裝置純化(電阻率大于18 MΩ)；所有玻璃儀器(分液漏斗和試管)均用5%鹽酸溶液浸泡24 h以上。

流動相(磷酸鹽緩沖溶液)的配制：分別準確稱取磷酸氫二鈉0.895 4 g和磷酸二氫鉀3.026 g溶于純水，置于500 mL容量瓶中，用純水稀釋至刻線，搖勻，使用前經(jīng)0.45 μm微孔濾膜抽濾，超聲波脫氣。

1.2 土壤樣品的制備

土壤樣品：將土壤樣品自然風干，研磨后過0.180 mm孔徑篩備用。

1.3 微波萃取

準確稱取一定量的土壤樣品于聚四氟乙烯萃取罐中，加入10 mL 0.1 mol/L的H3PO4溶液進行微波萃取。微波萃取程序：微波功率300 W，5 min升溫到90 ℃，控溫90 ℃萃取3 min。萃取液在5 000 r/min下離心分離20 min，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后直接進樣檢測。

1.4 微波消解測定總砷

準確稱取一定量的土壤樣品于聚四氟乙烯萃取罐中，在HNO3-H2O2混酸體系下進行微波消解，消解程序：微波功率300 W，15 min升溫到185 ℃，消化20 min。消解結(jié)束后卸壓、定容，直接測定。

1.5 儀器測量參數(shù)

流動相為1.79 g/L磷酸氫二鈉溶液+ 6.05 g/L磷酸二氫鉀溶液，流量1.0 mL/min，在線還原劑為0.12 mol/L抗壞血酸溶液，氫化物發(fā)生還原劑為20 g/L硼氫化鉀溶液+3.5 g/L氫氧化鈉溶液，載流為7%鹽酸溶液，燈電流80 mA，載氣流量300 mL/min，PMT負高壓320 V，進樣體積100 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波輔助萃取條件優(yōu)化

借助微波輔助萃取法萃取土壤中不同形態(tài)的砷時，涉及多種實驗因素，如功率、萃取溶劑體積、萃取溫度、萃取時間等。為減少實驗次數(shù)，提高檢測效率，采用正交實驗設計方法，優(yōu)化了微波輔助萃取的實驗條件。采用L16(45)正交水平表進行實驗設計，以萃取率作為監(jiān)控指標，考察功率、萃取溶劑體積、萃取溫度、萃取時間等4種因素對結(jié)果的影響。根據(jù)設計的正交實驗，對土壤標準樣品ESS-1[保證值(10.7±0.8)μg/g]中的砷形態(tài)進行萃取和測定，結(jié)果見表1。由表1可見，萃取條件的改變對砷萃取率的影響較大。當萃取功率增加時，萃取效率有一定提升；提高萃取溶劑濃度或延長萃取時間，萃取效率有提升，但變化不明顯；當提高萃取溫度時，萃取效率有顯著提升。基于此，以萃取效率作為考察指標，利用直觀分析及極差分析，探討影響萃取率的主要因素，分析結(jié)果見表2。

表1 土壤標準樣品中砷形態(tài)提取正交實驗設計及實驗結(jié)果

由表2可見，根據(jù)極差分析結(jié)果，RD>RA>RB>RC，即影響提取效率的因素從大到小依次為萃取溫度功率>萃取溶劑體積>萃取時間。因此，萃取溫度是影響萃取效率的最主要因素。綜合表1和表2的結(jié)果，該實驗確定最佳萃取條件：功率300 W,萃取溶劑體積10 mL,萃取溫度90 ℃,萃取時間3 min。

2.2 標準譜圖

采用PRPX-100陰離子交換柱對砷的形態(tài)進行分離，選取磷酸鹽緩沖溶液(pH=6.0)作為流動相。在優(yōu)化的色譜條件下，砷混合標準溶液的色譜峰見圖1。在7 min之內(nèi)，As(Ⅲ)、DMA、MMA和As(Ⅴ)可實現(xiàn)完全分離，峰形對稱，保留時間分別為2.564、3.150、3.964、6.480 min。

圖1 標準溶液中4種砷的形態(tài)色譜峰

2.3 標準曲線和檢出限

配制1.00、10.0、20.0、40.0、60.0、80.0、100 μg/L 4種形態(tài)砷的混合標準溶液，按照第2.5節(jié)檢測條件進行測定，以各組分質(zhì)量濃度對應峰面積進行線性回歸，得到標準品的線性回歸方程和相關系數(shù)，所有化合物的相關系數(shù)均大于0.999 1。重復測定1.00 μg/L 4種形態(tài)砷的混合標準溶液6次，計算色譜峰面積的相對標準偏差(RSD)。連續(xù)分析7個接近于檢出限的實驗室空白加標樣品，計算其標準偏差S，根據(jù)檢出限(MDL)計算公式MDL=s×t(n-1，0.99)計算4種形態(tài)砷的實驗室檢出限，結(jié)果如表3所示。

表3 4種形態(tài)砷的標準曲線

2.4 精密度與加標回收實驗

為了研究所選用的微波輔助萃取條件是否會在萃取過程中改變砷的形態(tài)，在土壤標準樣品ESS-1和ESS-2中添加4種形態(tài)砷混標溶液，添加量為4 μg/g。加標標準品于通風櫥中自然風干，平衡24h，經(jīng)歷同樣的萃取過程后進行加標回收率和精密度實驗(n=5)，結(jié)果見表4。由表4可見，4種形態(tài)砷平行測定的RSD≤5.6%，回收率為78.1%～94.4%，表明微波萃取過程中并未發(fā)生明顯的砷形態(tài)轉(zhuǎn)變，且具有較好的準確度和精密度。同時2種樣品砷的萃取率分別為83.8%和90.2%，表明萃取效率較高。因此，建立的微波輔助萃取-HPLC-AFS聯(lián)用技術可行、可靠，可滿足土壤中砷形態(tài)的日常檢測。

2.5 實際樣品分析

用微波輔助萃取法對4種土壤樣品進行萃取，經(jīng)HPLC-AFS測得各形態(tài)的濃度，并用AFS直接測定總砷，結(jié)果見表5。由表5可見，4個土壤樣品中As(Ⅴ)含量均高于As(Ⅲ)含量，即樣品中無機砷主要以高氧化態(tài)形式體現(xiàn)，而2種有機砷均為未檢出。此外，無機砷含量占總砷含量的百分比為80.6%～92.5%，表明土壤樣品中砷主要以無機形式存在，且存在其他砷形態(tài)，需要更多的砷形態(tài)標準物質(zhì)對其進行定性和定量分析。

表4 精密度與加標回收實驗結(jié)果

注：ND為未檢出，下同。

表5 實際樣品分析結(jié)果(n=4)

3 結(jié)論

建立了微波輔助萃取-HPLC-AFS聯(lián)用方法分析土壤樣品中As(Ⅲ)、DMA、MMA和As(Ⅴ)等4種形態(tài)砷。其中，前處理技術具有簡便、快速、高效、節(jié)省試劑、適于批量處理等優(yōu)點。應用該方法檢測土壤中4種形態(tài)砷重現(xiàn)性好、靈敏度高、準確度高、線性關系好，雜質(zhì)干擾少，可大范圍地推廣使用。

[1] WHO．Environmental Health Criteria 18，Arsenic[R]．Geneva：World Health Organization，1981．

[2] Mandal B K，Suzuki K T．Arsenic round the world: a review. Talanta[J]，2002，58(1)：201-235.

[3] Yu-Wei Chen, Nelson Belzile. Inverse relationships between selenium and mercury in tissues of young walleye (Stizosedion vitreum) from Canadian boreal lakes. Analytica Chimica Acta [J]，2010，671(1/2)：9-26.

[4] Sadiq M. Arsenic chemistry in soils: An overview of thermodynamic predictions and field observations[J]. Water Air Soil Pollution，1997，93：117-136.

[5] ManningB A, Martens D A. Speciation of arsenic(III) and arsenic(V) in sediment extracts by high-performance liquid chromatography-hydride generation atomic absorption spectrophotometry.[J] Environ Sci Techno，1997，31: 171 -177.

[6] Gómez-Ariza J L , Sánchez-RodasD, Giráldez I , Selective extraction of iron oxide associated arsenic species from sediments for speciation with coupled HPLC-HG-AAS[J]. J Anal At Spectrom，1998，13：1 375-1 379.

[7] Koellensperger G, Nurmi J, Hann S, et al. CE-ICP-SFMS and HPIC-ICP-SFMS for arsenic speciation in soil solution and soil water extracts J[J]. Anal At Spectrom，2002，17：1 042-1 047.

[8] Brennan R G, O’Brien Murdock S, Farmand M, et al.Nano-HPLC-inductively coupled plasma mass spectrometry for arsenic speciation[J]. J Anal At Spectrom，2007，22：1 199-1 205.

[9] Duarte F A, Fagundes Pereira J S , Foster Mesko M, et al. Evaluation of liquid chromatography inductively coupled plasma mass spectrometry for arsenic speciation in water from industrial treatment of shale[J]. Spectrochim Acta B ，2007，62：978-984.

[10] Ponthieu M, Pinel-Raffaitina P ,Hecho I Le, et al. Speciation Analysis of Arsenic in Landfill Leachate[J]. Water Res，2007，41(14)：3 177-3 185.

[11] Miyashita S , Shimoya M, Kamidate Y, et al. Rapid determination of arsenic species in freshwater organisms from the arsenic-rich Hayakawa River in Japan using HPLC-ICP-MS[J]. Chemosphere，2009，75：1 065-1 073.

[12] Wallschlager D,London J.Determination of hexafluoroarsenate in industrial process waters by anion-exchange chromatography-inductively coupled plasma-mass spectrometry (AEC-ICP-MS)[J]. J Anal At Spectrom，2005，20：993-995.

[13] Martinez-Bravo Y, Roig-Navarro A F ,Lopez F J, et al. Multielemental determination of arsenic, selenium and chromium(VI) species in water by high-performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry[J].J Chromatogr A，2001，926：265-274.