環(huán)境中鉛化學(xué)形態(tài)分析研究進(jìn)展

許秀艷　譚麗　鄭曉燕　于海斌　陳燁　呂怡兵

摘要：鉛是對人類和高等生物最具危害的有毒金屬之一，其毒性與化學(xué)形態(tài)密切相關(guān)。環(huán)境介質(zhì)中鉛的化學(xué)形態(tài)監(jiān)測分析主要包含樣品的采集、保存、前處理、分離和測定等步驟。該文綜合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，系統(tǒng)介紹環(huán)境介質(zhì)中鉛化學(xué)形態(tài)監(jiān)測分析的相關(guān)技術(shù)和方法，并闡述我國開展鉛化學(xué)形態(tài)監(jiān)測存在的問題及其意義。

關(guān)鍵詞：鉛；形態(tài)分析；研究進(jìn)展

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）01-0040-06

0引言

隨著人類活動及現(xiàn)代工業(yè)、交通業(yè)的發(fā)展，幾乎在地球上的每個角落都能檢測出鉛。礦山開采、金屬冶煉、汽車廢氣、燃煤、油漆、涂料、化妝品以及電子廢品等都是環(huán)境中鉛的主要來源。

自然界中的鉛會不斷遷移、轉(zhuǎn)化，因而有多種存在形態(tài)。不同形態(tài)、價態(tài)的鉛，其毒性差異很大。Creme通過研究，給出了不用形態(tài)鉛化合物對老鼠的毒性作用，如表1所示。

作為廣泛使用的汽油抗爆劑，四烷基鉛中的四甲基鉛、四乙基鉛是最主要的鉛污染源。汽油在燃燒過程中，鉛會隨著汽車尾氣直接排入大氣，污染環(huán)境。有機鉛進(jìn)入人體后，最突出的特點是在人體軟組織停留時間較長，通過各器官的吸收，可觸發(fā)癌變。人體內(nèi)過量沉積鉛將導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)的破壞和智力的明顯下降問。Bouton等采用基因芯片技術(shù)通過鉛暴露情況下星形膠質(zhì)細(xì)胞的基因表達(dá)深入研究了鉛的毒害作用。日本、美國分別于1987年和1996年實現(xiàn)了汽油無鉛化。我國也在2000年開始分階段、分地區(qū)逐步實施汽油無鉛化，規(guī)定汽油中鉛質(zhì)量濃度<0.005g/L。有機鉛化合物具有熱不穩(wěn)定性，其轉(zhuǎn)化規(guī)律一般是：由四甲基鉛轉(zhuǎn)化為三甲基鉛，繼而轉(zhuǎn)化為二甲基鉛和一甲基鉛，最終轉(zhuǎn)化為無機鉛。四乙基鉛是劇毒物質(zhì)，毒性比無機鉛大100倍。四乙基鉛的致毒機理尚不十分清楚，目前認(rèn)為主要是由分解產(chǎn)物三乙基鉛引起，而且三乙基鉛的毒性比四乙基鉛大100倍，相比而言，四甲基鉛急性毒性較四乙基鉛低。

為了全面評估鉛對環(huán)境和健康的影響，對各種鉛形態(tài)進(jìn)行分析測定對于預(yù)測鉛的環(huán)境污染，以及采取有效措施避免污染，具有重要的現(xiàn)實意義。目前，我國對環(huán)境中有機鉛形態(tài)的監(jiān)測也僅限于四乙基鉛，GB 3838

2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》將四乙基鉛列為特定項目之一，標(biāo)準(zhǔn)限值為0.1μg/L。同時，該標(biāo)準(zhǔn)推薦采用GB/T 5750.6——2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》中的雙硫腙目視比色法測定四乙基鉛，該方法需使用高揮發(fā)性的純溴和劇毒試劑氰化鉀，而且操作繁瑣、易受干擾、檢測靈敏度低，不能滿足實際監(jiān)測需要。如何準(zhǔn)確、便捷地檢測水體中的低濃度四乙基鉛以滿足實際監(jiān)測需要，依然是環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的一個重要研究方向。

鉛的化學(xué)形態(tài)分析主要是分析和測定樣品中鉛的無機態(tài)離子和有機態(tài)絡(luò)合物的質(zhì)量濃度，所以要求測試方法靈敏度高、專一性強，而且在分析過程中還要盡量避免原有的形態(tài)平衡被破壞。目前主要是結(jié)合萃取分離和富集技術(shù)，再聯(lián)用高靈敏度檢測儀進(jìn)行鉛形態(tài)的測定。

本文綜合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，系統(tǒng)介紹了環(huán)境介質(zhì)中鉛化學(xué)形態(tài)分析樣品的采集、保存、前處理和測試技術(shù)，闡述我國開展鉛化學(xué)形態(tài)監(jiān)測存在的問題及其意義。

1用于鉛形態(tài)分析的環(huán)境樣品的采集和保存

在鉛化學(xué)形態(tài)的研究中，穩(wěn)定性是關(guān)鍵問題。在樣品保存過程中，因吸附或揮發(fā)等原因造成損失或發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)變，很可能影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至得出錯誤的結(jié)論。因此，樣品的采集和貯存方法對于鉛的形態(tài)分析極為重要，如何使不同形態(tài)的鉛化合物在分析測定前保持原有的存在形式和形態(tài)是鉛形態(tài)監(jiān)測分析需首要解決的問題。

1.1水樣的采集和保存

水中四乙基鉛的溶解度不高，在強光照射下會逐步分解成無機鉛，故應(yīng)用棕色玻璃瓶采集樣品，采樣時不得留有頂上空間和氣泡，水樣采集后應(yīng)盡快萃取分析，若不能及時分析，應(yīng)在4℃冰箱中避光保存，但保存時間不能超過7d。

1.2土壤樣品的采集和保存

采樣鏟采集土壤，裝入塑料袋中密封，陰涼干燥處保存，自然風(fēng)干。也可參照Quevauviller等采集保存城市灰塵的方法，將樣品采回實驗室后，過500μm篩去除大塊的雜物，然后自然風(fēng)干4～5d。經(jīng)球磨機球磨3min后，進(jìn)一步過80μm篩。取約600g過篩后的樣品置于1kg的玻璃罐中冷凍干燥20h以確保樣品的均勻穩(wěn)定。

1.3沉積物樣品的采集和保存

采集湖水、水庫等深水中沉積物，一般采用沖擊式采樣器采集，樣品在實驗室內(nèi)離心脫水后，置于冰箱內(nèi)冷凍保存。樣品采用陰涼通風(fēng)處風(fēng)干或冷凍干燥。

鉛化學(xué)形態(tài)分析的相關(guān)文獻(xiàn)，以分析測定技術(shù)的文獻(xiàn)居多，而涉及樣品采集和保存環(huán)節(jié)的文獻(xiàn)寥寥可數(shù)，還很不全面。樣品采集和保存方法的完善是實現(xiàn)鉛化學(xué)形態(tài)監(jiān)測分析的一個重要環(huán)節(jié)，因此，對于鉛化學(xué)形態(tài)穩(wěn)定性的各類影響因素的研究還有待加強，如樣品保存器皿的材質(zhì)、保存溫度、保存時間以及樣品的pH值等。

2分析鉛形態(tài)的環(huán)境樣品的前處理技術(shù)

環(huán)境樣品一般基體復(fù)雜、干擾嚴(yán)重，而且鉛的含量很低，一般在mg/L～μg/L水平，甚至達(dá)到ng/L，無法直接分析測定，需要采用物理或化學(xué)方法對環(huán)境樣品進(jìn)行分離和富集。從某種意義上來講，提取與富集的方法是否有效，決定了測定結(jié)果的可靠性。傳統(tǒng)方法有液液萃取、吸附和蒸餾等。近些年來，新的方法不斷涌出，如固相萃取、固相微萃取和微波萃取等，并且獲得越來越多的應(yīng)用。

2.1液液萃取

四乙基鉛的有機物特性使得可以采用經(jīng)典的液液萃取方法進(jìn)行分離富集。文獻(xiàn)中多使用三氯甲烷和二氯甲烷對水中四乙基鉛進(jìn)行多次萃取，楊麗莉等根據(jù)四乙基鉛脂溶性強的特點，以二氯甲烷、乙酸乙酯、正己烷、環(huán)己烷等不同極性的溶劑進(jìn)行萃取試驗，結(jié)果表明，正己烷的萃取效果最好，而且毒性較小。

而對于離子烷基鉛，如采用液液萃取的方式，需經(jīng)衍生化過程轉(zhuǎn)化為四烷基鉛化物后再選用合適的溶劑進(jìn)行萃取。Bergmann等選擇四丁基硼酸四丁基銨作為衍生試劑，對水樣中的三甲基鉛、二甲基鉛、三乙基鉛、二乙基鉛和pb²⁺丁基化衍生后，再采用正己烷萃取2次。其中，水樣的pH值和衍生化試劑的質(zhì)量濃度是衍生效率的主要影響因素。當(dāng)pH<3時，由于四丁基硼酸的快速分解導(dǎo)致鉛化合物的衍生化不完全；當(dāng)pH>7時，有機鉛的衍生效率隨著pH的升高而降低甚至降為0，因此，衍生化的最佳條件為弱酸性。

2.2固相萃取

固相萃取（solid phase extraction，SPE）是目前萃取水中有機化合物應(yīng)用較多的一種分離富集技術(shù)，該方法也可用于分離環(huán)境樣品中的有機鉛化合物。填料是固相萃取技術(shù)的核心，選擇對有機鉛化合物具有適中吸附性的SPE柱填料是確保檢測準(zhǔn)確的前提，當(dāng)然，對同一種目標(biāo)物，也可以選擇不同的填料，但是要注意方法的調(diào)整。目前用于分析有機態(tài)鉛常用的吸附劑有C18相，硅膠和活性炭，C60富勒烯柱也陸續(xù)被研究使用。Baena等㈣給出了一種簡單的采用C60富勒烯柱固相萃取水環(huán)境樣品中鉛化合物的篩選方法。有機鉛和無機鉛化合物與二乙基二硫代氨基甲酸形成絡(luò)合物后吸附于C60富勒烯柱上。對于無機鉛絡(luò)合物，因具有較好的溶解性，采用異丁基甲基酮作為淋洗液可獲得較高的洗脫效率。而對于烷基鉛絡(luò)合物，采用正己烷作為淋洗液洗脫效率更高。如果C60富勒烯柱預(yù)先采用正己烷活化，采用異丁基甲基酮作為淋洗液亦可以達(dá)到較好的洗脫效果。

2.3固相微萃取

固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）是在固相萃取基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型萃取分離技術(shù)，因具有簡便快速、無污染等特點，一經(jīng)出現(xiàn)，就得到迅速發(fā)展。近幾年，SPME在金屬及有機金屬的形態(tài)分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，SPME的使用，降低了形態(tài)分析的檢出限，擴大了樣品的檢測范圍，表現(xiàn)出很強的發(fā)展?jié)摿Α浨俚冉⒘隧斂展滔辔⑤腿∨c氣相色譜質(zhì)譜（GCMS）聯(lián)用測定水樣中四甲基鉛和四乙基鉛的方法，研究發(fā)現(xiàn)：采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）萃取纖維頭測得的峰面積信號比采用聚丙烯酸脂（PA）萃取纖維頭測得的峰面積信號可提高約5倍，并且，當(dāng)水樣中添加50%的甲醇時萃取效率最高，四甲基鉛與四乙基鉛的檢出限分別為5.19，1.05μg/L。Maria等采用固相微萃取與原子吸收聯(lián)用技術(shù)測定了汽油和水中的四乙基鉛，方法簡單、重復(fù)性較好，5次平行測定質(zhì)量濃度為10ng/mL的四乙基鉛加標(biāo)樣品，RSD達(dá)到6%。

2.4微波萃取

微波萃取（microwave assisted extracfion，MAE）是指在微波能的作用下，用有機溶劑將樣品基體中的待測組分溶出的過程。早期用于無機樣品的分離，現(xiàn)在應(yīng)用范圍擴展到有機化合物。可用于土壤、沉積物和生物等樣品中有機鉛化合物的分離。Chen等開發(fā)了含有不同形態(tài)鉛化合物的貝類樣品的微波提取方法，把準(zhǔn)確稱量的0.5000g貝類干組織樣品置于30mL的聚四氟乙烯管中，加入10mL50%（v/v）的甲醇緩沖溶液（70mmol/LH₃BO₃和17.5mmol/LNa₂B₄O₇），蓋上蓋子旋緊放入微波萃取儀里，在70℃、400w的條件下提取5min，提取溶液降到室溫后通過0.22μxm微孔濾膜過濾分離，殘留物重復(fù)上述過程兩次，得到有機鉛提取溶液。剩余的殘留物使用10mL 0.5mol/L的乙酸在相同的實驗條件下微波輔助提取無機鉛化合物。合并有機鉛和無機鉛萃取液后氮吹至近干，使用少量運行緩沖液（pU=8.85，70mmol/LH₃BO₃，17.5mmol/La₂B₄O₇，0.4mmol/LCTAB和2%甲醇）稀釋定容。該微波提取方法有效，在不改變鉛形態(tài)的前提下，能夠高效地提取貝類中的痕量鉛化合物，pb²⁺、三甲基鉛和三乙基鉛的回收率為91%～104%，平行6次樣品測定，其RSD在5%以內(nèi)。

總之，傳統(tǒng)的鉛總量測定往往采用破壞性的樣品前處理方法，使用強酸或者強堿在高溫、高壓等條件下使樣品全部消解，然后進(jìn)行測定。但是鉛的形態(tài)分析既要將各種鉛形態(tài)化合物從復(fù)雜的基體中定量轉(zhuǎn)移出來，又不能引起形態(tài)上的轉(zhuǎn)化，因此相對鉛的總量分析處理，鉛形態(tài)分析的提取方法一般都較為溫和。3鉛形態(tài)分析的聯(lián)用分析技術(shù)

分光光度法易受干擾，選擇性差，檢出限在10^-6以上；電化學(xué)法的靈敏度和選擇性不高，無法定量萃取出所有的烷基鉛離子；氣相色譜法無法直接分析不易揮發(fā)且熱穩(wěn)定性差的二烷基鉛，對于熱穩(wěn)定性差且會與氣相色譜柱發(fā)生反應(yīng)的三烷基鉛以及強極性的無機鉛離子的分析更是無能為力。

到目前為止，用來分析鉛形態(tài)的主要分析技術(shù)都是基于分離技術(shù)和元素選擇性檢測器的聯(lián)用。其中，色譜分離與光譜檢測聯(lián)用技術(shù)既發(fā)揮了色譜法分離效果好，光譜檢測靈敏度高的優(yōu)點，又可以進(jìn)行元素形態(tài)分析，是形態(tài)分析技術(shù)領(lǐng)域的主流。主要包括色譜法與紫外可見分光光度法（UV）、原子吸收光譜法（AAS）、質(zhì)譜法（MS）、等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）的聯(lián)用等。另外，毛細(xì)管電泳用于形態(tài)分析也是一個重要的研究方向。

3.1氣相色譜聯(lián)用技術(shù)

揮發(fā)性和熱穩(wěn)定好的化合物適合用氣相色譜分離，離子烷基鉛和pb²⁺必需經(jīng)衍生轉(zhuǎn)化為易揮發(fā)的四烷基鉛化物，才能通過氣相色譜技術(shù)分離檢測。目前，采用格林試劑衍生鉛化合物非常有效，丙基化、丁基化和苯基化衍生都已成功用于氣相色譜分離鉛形態(tài)化合物。基于格林試劑的衍生，分析環(huán)境樣品中鉛化合物的研究已有許多報道。Bergmann等對水樣中的三甲基鉛、二甲基鉛、三乙基鉛、二乙基鉛和Pb²⁺丁基化衍生后經(jīng)正己烷萃取，以三甲基戊基鉛作為內(nèi)標(biāo)，采用GC-AAS對各鉛化物進(jìn)行了成功分析。Baena等用格林試劑衍生無機鉛、二烷基鉛和三烷基鉛，采用正己烷萃取后，通過GC-MS聯(lián)用分析檢測無機鉛、二烷基鉛和三烷基鉛，檢出限達(dá)到1～4ng/L，并成功用于雨水樣品的分析。Heisterkamp等建立了GC-AES聯(lián)用技術(shù)分析檢測水樣和泥炭樣品中有基鉛化合物的分析方法，該方法以四丁基硼酸四丁基銨作為衍生試劑，在pH值為4的醋酸/醋酸鈉緩沖液中，三甲基鉛、二甲基鉛、三乙基鉛和二乙基鉛生成丁基化衍生物后被正己烷萃取，與格林試劑的烷基化衍生效果相當(dāng)，檢出限達(dá)到ng/L水平。Yan等以丁基溴化鎂作為衍生試劑，以三丙基氯化鉛作為內(nèi)標(biāo)，建立了同時分析檢測多種汞和鉛化合物的GC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)，四甲基鉛、四乙基鉛、三甲基鉛和pb²⁺的方法檢出限（3σ）分別為0.07，0.06，0.04和7.0Pg/g。Gentineo采用四乙基硼酸鈉對三乙基鉛和三甲基鉛進(jìn)行衍生，頂空一固相微萃取有機鉛的乙基化衍生物后，GC-MS聯(lián)用檢測其含量，檢出限可達(dá)到ng/L水平。Leal-Rranadillo等用GC-ICP-MS方法測定大氣降塵中的烷基鉛時，各種形態(tài)的檢測結(jié)果分別為3.2fg/μL三甲基鉛，2.4fg/μL二甲基鉛，1.8fg/μL三乙基鉛，9fg/μL二乙基鉛，檢測限可達(dá)到pg/m³。