LC-ICP-MS技術分析土壤中的砷形態(tài)

(武警黃金第五支隊，西安 710100)

1 引言

砷在大氣，土壤、植物和水等不同環(huán)境介質中廣泛存在[1]，而植物中的砷主要通過土壤-植物體系進行物質遷移轉換而獲得，并且通過食物鏈進入人體，危害人類身體健康。砷的毒性與其存在形態(tài)密切相關，不同形態(tài)存在的砷毒性差異非常顯著[2]。因此，土壤中砷形態(tài)的測定和分布研究對于研究砷在環(huán)境中的污染問題及其對人體健康的危害具有重要意義。

液相色譜技術可以用于分離非揮發(fā)、高沸點和熱不穩(wěn)定的化合物[3]。各種元素形態(tài)的定量測定通常采用液相色譜分離與各種元素檢測技術聯(lián)用的方式進行。電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)技術的發(fā)展為研究人員提供了一個靈敏度更高，檢出限更低的元素及同位素檢測手段。因此，有學者利用不同的淋洗劑和色譜柱與ICP-MS技術聯(lián)用，建立了樣品中砷形態(tài)的分析方法[4-10]。Beauchemin等[11]比較了不同色譜柱對角鯊的肌肉樣品進行砷形態(tài)測定的效果，發(fā)現(xiàn)使用陰離子交換柱的基體干擾少，而陽離子對法更適用于生物樣品中二甲基砷酸(DMA)和砷甜菜堿(AsB)的測定。Carioni等[12]采用LC-ICP-MS建立了尿液樣品中超痕量As形態(tài)的快速檢測方法，As形態(tài)檢出限范圍為0.003～0.051 ng/g。Jeong等[13]考察了C18反相萃取柱和不同洗脫液對As形態(tài)分離的效果，所建立的HPLC-ICP-MS方法可同時分析飲用水標準溶液中的6種砷形態(tài)，回收率在85.1%。

土壤中As的形態(tài)分析往往需要經(jīng)過繁瑣的預提取技術進行分離[14-17]。本文通過快速簡單的水浴提取方法可高效提取土壤中的As，采用氫化物發(fā)生原子熒光光譜法(HG-AFS)測定土壤中砷總量，并建立了液相色譜-電感耦合等離子體質譜(IC-ICP-MS)聯(lián)用測定土壤中As形態(tài)的方法。

2 實驗部分

2.1 主要試劑與溶液

所有化學試劑均為優(yōu)級純或色譜純，實驗用水為美國Labconco WaterPro PS 9000502型超純水機制備。砷形態(tài)標準溶液(GBW08666、GBW08667、GBW08668、GBW08669)均購于國家標準物質中心。砷標準儲備液(GSB G 62028-90，濃度1000μg/mL)，購于國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院。臨用時由砷標準儲備液用10%HCl逐級稀釋獲得砷標準工作液(10μg/L)。

硼氫化鉀溶液(15.0g/L，介質為2.0 g/L KOH)：稱取0.2g氫氧化鉀于盛有100mL超純水的燒杯中，玻璃棒攪拌待KOH完全溶解后再加入1.5g硼氫化鉀，攪拌溶解。此溶液當日配置，用于測定總砷。

硫脲和抗壞血酸混合溶液(50.0g/L)：稱取硫脲、抗壞血酸各5g,，用100mL超純水溶解，超聲10分鐘，當日配置。

2.2 樣品的預處理方法

稱取烘干后的樣品0.2000±0.0010g于50 mL離心管內，加入1mol/L的磷酸和0.5mol/L的抗壞血酸各10mL，于95°C水浴條件下提取1h。冷卻后將樣品離心管置于離心機內，以8000 r/min的轉速離心15min，取上層清液過0.45μm的濾膜，取過濾后的清液稀釋1倍待上機測試。

2.3 儀器及工作條件

離子色譜儀(DIONEX ICS-900，美國ThermoFisher公司)；電感耦合等離子體質譜儀(Agilent 7700x ICP-MS, 美國Agilent公司)；恒溫水浴鍋，離心機(TG16-WS，長沙湘智離心機有限公司)；AFS-9130原子熒光光度計(北京吉天儀器有限公司)。

分別選用IonPac AS19(250mm×4mm)色譜柱和Hamilton PRP-x100陰離子交換柱(150mm×4.6mm)進行As形態(tài)的分離富集，本研究將對兩根柱子的As形態(tài)分離效果進行詳細的探討。經(jīng)實驗條件優(yōu)化，前者的淋洗劑為25 mmol/L的KOH，以1.2 mL/min的流速進行洗脫，后者的淋洗劑為15mmol/L的(NH4)2HPO4，以1mL/min的速度進行洗脫。進樣方式均是利用1mL的注射器將樣品通過0.22μm的濾膜引入進樣系統(tǒng)，進樣量為20 μL。

儀器裝置連接簡圖如圖1所示，其中ICP-MS的工作參數(shù)：功率1450 W，載氣流量1.10 L/min，載氣(氬氣)純度99.99%，輔助氣流量0.9L/min，砷采集質量數(shù)75，采集時間分別為650s和550s。

圖1 LC-ICP-MS裝置簡圖

3 結果與討論

3.1 色譜柱的選擇

本研究分別采用IonPac AS19(250mm×4mm)色譜柱和Hamilton PRP-x100陰離子交換柱(150mm×4.6mm)兩種類型的分離柱來測定砷元素的形態(tài)。色譜柱AS19和PRP-x100分離混合標準溶液的出峰順序分別如圖2所示。

圖2 色譜柱的出峰順序示意圖

由圖2可以看出，在色譜柱AS19色譜柱中4種砷形態(tài)的出峰順序是：DMA，As(III)，MMA，As(V)，其保留時間分別為：140s，165s，195s和430s。在PRP-X 100色譜柱中四種砷形態(tài)的出峰順序是：As(III)，DMA，MMA和As(V)，其保留時間分別為：145s，165s，210s和425s。兩根色譜柱都可以將四種形態(tài)As在10min以內完全分離開。以上兩根柱子由于體系差別使得As(III)和DMA在出峰順序上略有不同，同時，AS19色譜柱的基線較PRP-X 100色譜柱的基線要低得多。

另外分別使用不同的基體配制50μg/mL的混合標準溶液(As(III)，DMA，MMA，As(V))來比較不同基體對出峰時間及出峰順序的影響，結果如圖3所示。

圖3 色譜柱的基體差異

實驗結果表明，對于同一根色譜柱，不同的基體對其分離效果影響不同。對于PRP-X 100色譜柱，不同的基體僅影響每一種物質的峰形，峰高等，出峰時間的錯位并不明顯。相較而言，AS19色譜柱中，樣品基體所配制的混合標準溶液并不能將As(III)I分離出來，但KOH基體及H2O基體可以將四種物質完全分離開來，并且峰形良好。這可能是由于AS19色譜柱更適用于中性及偏堿性的溶液分離，而樣品基體的pH偏酸性，并不能很好地將其分離開來。因此可以利用不同提取方法所獲得的提取溶液的酸堿度來探討其所適用的色譜柱。由此可見，對于本文所用的提取方法更適合用PRP-X 100色譜柱來進行砷形態(tài)分離。

3.2 方法的工作曲線

配制含有4種砷形態(tài)化合物的混合標準溶液，濃度分別為0.5、1、10、20、50μg/L，在優(yōu)化的分離條件下進行線性回歸實驗。以峰面積(y)對濃度(x)進行線性擬合得相關線性方程如表1?？芍?種砷的形態(tài)其線性擬合的相關系數(shù)(R)，除二甲基砷(DMA)的為0.9988之外，其他3種均>0.999，即本方法對4種砷形態(tài)的線性關系良好，可用于定量分析。

表1 方法的相關線性方程

3.3 分析方法準確性評價

選取國家標樣GBW0726(新疆北部)、GBW0729(長江平原區(qū))和GBW07533個土壤標準樣品，各做3個平行樣。按2.1的實驗方法對樣品進行處理，取已過濾的清液0.5mL于10mL離心管，加入1mL 50.0g/L硫脲和抗壞血酸混合溶液，用10% HCl稀釋至10 mL，搖勻放置1h后利用HG-AFS測定砷總量，計算該方法對砷的提取率(如表2所示)。

表2 標準物質中砷元素總量的測定結果 μg/g

表2中實驗結果表明，本方法獲得的3個標樣中As的測定值與參考值基本一致。砷元素的提取率從94.78%到102.97%。由此可見，該方法可以高效提取土壤中的各形態(tài)砷，大部分樣品的相對誤差小于6%，且3個標準物質平行樣的提取率均十分穩(wěn)定，RSD分別為4.52%、0.35%和2.58%。

本文同時對土壤和植物樣品進行了As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的加標回收實驗，進一步驗證分析方法的準確性，實驗結果如表3所示，結果表明方法的加標回收率均在94%～103%之間。

表3 土壤和植物樣品中砷形態(tài)的加標回收率

4 結論

(1)利用1mol/L磷酸和0.5mol/L抗壞血酸為提取劑可高效提取土壤中的砷，且提取效果十分穩(wěn)定。

(2)利用液相色譜-電感耦合等離子體質譜法(LC-ICP-MS)對砷形態(tài)分離條件進行實驗，實驗結果表明，在本文所采用的砷提取方法條件下，PRP-X 100陰離子色譜柱用于砷形態(tài)分離效果更佳。

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