離子色譜法在降水轉化和再循環背景下水體常見陰離子測定中的應用

劉婉清

內蒙古自治區烏海市氣象局，內蒙古烏海 016000

現如今，化肥和農藥被廣泛應用于農業生產過程中，其中含有砷元素的化肥較為常見。砷與磷的化學性質相似，可以形成氫化物，具有極強烈的毒性，在化肥的使用過程中通過水、土壤、植物、大氣等方式在環境中存在，給人類健康帶來隱患。砷是I類致癌物，為無閾化合物，即所有大于0的劑量都可誘發致癌反應[1]。美國疾病控制中心（CDC）和癌癥研究機構（IARC）將砷定義為第一類致癌物，氯酸鹽定義為中等毒性化合物[2]，世界衛生組織（WHO）及《生活飲用水衛生標準》規定砷、氯酸鹽在飲用水中的限量分別是0.01、0.7 mg/L[3]。

砷的生物毒性與存在形態直接相關，其中無機砷是砷化物致畸、致癌的主因；毒性最強的屬三價砷，化學式為As2O3，俗名砒霜；而有機砷通常被認為是低毒性的。環境中的砷主要來源于天然礦藏和人類活動，煤礦燃燒、煤炭冶煉都能釋放出無機砷。2014年，生態環境部和自然資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》指出砷是土壤中主要超標污染物之一[4]。砷污染防治的首要環節是砷污染的識別，因此，砷測定方法的研究對于砷污染的識別及治理意義重大?；谀壳笆忻嫔陷^為常見的測定方法，綜合選擇成本低廉、樣品前處理程序簡單，儀器設備操作相對容易，穩定度高、測定結果準確的方法，為今后的農田土壤、湖泊沉積物中砷元素的測定提供理論依據[5]。

1 材料與方法

1.1 儀器和色譜分離條件

型號為Dionex ICS90離子色譜儀；Neofuge 15R Heal Force 離心機；AS9-HC型陰離子分析柱(250 mm×4 mm)；AS9-HC 型保護柱(50 mm×4 mm)；50 mmol硫酸抑制器再生液；手動進樣閥，進樣體積：50 μL；固定流速：1.0 mL/min；電導檢測靈敏度3.2 μg/cm。

1.2 試劑及標準溶液的配制

NaOH、Na2CO3、NaHCO3、NaF、NaCl、Na2HPO4、NaNO3、Na2SO4、KBr、NaNO2均為優級純試劑；1 000 mg/L的As(Ⅴ)和As(Ⅲ)購于國家標準物質中心；混纖維0.45 μm的濾膜；標準儲備液為100 μg/mL，用去離子水稀釋后使用(所有化學試劑，分析前均先過濾除去顆粒后再用)。

為避免堵塞保護柱，所有水樣需用0.45 μm的濾膜過濾，濾膜應當及時更換(不超過3個水樣)淋洗液在配制時需在超聲振動器中震動20 min，也需經過0.45 μm的濾膜過濾。透明聚乙烯一次性針管、各種規格的玻璃移液管、容量瓶、燒杯等均去漬洗凈，置放于硝酸質量比為10%的酸缸中24 h后用去離子水潤洗干凈待用。

1.3 水樣預處理

1.3.1 標準溶液的配制用移液管準確移取1000 mg/L的As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的標準溶液10 mL分別定容到100 mL的干凈容量瓶中，配制成濃度為100 mg/L的As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的標準溶液待用。配制混合標準溶液時，先準確稱取NaF、NaCl、Na2HPO4、NaNO3、Na2SO4、KBr、NaNO2(如按配制1 L計算，則稱取量依次為0.221、0.165、0.5、0.1488、0.1472、0.1478、0.148 g)分 別配制成F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、HPO42-、SO42-濃度均為100 mg/L的貯存液。使用時，依次逐量移取上述貯存液于100 mL容量瓶中，用去離子水稀釋至刻度，配制成混合標準溶液待用。表1為本實驗混合標準溶液的濃度梯度。

表1 F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、AsO43-、HPO42-、SO42-標準溶液的濃度梯度

表2 F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、AsO43-、HPO42-、SO42- 保留時間 min

1.3.2 水樣的處理及檢測水樣于8 000 r/min轉速的離心機中離心10 min，取其上清液經0.45 μm濾膜過濾后，用一次性針管手動進樣，進行色譜分析，可以測得除亞砷酸根外其他陰離子含量。對亞砷酸根的測量采取氧化差減法：取一份亞砷酸根的水樣100 mL，加入1 mL 30%的雙氧水放置2 h后超聲20 min進樣分析，采用差減法測試亞砷酸根的含量(檢測結果在表4中列出)。

2 結果與分析

2.1 淋洗液的選擇對結果的影響

淋洗液是影響保留時間的重要因素，樣品的離子強度越強，保留時間隨之越長。在常見陰離子F-、Cl-、NO2-和Br-等陰離子存在下測定AsO43-，若色譜柱固定，則需要選擇適宜的淋洗液和淋洗條件。As(Ⅴ)在不同pH值的條件下，有H2AsO4-、HAsO42-和AsO43-幾 種形態，堿性越強，保留時間越長。這樣在不同的色譜條件下，As(Ⅴ)有時是強保留，有時是弱保留。故而合理選擇淋洗液對測定As(Ⅴ)十分重要。

型號為ICS-90額離子色譜默認淋洗液為9 mmol的NaCO3溶液，但砷酸根在該淋洗條件下與其他陰離子完全重合，無法辨別，為延長各陰離子的出峰時間，以便于砷酸根的測量，選取3.5 mmol Na2CO3淋洗液，砷酸根的峰形仍不明顯。而最常見的淋洗液組分分別為Na2CO3+NaOH、Na2CO3+NaHCO3、Na2CO3+NaOH+NaHCO3等3種組分的淋洗液。本實驗將分別為各不同濃度的淋洗液對砷酸根的保留時間作了對比，表3中列出在不同淋洗液條件下As(Ⅴ)及其他常見陰離子的保留時間。

表3 陰離子的線性，精密度及檢測限

綜上得出：As(Ⅴ)在不同組分的條件下，賦存形態各異，AsO43-因質子化會出現多種峰，與其他陰離子峰形重疊，干擾試驗分析。當選用3.5 mmol的Na2CO3作淋洗液時，HPO42-出峰時間滯后，AsO43-與NO3-峰形重疊。選用Na2CO3/NaHCO3作淋洗液，各項陰離子整體出峰時間延后，且AsO43-與NO3-出峰時間幾乎一致，峰形不理想難以準確分離；而選用組分為Na2CO3、NaHCO3或NaOH的淋洗液時，AsO43-與NO3-峰形仍有黏連。選用Na2CO3或NaOH作淋洗液可避免AsO43-質子化出現的重疊峰，使得每個陰離子出峰時間各不相同，固定流速為1.0 mL/min，進樣體積50 μL。以不同濃度的流動相進行試驗，結果表明，選用的Na2CO3濃度為7.2 mmol時，砷酸根的出峰時間為10.020 min，與NO3-的出峰時間接近，峰形重疊，故棄去不用。而隨著淋洗液中Na2CO3濃度的增大，各陰離子出峰時間總體提前，且水的副峰值隨之增大。因此，淋洗液為2.0 mmol的2.0 mmol/L Na2CO3+2.0 mmol/L NaOH為最合適的淋洗液，這與朱巖等[6]的測定結果一致。

2.2 氧化劑的選擇

在H2O2-MnO2氧化體系中，MnO2起催化作用，容易帶入雜質離子，不利于測定。王水氧化法效率較高，但是樣品中存在大量的Cl-和NO3-，為縮短反應時間，提高效率，選用30%的雙氧水做氧化劑，經超聲、過濾處理后進樣分析，利用差減法測試亞砷酸根的含量。配制溶液時，在As(Ⅲ)中加入0.5～2 mL的30%的雙氧水，氧化2 h后，As(Ⅲ)的氧化率為95%，氧化4 h后，氧化完全。

2.3 方法的線性，精密度及檢測限

以濃度為0.2、1、2、5、10 mg/L配制系列陰離子混合標準溶液，在優化色譜的條件下，測得各項陰離子的標準曲線R2均大于0.9990，相對標準偏差均小于5%，以2倍信噪比計算出最低檢測限在0.0542～0.0897 mg/L之間，采用峰高計算As(Ⅴ)，以峰高(cm)對應離子含量(mg/L)求得線性回歸方程為y=0.3538x+0.0817。連續7次進樣，計算出相對標準偏差＜1.53%。取濃度為2 mg/L的As(Ⅴ)5 mL，分別加入2、4、6、8、10 μg/L的As(Ⅴ)標樣進行加標回收，計算出回收率在92.0%～107.2%之間，同時用氫化物發生-原子吸收光譜法(HG-AAS)做對比測定，相對標準偏差＜1.88%。

2.4 樣品檢驗分析

取湖南農業大學實驗樓自來水水樣，經預處理后，采用標準加入回收法檢測，測試結果及回收率見表4。從測試結果看，大部分離子的回收率為91.79%～101.45%，滿足測試要求。

表4 水樣中陰離子的測定值及回收率

3 討論

本實驗中砷酸根及亞砷酸根等常見陰離子的測定相對穩定，前期處理方法簡單，樣品試劑成本較低。通過建立離子色譜測定水中的砷酸根及亞砷酸根等常見陰離子的方法體系，有利于排除實驗干擾，且該方法成本低廉，容易操作，準確度高。

然而，在測定的過程中，發現隨著淋洗液配比不同，型號為ICS90-A的離子色譜儀的各項陰離子整體出峰時間會隨之變化，時間最長的為Na2CO3+NaHCO3組合的淋洗液，測定時間最長甚至超過120 min，再加上前期的樣本處理，整體時間耗費過長，Na2CO3+NaOH+NaHCO3組合時間最短也有70 min，用離子色譜法測定陰離子還需要淋洗液配比的優化。目前，已有一些生物傳感器相對傳統的化學檢測方法，體現出更為簡便、快速、成本低的優點，同時也具有靈敏度高、準確性好、測定時間短、多元素同時測定等優點，是未來諸多領域測定砷元素的重要方向之一。