李林林，朱英存

蘇州科技大學環(huán)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(huán)境和土壤環(huán)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(fā)現(xiàn)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(tài)的砷具有不同的物理及化學性質(zhì)，特別是其毒性依賴于其化學形態(tài)，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(tài)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(jù)世界衛(wèi)生組織對于飲用水的相關規(guī)定，飲用水中總砷的限值為10 ng·mL-1，許多國家通過立法規(guī)定了此限值[2]?，F(xiàn)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(fā)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(tài)，只能測定總砷的含量，因而也無法準確地判斷其危害性。現(xiàn)用于砷元素形態(tài)分析的主要是聯(lián)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(tài)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(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-ICP-MS)是目前砷形態(tài)分析中應用最多的方法之一，高效液相色譜將不同形態(tài)的砷分離后再使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進行檢測[3-5]，該方法具有靈敏度高、檢出限低等優(yōu)點。目前離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用(IC-ICP-MS)技術[6-12]在元素形態(tài)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(zhì)譜聯(lián)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(diào)節(jié)到8.5)作為淋洗液，在8 min 之內(nèi)分離了植物油中6 種不同形態(tài)砷的化合物，6 種砷形態(tài)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(tài)在10 min 之內(nèi)完全分離。采用IC-ICP-MS 技術測定水體中的砷形態(tài)研究報道相對較少。

本研究建立了IC-ICP-MS 聯(lián)用技術測定水體中4種砷形態(tài)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(jié)出該方法對不同形態(tài)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(xiàn)性研究，該方法具有靈敏度高、線性范圍寬、準確性好等優(yōu)點，可以實現(xiàn)水體中不同形態(tài)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(zhì)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(tǒng)。

砷的4 種形態(tài)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，F(xiàn)luka 公司，99.9%)和二甲基砷酸(DMA，F(xiàn)luka 公司，99%)配制而成。As(III)、As(V)、DMA 和MMA 以及4 種形態(tài)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(zhì)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(tài)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(diào)節(jié)pH 至2.0 左右)，分析前將采集來的水樣用NaOH 調(diào)pH 至中性后，經(jīng)0.45 μm 膜(聚四氟乙烯，PTFE)過濾后直接進入色譜系統(tǒng)分析，以標準曲線法對樣品中的不同砷形態(tài)濃度進行定量。

水樣總砷的測定:水樣經(jīng)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(tài)標準溶液，然后進入色譜系統(tǒng)進行分析測定，加標回收率計算方法如下:

2 結(jié)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(zhì)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(tài)的分離效果，結(jié)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(tài)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(tài)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(qū)帶內(nèi)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(tài)的分離圖，4 種砷形態(tài)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(tài)的色譜分離圖Fig.1 Chromatogram of four arsenic species

表1 用于砷形態(tài)分析的不同聯(lián)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(nèi)使4 種砷形態(tài)得到較好的分離。表1 詳細比較了本方法與其他IC-ICP-MS 聯(lián)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(tài);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(nèi)可以實現(xiàn)4 種砷形態(tài)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(tài)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(yōu)化條件下測定了4 種砷形態(tài)的線性范圍和檢出限(以3倍信噪比計算)，結(jié)果如表2 所示。武鑠等[16]采用液相色譜-氫化物發(fā)生/原子熒光聯(lián)用技術分離測定了啤酒中4 種砷形態(tài)，4 種砷形態(tài)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(yōu)化的實驗條件下，使用IC-ICP-MS 聯(lián)用技術分析水中砷的形態(tài)，同時分析水樣中總砷的含量用以比較，結(jié)果見表3。從結(jié)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(tài)。深井地下水中砷的存在形態(tài)較為復雜，4 種砷形態(tài)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(tài)的測定結(jié)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(jié)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(tài)進行分離，利用ICP-MS 進行檢測，建立了ICICP-MS 聯(lián)用測定環(huán)境水體中As(III)、DMA、MMA和As(V)這4 種砷形態(tài)的分析方法。該方法檢測靈敏準確，4 種砷形態(tài)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(tài)分析具有較大的應用價值，對于研究水體中各種砷形態(tài)的遷移轉(zhuǎn)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(jié)果(n=6)Table 4 Results of recovery test for arsenic in real water samples(n=6)

[1] 但德忠.環(huán)境分析化學[M].北京:高等教育出版社,2009:248－251

[2] Kohlmeyer U,Jantzen E,Kuballa J,et al.Benefits of high resolution IC-ICP-MS for the routine analysis of inorganic and organic arsenic species in food products of marine and terrestrial origin[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry,2003,377(1):6－13

[3] 干寧,李榕生,李天華,等.高效液相色譜-氫化物發(fā)生-動態(tài)反應池-電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測廢水中4種砷形態(tài)[J].冶金分析,2009,29(4):14－19 Gan N,Li R S,Li T H,et al.Determination of four arsenic species in waste waters by high performance liquid chromatography-hydride generation-dynamic reaction cell-inductively coupled plasma mass spectrometry[J].Metallurgical Analysis,2009,29(4):14－19(in Chinese)

[4] 李衛(wèi)華,劉玉海.高效色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析海藻類海產(chǎn)品中砷的形態(tài)[J].分析試驗室,2012,31(8):74－78 Li W H,Liu Y H.Analysis of arsenic speciation in aglae by high performance chromatography coupled inductively coupled plasma-mass spectrometry[J].Chinese Journal of Analysis Laboratory,2012,31(8):74－78(in Chinese)

[5] 喻宏偉,陳春英,高愈希,等.高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析生物樣品中的硒的化學形態(tài)[J].分析化學,2006,34(6):749－753 Yu H W,Chen C Y,Gao Y X,et al.Chemical speciation analysis of selenium in biological samples by a hyphenated techniques of high performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry [J].Chinese Journal of Analytical Chemistry,2006,34(6):749－753(in Chinese)

[6] 荊淼,王征,李文龍,等.陰離子交換色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術用于面粉中溴形態(tài)分析[J].巖礦測試,2006,25(2):129－132 Jing M,Wang Z,Li W L,et al.Determination of traceand Br-in flour samples based on ion chromatography coupled with inductively coupled plasma-mass spectrometry[J].Rock and Mineral Analysis,2006,25(2):129－132(in Chinese)

[7] 蘇宇亮,吳杰,方黎,等.離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用法同時分析水中碘酸根和碘離子[J].給水排水,2008,34(7):29－31 Su Y L,Wu J,Fang L,et al.Analysis of iodate and iodine ion in water by ion chromatography(IC)coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS) [J].Water and Wastewater Engineering,2008,34(7):29－31(in Chinese)

[8] 張翼,徐自剛,姚琪,等.離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用測定不同形態(tài)碘元素[J].浙江大學學報:理學版,2009,36(4):439－441 Zhang Y,Xu Z G,Yao Q,et al.Determination of iodine species by ion chromatography with inductively coupled plasma mass spectrometry[J].Journal of Zhejiang University:Science Edition,2009,36(4):439－441(in Chinese)

[9] Chu Y L,Jiang S J.Speciation analysis of arsenic compounds in edible oil by ion chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2011,1218(31):5175－5179

[10] 黃紅霞.離子色譜分離-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用法測定肉類食品中無機砷[J].理化檢驗-化學分冊,2010,46(10):1122－1124 Huang H X.ICP-MS determination of inorganic arsenic in meat food with IC separation [J].Physical and Chemical Test-Chemical,2010,46(10):1122－1124(in Chinese)

[11] Tsai C Y,Jiang S J.Microwave-assisted extraction and ion chromatography dynamic reaction cell inductively coupled plasma mass spectrometry for the speciation analysis of arsenic and selenium in cereals[J].Analytical Sciences,2011,27(3):271－276

[12] 李衛(wèi)華,劉玉海.陰/陽離子交換色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析魚和貝類海產(chǎn)品砷的形態(tài)[J].分析化學,2011,39(10):1577－1581 Li W H,Liu Y H.Analysis of arsenic speciation in sea fish and shellfish by using anion/cation exchange high performance chromatography coupled with inductively coupled plasma-mass spectrometry[J].Chinese Journal of Analytical Chemistry,2011,39(10):1577－1581(in Chinese)

[13] Rahman M M,Chen Z L,Naidu R.Extraction of arsenic species in soils using microwave-assisted extraction detected by ion chromatography coupled to inductively coupled plasma mass spectrometry[J].Environmental Geochemistry and Health,2009,31(s1):93－102

[14] Conklin S D,Chen P E.Quantification of four arsenic species in fruit juices by ion-chromatography-inductively coupled plasma-mass spectrometry[J].Food Additives and Contaminants,2012,29(8):1272－1279

[15] Conklin Shockey N,Kubachka K,et al.Development of an ion chromatography inductively coupled plasma mass spectrometry method to determine inorganic arsenic in liver from chickens treated with roxarsone[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2012,60(37):9394－9404

[16] 武鑠,虞銳鵬,宋啟軍.液相色譜-氫化物發(fā)生/原子熒光法測定啤酒中砷的形態(tài)[J].分析科學學報,2011,27(5):591－594 Wu L,Yu R P,Song Q J.Determination of arsenic species in beer samples by liquid chromatography-hydride generation atomic fluorescence spectrometry[J].Journal of Analytical Science,2011,27(5):591－594(in Chinese)