高效液相色譜?電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)水中不同形態(tài)砷

辛?xí)詵|，胡 芳，張承曉，王明泉，孫韶華，賈瑞寶

山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，山東濟(jì)南250021

高效液相色譜?電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)水中不同形態(tài)砷

辛?xí)詵|，胡 芳，張承曉，王明泉，孫韶華，賈瑞寶

山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，山東濟(jì)南250021

采用高效液相色譜（HPLC）分離水中兩種常見的砷形態(tài)As（III）、As（V），電感耦合等離子體質(zhì)譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)鑒定，利用C8色譜柱，探討了甲醇含量、磷酸二氫鉀濃度、四丁基氫氧化銨濃度、pH等測(cè)試條件，由此建立了水中砷形態(tài)的分析方法。結(jié)果表明，以1.5 mmol／L磷酸二氫鉀、2 mmol／L四丁基氫氧化銨（TBAOH）、5%甲醇作為流動(dòng)相，調(diào)節(jié)流動(dòng)相為pH 5.5，流速為1.4 mL／min，上述兩種不同形態(tài)的砷可在5.5 min內(nèi)得以有效分離，As（III）、As（V）檢出限分別為0.001、0.01 μg／L，定量下限分別為0.005、0.03 μg／L。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中常見的不同形態(tài)砷（As（III）、As（V））的同時(shí)分析，具有靈敏度高、選擇性好、檢測(cè)速度快的特點(diǎn)，在水質(zhì)分析領(lǐng)域具有重要意義與應(yīng)用價(jià)值。

高效液相色譜；電感耦合等離子體質(zhì)譜；砷；形態(tài)分析

在自然界中，砷的存在主要包括砷酸根［As（V）］、亞砷酸根［As（Ⅲ）］、單甲基砷（MMA），雙甲基砷（DMA）等。研究表明，砷元素在環(huán)境和生態(tài)中的效應(yīng)并不取決于它的總水平，而是取決于它存在的形態(tài)。不同形態(tài)砷的毒性效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)有較大差異，其中As（III）毒性最大，As（V）次之，雙甲基砷毒性最?。?］。因此，砷的形態(tài)分析評(píng)估愈來(lái)愈受到重視［2?3］。在水體中，砷主要以As（III）、As（V）的形式存在。中國(guó)的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)砷的總量提出了限值要求，未出臺(tái)水中砷形態(tài)分析的限值要求及標(biāo)準(zhǔn)方法。

為了對(duì)不同形態(tài)砷分別進(jìn)行檢測(cè)，一般采用高效液相色譜法（HPLC）或者微柱系統(tǒng)將不同形態(tài)砷分離后再連接到紫外光譜（UV）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP?MS）、石墨爐原子吸收（GF?AAS）、原子熒光（AFS）等檢測(cè)器進(jìn)行分析［4?10］。紫外光譜法靈敏度不高，石墨爐原子吸收法檢測(cè)時(shí)需要加入反應(yīng)試劑，造成前處理步驟繁瑣耗時(shí)；原子熒光法雖然是常見的檢測(cè)砷的方法，但檢測(cè)靈敏度不及電感耦合等離子體質(zhì)譜法。

因此，該研究利用高效液相色譜分離水中2種常見的砷形態(tài)［As（III）、As（V）］，電感耦合等離子體質(zhì)譜系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)鑒定，探討了最佳測(cè)試條件，由此建立了水中砷形態(tài)的分析方法。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中常見的不同形態(tài)砷［As（III）、As（V）］的同時(shí)分析，具有靈敏度高、選擇性好、檢測(cè)速度快的特點(diǎn)，在水質(zhì)分析領(lǐng)域具有重要意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器及工作參數(shù)

NexIon 300x電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國(guó)），F(xiàn)lexar高效液相色譜分離系統(tǒng)（美國(guó)），Mill?iQ超純水機(jī)（美國(guó)），C8色譜柱（3 μm×3 cm）。

1.2 試劑及溶液配制

四丁基氫氧化銨（TBAOH，1 mol／L），磷酸二氫鉀（分析純），甲醇（色譜純），As（V）貯備液（17.48 mg／L，以As計(jì)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院），As（III）貯備液（75.82 mg／L，以As計(jì)，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院），實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

流動(dòng)相（1.5 mmol／L磷酸二氫鉀，2 mmol／L四丁基氫氧化銨，5%甲醇，pH 5.5）：取1.00 mL TBAOH、0.205 4 g磷酸二氫鉀于1 000 mL容量瓶中，加入50 mL甲醇，用氨水、硝酸調(diào)節(jié)pH＝5.5，用超純水稀釋至刻度。

As（V）、As（III）的標(biāo)準(zhǔn)母液：準(zhǔn)確量取1.0 mL As（V）的貯備液于10 mL容量瓶中，用超純水稀釋至刻度，得到1 748 μg／L As（V）標(biāo)準(zhǔn)母液；準(zhǔn)確量取1.0 mL As（III）的貯備液于10 mL容量瓶中，用超純水稀釋至刻度，得到7 582 μg／L As（III）標(biāo)準(zhǔn)母液。

As（V）、As（III）的混合標(biāo)準(zhǔn)使用液：準(zhǔn)確量取1.0 mL As（V）標(biāo)準(zhǔn)母液、0.2 mL As（III）標(biāo)準(zhǔn)母液于10 mL容量瓶中，用流動(dòng)相稀釋至刻度，得到174.8 μg／L As（V）、151.6 μg／L As（III）的混合標(biāo)準(zhǔn)使用液。

As（V）、As（III）混標(biāo)系列：用流動(dòng)相稀釋混合標(biāo)準(zhǔn)使用液，得到標(biāo)準(zhǔn)系列。

1.3 儀器工作條件

液相色譜分離系統(tǒng)以2 mmol／L TBAOH、1.5 mmol／L KH2PO4、5%MeOH作為液相色譜的流動(dòng)相，用HNO3、NH4OH調(diào)節(jié)流動(dòng)相pH＝5.5左右，流速為1.4 mL／min，進(jìn)樣量50 μL。

ICP?MS采用標(biāo)準(zhǔn)模式，Rpq 0.25，積分時(shí)間250 ms，分析時(shí)間5 min，As（III）、As（V）保留時(shí)間分別為0.33 s、3.47 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)相的優(yōu)化

由于分析的砷均以陰離子形式存在，會(huì)和加入的離子對(duì)試劑形成非極性的離子對(duì)，在C8的管柱中有不同程度的吸附而無(wú)法達(dá)到分離效果，故采用四丁基銨鹽（Bu4N＋）作為離子對(duì)試劑。而與Bu4N＋結(jié)合的陰離子會(huì)影響不同形態(tài)砷的保留時(shí)間，比較使用溴離子、硫酸根、氫氧根的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用氫氧根的四丁基銨鹽有較佳的分離效果，因此選用四丁基氫氧化銨（TBAOH）作為離子對(duì)試劑。

2.1.1 甲醇含量的優(yōu)化

增加流動(dòng)相中甲醇含量可以降低流動(dòng)相的極性，使得離子對(duì)在管柱的保留時(shí)間減少，但過量的甲醇會(huì)使電流不穩(wěn)定。在 pH＝5.5的流動(dòng)相（1 mmol／L TBAOH，1 mmol KH2PO4）中，改變甲醇含量，檢測(cè)HPLC對(duì)As（III）、As（V）的分離情況。由圖1可知，流動(dòng)相中甲醇體積分?jǐn)?shù)的增加，會(huì)使分析物保留時(shí)間減少，當(dāng)甲醇體積分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)，分析物保留時(shí)間基本不再變化，甲醇體積分?jǐn)?shù)過高會(huì)導(dǎo)致儀器點(diǎn)火失敗。故選擇甲醇體積分?jǐn)?shù)為5%（圖1）。

圖1 流動(dòng)相中甲醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)As（III）、As（V）保留時(shí)間的影響

2.1.2 離子對(duì)試劑濃度

增加TBAOH的濃度會(huì)增加TBAOH和離子對(duì)競(jìng)爭(zhēng)吸附在固定相的機(jī)會(huì)，使得離子對(duì)吸附在固定相的比率減少，保留時(shí)間縮短。但同時(shí)也會(huì)增加砷和TBA＋結(jié)合成離子對(duì)的機(jī)會(huì)，增加保留時(shí)間，此兩者為競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)。配制TBAOH濃度分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 mmol／L的流動(dòng)相，對(duì)比2種價(jià)態(tài)砷的保留時(shí)間。圖2顯示，流動(dòng)相中的TBAOH濃度在2 mmol／L以上，保留時(shí)間改變不明顯，因此，選擇TBAOH濃度為2 mmol／L。

圖2 流動(dòng)相中TBAOH對(duì)As（III）、As（V）保留時(shí)間的影響

2.1.3 磷酸二氫鉀濃度對(duì)分離的影響

如圖3所示，在流動(dòng)相中添加磷酸二氫鉀能增加流動(dòng)相的離子強(qiáng)度，并增強(qiáng)與砷競(jìng)爭(zhēng)和固定相的作用力，使砷的保留時(shí)間減少。但過多的磷酸二氫鉀又會(huì)使砷的分離程度變差。為了能在最短時(shí)間內(nèi)將砷物種有效分離，磷酸二氫鉀濃度選擇為1.5 mmol／L。

圖3 流動(dòng)相中磷酸二氫鉀對(duì)As（III）、As（V）保留時(shí)間的影響

2.1.4 pH對(duì)分離的影響

流動(dòng)相pH的改變對(duì)砷物種保留時(shí)間、出峰效果影響差別很大。pH在5～6時(shí)，2種形態(tài)砷的峰形較好，無(wú)拖尾現(xiàn)象。pH小于4或大于7時(shí)，無(wú)法形成良好的峰形，甚至無(wú)明顯現(xiàn)象。優(yōu)化pH后確定該流動(dòng)相的最佳pH為5.5，見圖4。

圖4 流動(dòng)相pH對(duì)As（III）、As（V）保留時(shí)間的影響

2.2 線性關(guān)系與檢出限

以流動(dòng)相配制一系列不同濃度的As（III）、As（V）混合標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，以各目標(biāo)化合物的峰面積（y）對(duì)目標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度（x）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，目標(biāo)物信號(hào)強(qiáng)度在0.01～150 μg／L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r2）均不低于0.999。以信噪比 S／N＝3作為儀器的檢出限（LOD），S／N＝10作為儀器的定量下限（LOQ），結(jié)合樣品前處理的稀釋倍數(shù)計(jì)算得到As（III）、As（V）的檢出限分別為0.001、0.01 μg／L，定量下限分別為0.005、0.03 μg／L。圖5為2種形態(tài)砷的色譜圖，均實(shí)現(xiàn)了基線分離。配制不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)系列，在分析系統(tǒng)中所得到的As（III）、As（V）工作曲線如圖6所示。

圖5 2種形態(tài)砷的色譜圖

圖6 2種形態(tài)砷工作曲線

2.3 準(zhǔn)確度與精密度

為評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確度，分別采用流動(dòng)相、實(shí)際水樣進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，并以多次測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）評(píng)價(jià)方法的精密度。計(jì)算回收率結(jié)果時(shí)扣除樣品的本底值，在空白基質(zhì)中分別添加低、中、高3個(gè)水平的目標(biāo)分析物，每個(gè)加標(biāo)水平重復(fù)測(cè)定7次，計(jì)算平均加標(biāo)回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

流動(dòng)相加標(biāo)回收結(jié)果如表1所示。由表1的結(jié)果可知，As（III）、As（V）的回收率分別為91.2%～103.6%、92.6% ～94.7%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.7%～6.5%、3.4%～7.3%。

表1 不同價(jià)態(tài)砷的回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

對(duì)水源水、供水水廠出廠水（除氯后）、管網(wǎng)水（除氯后）進(jìn)行加標(biāo)測(cè)定，結(jié)果如表2所示，As（III）、As（V）回收率分別為105.6% ～108.2%、91.3%～107.3%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為5.8% ～8.3%、6.9% ～9.4%。加標(biāo)結(jié)果表明，該方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，可適用于水源水中無(wú)機(jī)砷形態(tài)分析。

表2 不同價(jià)態(tài)砷的回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（加標(biāo)質(zhì)量濃度20 μg／L） %

2.4 實(shí)際水樣測(cè)定

實(shí)際樣品的采集應(yīng)選擇使用塑料材質(zhì)的采樣器皿，運(yùn)輸過程中應(yīng)避光。采集后應(yīng)立刻測(cè)定，如無(wú)法立刻測(cè)定，則需將水樣置于4℃冰箱中避光保存。

將建立的方法應(yīng)用于濟(jì)南市4個(gè)水庫(kù)中水樣的測(cè)定，于2013年5—8月連續(xù)測(cè)定4次，結(jié)果如表3所示。說(shuō)明各水庫(kù)中的砷主要以五價(jià)砷的形式存在，其毒性小于As（III），但仍需持續(xù)關(guān)注。

表3 實(shí)際水樣測(cè)定結(jié)果 mg／L

3 結(jié)論

采用HPLC?ICP?MS實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中As（III）、As（V）的分離與測(cè)定。在進(jìn)行真實(shí)樣品分析時(shí)，可以定量檢測(cè)水樣中各種主要砷形態(tài)。上述2種不同形態(tài)的砷可在5.5 min內(nèi)得以有效分離，As（III）、As（V）檢出限分別為0.001、0.01 μg／L，定量下限分別為0.005、0.03 μg／L。該方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，靈敏度高，在環(huán)境水體中各種致毒元素形態(tài)分析中有良好應(yīng)用前景。

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Fractionation of Arsenic in Water Samples by High Performance Liquid Chromatography?Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

XIN Xiao?dong，HU Fang，ZHANG Cheng?xiao，WANG Ming?quan，SUN Shao?hua，JIA Rui?bao
Urban Water Monitoring Centre of Shandong Province，Ji’nan 250021，China

A new method for determination of different species of arsenic in water samples was established by high performance liquid chromatography（HPLC）separation followed by inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP?MS）.Based on C8chromatographic column，pH and concentrations of methanol，KH2PO4and tetrabutyl ammonium hydroxide were optimized.The results showed that As（III）and As（V）can be separated with 1.5 mmol／L KH2PO4，2 mmol／L tetrabutyl ammonium hydroxide（TBAOH）and 5%methanol as mobile phase under pH 5.5.The detection limits of As（III）and As（V）were 0.001 μg／L and 0.01 μg／L respectively.This method showed high sensitivity，good selectivity and rapid testing speed.In the field of water quality analysis，it was of great significance and application value.

high performance liquid chromatography；inductively coupled plasma mass spectrometry；arsenic；speciation analysis

X832.02

A

1002?6002（2014）06?0159?04

2013?10?23；

2014?02?20

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“南水北調(diào)山東受水區(qū)飲用水安全保障技術(shù)研究與綜合示范”課題（2012ZX07404?003）；“飲用水安全保障技術(shù)”泰山學(xué)者建設(shè)工程專項(xiàng)（ts200640025）

辛?xí)詵|（1985?），女，山東濟(jì)南人，碩士，工程師.

賈瑞寶