高效液相色譜?電感耦合等離子體質譜法測水中不同形態砷

辛曉東，胡 芳，張承曉，王明泉，孫韶華，賈瑞寶

山東省城市供排水水質監測中心，山東濟南250021

高效液相色譜?電感耦合等離子體質譜法測水中不同形態砷

辛曉東，胡 芳，張承曉，王明泉，孫韶華，賈瑞寶

山東省城市供排水水質監測中心，山東濟南250021

采用高效液相色譜（HPLC）分離水中兩種常見的砷形態As（III）、As（V），電感耦合等離子體質譜系統進行檢測鑒定，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等測試條件，由此建立了水中砷形態的分析方法。結果表明，以1.5 mmol／L磷酸二氫鉀、2 mmol／L四丁基氫氧化銨（TBAOH）、5%甲醇作為流動相，調節流動相為pH 5.5，流速為1.4 mL／min，上述兩種不同形態的砷可在5.5 min內得以有效分離，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。該方法實現了對水中常見的不同形態砷（As（III）、As（V））的同時分析，具有靈敏度高、選擇性好、檢測速度快的特點，在水質分析領域具有重要意義與應用價值。

高效液相色譜；電感耦合等離子體質譜；砷；形態分析

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，砷元素在環境和生態中的效應并不取決于它的總水平，而是取決于它存在的形態。不同形態砷的毒性效應、生態效應有較大差異，其中As（III）毒性最大，As（V）次之，雙甲基砷毒性最?。?］。因此，砷的形態分析評估愈來愈受到重視［2?3］。在水體中，砷主要以As（III）、As（V）的形式存在。中國的生活飲用水衛生標準僅對砷的總量提出了限值要求，未出臺水中砷形態分析的限值要求及標準方法。

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

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［As（III）、As（V）］，電感耦合等離子體質譜系統進行檢測鑒定，探討了最佳測試條件，由此建立了水中砷形態的分析方法。該方法實現了對水中常見的不同形態砷［As（III）、As（V）］的同時分析，具有靈敏度高、選擇性好、檢測速度快的特點，在水質分析領域具有重要意義與應用價值。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及工作參數

NexIon 300x電感耦合等離子體質譜儀（美國），Flexar高效液相色譜分離系統（美國），Mill?iQ超純水機（美國），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，中國計量科學研究院），As（III）貯備液（75.82 mg／L，以As計，中國計量科學研究院），實驗用水為超純水。

流動相（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、硝酸調節pH＝5.5，用超純水稀釋至刻度。

As（V）、As（III）的標準母液：準確量取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）標準母液；準確量取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）標準母液。

As（V）、As（III）的混合標準使用液：準確量取1.0 mL As（V）標準母液、0.2 mL As（III）標準母液于10 mL容量瓶中，用流動相稀釋至刻度，得到174.8 μg／L As（V）、151.6 μg／L As（III）的混合標準使用液。

As（V）、As（III）混標系列：用流動相稀釋混合標準使用液，得到標準系列。

1.3 儀器工作條件

液相色譜分離系統以2 mmol／L TBAOH、1.5 mmol／L KH2PO4、5%MeOH作為液相色譜的流動相，用HNO3、NH4OH調節流動相pH＝5.5左右，流速為1.4 mL／min，進樣量50 μL。

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

2 結果與討論

2.1 流動相的優化

由于分析的砷均以陰離子形式存在，會和加入的離子對試劑形成非極性的離子對，在C8的管柱中有不同程度的吸附而無法達到分離效果，故采用四丁基銨鹽（Bu4N＋）作為離子對試劑。而與Bu4N＋結合的陰離子會影響不同形態砷的保留時間，比較使用溴離子、硫酸根、氫氧根的結果發現，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）作為離子對試劑。

2.1.1 甲醇含量的優化

增加流動相中甲醇含量可以降低流動相的極性，使得離子對在管柱的保留時間減少，但過量的甲醇會使電流不穩定。在 pH＝5.5的流動相（1 mmol／L TBAOH，1 mmol KH2PO4）中，改變甲醇含量，檢測HPLC對As（III）、As（V）的分離情況。由圖1可知，流動相中甲醇體積分數的增加，會使分析物保留時間減少，當甲醇體積分數大于5%時，分析物保留時間基本不再變化，甲醇體積分數過高會導致儀器點火失敗。故選擇甲醇體積分數為5%（圖1）。

圖1 流動相中甲醇體積分數對As（III）、As（V）保留時間的影響

2.1.2 離子對試劑濃度

增加TBAOH的濃度會增加TBAOH和離子對競爭吸附在固定相的機會，使得離子對吸附在固定相的比率減少，保留時間縮短。但同時也會增加砷和TBA＋結合成離子對的機會，增加保留時間，此兩者為競爭性反應。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的流動相，對比2種價態砷的保留時間。圖2顯示，流動相中的TBAOH濃度在2 mmol／L以上，保留時間改變不明顯，因此，選擇TBAOH濃度為2 mmol／L。

圖2 流動相中TBAOH對As（III）、As（V）保留時間的影響

2.1.3 磷酸二氫鉀濃度對分離的影響

如圖3所示，在流動相中添加磷酸二氫鉀能增加流動相的離子強度，并增強與砷競爭和固定相的作用力，使砷的保留時間減少。但過多的磷酸二氫鉀又會使砷的分離程度變差。為了能在最短時間內將砷物種有效分離，磷酸二氫鉀濃度選擇為1.5 mmol／L。

圖3 流動相中磷酸二氫鉀對As（III）、As（V）保留時間的影響

2.1.4 pH對分離的影響

流動相pH的改變對砷物種保留時間、出峰效果影響差別很大。pH在5～6時，2種形態砷的峰形較好，無拖尾現象。pH小于4或大于7時，無法形成良好的峰形，甚至無明顯現象。優化pH后確定該流動相的最佳pH為5.5，見圖4。

圖4 流動相pH對As（III）、As（V）保留時間的影響

2.2 線性關系與檢出限

以流動相配制一系列不同濃度的As（III）、As（V）混合標準系列溶液，以各目標化合物的峰面積（y）對目標化合物的質量濃度（x）繪制標準曲線，目標物信號強度在0.01～150 μg／L范圍內呈良好的線性關系，相關系數（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），結合樣品前處理的稀釋倍數計算得到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種形態砷的色譜圖，均實現了基線分離。配制不同濃度的標準系列，在分析系統中所得到的As（III）、As（V）工作曲線如圖6所示。

圖5 2種形態砷的色譜圖

圖6 2種形態砷工作曲線

2.3 準確度與精密度

為評價方法的準確度，分別采用流動相、實際水樣進行加標回收實驗，并以多次測定結果的相對標準偏差（RSD）評價方法的精密度。計算回收率結果時扣除樣品的本底值，在空白基質中分別添加低、中、高3個水平的目標分析物，每個加標水平重復測定7次，計算平均加標回收率、相對標準偏差。

流動相加標回收結果如表1所示。由表1的結果可知，As（III）、As（V）的回收率分別為91.2%～103.6%、92.6% ～94.7%，相對標準偏差分別為3.7%～6.5%、3.4%～7.3%。

表1 不同價態砷的回收率和相對標準偏差 %

對水源水、供水水廠出廠水（除氯后）、管網水（除氯后）進行加標測定，結果如表2所示，As（III）、As（V）回收率分別為105.6% ～108.2%、91.3%～107.3%，相對標準偏差分別為5.8% ～8.3%、6.9% ～9.4%。加標結果表明，該方法具有良好的準確度和精密度，可適用于水源水中無機砷形態分析。

表2 不同價態砷的回收率和相對標準偏差（加標質量濃度20 μg／L） %

2.4 實際水樣測定

實際樣品的采集應選擇使用塑料材質的采樣器皿，運輸過程中應避光。采集后應立刻測定，如無法立刻測定，則需將水樣置于4℃冰箱中避光保存。

將建立的方法應用于濟南市4個水庫中水樣的測定，于2013年5—8月連續測定4次，結果如表3所示。說明各水庫中的砷主要以五價砷的形式存在，其毒性小于As（III），但仍需持續關注。

表3 實際水樣測定結果 mg／L

3 結論

采用HPLC?ICP?MS實現了對水中As（III）、As（V）的分離與測定。在進行真實樣品分析時，可以定量檢測水樣中各種主要砷形態。上述2種不同形態的砷可在5.5 min內得以有效分離，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確度和精密度，靈敏度高，在環境水體中各種致毒元素形態分析中有良好應用前景。

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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

國家水體污染控制與治理科技重大專項“南水北調山東受水區飲用水安全保障技術研究與綜合示范”課題（2012ZX07404?003）；“飲用水安全保障技術”泰山學者建設工程專項（ts200640025）

辛曉東（1985?），女，山東濟南人，碩士，工程師.

賈瑞寶