冷金慧，王立軍，劉 亮，高亞倩，林忠勝，王 華*

(1.大連海洋大學 水產(chǎn)與生命學院，遼寧 大連 116023；2.國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023；3.遼寧師范大學 化學化工學院，遼寧 大連 116029)

汞(Hg)是毒性最強的重金屬污染物之一，已被列為優(yōu)先控制污染物[1]。Hg主要以無機形式進入水環(huán)境，并可在水環(huán)境中轉(zhuǎn)化為毒性更強的甲基汞(MeHg)[2-3]。天然水體中MeHg的質(zhì)量濃度通常為0.02～0.10 ng·L-1[4]，對海水中MeHg進行測定時，由于海水鹽度高，成分復雜，且其中MeHg的含量相對更低，必須對樣品進行脫鹽和富集，對樣品前處理的要求更高，因此對海水中MeHg的準確測定仍是當前Hg形態(tài)分析的一個巨大挑戰(zhàn)[1]。目前，測定海水中MeHg通常采用蒸餾或溶劑萃取的樣品前處理方式，其中蒸餾法因回收率相對較高而最為常用[5]，也是美國環(huán)保署(EPA)的推薦方法[6]。但蒸餾法存在蒸餾時間過長、效率較低(3 h以上)[6]以及組分易損失[7]、操作產(chǎn)生甲基汞[4]等問題，影響MeHg分析的準確性。

近年來，電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)因靈敏度高、分析速度快、具備同位素分析能力等特點，在重金屬元素痕量分析中得到了廣泛應用，特別是在汞的形態(tài)分析和同位素組成分析中備受青睞[8-9]。由于采用同位素稀釋法(ID)基本可忽略樣品前處理過程中的回收率問題[7]，因此基于ICP-MS的同位素分析能力，采用氣相色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用(GC-ICP-MS)進行測定已成為痕量Hg形態(tài)分析的有效手段[10-11]。而全自動蒸餾是水和廢水中總氰化物、揮發(fā)酚等易揮發(fā)組分分析常用的樣品前處理方法[12]，與EPA1630方法中推薦的聚四氟乙烯蒸餾系統(tǒng)相比，全自動蒸餾系統(tǒng)具有設備簡單、蒸餾效率高、無需通氮吹掃等優(yōu)勢，但目前尚無用于海水中MeHg前處理的報道。

為提高海水中MeHg的蒸餾效率，本文采用全自動蒸餾儀對海水樣品進行前處理，并基于同位素稀釋/氣相色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用(ID/GC-ICP-MS)分析技術，建立了高效、準確、靈敏的海水中MeHg的分析方法，為進一步開展海洋環(huán)境中Hg的生物地球化學循環(huán)研究提供了支持。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7500ce，美國)；STEHDB-106-3/1全自動蒸餾儀(濟南盛泰科技有限公司)；手動吹掃捕集、裂解解吸及恒溫氣相色譜儀(Brooks Rand，美國)。

Me201Hg同位素稀釋劑(Applied Isotope Technologies，美國)；MeHg標準溶液(1 mg·L-1，Brooks Rand，美國)；1% NaBEt4溶液、2 mol·L-1HAc-NaAc緩沖液、0.2 mol·L-1BrCl溶液按文獻方法[6]配制。

1.2 儀器工作條件

吹掃捕集系統(tǒng)主要由硼硅玻璃反應瓶(200 mL)、氣體浮子流量計、Tenax富集管組成。Tenax富集管為100 mm×4 mm i.d.石英管，其中填充150 mg的Tenax TA作為吸收材料；裂解解吸系統(tǒng)通過0.5 mm的鉻鎳線圈進行加熱，吸附的乙基化汞物質(zhì)在200 ℃下從Tenax柱上解吸；氣相色譜柱為硅烷化的硅膠玻璃，內(nèi)徑為0.5 cm，長度為75 cm，填料為 15% OV-3 Chrom W-AW(DMCS)80/100，載氣為高純氬氣，流速為40 mL·min-1，GC柱溫為38 ℃。

GC與ICP-MS聯(lián)用時，通過T型PFA轉(zhuǎn)接頭將氣相色譜流出氣路與ICP-MS載氣混合，混合后的氣路直接連接于ICP-MS中心矩管上，管路無需加熱[7]，氣體流速均由內(nèi)部質(zhì)量流量控制器控制。測定時，采用時間分辨模式進行數(shù)據(jù)采集，積分時間設為100 ms，樣品采集總時間400 s。以202Hg為參比同位素，201Hg為同位素稀釋劑，通過ICP-MS自帶色譜軟件分別對202Hg和201Hg的峰面積進行定量，采用同位素稀釋法計算甲基汞的含量[9]。

1.3 海水樣品采集與預處理

實驗用海水樣品采自大連市近岸海域。為避免樣品采集過程中受到沾污，用于海水樣品采集的Niskin采水器內(nèi)壁、鉛垂均采用特氟龍涂層處理，纜繩為涂塑不銹鋼絲繩。采集的海水樣品儲存于經(jīng)酸浸泡清洗處理的聚乙烯水樣桶中，運回實驗室后，在百級潔凈工作臺內(nèi)將海水樣品轉(zhuǎn)移至250 mL Prex?玻璃瓶中，按照每升樣品2 mL的比例加入9 mol·L-1H2SO4溶液，室溫下平衡反應24 h，用于分析。

1.4 海水中MeHg的蒸餾與富集

采用全自動蒸餾儀進行海水樣品的蒸餾處理。向蒸餾瓶中加入200 mL酸化處理的海水樣品，同時加入一定量的Me201Hg同位素稀釋劑，靜置過夜，使同位素稀釋劑與海水中的配體反應達到平衡。向收集瓶內(nèi)加入10 mL超純水，設定蒸餾溫度為125 ℃后開始蒸餾，蒸餾約40 min后，得到蒸餾液約150 mL，用精密pH試紙檢查蒸餾液的pH值，若pH<2.0，采用氫氧化鉀溶液調(diào)至pH 4.0～7.0。得到的蒸餾液室溫避光保存，48 h內(nèi)完成測定。

量取100 mL蒸餾液轉(zhuǎn)移至吹掃捕集瓶內(nèi)，加入300 μL醋酸緩沖液，搖勻，連接干燥管和Tenax管，加入50 μL NaBEt4溶液，密閉條件下反應10 min，將甲基汞轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的乙基甲基汞，反應完全后，以200～300 mL·min-1的速率通氮氣吹掃15 min，將乙基甲基汞富集于Tenax管上，上機測定。

2 結果與討論

2.1 GC-ICP-MS儀器工作條件優(yōu)化

圖1 ID/GC-ICP-MS聯(lián)用測定海水中甲基汞的色譜圖Fig.1 Chromatograms of metheylmercury in the seawater measured by ID/GC-ICP-MS

GC載氣流速和柱溫對MeHg的出峰時間也具有較大影響。通常載氣流速和柱溫越高，出峰時間越快，分析速度越快，但過高的載氣流速和柱溫也會影響MeHg的分離效果。經(jīng)實驗優(yōu)化，在載氣流速為40 mL·min-1，GC柱溫為38 ℃，積分時間為100 ms，總分析時間為400 s的情況下，MeHg可以達到較好的分離效果，Hg2+的離子強度也可降至基線水平，如圖1所示。

2.2 蒸餾過程中的干擾

研究表明，酸加入過多或過度蒸餾可能導致蒸餾液的pH值過低，無法通過加入醋酸緩沖溶液調(diào)節(jié)樣品pH值至乙基化反應的最佳范圍(pH 4.0～7.0)，從而影響乙基化效率和結果的準確性[5]。因此當蒸餾液的pH<2.0時，需用KOH溶液調(diào)節(jié)蒸餾液的pH值至4.0～7.0，再進行樣品的乙基化過程。研究發(fā)現(xiàn)，200 mL海水樣品穩(wěn)定蒸餾約40 min后，可獲得蒸餾液約150 mL，蒸餾液的pH值為5.0～6.0，由于蒸餾過程未對乙基化過程產(chǎn)生影響，后續(xù)實驗不再對蒸餾液進行pH值調(diào)整。

由于無法對全自動蒸餾儀的冷凝管和導流管等部位進行拆卸清洗，蒸餾儀內(nèi)殘留的MeHg會對測定結果帶來較大影響。為消除蒸餾儀中MeHg殘留的影響，本實驗向蒸餾瓶中加入強氧化性的BrCl溶液，將MeHg氧化為無機汞，以降低實驗空白。具體方法為：向蒸餾瓶內(nèi)加入200 mL超純水和0.5 mL BrCl溶液進行蒸餾，蒸餾完成后，棄去蒸餾液，用超純水清洗蒸餾瓶、收集瓶后，再加入200 mL超純水重復蒸餾，以保證蒸餾儀內(nèi)無BrCl溶液殘留。對比測定結果發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的MeHg測定結果為(0.113±0.057) ng·L-1，明顯高于BrCl處理后海水中MeHg的測定結果(0.050 8±0.008) ng·L-1，且前者的相對標準偏差(RSD)達50%，也遠高于后者(16%)。研究表明，采用BrCl溶液對蒸餾設備進行清洗，能夠有效消除蒸餾儀內(nèi)的MeHg殘留，降低實驗空白，提高測定結果的準確性。

此外，在樣品的前處理效率方面，與EPA1630方法推薦的特氟龍材質(zhì)的蒸餾系統(tǒng)相比，實驗所用的自動蒸餾儀由于蒸餾瓶受熱面積較大且玻璃熱傳導性能更好，具有較高的蒸餾效率，通常情況下僅需45 min即可完成樣品的蒸餾前處理。另外，與特氟龍材質(zhì)不同，玻璃材質(zhì)器皿由于可采用BrCl溶液進行清洗，大大縮短了批次測定時蒸餾管的清洗時間，顯著提高了樣品的前處理效率。

2.3 同位素添加量的影響

在進行同位素稀釋時，同位素的添加量對樣品的測定結果可能存在影響。當同位素稀釋劑添加濃度與樣品中的分析物濃度相匹配時，可最大程度降低同位素稀釋法分析的不確定性[7]。為研究同位素添加量對測定結果的影響，取200 mL海水樣品5個，每個樣品中均加入0.050 ng的MeHg天然同位素標準品，分別向樣品中加入0.010、0.050、0.080、0.100、0.200 ng同位素稀釋劑，靜置過夜，蒸餾后進行測定，得到海水中MeHg的質(zhì)量濃度分別為0.307、0.309、0.296、0.319、0.331 ng·L-1，采用“2.2”中經(jīng)BrCl處理的海水中MeHg的本底值計算得加標回收率分別為102%、103%、98.2%、107%和122%。采用t檢驗對測定結果進行分析，發(fā)現(xiàn)樣品測定回收率與理論回收率(100%)之間無顯著性差異(p>0.05)。因此MeHg加標量為0.050 ng，同位素稀釋劑的添加量在0.010～0.200 ng范圍內(nèi)，即樣品中同位素稀釋的濃度最高達到MeHg濃度4倍的情況下，對MeHg的測定結果無明顯影響。

為進一步研究同位素添加量對不同濃度樣品測定的影響，取200 mL海水樣品5個，分別加入0.020、0.050、0.10、4.0、10.0 ng的MeHg天然同位素標準品，每個樣品中均加入0.030 ng同位素稀釋劑，得到加標量為0.020 ～4.0 ng時海水樣品的回收率分別為110%、107%、115%和111%。表明MeHg加標量在4.0 ng以內(nèi)，即樣品中MeHg的濃度達到同位素稀釋劑濃度100倍以上的情況下，MeHg的測定結果仍能夠滿足分析準確性的要求。而當MeHg加標量達到10.0 ng時，由于樣品中MeHg濃度較高，同位素比值的測定不確定度顯著提高，實測同位素比值R(202Hg/201Hg)已高于自然界中Hg的天然豐度比值(2.265)，導致無法準確計算樣品中MeHg的濃度。

綜上，在同位素稀釋劑添加濃度與樣品中的MeHg濃度不存在嚴重不匹配的情況下，同位素稀釋劑的添加量對海水樣品中MeHg的測定結果影響較小。

2.4 蒸餾過程中無機汞含量的影響

Bloom等[13]的研究表明，采用蒸餾法提取樣品中的MeHg，部分無機汞(Hg2+)可能會在蒸餾過程中轉(zhuǎn)化為MeHg(稱為操作產(chǎn)生甲基汞)，從而影響測定結果的準確性。為研究海水中Hg2+含量對MeHg測定結果的影響，首先采用冷原子熒光分光光度法(CV-AFS)測得海水樣品中總汞(THg)的質(zhì)量濃度為(9.40±0.20) ng·L-1，由于海水中THg的含量較低，因此實驗中Hg2+的加標濃度未考慮本底值的影響。取200 mL海水樣品4個，分別加入Hg2+溶液，使樣品中Hg2+的加標質(zhì)量濃度分別為0、1.0、10、100 μg·L-1，每個樣品中均加入0.050 ng天然同位素標準品和0.030 ng同位素稀釋劑，靜置過夜，蒸餾后進行測定。由表1可見，當Hg2+加標質(zhì)量濃度為1.0 μg·L-1時，樣品中操作產(chǎn)生甲基汞的比例(Artifact%)約為2.3%，對甲基汞測定的影響較小，但隨著Hg2+含量的增加，MeHg的測定結果增大，當Hg2+的質(zhì)量濃度達到10 μg·L-1和100 μg·L-1時，操作產(chǎn)生甲基汞的比例分別為80%和94%。同時，Hg2+的加標質(zhì)量濃度分別為0、1.0 μg·L-1時，MeHg的回收率分別為95.7%和98.5%，而Hg2+的加標濃度分別為10、100 μg·L-1時，MeHg的回收率分別為464%和2 096%。Bloom等[13]的研究認為，樣品中MeHg占THg的比例較低(<1%)時，蒸餾過程中操作產(chǎn)生的MeHg可能對測定結果產(chǎn)生較大的影響，并且總有機碳(TOC)含量可能是影響操作產(chǎn)生甲基汞的最主要因素。在本研究中，天然海水中MeHg占THg的比例約為0.5%，Hg2+的加標質(zhì)量濃度為1.0 μg·L-1時，MeHg占THg的比例約為0.03%，雖然樣品中MeHg占THg的比例遠低于1%，但MeHg的測定結果仍可以滿足分析要求，這可能與實驗所用的海水樣品中天然有機物的含量相對較低有關(TOC含量為(1.21±0.08) mg·L-1)。

表1 蒸餾過程中操作產(chǎn)生甲基汞對測定結果的影響Table 1 The impact on the methylmercury concentration by artifact in distillation process

*no data

2.5 準確度、精密度與檢出限

由“2.3”研究結果可知，海水樣品MeHg的加標量在0.020～4.0 ng范圍時，回收率為98.2%～122%。由“2.2”研究結果可知，MeHg質(zhì)量濃度為0.050 8 ng·L-1的天然海水樣品，5次測定的RSD為16%。加標0.050 ng的海水樣品，5次獨立測定R(202Hg/201Hg)的RSD為3.7%，MeHg測定的RSD為5.4%(表2)。表明方法的準確度和精密度均滿足分析要求。

按照每升樣品2 mL的比例向超純水中加入9 mol·L-1H2SO4溶液作為空白樣品，連續(xù)7次測定方法的空白為(0.010±0.003) ng·L-1，以3倍標準偏差計算得方法的檢出限為0.009 ng·L-1。

表2 加標海水樣品的測定結果Table 2 Analytical results of spiked sea water

2.6 大連灣海水樣品的測定

于2017年7月在大連灣內(nèi)采集了6個表層海水樣品，采用自動蒸餾前處理-ID/GC-ICP-MS法對海水中MeHg進行測定。結果表明:大連灣內(nèi)MeHg的質(zhì)量濃度為(0.048 5～0.155)ng·L-1，平均值為(0.103±0.036)ng·L-1，其平均濃度略高于舊金山灣(0.052±0.052 ng·L-1)[14]和切薩皮克灣(0.078±0.094 ng·L-1)[15]。從實際樣品的分析應用看，本方法能夠滿足近岸海水中MeHg的分析要求。

3 結 論

本文建立了基于全自動蒸餾前處理，同位素稀釋/氣相色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用的海水中痕量甲基汞的分析方法，研究了蒸餾過程中的空白干擾及消除，以及同位素添加量和無機汞含量對甲基汞測定的影響。對方法的檢出限、精密度及回收率等的考察結果表明，本方法的前處理效率較高，操作簡單、準確、靈敏，適用于近岸海水中痕量MeHg的分析。