黃鍵，張文國，施錦輝，曹海峰，王紅衛(wèi)，葛紅梅，王金娟

(南通海關綜合技術中心，江蘇南通 226004)

隨著工業(yè)化進程的發(fā)展，在工業(yè)中具有廣泛用途的重金屬通過各種方式排放至環(huán)境中，當重金屬通過水源或是食物鏈進入人體并達到一定閾值時會對人體產(chǎn)生危害。通過元素分析的手段可對環(huán)境或食品中的重金屬進行檢測。隨著認識的深入，人們發(fā)現(xiàn)，即使是同樣的元素，由于其存在形式的差異，在環(huán)境、食物鏈、動植物體內(nèi)的遷移蓄積規(guī)律是不同的，且其元素活性與生物毒性也不同［1］，因此其在人體內(nèi)的代謝方式和危害也不同。如砷在自然界中存在形式多樣，在海產(chǎn)品中以砷甜菜堿和砷膽堿的形式存在，幾乎無毒性；有機砷如甲基胂酸和二甲基胂酸，其毒性中等；而無機砷如亞砷酸鹽和砷酸鹽則毒性較高［2］。鉻在自然界中廣泛存在，常見的形態(tài)為Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，Cr(Ⅲ)為人體必需元素，只能外源性吸收，因此其常常作為營養(yǎng)強化劑加入保健食品中，而Cr(Ⅵ)則具有致癌性，對人身體有害［3］。因此，傳統(tǒng)的元素分析測量重金屬的總量往往難以表征該元素的真實生物活性與危害。分析砷、鉻等元素時，其形態(tài)分析比總量分析更為重要。

近年來，元素形態(tài)分析越來越受到人們的重視。單一的儀器或技術很難實現(xiàn)對元素形態(tài)的精確測定，人們常使用色譜與其它儀器聯(lián)用的方式來實現(xiàn)分離和檢測元素的不同形態(tài)［4–8］。常見的聯(lián)用方式有液相色譜–原子熒光光譜法、液相色譜–電感耦合等離子體質譜法等。目前對元素形態(tài)分析的研究多集中于單一元素的不同形態(tài)［9–13］，對多種元素形態(tài)同步分析的報道較少［14–17］。電感耦合等離子體質譜法可同時分析數(shù)種元素，結合色譜技術即可實現(xiàn)對多種元素不同形態(tài)的同步分析，從而提高分析效率，節(jié)省檢測成本。

筆者采用高效液相色譜–電感耦合等離子體質譜法同時分析海水中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和Cr(Ⅵ) 3種元素形態(tài)，利用優(yōu)化的色譜條件消除了干擾物對測定的影響，方法的分離度好，操作簡單，適用于海水中無機砷和六價鉻的形態(tài)分析。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

高效液相色譜儀：Agilent 1290 Infinity 型，美國安捷倫科技有限公司；

電感耦合等離子體質譜儀：Agilent 7700x 型，美國安捷倫科技有限公司；

分析天平：BS 224S 型，感量為0.1 mg，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；

超純水機：Direct-Q 型，默克密理博公司；

As(Ⅲ)，As(Ⅴ)，Cr(Ⅵ)標準溶液：質量濃度均為1 000 mg／L，美國o2si 公司；

硝酸：優(yōu)級純，質量分數(shù)為65%～68%，西隴科學股份有限公司；

氨水：色譜純，質量分數(shù)為20%～22%，上海安譜實驗科技股份有限公司；

氯化鈉：分析純，江蘇強盛功能化學股份有限公司；

高純氬氣：純度大于99.999%，南通天源氣體有限公司；

海水樣品：沿海養(yǎng)殖場中的海水；

實驗用水：去離子水，電阻率不小于18 M?·cm，自制。

1.2 溶液配制

標準貯備液：10 mg／L，分別精確稱取As(Ⅲ)，As(Ⅴ)，Cr(Ⅵ)標準溶液適量，置于容量瓶中，用去離子水稀釋后定容至標線。標準貯備液在4℃下可大約保存3 個月。

系列混合標準工作溶液：稱取一定質量的氯化鈉，用去離子水配制成3.5%的鹽溶液以模仿海水基質，分別精確移取適量的標準儲備液，用上述鹽溶液配制成As(Ⅲ)，As(Ⅴ)質量濃度分別為10.00，20.00，50.00，100.00，250.00 μg／L，Cr(V)質量濃度分別為20.00，50.00，100.00，200.00，500.00 μg／L 的系列混合標準工作液。

流動相：量取一定體積的硝酸，用適量去離子水稀釋，使用氨水調節(jié)pH 至9.0，定容，其中硝酸銨的濃度為40 mmol／L，超聲脫氣后備用。

1.3 儀器工作條件

1.3.1 高效液相色譜儀

陰離子交換色譜柱：Hamilton PRP–X100 型柱(250 mm×4.1 mm，10 μm，瑞士哈美頓博納圖斯股份公司)；柱溫：25℃；進樣體積：20 μL；流量：1 mL／min；流動相：40 mmol／L 硝酸銨溶液(用氨水調節(jié)至pH 9)；等度洗脫。

1.3.2 電感耦合等離子體質譜儀

RF 發(fā)射功率：1 550 W；霧化室溫度：2℃；測定模式：No Gas；等離子體氣：氬氣，流量為15 L／min；載氣：氬氣，流量為1.05 L／min；輔助氣：氬氣，流量為0.9 L／min；稀釋／補償氣：氬氣，流量為0.07 L／min；提取透鏡組電壓：–180 V；歐米伽偏轉電壓：–90 V；歐米伽透鏡電壓：9.8 V；偏轉電壓：–3.0 V；霧化器：玻璃同心霧化器；監(jiān)測質量數(shù)：m／z52，75；鎳采樣錐和截取錐。

1.4 實驗方法

使用聚乙烯瓶收集樣品，于4℃下保存，并于24 h 內(nèi)進行分析，以避免元素在不同價態(tài)之間相互轉化，樣品經(jīng)0.22 μm 水相濾膜過濾后，在1.3 儀器工作條件下進行測定。

2 結果與討論

2.1 色譜條件的選擇

2.1.1 色譜柱

色譜分離的主要條件包括色譜柱和流動相。金屬元素大多以離子形態(tài)存在，故可使用離子交換柱對其進行分離，也可使用絡合劑將其衍生化配合反相色譜對其進行分離。無機砷與六價鉻均以酸根的形式存在，為陰離子形態(tài)，因此陰離子交換色譜柱是最適合的分析柱。文獻［16–17］與GB 5009.11–2014［18］中使用陰離子交換柱對無機砷或六價鉻進行分離。進一步試驗表明，ZORBAX SB–C18柱(150 mm×4.6 mm，5 μm，美國安捷倫科技有限公司)與Eclipse Plus C18柱(150 mm×4.6 mm，5 μm，美 國安捷倫科技有限公司)等液相色譜柱對六價鉻有一定的保留作用，但是它們對無機砷的保留較差，As(Ⅲ)與As(Ⅴ)的色譜峰出現(xiàn)部分重疊，無法得到有效分離，而Hamilton PRP–X100 陰離子交換色譜柱對3 種元素形態(tài)的保留較好，可以實現(xiàn)無機砷的基線分離，因此選用Hamilton PRP–X100 陰離子交換色譜柱對待測物質進行分離。

2.1.2 流動相

除色譜柱外，流動相也是影響色譜分離的重要因素之一。選擇流動相時，候選物質既要提供洗脫待測物所需的離子強度，又要對目標分離物不產(chǎn)生干擾。由于本方法以液相色譜–電感耦合等離子體質譜儀聯(lián)用，為了避免電感耦合等離子體離子化效率降低，盡量不選擇鈉、鉀元素的鹽溶液。查閱文獻［8］［13］得知，磷酸二氫銨溶液一般可用于砷的形態(tài)分析，硝酸銨溶液一般用于六價鉻的分析，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，上述兩種流動相均可實現(xiàn)砷與鉻的形態(tài)分離，考慮到磷酸鹽難以分解，可能存在堵塞截取錐、抑制等離子體電離效率等問題，故采用硝酸銨溶液作為流動相。對無機砷進行形態(tài)分析時，流動相中加入少量甲醇等有機溶劑能夠提高分析靈敏度，但有機溶劑會在等離子體中形成40Ar12C，從而影響鉻的信噪比和檢出限，并且碳積聚在電感耦合等離子體質譜儀錐口可能導致堵塞，增加儀器維護頻率。故流動相中不加入有機溶劑。

2.1.3 流動相濃度與酸度

流動相選擇合適的濃度與酸度可實現(xiàn)無機砷和六價鉻的分離與測定。配制一定濃度的硝酸溶液，使用氨水調節(jié)pH 值，即可得到一定濃度和pH 值的硝酸銨溶液。海水中平均鹽濃度大約為3.5%，因此配制3.5%的氯化鈉溶液作為基質，并以此配制系列標準溶液，研究流動相濃度與pH 值對無機砷和六價鉻測定結果的影響。本試驗中，在碎片離子m／z75，52 處檢測到干擾信號，分別為氯化物40Ar35Cl+和36Cl16O+，上述氯化物會對75As 和52Cr 產(chǎn)生干擾。試驗結果表明，流動相的濃度與pH 值只影響待測物質的保留時間，對上述氯化物的色譜參數(shù)無影響。

離子交換色譜中，增加流動相的濃度可提高流動相的洗脫能力，從而減少待測物質的保留時間，改變pH 值也可對待測物質的分離產(chǎn)生影響。由于海水基質中氯化物的干擾，需要選擇合適的流動相濃度與酸度，使得待測物質與干擾物質完全分開。通過一系列試驗發(fā)現(xiàn)，當硝酸銨溶液濃度為40 mmol／L，pH 值為9 時，目標物質與干擾物質完全分離，色譜圖如圖1 所示。

圖1 無機砷與六價鉻的加標樣品色譜圖

2.2 質譜條件的選擇

砷是單同位素，在m／z75 時，海水基質中的氯離子會在氬氣等離子體中形成40Ar35Cl+，對砷的測量產(chǎn)生干擾，因此通過改變色譜條件將氯離子與砷進行分離。選擇豐度最高的m／z52 測量鉻的信號，36Cl16O+對其測量產(chǎn)生干擾，同樣利用最優(yōu)化的色譜條件將干擾物與其分離。

2.3 線性方程與檢出限

量取一定體積的混合標準儲備液，將其用3.5%的鹽水配制成系列標準溶液，其中As(Ⅲ)，As(Ⅴ)的質量濃度為10～250 μg／L，Cr(Ⅵ)的質量濃度為20～500 μg／L。按1.3 儀器工作條件進行測定，以各元素形態(tài)的質量濃度（x，μg／L）為橫坐標，對應的色譜峰面積（y）為縱坐標進行線性回歸，繪制標準曲線，并計算出各元素形態(tài)的線性方程和線性相關系數(shù)。通過稀釋進樣，按3 倍信噪比計算方法的檢出限。各元素形態(tài)的線性范圍、線性方程、相關系數(shù)和檢出限數(shù)據(jù)列于表1。

表1 3 種元素形態(tài)的線性參數(shù)及檢出限

2.4 加標回收試驗

按1.4 實驗方法對空白海水樣品進行加標回收試驗，低、中、高三個濃度水平平行測定6次，3 種元素形態(tài)加標回收率和精密度數(shù)據(jù)見表2。

表2 樣品加標回收試驗結果（n=6）

由表2 可知，3 種元素形態(tài)的平均回收率為85.1%～95.4%，相對標準偏差為1.0%～3.8%（n=6），結果均滿足測量的準確度要求。

2.5 實際樣品測定

應用本方法對沿海養(yǎng)殖場中收集的10 個批次的海水樣品進行測試，所有樣品中3 種元素形態(tài)的含量均低于檢出限。

3 結語

建立了同步分離和測定海水中As( Ⅲ)、As(Ⅴ)和Cr(Ⅵ)的高效液相色譜–電感耦合等離子體質譜分析方法。海水樣品過膜后直接進樣，以40 mmol／L 硝酸銨溶液為流動相，并調節(jié)pH 至9.0，使用Hamilton PRP–X100 陰離子交換色譜柱，在20 min 內(nèi)實現(xiàn)了上述3 種元素形態(tài)的分離檢測。本方法操作簡便，回收率高，可為同步測定海水中砷和鉻的元素形態(tài)提供借鑒。