巢靜波，王 茜，王靜如，李芳緣，陳 艷

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院化學(xué)計(jì)量與分析科學(xué)研究所，北京100029；2.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京100029)

由于自然和人類的活動(dòng)，汞早已成為一種全球性的環(huán)境污染物[1]。海洋作為大氣汞的源和匯，在全球汞的循環(huán)中起著主導(dǎo)作用[2]。在海洋環(huán)境中，汞經(jīng)生物甲基化作用可轉(zhuǎn)化成毒性更強(qiáng)的甲基汞，研究表明食肉魚類中甲基汞濃度可達(dá)海水中汞濃度的1～10萬倍[3,4]，鑒于其在環(huán)境和生物中的累積性和持久性[5]，汞已成為對(duì)海洋生物毒性最強(qiáng)的元素之一，也因此成為水環(huán)境的重要監(jiān)測(cè)目標(biāo)物。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097-1997)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定四類海水中汞的限量值分別為0.05 μg/L、0.2 μg/L、0.2 μg/L和0.5 μg/L[6]，在此痕量和超痕量水平上，很容易在樣品處理和分析過程中造成污染、揮發(fā)或者吸附損失[7]，進(jìn)一步加大了準(zhǔn)確檢測(cè)的難度。有文獻(xiàn)報(bào)道海水中汞的濃度約為1.0×10-11mol/L(2 ng/L)[8]，然而后續(xù)研究表明：在樣品采集、處理和分析過程中的污染嚴(yán)重?fù)p害了很多已報(bào)道結(jié)果的可靠性，在某些情況下，汞的測(cè)量值甚至是其真實(shí)濃度的100倍[9,10]，這與天然水中總汞的真實(shí)濃度約在0.2～100 ng/L的估計(jì)值[11]基本一致。海水中除溶解的Hg2+外，還含有少量甲基汞等有機(jī)汞形態(tài)。另外，汞極易與有機(jī)分子和碳形成穩(wěn)定共價(jià)鍵[12,13]，因此極易吸附在海水中的顆粒物以及保存容器上?；谏鲜鲈颍Ｋ泄臏y(cè)定濃度可能在很大范圍內(nèi)變化[14 - 16]，這給環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染調(diào)查、相關(guān)政策制定等工作帶來很大不確定性。因此，發(fā)展高靈敏度、高準(zhǔn)確性的檢測(cè)方法成為獲得真實(shí)可靠結(jié)果的前提和關(guān)鍵。

目前，環(huán)境水體中汞的測(cè)定方法主要有冷原子吸收法[1,12,17,18]、冷原子熒光法[19 - 22]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[7,23]、電化學(xué)法[24,25]等。上述三種原子光譜法較電化學(xué)法具有較高的靈敏度，但仍難以直接檢測(cè)海水中的痕量、超痕量汞。除海水中汞的含量極低、在測(cè)定過程中容易引入外源污染是主要原因外[24]，另一個(gè)難點(diǎn)是海水的高鹽基體(約35 g/L)導(dǎo)致直接和間接的光譜干擾，且在ICP-MS測(cè)定時(shí)需要進(jìn)行10倍以上稀釋，或者采用稀釋氣體以防止采樣錐的堵塞，另外在測(cè)定過程中汞極易吸附在進(jìn)樣系統(tǒng)中而產(chǎn)生記憶效應(yīng)。美國(guó)EPA 1631是目前被廣泛應(yīng)用和認(rèn)可的痕量汞測(cè)定方法，該方法是利用吹掃-金汞齊捕集的方式，實(shí)現(xiàn)汞與海水基體的分離，采用原子熒光光譜法實(shí)現(xiàn)汞的高靈敏度檢測(cè)。

本研究結(jié)合吹掃-金汞齊捕集前處理方法，利用原子熒光直觀觀測(cè)和同位素稀釋質(zhì)譜法高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)，首先采用吹掃-金汞齊捕集-原子熒光總汞測(cè)定儀離線觀測(cè)儀器本底，并考察和優(yōu)化鹽度、氧化用HNO3濃度和氧化時(shí)間、還原劑用量、本底控制等條件；待本底穩(wěn)定后直接將總汞測(cè)定儀與ICP-MS聯(lián)用，以同位素稀釋質(zhì)譜法進(jìn)行海水中痕量汞的高準(zhǔn)確度測(cè)定。建立的方法應(yīng)用于渤海、黃海海水和國(guó)際比對(duì)海水樣品中痕量汞的測(cè)定，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了不確定評(píng)定，以評(píng)估該方法的性能參數(shù)和計(jì)量學(xué)特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與裝置

8800型三重四極桿電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)，Agilent公司)，配有數(shù)據(jù)采集及處理軟件(MassHunter Workstations)；MERX全自動(dòng)總汞分析系統(tǒng)(美國(guó)，Brooks Rand Labs公司)；XP205型電子分析天平(瑞士，Mettle -Toledo公司)；Integral 5型超純水機(jī)處理系統(tǒng)(美國(guó)，MilliQ公司)；FP-31型馬弗爐(日本，YAMATO公司)；磁力攪拌器(德國(guó)，IKA公司)。

MERX全自動(dòng)總汞分析系統(tǒng)與ICP-MS聯(lián)用時(shí)，是將經(jīng)SnCl2還原后的樣品通過自動(dòng)進(jìn)樣器加入到氣-液分離瓶中，還原后形成的汞被高純氮?dú)獯党觯M(jìn)入金柱進(jìn)行金汞齊捕集，隨后進(jìn)入熱脫附裝置中進(jìn)行熱脫附，由載氣帶入原子熒光檢測(cè)器，最后通過聚四氟乙烯三通與ICP-MS載氣混合后，經(jīng)矩管連接支管(前端用封口膜進(jìn)行封口)引入ICP-MS系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。為保持樣品進(jìn)樣與ICP-MS檢測(cè)的同步，通過設(shè)計(jì)的信號(hào)線在樣品熱脫附裂解時(shí)觸發(fā)ICP-MS數(shù)據(jù)采集信號(hào)，實(shí)現(xiàn)樣品的自動(dòng)測(cè)定。

1.2 主要試劑與材料

GBW(E)080124汞單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(100 μg/mL)，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.8%(k=2)，購(gòu)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院；GBW04443202Hg濃縮同位素稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)購(gòu)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，濃度標(biāo)準(zhǔn)值為2.978×10-8mol/g，擴(kuò)展不確定度為2.4×10-10mol/g(k=2)；200Hg/202Hg同位素豐度比標(biāo)準(zhǔn)值為0.003387，擴(kuò)展不確定度為0.000086(k=2)；SnCl2·2H2O為優(yōu)級(jí)純，購(gòu)自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；KBr、KBrO3、鹽酸羥胺均為分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；HNO3(TAMAPURE-AA-10)購(gòu)自日本多摩化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社；HCl為優(yōu)級(jí)純，購(gòu)自北京化學(xué)試劑研究所；20%SnCl2溶液：稱取20 g SnCl2·2H2O溶于10 mL熱HCl，完全溶解后用水稀釋至100 mL；30%鹽酸羥胺：稱取15 g鹽酸羥胺溶于50 mL水中；BrCl溶液：將2.7 g KBr溶于250 mL HCl中，磁力攪拌1 h后，再緩慢加入3.8 g KBrO3，再攪拌1 h。Li、Y、Ce、Tl、Co質(zhì)譜調(diào)諧溶液(1 ng/mL)由Agilent公司提供。實(shí)驗(yàn)樣品瓶為40 mL棕色玻璃瓶(Brooks Rand Labs公司)，帶有硅膠墊。

3種海水樣品分別采自馬爾馬拉海(Marmara Sea，E27,N40)、渤海(E120,N39)、舟山島附近(E122,N30)表層海水，其中馬爾馬拉海水為“CCQM-K155&P196海水中元素和三丁基錫”國(guó)際比對(duì)樣品，該比對(duì)樣品采集后用重蒸HNO3調(diào)節(jié)pH為1.5并放置2周后，采用0.22 μm濾膜過濾，混勻后分裝至經(jīng)HNO3、稀金溶液和水反復(fù)洗滌的低密度聚乙烯塑料瓶中，每瓶250 mL。渤海海水和舟山島海水分別為海水中金屬元素和營(yíng)養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物，前者采集后用1%HNO3酸化并于低密度聚乙烯塑料桶陳化半年；后者未經(jīng)酸處理，于低密度聚乙烯塑料桶放置1年，測(cè)定前采用0.22 μm濾膜過濾。

1.3 樣品測(cè)定

為降低儀器本底，測(cè)定前向樣品瓶中加入25 mL水和50 μL 20%SnCl2溶液，對(duì)所有樣品瓶進(jìn)行反復(fù)吹掃和金捕集柱加熱脫附，以離線方式用原子熒光檢測(cè)器監(jiān)測(cè)本底信號(hào)，待信號(hào)穩(wěn)定后進(jìn)行樣品測(cè)定。

準(zhǔn)確稱取海水樣品2.0～3.0 g(精確到0.00001 g)于40 mL棕色樣品瓶中，分別向三種海水樣品中加入準(zhǔn)確稱重的0.1～0.2 g約為0.3 ng/g的202Hg同位素稀釋劑，混勻。加入100 μL HNO3，靜置5 h或者60 ℃加熱30 min后，加入水至25 mL，再加入150 μL 20%SnCl2溶液，蓋緊瓶蓋，置于自動(dòng)進(jìn)樣器待測(cè)。同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。樣品測(cè)定前，以水相進(jìn)樣的方式離線調(diào)節(jié)ICP-MS進(jìn)樣和檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化靈敏度的同時(shí)使氧化物和雙電荷比率分別小于1%和3%。優(yōu)化完成后重新連接總汞分析系統(tǒng)載氣和ICP-MS稀釋氣管路，開機(jī)預(yù)熱30 min后開始檢測(cè)，以峰面積進(jìn)行定量。

總汞分析系統(tǒng)工作參數(shù)：吹掃捕集氣流速為350 mL/min，載氣流速為30 mL/min，吹掃時(shí)間為6 min；捕集管加熱、干燥和冷卻時(shí)間分別為2.5 min、3 min和1 min。

ICP-MS儀器工作參數(shù)：RF功率為1 550 W，采樣深度為9.5 mm，載氣流速為0.95 L/min，數(shù)據(jù)采集模式為時(shí)間分辨(TRA)，積分時(shí)間為0.3 s?；诮鹬都?、脫附、干燥和冷卻時(shí)間，ICP-MS設(shè)置采集時(shí)間為6 min，汞的出峰時(shí)間為50 s，監(jiān)測(cè)比值為200Hg/202Hg。

2 結(jié)果與討論

2.1 本底控制及記憶效應(yīng)

如前所述，為保證測(cè)定結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度，防止在樣品前處理和測(cè)定過程中汞的沾污，并進(jìn)一步降低本底和記憶效應(yīng)，首先將棕色樣品瓶去蓋后置于馬弗爐中，于500 ℃條件下空燒30 min；同時(shí)對(duì)配制的20%SnCl2溶液用氮?dú)饩徛祾?.5 h，去除還原劑中的汞。測(cè)定樣品前向樣品瓶中加入適量SnCl2溶液進(jìn)行反復(fù)吹掃，并對(duì)金捕集柱加熱脫附，用原子熒光檢測(cè)器監(jiān)測(cè)本底信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過反復(fù)吹掃后本底可降至3.5 pg。根據(jù)測(cè)定信號(hào)選擇本底水平一致的樣品瓶用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)，且在每次實(shí)驗(yàn)前重復(fù)上述操作以控制本底。對(duì)于ICP-MS檢測(cè)系統(tǒng)，由于樣品是以氣體方式進(jìn)樣，汞在進(jìn)樣系統(tǒng)中的記憶效應(yīng)本身很小?？偣治鱿到y(tǒng)包括兩根金捕集柱，以交替方式進(jìn)行汞的捕集。當(dāng)高含量樣品進(jìn)樣后，在相應(yīng)捕集柱對(duì)應(yīng)的樣品位置放置清洗樣品，進(jìn)行再次脫附后可較好地消除記憶效應(yīng)。

2.2 SnCl2的加入量

為考察SnCl2的還原效果，分別向1 ng Hg標(biāo)準(zhǔn)中加入20、50、100、150和200 μL氮吹處理過的20%SnCl2溶液，并同時(shí)做空白扣除，以原子熒光光譜獲得的峰面積對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。從圖1中可以看出，當(dāng)SnCl2溶液加入量為150 μL時(shí)，獲得的信號(hào)值最大，故后續(xù)的實(shí)驗(yàn)選擇其加入量為150 μL。

2.3 基體的影響

在進(jìn)行原子熒光測(cè)定時(shí)，汞通過還原成氣態(tài)實(shí)現(xiàn)與海水基體的分離，但高鹽含量可能會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入捕集系統(tǒng)的汞總量，在進(jìn)行外標(biāo)法測(cè)定時(shí)，需要考慮標(biāo)準(zhǔn)曲線與海水樣品進(jìn)行基體匹配，另外高鹽的存在會(huì)影響堿石灰的脫水效果。近岸海水中NaCl的含量一般在2%～3%之間，為考察海水基體對(duì)汞測(cè)定的影響，分別向1 ng Hg標(biāo)準(zhǔn)中加入0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的高純NaCl，同時(shí)做空白扣除，測(cè)定結(jié)果見圖2。從結(jié)果可以看出，隨著NaCl含量增加，Hg的含量測(cè)定值明顯增高，這可能是由于鹽效應(yīng)導(dǎo)致相同吹掃時(shí)間內(nèi)進(jìn)入金捕集柱Hg含量增加導(dǎo)致的。當(dāng)NaCl含量為0.5%時(shí)，測(cè)定結(jié)果較不加NaCl樣品高約2.2%，因此在進(jìn)行原子熒光測(cè)定時(shí)，海水的取樣量應(yīng)控制在鹽含量小于0.5%。同位素稀釋質(zhì)譜法為潛在基準(zhǔn)測(cè)定方法，在稀釋劑與樣品混合均勻的情況下，測(cè)定結(jié)果不受樣品損失以及金捕集柱吸附、脫附效率影響，但考慮到高鹽可能會(huì)造成整個(gè)富集系統(tǒng)吸附、脫附效率降低，從而導(dǎo)致靈敏度下降，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)樣品取樣量控制在2～3 g，并采用同位素稀釋質(zhì)譜法對(duì)樣品進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。

圖1 SnCl2加入量的影響Fig.1 Effect of SnCl2 volume on Hg detection

圖2 NaCl含量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響Fig.2 Effect of NaCl content on Hg detection

2.4 HNO3加入量的優(yōu)化

經(jīng)測(cè)定，3個(gè)海水樣品中NaCl含量約為2.0%～2.5%，由于海水樣品均經(jīng)過陳化和過濾，因此與顆粒物結(jié)合的汞含量較低，為避免由于多種試劑加入引起汞的本底升高且不易控制，本研究采用HNO3作為氧化劑。以國(guó)際比對(duì)海水樣品考察HNO3加入量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。向樣品瓶中加入2 mL海水樣品，分別加入0、20、50、100、200和500 μL HNO3，旋緊瓶蓋放置2 h后，加水至25 mL，再分別加入150 μL 20%SnCl2溶液。配制0、20、50、100、200、500 pg的Hg做標(biāo)準(zhǔn)曲線，采用原子熒光檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)定。從圖3可以看出，當(dāng)HNO3加入量為100 μL時(shí)，樣品含量測(cè)定結(jié)果最高。當(dāng)加入量大于100 μL時(shí)，汞含量測(cè)定結(jié)果稍低并趨于穩(wěn)定，因此后續(xù)選擇HNO3的加入量為100 μL。

2.5 消解時(shí)間優(yōu)化

消解時(shí)間直接影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度，因海水樣品中可能含有少量甲基汞，因此以國(guó)際比對(duì)海水樣品考察了不同消解時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。向2 mL海水中加入100 μL HNO3，分別放置0、10、30、60、120、300、1 020 min，完成后分別加超純水至約25 mL，再分別加入150 μL 20%SnCl2溶液后，采用原子熒光檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。從圖4可以看出，當(dāng)消解時(shí)間大于2 h后，Hg含量測(cè)定結(jié)果趨于穩(wěn)定，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇消解時(shí)間為5 h。

圖3 HNO3加入量對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響Fig.3 Effect of HNO3 volume on Hg detection

圖4 消解時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響Fig.4 Effect of digestion time on Hg detection

2.6 消解效果驗(yàn)證

首先測(cè)定HNO3消解5 h后樣品的濃度為0.1560±0.0124 ng/g(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)；然后參考EPA 1631規(guī)定的方法，向測(cè)定完成后的樣品中加入100 μL BrCl，在60 ℃水浴中加熱30 min，冷卻后加入150 μL 30%鹽酸羥胺，10 min后加入150 μL 20%SnCl2溶液進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果為0.127±0.004 ng/g。另外，將加入HNO3后的樣品在60 ℃水浴中加熱30 min，冷卻后進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果為0.1567±0.0134 ng/g。上述三組實(shí)驗(yàn)每組平行3個(gè)樣品，同時(shí)做空白扣除。從結(jié)果可以看出，加入HNO3放置5 h或者60 ℃水浴加熱30 min，即可實(shí)現(xiàn)樣品的完全消解。

2.7 同位素稀釋質(zhì)譜法測(cè)定結(jié)果

將總汞分析系統(tǒng)與ICP-MS聯(lián)機(jī)，對(duì)經(jīng)5 h消解后的樣品采用單同位素稀釋質(zhì)譜法進(jìn)行樣品的測(cè)定，按照公式(1)計(jì)算測(cè)定結(jié)果。

(1)

其中，Ry、Rb、Rx分別為稀釋劑、混合樣品和海水樣品中的同位素比值，my和mx分別為稀釋劑和樣品的質(zhì)量，cy為稀釋劑濃度，Mi為同位素i的摩爾質(zhì)量。

為準(zhǔn)確測(cè)定流程空白，同樣采用同位素稀釋質(zhì)譜法進(jìn)行空白的測(cè)定，而不是采用直接扣除信號(hào)的方式。樣品和空白各測(cè)定6次，以空白測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍作為檢出限，經(jīng)計(jì)算檢出限為3.7 pg/g；以空白測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)偏差的10倍作為定量限，則吹掃捕集-同位素稀釋電感耦合等離子體質(zhì)譜法的定量限為13 pg/g。國(guó)際比對(duì)海水樣品中總汞測(cè)定值為0.1607 ng/g，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.11%。為進(jìn)一步驗(yàn)證方法，分別向渤海海水和舟山島附近海水中加入汞標(biāo)準(zhǔn)溶液，使加入的濃度分別為31.0 pg/g和49.7 pg/g，進(jìn)行加標(biāo)回收率測(cè)定。3個(gè)海水樣品測(cè)定結(jié)果和加標(biāo)回收率見表1，國(guó)際比對(duì)海水樣品測(cè)定譜圖見圖5。從表1可以看出，國(guó)際比對(duì)海水樣品總汞含量較高，渤海海水測(cè)定結(jié)果略高于檢出限，舟山島附近海水中總汞含量低于檢出限。從樣品保存條件也可以看出，采集后進(jìn)行酸化處理有利于汞的保存，但仍不能排除塑料桶放置對(duì)于汞的吸附。國(guó)際比對(duì)海水樣品在保持低pH值的同時(shí)，采用稀的金溶液處理塑料包裝瓶，可能對(duì)于汞的穩(wěn)定起到了一定的作用。在30 pg/g和50 pg/g加標(biāo)水平上，海水樣品的加標(biāo)回收率分別為98.1%和104%。

表1 測(cè)定結(jié)果及加標(biāo)回收率(n=6)

圖5 海水比對(duì)海水樣品ICP-MS信號(hào)圖Fig.5 ICP-MS signal of CCQM comparison seawater sample

2.8 不確定度評(píng)定

為進(jìn)一步評(píng)估該方法的計(jì)量學(xué)特性，針對(duì)國(guó)際比對(duì)海水樣品，分別對(duì)稀釋劑、流程空白、混合樣品中同位素比值測(cè)定、樣品稱量等因素引入的不確定度分量進(jìn)行評(píng)定，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為4.69%(k=2)，其主要來源為樣品測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差、混合樣品中同位素比值測(cè)定、稀釋劑本身和空白測(cè)定，各不確定度分量評(píng)定結(jié)果見表2。

表2 測(cè)定結(jié)果的不確定度評(píng)定

3 結(jié)論

將吹掃捕集-原子熒光與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用，通過吹掃捕集-熱脫附實(shí)現(xiàn)了汞與海水高鹽基體的分離，金柱捕集進(jìn)一步提高了靈敏度；以原子熒光檢測(cè)器實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)本底及清洗效果，同位素稀釋質(zhì)譜法作為潛在的基準(zhǔn)測(cè)定方法，保證了測(cè)定結(jié)果的高準(zhǔn)確度和良好的精密度，同時(shí)也避免了外標(biāo)法在前處理過程中由于鹽效應(yīng)導(dǎo)致的樣品與標(biāo)準(zhǔn)曲線中總汞吸附、脫附效率不同對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。HNO3進(jìn)行樣品消解、以加熱或放置的方式即可實(shí)現(xiàn)總汞的消解，方法簡(jiǎn)單，避免了多種試劑加入對(duì)樣品的汞污染。該方法準(zhǔn)確度好、精密度高，適用于常規(guī)海水和國(guó)際比對(duì)、海水標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等樣品中痕量汞的高準(zhǔn)確度測(cè)定和定值。