土壤中（类）金属及其化合物检测方案

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第25卷第5期2006年5月分析试验室Chinese Journal of Analysis LaboratoryVol.25.No.52006-5 微波辅助萃取-液质联用技术测底泥砷、硒的化学形态 彭衫 岚，谈明光，李玉兰，张桂林，陈建敏金 婵李 燕*1 (1.中国科学院上海应用物理研究所，上海201800；2.中国科学院研究生院，北京100039) 摘 要：建立了用反相离子对色谱和电感耦合等离子体质谱的联用技术同时测定 As ( Ⅲ)、As( V)、MMA、DMA、Se(Ⅳ)、Se ( V])、Selviet 和 SeCys 的砷、硒化学形态分析方法。分别从流动相pH值、离子对试剂的浓度、甲醇量和流速4个方面进行了分离测定件的优化。利用碰撞池技术(CCT)较好地解决了Ar”C复合离子对As的干扰，并使Se的测定成为可能，有效地提高了灵敏度。将该方法应用于上海市苏州河底泥样品的微波辅助萃取液的形态分析中，砷和硒的检出限分别达到0.4~1.3和0.5~1.9ug/L。 关键词：化学形态；碰撞池；液质联用；砷；硒 中图分类号：0657.7 文献标识码：A 文章编号：1000-0720(2006)05-010-05 砷是最早受到人们重视的毒性元素之一，具有致命的毒性；硒是人体必需的微量元素，但最低需要量与中毒剂量差距很小。由于不同化学形态砷、硒化合物的毒性差异很大，元素总量提供的信息无法准确地评估环境的污染状况，故形态分析十分必要。目前，形态分析的主要手段是联用技术， GC、CE、HPLC 等是主要的分离手段，HG-QFAAS21、HG-AFS3]、ICP-AES4、ICP-MS5.61等是主要的检测手段。其中 ICP-QMS具有极高的灵敏度和多元素同时检测的能力而被广泛用于痕量元素的形态分析。然而复合离子干扰使得传统的 ICP-QMS测 Se 时一般只能检测丰度较低的°Se，灵敏度受到限制；可能存在的Ara干扰使测As的准确性受到影响。新型质谱仪在四级杆滤质器前添加六级杆系统，即碰撞池，能有效地消除复合离子干扰，使测量结果更准确。虽然国内外有大量砷、硒形态分析的工作，但只有少数同时分离各形态砷、硒化合物的报道，且大部分仅涉及无机形态分析17.8，而无机、有机形态的砷、硒化合物同时分离检测的报道极少，未见碰撞池模式下同时进行砷、硒形态分析的报道。 苏州河是上海市具有重要水体功能的地表水，但水质已受到严重污染，因水质与底泥的污染状况密切相关，因此底泥的研究有重要的环境意义。本文采用微波辅助萃取的方式对苏州河底泥进行萃取，并采取液质联用的方法对提取液进行了砷和硒的化学形态分析。 实验部分 1.1 仪器与试剂 PU-2080i高效液相色谱输液泵(日本Jasco公司)，带有20L定量环的 Rheodyne 9725 型手动进样阀(美国Rheodyne 公司)和Inertsil ODS-3反相色谱柱(250 mm X4.6 mm，5 um)。X-7电感耦合等离子体质谱仪(美国 Thermo Elemental 公公) ；Ethos320 高压密闭微波消解系统(意大利Milestone公司)； A- 10型Milli-Q超纯水装置(Millipore 公司)。 砷、硒贮备液分别用三氧化二砷、砷酸钠(Thermo Elemental 公司提供)、·一甲基砷酸钠(MMA) (Supelco，质量分数97.3%)、二甲基砷酸(DMA)(RDH，质量分数99.3%)、硒酸钠(Sigma，质量分数95%)、亚硒酸钠(Acros，质量分数44% ( * 收稿日期：2005-10-26；修订日期：2006-01-22 ) ( 基金项目：国家自然科学基金重大项目(10490182)；中国科学院知识创新工程重要方向性项目(KCX2-SW-No1) ) ( 作者简介：彭 岚(1981-)，女，硕士研究生 ) ~46%Se)、硒代半胱氨酸(SeCys) (Acros，质量分数98%)和硒代蛋氨酸(SeMet) (Acros，质量分数99%)配制而成。流动相基本组成：四丁基硫酸氢铵 (Tetrabutylammonium Hydrogen Sulfate， TBAHS)(Fluka，质量分数99%)、磷酸二氢铵(Fluka，质量分数99.5%)和甲醇(Scharlau ， HPLC级)。萃取液用高纯磷酸配制而成(由上海宏力半导体制造有限公司提供)。全部溶液均用Milli-Q的18.2M cm去离子水配制。 1.2 底泥样品 上海市苏州河流域底泥样品由上海环境监测中心水质监测室提供。于2003年分别取浙江路桥、华漕、北新泾、白鹤和赵屯的河床表层底泥样品，未进行干燥，直接置于-30℃冰箱中储存。 1.2.P 微波萃取 取4g苏州河湿的底泥，加入10 mL 的 0.1 mol/L H PO4 进行微波萃取。采用如下萃取程序：200 W， 9 min 升温到80) ℃，控温80℃萃取3 min。萃取液经离心(6000 r/min， 15 min)后，过0.2um滤膜，进行砷、硒的形态分析，进样量为20uL。 1.2.2 微波消解测定元素总量 在 HNO3-H02混酸体系下进行苏州河湿的底泥样品的微波消解，采用如下消解程序：15 min 升温到185℃，控温185℃消化20 min。消解结束后卸压、定容，直接用ICP-MS测定砷、硒量，以确定萃取的回收率。 2 结果与讨论 2.1 色谱分离条件的优化 流动相主要用mmol/L级的离子对试剂 TBAHS和缓冲试剂NHH PO4配制而成，并添加一定量的甲醇以提高灵敏度，用稀氨水调节其pH值。其中NHH PO4的浓度定为2.5 mmol/L，所有实验均在25℃的恒定室温下完成。 2.1.1 pH 流动相的pH值是影响砷、硒化合物分离最重要的因素，特别是砷化合物的分离。其它色谱条件不变(5 mmol/L TBAHS，体积分数5%甲醇，V=1.5mL/min)，用氨水调节流动相pH 值在5.4~7.2范围内变化，得50ug/L 混合标准溶液的色谱图。除了 pH=7.2和6.8外， Se ( Ⅳ)、Se(V)、SeMet、SeCys均可基线分离，而当pH为5.4~5.8时， Se(Ⅳ) 和 SeMet 峰发生轻微的展宽和拖尾。当pH为5.4~5.6时，As(Ⅲ)和 DMA、MMA和As(V)不能完全分开，且DMA、As(V)峰发生 严重的展宽和拖尾；当pH5.8时， As (V)峰发生严重的展宽和拖尾；当pH为6.6~7.2时，DMA和MMA未能分开。当 pH6.0~6.4时，8种形态的砷、硒化合物分离情况良好，其中以pH6.0为最佳。 2.1.2 离子对试剂的浓度 研究了 TBAHS的浓度分别为3、4、5、6、7mmol/L时的分离状况，3mmol/L时出峰时间太长，其他浓度时，8种形态的砷、硒化合物分离情况良好，选用5 mmol/L。 2.1.3 流速 研究了5 mmol/L TBAHS、体积分数5%甲醇、pH=6.0，流速分别为1.0、1.2、1.3、1.4和1.5mL/min 条件下各形态砷、硒化合物的分离情况，发现8种组分均能完全分离，为了尽量缩短分析时间，选择1.5 mL/min 为佳。 2.1.4 甲醇量 在流动相中加入一定量的甲醇可以增强信号，但也可能会增大基线噪声101。用不同甲醇量的流动相分别配制成1 ug/L As(Ⅲ)、As(V)、MMA、DMA、Se ( Ⅳ)、Se (VI)、SeMet 和SeCys 的标准溶液，然后用 ICP- MS直接测定As和Se计数。As(V)、MMA、DMA计数随甲醇量的变化趋势与 As(Ⅲ相同，Se( Vl)、SeMet、SeCys 计数随甲醇量的变化趋势与Se(Ⅳ)相同。结果如图1所示，流动相中甲醇体积分数为6%时"As和Se有最高的计数，但甲醇体积分数从5%增到6%时曲线趋于平缓，由于提高甲醇体积分数会提高ICP- MS 进样溶液的有机负载，可能导致分析信号不稳定，因此体积分数5%的甲醇较为合适。 图1 1 ug/L As(Ⅲ)和 Se(Ⅳ)的计数随甲醇量变化图 Fig.1 Dependence of ICP- MS signal intensities for 1 ug/LAs( Ⅲ)， Se(Ⅳ) and percentage of methanol in themobile phase 综上所述，最佳的色谱分离条件为：pH6.0、5 mmol/L TBAHS、2.5 mmol/L磷酸二氢铵、体积分数5%甲醇、流速1.5 mL min。 2.2 质谱条件的优化 在 CCT模式下，用优化的流动相配制1 ug/L多元素混合标准溶液调整仪器的各项参数，使As和°Se的信噪比达到最佳，此时 ICP-MS的操作条件如表1所示。 分别在普通模式和CCT模式下测定流动相中砷和硒的检出限，结果发现 CCT模式下硒的检出限有很大改善，普通模式下°Se的检出剑为212.5ng/L，而CCT模式下80 Se 的检出限为87.7 ng/L；砷的检出限稍有改善。 表1 ICP-MS仪器的操作条件 Tab. 1 ICP-MS operation conditions RF 功率 1260 W 雾化气流量(Ar) 0.93 L/min 辅助气流量(Ar) 0.80 L/min 冷却气流量(Ar) 14.0 L/min 雾室温度 3℃ 真空室压力 2.1×10’Pa 停留时间 50 ms per mass 碰撞池气体流量 He ： 8.77 mL/min 2.3 典型色谱图及分离方法的性能指标 在优化的色谱和质谱条件下，砷和硒的各化学形态的分离情况如图2所示，分别配制5、20、100 ug/L 不同形态的砷、硒标准溶液，得到各形态色谱图。所得的峰高标准曲线和峰面积标准曲线的形性良好，相关系数r均大于 0.99。20 ug/L的混合标准溶液进样5次所得各形态的面积相对标准偏差在2.1%~7.2%之间，峰高相对标准偏差在0.9%~6.6%之间。各形态的保留时间的标准偏差均不大于6s。以上性能指标连同检出限均列于表2中，其中检出限为3倍的空白信号标准偏差与标准曲线斜率的比值(n=20)。其它同时分离各形态的砷、硒的分析方法的绝对检出限： Jackson等同时测定 As( Ⅲ)、As ( V)、Se (Ⅳ) 和 Se ( VD的检出限分别为7.2、28、87和117 pg； Lindemann等同时测定As(Ⅲ)、DMA、MMA、As ( V)、Se-Met、Se ( Ⅳ)和 Se(Ⅵl的检出限分别为18、24、13、 17、215、185和135 pg；； Guerin 等10]同时测定As( Ⅲ)、DMA、MMA、As( V)、Se( Ⅳ) 和 Se ( ⅥD) 的检出限分别为17、10、13、23、94和177 pg。 比较发现：总的来说，本方法的砷、硒检出限较低，除了 DMA 的检出限尚有待改善外，As(Ⅲ)、MMA、As(V)检出限均低于上述报道； SeMet、Se(Ⅳ)和Se(Vl)检出限均较 Lindemann 等人所报道的低，因此在CCT模式下比在普通模式下测定硒的形态更具优势。 图2 100 ug/L砷、硒各形态的混合标准物色谱图 Fig. 2 Chromatogram of a standard mixture at a concentration of 100 ug/L 1-As(I)；2-DMA；3-MMA；4-As( V)；5-SeCys；6-SeMet ； 7- Se(Ⅳ)； 8- Se( VI) 表2 优化的HPLC- ICP-MS方法的性能指标 Tab.2 Performance of the optimized HPLC- ICP-MSmethod for arsenic and selenium compounds RSD/% 检出限 保留时间 峰高峰面积 相对值 绝对值 t/s p/(ug/L) m/pg As(Ⅲ) 110±3 6.6 7.1 0.4 8 DMA 178 ±3 5.5 5.4 1.3 26 MMA 212 ±3 0.9 6.1 0.6 12 As( V) 281±3 2.1 4.2 0.4 8 SeCys 107 +2 5.1 3.5 0.5 10 SeMet 205 ±5 5.1 7.2 0.9 18 Se(Ⅳ) 254+5 3.1 5.6 0.7 14 Se( Vl) 1135 +6 5.8 2.1 1.9 38 2.4 样品分析 为了研究所选用的微波辅助萃取条件是否会在萃取过程中改变砷和硒的形态，用10 mL的100ugL混合标准溶液经历同样的萃取过程后进行检测，发现砷、硒各形态化合物的回收率为95%~107%，证明微波萃取过程中未发生显著的形态变化。 用0.1 mol/L H PO4 进行苏州河底泥样品的微波萃取，经 HPLC- ICP-MS测得各形态的浓度，并用 ICP-MS直接测定得到萃取液中神训硒的总浓度，结果如表3所示： 浙江路桥、华漕、北新泾等5个采样点的底泥样品的As(V)量均比 As(Ⅲ)高，即样品中无机砷 主要以高氧化态形式存在；均未检测出有机砷，因此砷主要以无机形式存在。仅在白鹤和赵屯的底泥样品中检测出了硒，是低氧化态的Se(Ⅳ)，均未检测出 Se(Ⅵl)和有机硒。浙江路桥和北新泾底泥样品的萃取液所测得的硒形态的色谱图经过光滑处理均能辨识出 SeMet 峰，但由于含量太低，无法确定其含量。 5个采样点底泥的萃取液的色谱图中均有3个无法辨识的色谱峰U、U，和U，且在不同样品中这3个色谱峰的分别对应一个相同的保留时间，即对应一个相同的化合物，如图3和图4所示，不过需要更多的砷、硒形态标准物质才能对其进行定性和定量分析。 表3 底泥中各形态砷、硒化合物的定量分析结果 Tab.3 Concentration of arsenic species in sediment samples (mean ±s； n=2) 底泥样品 各形态砷和硒 p/(ug/L) 萃取液中砷、硒的总量 o/(ug/L) 可识别的形态 萃取回收率 As( Ⅲ) As( V) Se( Ⅳ) As Se As/% Se/% As/% Se/% 浙江路桥 39.6 ±8.0 49.0 ±11.7 BDL 203.1+22.1 9.0±0.3 43.6 81.9 34.6 华漕 41.1 +2.9 67.2±43.0 BDL 243.4±83.7 8.6±1.1 44.5 100 30.4 北新泾 16.6±1.1 27.1±7.1 BDL 135.2 ±14.1 10.2 ±0.8 32.3 - 50 31.0 白鹤 44.9 +10.4 98.8+11.6 1.3 ±0.1 292.2+5.0 6.4 ±0.5 49.2 20.3 113 22.4 赵屯 36.9 +0.4 131.6 +3.7 0.9+0.1 326.6±6.5 7.5 ±0.7 51.6 12.0 113 19.2 图3 浙江路桥底泥样品中各形态砷、硒化合物的色谱图 Fig. 3 Speciation of arsenic and selenium species in the sedrment sample of Zhejiang road bridge 图4 白鹤底泥样品中各形态砷、硒化合物的色谱图 Fig.4 Speciation of arsenic and selenium species in the sedrment sample of Baihe 该微波辅助萃取方法的砷的回收率为50%~113%，硒的回收率为19.2%~34.6%，说明所选用的萃取程序对砷化合物的萃取效果较好，而对硒的萃取效率低，需进一步改进。 ( 参考文献 ) ( L u C Y， Y a n X P. 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F reseniusJ Anal Chem， 2000， 368(2- 3 )： 214 ) Simultaneous speciation of arsenic and selenium by highr performance liquid chromatography on-line with inductively coupled plasma collision cell mass spectrometry in sediment samples PENGLan2， TAN Ming guang， LI Yurlan， ZHANG Gui-lin， CHEN Jian min2， JIN Chan’ and LI Yan*(1. Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 201800； 2. Graduate School ofthe Chinese Academy of Sciences， Beijing 100039)， Fenxi Shiyanshi， 2006， 25(5)： 10~14 Abstract：An ion pair RP-HPLC coupled with hexapole ICP- MS method has been developed for simultaneous determination of arsenic and selenium compounds. Optimum separations of arsenite， arsenate ， monomethylarsonate ， dimethylarsinate， selenite， selenate， selenocystine and selenomethionine are achieved by appropriated adjusting the pH，ion pairing reagent concentration ， methanol content and flow rate. The hexapole collision cell technique (CCT) is employed for the elimination of the polyatomic interferences of the argon chloride (Arc*) and Ar"Ar*， when arsenic and selenium are determined using their major isotopes by ICP- MS. The extraction of arsenic and selenium species from sediment samples of Suzhou river followed a microwave assisted extraction procedure， and the extracts werethen analysed by HPLC- ICP-MS for speciation. Detection limits are in the range of 0. 4~1.3 ug/L arsenic and 0.5~1.9 ug/L selenium for various species. Key words ： Speciation； Hexapole collision cell； HPLC-ICP-MS； Arsenic ； Selenium —China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net