（环境科学专业论文）水体沉积物中砷形态分析及其生物有效性研究——以长江河口为例.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw a sp a i dt ot h ee f f e c to f a r s e n i co l lt h e h u m a nh e a l t ha n da q u e o u so r g a n i s m s i ti sc l e a r l ye s t a b l i s h e dt h a t 协et o x i c i t ya n d b i o a v a i l a b i l i t yw e r ed e p e n do na r s e n i cs p e c i a t i o n t h e r e f o r e i tw a sn e c e s s a r yt o a n a l y s ea n de v a l u a t et h es p e c i a t i o na n dh i o a v a i l a b i t yo f a r s e n c ac u s es t u d yo nt h e s p e c i a t i o na n db i o a v i l a b i l i t yo fa r s e n i ci nt h ea q u e o u ss e d i m e n t sw a sc a r r i e do u ti n t h ee s t u a r yo f t h ey a n g t z er i v e r ( c h a n 撕i a n g ) a no n - l i n ec o u p l i n gs y s t e mo fh i 欧p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y - 每蘸g e n e r a t i o n - a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y ( h p l c - h g - a a 黪f o ra r s e n i c s p e c i a t i o na n a l y s i sh a db e e no p t i m i z e d 1 n h cm e t h o df o ra s 0 i i ) a s ( v v ) 9d m a a n d 喇sa n a l y s i sw a ss e n s i t i v e , p r e c i s e , s t a b l ea n dr e l i a b l e ( t h ev a r i a t i o nc o e f f i c i e n t w a sl e s st h a nl 僦am i c r o w a v e - a s s i s t e de x t r a c t i o nm e t h o du s i n g0 3m o l l m o o r t h o p h o s p h o r i ca c i da se x t r a c th a db e e np r o p o s e df o ra r s e n i cs p o c i a t i o na n a l y s i s l at h es e d i m e n ta n dt h er e c o v e r yr a t ew s si nt h ea r e ao f 9 0 8 - - 1 0 3 5 an e wm e t h o dw a sd e v e l o p e dt oa s s e s st h eb i o a v a i l a b i l i t yo fa r s e n i ci nt h e s e d i m e n t s 姆u s i n g a l li r o no x i d e c e l l u l o s ea c e t a t em e m b r a n e ( f c o c a m ) 强er e s u l t s s h o wt h a ti nw a t e r , t h ea m o u n to fb i o a v a i l a b l ea r s e n i cb yf e o c a md e s o r b e df r o m t h es e d i m e n td e c r e a s e de x p o n e n t i a l l yw i t ht h er a t i oo fs e d i m e n tt ow a t e ra n dt h e n w e n tp l a n a ra n db i o a v a i l a b l ea r s e n i cd e s o r p t i o nw o u l dc o m et oe q u i l i b r i u ma f t e r2 4 1 1 , t h i sp r o c e s sm i m i c k e db i o l o g i c a la b s o r p t i o n , s of e o c a mc o u l db eu s e dt o 矗l e 曩s 毛l l 壁 a v a i l a b l ea r s e n i c ma m o u n to fb i o a v a i l a b l ea r s e n i ci nt w e l v es e d i m e n ts a m p l e s f r o mt a i h ul a k e , w h i c ht o t a lc o n c e n t r a t i o n so f a r s e n i cr a n g e df r o m6 4 3 4 6m g k g w a ge s t i m a t e d 取f e o c a mm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so f b i o a v a i l a b l ea r s e n i ce s t i m a t e db y 鼍t o | c 氏mw 镊es i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e dw i t ht h o s e e s t i m a t e db yp h o s p h a t eb u f f e r c o m p a r e dw i t ht h ec h e m i c a le x t r a c t i o n , t h e f e o 肥a mm e r i t e do v e l v o f f l e sa nu l t i m a t e1 i m i t a t i o nl l l a ts o m t n o n - b i o a v a i l a b l e a r s e n i cc o n 糙b ee x t r a c t e d 。t h e r e f o r e , t h ef e l 黜mm e t h o di sac l o s e re s t i m a t eo f b i o a v a i l a b l ea r s e n i c w a t e ra n ds u r f a c es e d i m e n t sw e r ec o l l e c t e di na p r i l2 0 0 6 ，a n dt h ec o n t e n t so f a b s t r a c t t o t a la r s e n i c ，d i f f e r e n ta r s e n i cs p e c i e sa n db i o a v a i l a b l ea r s e n i ch a db e e na n a l y s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t e n to f t o t a la r s e n i ci nt b es e d i m e n l so f y a n g t z er i v e r w a sm l g l n gf r o m9 5 6m g k gt o2 1 5 8m 如；a s ( v ) 雌氆em a j o rs p e c i a t i o ni n s e d i m e n t ；t h ec o n c e n t r a t i o no fb i o a v a i l a b l ea r s e n i cw a sl o w 0 6 - 0 6 9m g d 嘲， e s p e c i a l ) yt h es e d h n e n t sw a sa w a yf r o mt h ew a 懿c w 栅d r a i no u t l e t s ；t h ei n d e xo f m f l l l e r sg e o a c c u m u l a t i o ni n d e xm e t h o da n dh a k a n s o n se c o l o g i c a lr i s ki n d e x m e t h o ds h o w e dt h es e d i m e n t so f y a n g t z er i v e r 强毽sm i c r c p p o l h l e d 。 k e yw o r d s ：a r s e n i cs p c c i a t i o n ；b i o a v a i l a b i l i t y ；e c o l o g i c a lr i s k ；s u r f a c es e d i m e n t ； y a u g t z ee s t u a r y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 豫日| |名吖 鹤洲一 粕 一 作年蜊兰 论一叫一 位弦一塑 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 硐 篮 日 j 卞门， 豫 r 0。r、r、 第一章引言 第一章引言 1 1 研究意义 砷以及砷化合物已被世界卫生组织( w h o ) 等国际权威机构确认为致癌物。 长期饮用含砷量高的水将导致严重的健康问题，如：皮肤癌、肺癌、膀胱癌、 肝癌等最近，砷还被发现具有内分泌干扰效应【l 】。在现行的世界卫生组织、美 国和我国的饮用水质标准中总砷的最高允许浓度都从过去的5 0 p g l 1 降为 1 0 t t g l - 1 由此可见，对充当饮用水源的地表水体中砷的赋存特征及其潜在风险 的研究极为重要。 在水环境中，砷的迁移性和毒性以及生物对其的吸收利用主要取决于其化 学赋存形态【2 】毒性最强的砷化氢( a s h 3 ) 等气态砷在自然界存在较少，而无机 砷酸盐( a s ( v ) ) 和亚砷酸盐( a s ( i i i ) ) 为毒性较强的两种主要形态。一甲基砷 酸( m m a ) 和二甲基砷酸( d m a ) 等毒性较弱，而在一些生物体内存在的砷甜 菜碱( a s c ) 与砷胆碱( a s b ) 以及砷糖类等砷形态被认为基本无毒。因此，在 环境研究中关注较多的主要是a s 、a s 、h 呲和d m a 等4 种形态。由于 不同形态砷的毒性差异较大，而传统的测量方法中所得总砷浓度不能准确反映 出有关毒性的信息，因此砷的形态分析才越来越为人们所重视 长江是中国第一大河，干流全长6 3 0 0k m ，流域总面积1 8 x 1 0 6 k m 2 ，年平均 入海水量约9 6 0 0 亿m 3 以千流长度和入海水量论，长江均居世界第三位。长江 河口地区是我国的经济中心，其环境安全问题关系着该地区的稳定与发展长 江每年搬运来的大量泥沙都在河口及临近海域沉积下来，许多污染物也随之进 入沉积物中当p h 、氧化一还原电位等因素发生改变时，沉积物中砷可被释放 到水体，而长江口是上海市的重要水源地，如果长江河口受到砷污染将直接影 响上海市的饮用水安全。曾在上世纪8 0 年代中法合作开展过长江口总砷的调查 研究，时隔二十余年，上海及长江流域经济得到快速发展，而河口是否受到砷 的污染，其风险多大，人们无法得知，迫切需要开展相关研究。因此，本文开 展长江口的砷形态分析和生物有效性研究具有重要意义。 第一章引言 1 2 国内外研究现状 1 2 i 砷形态分析 环境中大约有四十几种砷的化合物，由于其毒性和环境行为的不同而需要 对其形态进行分析。环境中普遍存在的a s ( m ) 、d m a 、m m a 、a s ( v ) ，其毒性 也较强，是仪器分析关注最多的几种化合物；而在海洋生物体中毒性较低的砷 甜菜碱a s b ，砷胆碱a s c ，三甲基砷氧( t m a o ) 和四甲基胂离子m c 4 a s 4 等砷化 合物也是目前仪器分析的主要砷化合物。这些化合物的分析首先需要有较好的 分离技术。 1 2 1 1 分离技术 目前，高效液相色谱技术( h p l c ) 已经成为使用最普遍的砷形态分析分离 技术【3 】。其它分离技术如气相色谱( g c ) 、超临界色谱( s f c ) 4 - 5 和毛细管电泳 ( c e ) i s - 6 1 等分离技术在砷形态分析中使用较少。 ( 1 ) 离子对色谱( i o n - p a i r c h r o m a t o g r a p h y ) 离子对色谱包括阴离子对色谱和阳离子对色谱。分离过程中不论采用哪种 反相色谱柱，其洗脱顺序都为：a s c i i ) 、d m a 、m m a 、a s ( v ) ，其中丁基铵盐 ( t b a ) 包括氢氧化物和磷酸盐是最常用的配对离子对试剂【7 】。影响砷形态分离 效果的因素主要有：离子对试剂的浓度、流动相的流速、离子强度和p h 值 8 - 9 1 。 其最佳分离效果的p h 值范围是5 0 - 7 0 ，在此范围内似) 以中性化物形态存在， 在死保留时间被洗脱。 在传统的砷形态分析过程中，一般使用3 0 c m 的色谱柱，a s ( m ) 、d m a 、m m a 、 a s ( v ) l 四种形态的分离需要& - 1 0 m i n ，但如果使用1 5 c m 的色谱柱( 3 p mo d s 3 ) ， 四种形态的分离时问可以减少到4 m i n 1 0 l ，如果使用3 c m 的短柱，分离时间可以 进一步减少到2 m i n s j ，采用微孔离子对色谱柱也可以将分离时间控制在2 m i n 内 嘲 对离子对色谱而言，可以通过优化流动相种类和流动相的梯度达到改善分 离效果和分离多种砷形态的目的【1 1 - 1 2 1 。s l o t h 掣1 刁使用阳离子交换柱，以嘧啶甲 酸盐为离子对试剂，采用梯度洗脱，在同一色谱体系中2 5 m i n 将2 3 种不同的有 机砷化合物分离出来，同时他们还发现不同砷形态的保留时间有很强的基体效 第一章引言 应，不同砷化合物的洗脱顺序和保留时间均有可能由于样品基质和进样量的不 同而发生变化，从而限制了此方法在生物样品分析中的应用。 ( 2 ) 离子交换色谱( i o ne x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y ) 阳离子和阴离子交换色谱都被广泛的应用于砷形态分析中【净棚由于不同 形态砷化合物具有不同的电离特性，阴离子交换色谱主要被用于a “h i ) 、d m a 、 m m a 、a s ( v ) 雕j 分离【l 唰，而阳离子交换色谱主要被用于砷甜菜碱a s b ，砷胆碱 a s c ，三甲基砷氧( t m a o ) 和四甲基胂离子m e 4 a s 4 + 的分离【l 乒n1 蛆“。 选用不同的离子交换柱和不同的流动相，在分离过程中，不同的砷形态的 出现顺序不同高聚物阴离子交换柱( h a m i l t o np r px l o o ) 由于可以应用在较 宽的p h 范围( 1 - 1 3 ) 而被广泛的应用在砷形态分析中当以酒石酸为流动相的 时候，1 5 r a i n 内可以实现a s b 、a s c 、d m a 、m m a 、a s ( m ) 、a s ( v ) 六种砷形 态的分离阎；当使用3 0 m m 的碳酸铵溶液( p h = 9 o ) 为流动相的时候，也可以 在2 0 m i n 内实现这六种砷形态的分离田l ；使用磷酸铵缓冲溶液为流动相梯度洗 脱可以实现, a s b 、d m a 、m m a 、a s ( 1 i d 、a v ) 这五种砷形态的分离刚。其它 的阴离子交换柱如d i o n e x i o n p a c a s l 4 ，以2 m m 的羟基四甲基铵和1 0 m m 的碳酸 铵为二元流动相的时候，可以在1 0 r a i n 之内分离a s b 、d m a 、m m a 、a s ( m ) 、 a s ( v ) 这五种砷形态 对离子色谱来说，在联用系统中，使用相同的色谱柱有时也要根据检测器 的不同选择适当的流动相。 ( 3 ) 离子捧阻色谱和体积捧阻色谱( i o n - e x c l u s i o na n ds i z e - e x c l u s i o n c h r o m a t o g r a p h y ) 离子排阻色谱是利用强阴离子或强阳离子交换树脂来分离弱电离或中性化 合物的色谱分离方法。在离子排阻色谱中存在3 种类型的相互作用：离子捧阻、 离子交换和憎溶作用。不同砷形态的化合物主要是利用这三种相互作用来分离 的瞄】。使用羧酸酯甲基丙烯酸盐( c a r b o x y l a t e d m e t h a c r y l a t e ) 树脂柱，可以在1 3 m i n 内很好的分离a s b 、d m a 、m m a 、a s ( 1 1 1 ) 、a s ( v ) 遂e 种砷形态1 2 6 体积排阻色谱( s e c ) 是按照分析物分子的大小来分离的色谱方法，低压和 高压体积捧阻色谱都已经应用于砷形态分析1 2 7 - 2 s 1 体积排阻高效液相色谱典型 的应用还是和其它分离手段结合用以鉴定生物体内有机肿化合物1 2 9 。3 0 l ，其缺点 是分析效率低，分析时间过长 第一章引言 ( 4 ) 多维色谱( m u l t i d i m e n s i o n a lc h r o m a t o g r a p h y ) 多维色谱典型的联结方式是使用一个柱切换阀将阳离子柱和阴离子柱相连 接【3 l - 3 2 1 ，因此多维色谱可以同时分离阳离子和阴离子砷形态。s a k a i t 3 3 1 使用多维 色谱同时在4 0 m i n 内分离了8 种砷形态化合物。多维色谱多应用于海产品水溶态 的砷形态分析l 州。 ( 5 ) 其它分离技术 除了高效液相色谱以外，毛细管电泳( c e ) 3 s - 3 9 和氢化物发生低温捕集法 4 0 - 4 3 i 也应用于砷形态的分析。毛细管电泳具有高效分离的能力，可以分离a s b 、 a s c 、d m a ，m m a 、a s ( ) 、a s ( v ) t “j ，但灵敏度低。氢化物发生低温捕集法 是较早使用的一种砷形态分析方法【螂，其原理是在酸性条件下，不同形态的砷 化物与硼氢化钠生成气态氢化物再根据不同砷气态氢化物的沸点不同而进行分 离【4 l - 4 2 1 1 2 i 2 检测手段 环境样品中砷含量一般较低，各形态砷含量差别较大，且在检测过程中容 易发生转变，因此，砷形态分析的检测器必须灵敏度高、准确性好、检测时间 短目前，用于砷形态分析的检测手段多为原子光谱法，氢化物发生技术的应 用可以有效地提高原子光谱法检测的灵敏度。电感耦合等离子体质谱( i c p m s ) 是所有检测手段中的优选手段网，但是它与高效液相色谱联用，仪器价格和运行 成本极为昂贵。因此，氢化物发生- 原子吸收光谱法( h g - a a s ) 和氢化物发生 原子荧光光谱法也是较常用的方法( h g 枷s ) ( 1 ) 电感耦合等离子体质谱( i c p - m s ) 高效液相分离与电感耦合质谱联用技术由于具有很高的灵敏度，很广的分 析线性且可以同时测定多种元素，已经被应用到各种样品中砷形态的分析 4 5 - 5 2 1 ， 目前，这项联用技术已经成为实验室分析砷形态最有效的工具。氢化物发生技 术的采用也进一步的提高了i c p - m s 的灵敏度。h p l c - h g i c p - m s 已经成功的应 用于尿样田j 和海水样品【4 5 】的分析。对于较为复杂的有机砷形态，需要在氢化物 发生装置之前进行在线消解【5 3 】。 毛细管电泳( c e ) 与i c p - m s 的联用也有报道 5 4 - 5 5 1 。但是由于c e 的进样量太 小，所以c e i c p - m s 的灵敏度不高，很难满足样品的分析需要。 4 第一章引言 ( 2 ) 原子吸收( a a s ) 和电感耦合等离子体原子发射光谱法( i c p - e s ) 原子吸收光谱( a a s ) 是较早使用的检测器，早在上个世纪八十年代，火 焰原子吸收光谱法就与高效液相联用进行砷形态分析但是，由于该方法灵敏 度低，背景干扰大而不利于进行分析测定，现在单独使用该方法的报道较少， 报道较多的是采用氢化物发生装置提高其灵敏度断9 】石墨炉原子吸收光谱法 ( o f a a s ) 也用来作为与i - i p l c 联用的检测器例，但其整个分析过程冗长繁琐， 实际应用中并不多见。 电感耦合等离子体原子发射光谱法( i c p a e s ) 由于其样品提升速度和h p l c 的流动相流速相一致，所以与h p l c 的联用并不困难，现在已经成功的与h p l c 联用用于砷形态的分析【6 l - 6 3 1 但是，h p l c - i c p - a e s 的灵敏度低，关于此联用系 统的报道多是分析含砷量较高的样品。氢化物发生装置可以提高其灵敏度，目 前已有相关的报道【4 7 6 0 , 6 4 6 7 1 ( 3 ) 氢化物发生原子光谱法( h gw i t hs p e c t r o m e t r y ) 氢化物发生( h g ) 是一个化学衍生过程，分析物和还原剂生成挥发性气态氢 化物，还原剂一般为硼氢化钾( 钠) f i g 与a a s 、a e s 、a f s 和m s 联用后广泛 的应用于砷形态分析中，采用氢化物发生装置后较一般常规测定方法的灵敏度 可以提高l o - l o o 倍i “ 氢化物发生技术用于原子吸收光谱法可以大大提高其灵敏度。氢化物发生 技术使分析物产生气态氢化物并以气态形式进入到原子吸收检测器，这样就消 除了样品的化学干扰和液体进样带来的背景和光谱干扰，使检测灵敏度得到提 高【5 湖据文献报道，使用h p l c h g - a a s 联用系统，d m a 、m m a 、a s ( 1 1 1 ) 、 a “v ) 的检测限可以达到p g l 1 6 7 1 。 氢化物发生原子荧光光谱技术也是一种常用的砷形态分析方法，自上世纪 九十年代发展起来后已经被广泛的应用于环境和生物样品中砷形态的分析 6 8 - 7 ”。该技术具有灵敏度高选择性好的优点，其d m a 、m m a 、a s 0 i i ) 、a s ( v ) 的检测限也可以达到p g l 1 1 7 2 - 7 4 。 此外，氢化物发生技术还和h p l c i c p - a e s 9 贷粕明，h p l c m s 7 0 ，和 c e - i c p m s s 4 1 等系统联用，其中与h p l c h g m s 的检测限可以达到n g l 1 。 ( 4 ) 质谱( m s ) 原子质谱法虽然具有很高的灵敏度和元素选择性，但不能提供有关化合物 结构的信息。近几年发展的分子质谱检测技术( 如电喷雾质谱e s m s ) 可以帮助 第一章引言 鉴别化合物的结构信息质谱用于砷形态分析主要是与高效液相色谱联用，单 独使用质谱可以用于那些极不稳定的代谢产物或者不能利用色谱方法进行分析 的砷形态m 铡 ( 5 ) 其它检测方法 电化学方法 s os l l 和x 射线光谱技术盼州也用于砷形态的分析。溶出伏安法是 电化学方法中最常用的一种方法。x 射线光谱技术多用于固体地质样品的分析和 砷含量较高的固体生物样品。 1 2 1 3 沉积物样品前处理技术 ( 1 ) 样品采集和储存 在沉积物样品的采集过程中使用的工具和储存的器皿一般以聚四氟乙烯或 聚乙烯为材料制成，经稀硝酸浸泡后使用 $ 5 - s 6 采集来的沉积物样品一般经过干 燥研磨过筛后密封储存于4 暗处。样品的干燥一般有冷冻干燥，低温烘干和自 然风干三种方法。这三种方法无显著差别。g a r c j a - - m a n y e s 等嘲研究了不同温度 烘干对土壤和沉积物样品砷形态分析的影响，他们发现，样品经过室温( 2 0 ) 、 4 0 、1 0 0 烘干后对样品中砷含量没有显著的影响 ( 2 ) 沉积物样品中砷形态分析的前处理方法及应用 要对沉积物中的砷进行形态分析，就必须先使用特定的试剂将各种形态的 砷从沉积物中提取出来，然后进行分析这就要求该方法既要有好的回收率又 不改变砷在样品中的原始形态网，且对之后的形态分析不产生很大的影响提 取过程中防止不同形态砷化合物的转化和选择有效的提取剂以提高提取效率是 两个关键问题 影响沉积物样品中砷提取效率的因素有很多，样品本身的性质和提取剂是 影响较大的两个因素。据文献报道，有许多提取剂用于对沉积物中砷形态提取， 如盐溶液愀l 、无机酸扎螂1 和螯合剂掣1 咿1 0 1 】。其中，磷酸是沉积物中不同砷 化学形态提取效果最好的提取剂1 0 2 。 沉积物样品的理化性质和磷酸浓度是以磷酸为提取剂对沉积物中不同形态 砷的提取效果的主要影响因烈1 吲。o r e r o 掣1 0 4 ) 用不同浓度的磷酸为提取剂提取 沉积物中的砷，发现0 3m o l l 1 的磷酸溶液为最适合的浓度，a s ( 、，) 、m m a 和d m a 的回收率都在8 0 - - 1 2 0 之间。但据：r g a 阳嗍报道，沉积物样品本身的理化性 质对磷酸提取效果的影响大于磷酸浓度的影响，他使用0 3 t o o l l i 、lm o l l 一、3 6 第一章引言 t o o l l 1 的磷酸分别提取土壤、沉积物和淤泥样品中不同形态的砷，发现，三个浓 度的磷酸的提取效果没有明显的差别。 高浓度的磷酸不仅可以提取出无机砷( a s ( 1 i d 、a s ( v ) ) ，还能提取出有 机砷( m m a 、d m a ) ，但是在提取过程中，不同形态砷的稳定性是关注的焦点 衄题，尤其是亚砷酸盐的稳定问题。v e r g a r a 等嗍发现，提取后溶液的浓度和p h 是影响稳定的主要因素，将提取后溶液的浓度稀释或将其p s 调节至中性都可以 有效的提高亚砷酸盐的稳定性。但是这两种手段都有可能会干扰下面的检测。 许多稳定剂，如抗坏血酸的加入可以增加亚砷酸盐的稳定性。 沉积物中不同化学形态砷的提取过去一般使用恒温振荡或搅拌，提取过程 一般需要1 6 2 4 h ，提取效率低且整个提取过程过长，容易使不同形态的砷发生转 化 9 6 9 9 , 1 0 4 。因此，超声技术和微波辅助技术应用到了沉积物中砷的提取过程【盯t 眠鲰1 睢埘】。超声技术和振荡搅拌在本质上没有区别，都是利用离子交换原理置 换出砷沉积物中的阳离子和阴离子，但是超声技术利用超声波作为振荡方式，使 样品与提取剂能够混合均匀，增大接触频率，使样品微粒进一步粉碎，从而提 高提取效率，缩短提取时间f l 卿微波辅助技术是目前广泛应用于沉积物中砷提 取的辅助手段其原理是在微波场作用下，吸收微波的极性分子快速转向、定 向排列，从而使分子间产生高速碰撞和摩擦，产生高热，样品表面层不断被搅 动破裂而产生新鲜表面与溶剂反应，促使样品迅速消解网为了避免温度过高 引起砷化物的损失，微波提取砷形态要满足微波功率低，时间短和在加热的同 时要有冷却装置，可选择断续加热冷却的办法【鼽姒虹1 0 5 】。与传统的振摇和超声 提取相比，微波辅助提取效率高，提取时间短且在微波消解过程中形态没发生 显著变化【9 踟 1 2 2 沉积物砷的生物有效性 生物有效性与生物可给性的概念目前还很不一致。毒理学家主要从砷对动 物或人体的毒性效应方面来讨论生物有效性；而环境科学家则更多的基于砷对 水生微生物、动物和植物的毒性效应来评估砷的生物有效性。r u b y 等i l 响认为经 口摄入并只有能够被人体消化系统吸收的砷才具有生物有效性( b i o a v a i l a b i i i t y ) ， 这种有效性的测定方法只有通过动物模拟实验获得。而s e m p l e 等【”7 】认为能够自 由的被生物体吸收的那部分砷为生物有效砷。研究目的、对象的不同，其采用 7 第一章引言 的生物有效性测定方法也不同。这些测定方法主要包括化学浸提法、微生物测 定法、模拟胃肠液提取法、动物模型法等【1 嗍。 ( 1 ) 化学浸提法 利用化学提取剂直接浸提沉积物中的砷，这是种使用普遍的有效砷提取 方法。常用的提取剂有水、弱碱溶液、弱酸溶液、缓冲溶液、中性盐溶液和螯 合剂【1 幡1 1 习，其中应用比较多的提取剂为水、0 5m o i l 1n a h c 0 3 溶液和磷酸盐 缓冲溶液【1 临1 用，但是这些提取剂对具有不同理化性质的沉积物并不都完全适 用。 化学浸提法操作简单，但该方法有可能会将一部分非有效砷提取出来从而高 估了沉积物中砷的生物有效性且不同化学试剂的提取效果相差较大，难于比较， 一般要经过植物培养吸收试验或与动物模型结果加以验证后才能使用 ( 2 ) 模拟肠胃液提取法 近几年，有些科学家提出了使用铁氧化物凝胶模拟胃肠液及胃肠壁对砷的吸 收【1 1 1 1 9 1 ，且与体内试验取得的结果呈很好的相关性，是一种更为可靠的有效砷 提取法该方法提取法操作复杂，会带来一定的人为误差且同样需要与动物模 型进行比较，以验证其可靠性并调整系刹1 2 0 】 ( 3 ) 动物模型法 在动物实验中，可通过人工饲喂掺入砷污染沉积物的饲料，研究其剂量反 应关系，从而获得动物的毒性临界值，再通过引入不确定因子以考虑可能存在 的种内和种间差异。从而获得人类的毒性临界值，最终确定人体的最大允许摄 入量。 动物实验的结果通常认为可靠并作为验证化学提取法和模拟肠胃提取法准 确性的方法但周期长，耗资大，因此其应用受到一定的限制。 ( 4 ) 微生物测定法 砷直接作用于沉积物中的动物与微生物，使动物、微生物数量和种群以及 动物体中的砷含量发生变化，然后将这些变化与化学提取、砷形态分析的结果 作比较，间接评估沉积物中的砷向食物链传递的风险性大，j 、【1 2 ”，该方法不能单 独使用。 l 第一章引言 1 3 存在问题 综上所述，尽管国内外对水体沉积物中砷的形态分析和生物有效性分析做 了很多有益的工作，但还存在一定的问题目前，至少以下几个方面需要解决： ( 1 ) 虽然上个世纪八十年代已经对长江口地区总砷含量进行了调查，但是 目前还未见关于该地区砷形态分布的文献，因此，对该地区进行沉积物中不同 形态砷的分布调查很有必要 c 2 ) 高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱联用技术是目前灵敏度最高的 一种砷形态检测方法( 删c i c p - m s ) 但其成本较高，很难应用到大批量的样 品检测。因此，建立一种经济、便于推广使用的砷形态分析技术具有重要的实 际价值 ( 3 ) 虽然目前已经具有了较为完善的砷形态检测手段，但是，固体样品尤 其是沉积物中砷的形态分析非常困难，主要原因是尚未找到一种行之有效且不 改变其形态的前处理方法。因此，建立一种有效的前处理方法对砷形态的检测 具有重要的意义。 ( 4 ) 目前已经有很多沉积物中有效砷的提取方法，但这些提取方法都存在 一定的缺陷，发展一种快速、便于操作的有效砷提取方法具有重要的应用价值。 1 4 本文研究内容及思路 针对以上提出的问题，本文提出了“水体沉积物中砷的形态分析及生物有效 性评估”的科学问题，具体研究思路如表1 1 9 第一章引言 圈1 1 研冤思路框图 f i g 1 1c h a r to f t r a i no f t h o u g h t sf o rt h i ss t u d y 本文旨在建立一种经济、方便的沉积物中砷形态的分析方法和一种操作简 便、可以模拟生物吸收的沉积物中有效砷的提取方法并将上述两种方法运用于 长江口地区沉积物中，同时对该地区沉积物中砷进行生态风险评价，为该地区 的环境保护政策提供可靠的数据支持和理论依据。 1 0 第二章沉积物中砷形态分析方法 第二章沉积物中砷形态分析方法 2 1 前言 目前沉积物中可检测到的砷形态主要以砷酸盐、亚砷酸盐的形态存在，而 有机砷形态( 主要为一甲基胂酸盐和二甲基胂酸盐) 少量存在【1 4 2 4 1 。不同形态 砷化合物的毒性不同，在生物体内的代谢机制也不同，仅仅提供总砷数据不能 满足科学研究的需要，因此，建立一种准确、经济、可操作性强的沉积物中砷 形态分析方法非常重要。 原子吸收光谱仪是较为经济的产品，虽然检测限和灵敏度不如i c p - m s ，但 也可以满足环境中砷形态检测要求，且抗干扰能力强，便于操作，这都有利于 推广使用，且氢化物发生技术的应用可以提高其灵敏度，因此，高效液相色谱 ( h p l c ) 和氢化物发生原子吸收光谱( h g a a s ) 的联用技术具有重要的实际 价值。 沉积物中的砷形态分析技术一直是一个难题。由于一般的沉积物中砷形态 提取方法很难在提取过程中保持砷在样品中的原始形态，且回收率不理想，所 以，虽然目前已经有比较完善的砷形态分析技术，但沉积物中砷形态分析仍然 非常困难。 本章的主要内容是h p l c - h g a a s 的砷形态分析方法的介绍和技术指标的 测定以及在此基础上对沉积物中砷的形态分析前处理方法的确立。 2 2h p l c h g a a s 的砷形态分析方法 2 2 1 仪器介绍 a s - 9 0 砷元素形态分析仪( 北京普析通用有限责任公司研发，见图2 1 ) 是 我国第一台具有自主知识产权的基于高效液相色谱- 氢化物原子吸收联用技术的 专用砷元素形态分析仪样品采用高效液相色谱分离技术，具有样品前处理简 单，节省分析时间，分离效果好，数据准确的优点；分析三氧化二砷或亚砷酸 盐、砷酸盐、一甲基胂酸和二甲基胂酸检出极限优于l n g ；砷甜菜碱和砷胆碱检 出极限优于3 n g 。该仪器于2 0 0 5 年荣获第十一届北京分析测试学术报告会及展 览会金奖产品。 第二章沉积物中砷形态分析方法 图2 1a s - 9 0 砷形态分析仪圈 f i g2 1t h em 印o f a s - 9 0 该仪器的工作原理如下图2 2 所示，流动相经高压恒流泵，以o 5 m l m i n 。1 lm l r a i n 1 恒定流量经六通进样阀带动样品进入液相色谱柱，使不同形态砷分 离，分离后的样品加入氧化剂进行紫外消解，进入氢化物发生器产生砷化氢， 经气液分离器后，砷化氢气体进入石英捕集管，由砷专用原子吸收检测器检测 吸光值后由计算机显示及处理结果 第二章沉积物中砷形态分析方法 高压恒淹泵 图2 2 工作原理图 f i 9 2 2s k e c h m a p o f w o r k e l e m e n t s 2 2 2h p l c h g a h 峪方法的性能参数测试 ( 1 ) 标准溶液与流动相的配制 标准溶液：a s t m ) ( a s 2 0 3 溶于o 1 ( m v ) n a o h ，最后用0 i mh c i 调至 中性) ；a s ( v ) ( n a 2 h a s 0 4 溶于二次去离子水中) ；d m a ( - - 甲基胂酸钠溶于二 次去离子水中) ；m m a ( 一甲基胂酸钠溶于二次去离子水中) 。所有的标准溶液 储存在4 c 暗处，标准使用液当天配制。 流动相：磷酸氢二氮溶液，浓度为2 0 m m o l l 1 ，使用氨水或甲酸调p h = 6 0 ( 误差范围士o 0 1 ) ( 数显p h 计，雷磁p h s 2 5 ，上海精密科学仪器有限公司) 氢化物发生装置所用的溶液与浓度：0 2 的n a o h 和1 5 的k b i - h 混合溶液；1 5 第二章沉积物中砷形态分析方法 的盐酸溶液。 实验中用水均为复旦纯水公司购买的二次去离子水，所有器皿都经过l ：5 盐酸浸泡2 4 1 1 后，相继用二次去离子水和双蒸水洗净备用。 表2 1 试剂名称及规格 t a b l e2 1t h en m ca n ds t a n d a r do f r e a g e n m ( 2 ) 仪器条件 色谱柱为h a m i l t o np r p - x 1 0 0 ( 2 5 0 m m x 4 1 m m ，h a m i l t o n ，r e n o ，n v ，u s a ) 的阴离子交换柱，六通阀定量管体积为1 0 0 m ；氢化物发生装置包括蠕动泵和一 个石英原子化器，该原子化器的温度小于1 0 0 0 c ；砷空心阴极灯；空心阴极灯。 砷灯选取主电流为3 m a ，辅助灯主电流为2 m a ，使用前打开原子吸收光谱 仪，预热2 0 m i n 打开h p l c 泵系统，调节流动相相流速为l m l m i n 1 打开氢化 物发生器上的蠕动泵，开始采样基线数据，直至基线平稳。 ( 3 ) 性能参数测试结果 所有性能测试时使用的标准使用溶液都为标准溶液被稀磷酸溶液稀释配制 而成。 分离度测试：取a s ( 1 1 1 ) 、a s ( v ) 、d m a 、m m a 浓度均为1 0 0n g m l l 的混合 标样进样，采集数据。根据分离度公式计算分离度。 分离度的公式为：r = 2 ( t l - t 2 ) ( w l + w 2 ) ( 公式2 1 ) 第二章沉积物中砷形态分析方法 其中r 为分离度，t 为色谱峰保留时间，w 为峰底宽度。评价标准为：r i 。 如图2 3 为测试色谱图，数据及计算结果见表2 2 。 i h m a - - v 、 d m a + 一 ，专 b 蛰笺 l l 、一 o 23 5 7 9o 停留时问( m i n ) 图2 3 以删d h g a a s 测定1 0 0 n g m l 1 a i i i ) 、a s ( v xd m a 、m m 混标色谱图 f i g 2 3 c h r o m a t o g r a m s o f t h es a m es t a n d a r ds o l u t i o n ( 1 0 0 n g 。m l 1 ) c o n t a i n i n g d i f f e r e n t s p e c i a t i o n 卸曙e n 】c 表2 2 分离度计算表( 测量次数：n - 3 ) t a b l e2 2 r i t et a b l eo f s e s e r a ed e g r e e 伍= 3 ) 工作曲线测定：取a s ( m ) 、a s ( v ) 、d m a 、m m a 浓度分别为0 ，1 0 ，2 5 ， 5 0 ，1 0 0n g m l l 的混合标样分别进样，面积校正，验证不同浓度下对应的峰面积 是否呈线性 第二章沉积物中砷形态分析方法 o0 o l0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 峰面积( k b s x s ) , a s ( ) on0 0 f i0 0 10 0 1 50 0 2 o 0 衢 峰面积( b s x s ) 胁 柏 o o薯v毯爱攥驿 伯曲埔o o曹v趔璐饕蟑 第二章沉积物中砷形态分析方法 00 10 2o 30 4o 5 峰面积( k b s x s ) m m 0o 眈o 0 40 0 6o 0 10 1 2 峰面积( a b s s ) a s ( v ) 图2 4 四种形态砷的工作