采用LC-ICP-MS分离测定有毒砷形态.doc

采用LC-ICP-MS分离、测定有毒砷形态Tetsushi Sakai前言砷是环境与生物体中极为常见的一种元素，其来源通常与工业用途有关，如农药、半导体材料、工业废气等。砷在自然界中以砷黄铁矿形式存在，某些火山温泉的水中含有大量砷。环境水中的砷一致被认为主要以阴离子形态存在，如As（）与As（）。砷具有多种不同的形态,并被认为具有生物活性，即易于通过生物作用从一种形态转化成另一种形态。其中，某些形态的砷本身对人体是无害的（如砷甜菜碱与砷胆碱），但另一些形态的砷，主要为无机砷，不仅有毒而且已被证实有强致癌性。砷的毒性已引起了全世界的关注，数百万人受到砷污染影响，尤其是在印度的孟加拉西部、孟加拉国以及内蒙古。目前，砷的分析需依据相关法规。按照世界卫生组织（WHO）的饮用水准则，日本的饮用水与环境水质量标准严格规定了砷的浓度不得超过10g/L （ppb）。砷的总浓度低，也就意味着有毒有害的元素含量低，但在评价其潜在毒性时，分离识别并定量分析各种不同的砷形态无疑更为有用。由于砷的毒性及新陈代谢取决于其存在形态，为了正确判断从环境、饮食或其它途径进入人体内的砷所造成的潜在影响，测定每一种砷的形态是极为必要的。本文将液相色谱（LC）与电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）联用分离分析几种不同的砷形态，灵敏度高，选择性佳，可用于测定饮用水、河水及其它各类样品。LC-ICP-MS机理与结构通常，环境水或饮用水中不存在阳离子形式的有机砷化合物，因此本实验的目标分析物为As（）（有毒并且有强致癌性）、As（）、二甲次胂酸（DMAA）（致癌物质）与甲基砷酸（MMAA）。因许多现行的法规仅仅规定了砷的总含量，多数情况下用AAS、ICP-AES、ICP-MS（或独立使用，或与氢化物发生联用）即可完成测定。然而，随着人们对低含量有毒元素的不断认识，为了全面了解其潜在的毒性，获得每一种不同化学形态的信息日益重要。液相色谱法是一种极有效的分离元素不同化学形态的手段。然而，将阴离子交换色谱应用于环境水中砷形态的测定仍然存在着一些问题。由于每一种形态的砷电离度不同，因此难以实现快速、同时分析不同的砷化合物。例如，As（）具有较弱的电离度，很难与阳离子形式的砷化合物中分离，而另一些砷形态如As（），会与金属元素反应生成沉淀。因具有反应性，某些样品中的砷会与色谱柱上的金属元素反应，从而使得测定结果错误。此外，液相色谱的灵敏度不够高，难以测定g/L （ppb）级的砷含量。另一方面，尽管ICP-MS仅限于元素测定而不能提供元素形态的信息，但该方法具有极高的灵敏度与选择性，非常适合于分析痕量元素。实际上，ICP-MS测定砷含量的难点仅在于砷的电离能较高（高的电离能会使形成的离子比例减少，从而造成灵敏度偏低）以及40Ar35Cl对75As的干扰问题。上述问题均可通过优化等离子体参数有效地减小甚至消除。通常含高盐的洗脱液和缓冲液的引入很可能引起抑制效应与锥口堵塞，但Agilent 7500 ICP-MS仪器的特殊设计有效解决了上述问题，保证了高盐基体的完全解离。LC与ICP-MS联用充分发挥了两种技术的最大优势：前者可有效分离不同的元素形态，而后者则是一种高灵敏度、高选择性的检测手段。砷形态分析接口包括色谱柱、色谱接口均可通过商业途径购得，使其可应用于样品量大的商业实验室中的常规分析。色谱与ICP-MS联用技术的一大难点在于ICP-MS检测器的速度，目前已见文献报导。ICP-MS检测器通常为双模式下操作，即同时以高灵敏脉冲计数与低增益模拟模式记录信号。传统的ICP-MS检测器模拟模式的响应时间要长于脉冲计数模式的响应时间，因此采用双模式时测量速度主要取决于模拟模式。相反，Agilent 7500采用了一种全新的高速对数放大器，使得系统不论是脉冲计数模式还是模拟模式，均可高速、同时地接收数据，堪称为真正的同时型双模式检测器。此种新型检测器的线性范围可达9个数量级，从而使得Agilent 7500在时间分辨测量技术方面（如色谱联用分析）的能力无可匹敌。本文所建的LC-ICP-MS法可在短短10分钟内有效分离分析四种砷的形态，其中包括As（）、DMAA、MMAA 与As（）。为避免砷在色谱柱上损失，在洗脱液中加入EDTA。ICP-MS具有高灵敏度，极易检测到现有法规规定的g/L （ppb）级的砷种类。样品分析实验所用操作条件列于表1。数据采用等离子体色谱软件进行处理，该软件极好地将LC与ICP-MS相结合，全自动接收与计算由ICP-MS工作站中获得的色谱数据。表1 操作条件LCLCAgilent 1100 系列色谱柱阴离子交换柱（砷分析柱，砷保护柱）流动相2.0 mM磷酸盐缓冲液/ 0.2 mM EDTA 溶液流速1.0 mL/min色谱柱温度室温进样量0.05 mL分析时间10 min (600sec)进样次数1ICP-MSICP-MSAgilent 7500RF功率1.4 kW等离子气15 L/min辅助气1.0 L/min载气1.1 L/min进样深度7.5 mm测定质量数75点数/质量数1采样时间0.5 sec/mass图2a为一份标准溶液的谱图，其中每种不同形态的砷含量均为20g/L （ppb）。由图可知，四种不同的砷形态As（）、DMAA、MMAA 与As（），仅在10分钟内即可有效分离分析。图2b为饮用水样品的谱图。由于臭氧化或其它氧化法常被用于饮用水的处理，水源中存在的各种砷形态均极有可能在水处理过程中转化为As（），因此在最终的水中仅存在此化合物。表2列出了采用同一色谱柱并在相同的分析条件下测定四种砷形态的精密度实验结果（n=6）。所有砷形态的检测限（3s）均十分理想，可达0.1g/L （ppb），浓度为10g/L （ppb）时的精密度（RSD）小于2%。表2 精密度与检测限精密度 (n=6)DL (g/L)As（）2.0%0.1DMAA1.5%0.1MMAA1.3%0.1As（）1.6%0.2图3为5点校准曲线，四种砷形态As（）、DMAA、MMAA 与As（）的浓度范围从1-100g/L （ppb）。由图可知，所有校准曲线线性良好，相关系数(R2)均优于0.9997。结论近年来，因其潜在的毒性，环境水中阴离子形态的砷化合物已引起了全世界的广泛关注。将Agi