LC-ICP-MS技术分析土壤中的砷形态

(武警黄金第五支队，西安 710100)

1 引言

砷在大气，土壤、植物和水等不同环境介质中广泛存在[1]，而植物中的砷主要通过土壤-植物体系进行物质迁移转换而获得，并且通过食物链进入人体，危害人类身体健康。砷的毒性与其存在形态密切相关，不同形态存在的砷毒性差异非常显著[2]。因此，土壤中砷形态的测定和分布研究对于研究砷在环境中的污染问题及其对人体健康的危害具有重要意义。

液相色谱技术可以用于分离非挥发、高沸点和热不稳定的化合物[3]。各种元素形态的定量测定通常采用液相色谱分离与各种元素检测技术联用的方式进行。电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)技术的发展为研究人员提供了一个灵敏度更高，检出限更低的元素及同位素检测手段。因此，有学者利用不同的淋洗剂和色谱柱与ICP-MS技术联用，建立了样品中砷形态的分析方法[4-10]。Beauchemin等[11]比较了不同色谱柱对角鲨的肌肉样品进行砷形态测定的效果，发现使用阴离子交换柱的基体干扰少，而阳离子对法更适用于生物样品中二甲基砷酸(DMA)和砷甜菜碱(AsB)的测定。Carioni等[12]采用LC-ICP-MS建立了尿液样品中超痕量As形态的快速检测方法，As形态检出限范围为0.003～0.051 ng/g。Jeong等[13]考察了C18反相萃取柱和不同洗脱液对As形态分离的效果，所建立的HPLC-ICP-MS方法可同时分析饮用水标准溶液中的6种砷形态，回收率在85.1%。

土壤中As的形态分析往往需要经过繁琐的预提取技术进行分离[14-17]。本文通过快速简单的水浴提取方法可高效提取土壤中的As，采用氢化物发生原子荧光光谱法(HG-AFS)测定土壤中砷总量，并建立了液相色谱-电感耦合等离子体质谱(IC-ICP-MS)联用测定土壤中As形态的方法。

2 实验部分

2.1 主要试剂与溶液

所有化学试剂均为优级纯或色谱纯，实验用水为美国Labconco WaterPro PS 9000502型超纯水机制备。砷形态标准溶液(GBW08666、GBW08667、GBW08668、GBW08669)均购于国家标准物质中心。砷标准储备液(GSB G 62028-90，浓度1000μg/mL)，购于国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院。临用时由砷标准储备液用10%HCl逐级稀释获得砷标准工作液(10μg/L)。

硼氢化钾溶液(15.0g/L，介质为2.0 g/L KOH)：称取0.2g氢氧化钾于盛有100mL超纯水的烧杯中，玻璃棒搅拌待KOH完全溶解后再加入1.5g硼氢化钾，搅拌溶解。此溶液当日配置，用于测定总砷。

硫脲和抗坏血酸混合溶液(50.0g/L)：称取硫脲、抗坏血酸各5g,，用100mL超纯水溶解，超声10分钟，当日配置。

2.2 样品的预处理方法

称取烘干后的样品0.2000±0.0010g于50 mL离心管内，加入1mol/L的磷酸和0.5mol/L的抗坏血酸各10mL，于95°C水浴条件下提取1h。冷却后将样品离心管置于离心机内，以8000 r/min的转速离心15min，取上层清液过0.45μm的滤膜，取过滤后的清液稀释1倍待上机测试。

2.3 仪器及工作条件

离子色谱仪(DIONEX ICS-900，美国ThermoFisher公司)；电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700x ICP-MS, 美国Agilent公司)；恒温水浴锅，离心机(TG16-WS，长沙湘智离心机有限公司)；AFS-9130原子荧光光度计(北京吉天仪器有限公司)。

分别选用IonPac AS19(250mm×4mm)色谱柱和Hamilton PRP-x100阴离子交换柱(150mm×4.6mm)进行As形态的分离富集，本研究将对两根柱子的As形态分离效果进行详细的探讨。经实验条件优化，前者的淋洗剂为25 mmol/L的KOH，以1.2 mL/min的流速进行洗脱，后者的淋洗剂为15mmol/L的(NH4)2HPO4，以1mL/min的速度进行洗脱。进样方式均是利用1mL的注射器将样品通过0.22μm的滤膜引入进样系统，进样量为20 μL。

仪器装置连接简图如图1所示，其中ICP-MS的工作参数：功率1450 W，载气流量1.10 L/min，载气(氩气)纯度99.99%，辅助气流量0.9L/min，砷采集质量数75，采集时间分别为650s和550s。

图1 LC-ICP-MS装置简图

3 结果与讨论

3.1 色谱柱的选择

本研究分别采用IonPac AS19(250mm×4mm)色谱柱和Hamilton PRP-x100阴离子交换柱(150mm×4.6mm)两种类型的分离柱来测定砷元素的形态。色谱柱AS19和PRP-x100分离混合标准溶液的出峰顺序分别如图2所示。

图2 色谱柱的出峰顺序示意图

由图2可以看出，在色谱柱AS19色谱柱中4种砷形态的出峰顺序是：DMA，As(III)，MMA，As(V)，其保留时间分别为：140s，165s，195s和430s。在PRP-X 100色谱柱中四种砷形态的出峰顺序是：As(III)，DMA，MMA和As(V)，其保留时间分别为：145s，165s，210s和425s。两根色谱柱都可以将四种形态As在10min以内完全分离开。以上两根柱子由于体系差别使得As(III)和DMA在出峰顺序上略有不同，同时，AS19色谱柱的基线较PRP-X 100色谱柱的基线要低得多。

另外分别使用不同的基体配制50μg/mL的混合标准溶液(As(III)，DMA，MMA，As(V))来比较不同基体对出峰时间及出峰顺序的影响，结果如图3所示。

图3 色谱柱的基体差异

实验结果表明，对于同一根色谱柱，不同的基体对其分离效果影响不同。对于PRP-X 100色谱柱，不同的基体仅影响每一种物质的峰形，峰高等，出峰时间的错位并不明显。相较而言，AS19色谱柱中，样品基体所配制的混合标准溶液并不能将As(III)I分离出来，但KOH基体及H2O基体可以将四种物质完全分离开来，并且峰形良好。这可能是由于AS19色谱柱更适用于中性及偏碱性的溶液分离，而样品基体的pH偏酸性，并不能很好地将其分离开来。因此可以利用不同提取方法所获得的提取溶液的酸碱度来探讨其所适用的色谱柱。由此可见，对于本文所用的提取方法更适合用PRP-X 100色谱柱来进行砷形态分离。

3.2 方法的工作曲线

配制含有4种砷形态化合物的混合标准溶液，浓度分别为0.5、1、10、20、50μg/L，在优化的分离条件下进行线性回归实验。以峰面积(y)对浓度(x)进行线性拟合得相关线性方程如表1。可知，4种砷的形态其线性拟合的相关系数(R)，除二甲基砷(DMA)的为0.9988之外，其他3种均>0.999，即本方法对4种砷形态的线性关系良好，可用于定量分析。

表1 方法的相关线性方程

3.3 分析方法准确性评价

选取国家标样GBW0726(新疆北部)、GBW0729(长江平原区)和GBW07533个土壤标准样品，各做3个平行样。按2.1的实验方法对样品进行处理，取已过滤的清液0.5mL于10mL离心管，加入1mL 50.0g/L硫脲和抗坏血酸混合溶液，用10% HCl稀释至10 mL，摇匀放置1h后利用HG-AFS测定砷总量，计算该方法对砷的提取率(如表2所示)。

表2 标准物质中砷元素总量的测定结果 μg/g

表2中实验结果表明，本方法获得的3个标样中As的测定值与参考值基本一致。砷元素的提取率从94.78%到102.97%。由此可见，该方法可以高效提取土壤中的各形态砷，大部分样品的相对误差小于6%，且3个标准物质平行样的提取率均十分稳定，RSD分别为4.52%、0.35%和2.58%。

本文同时对土壤和植物样品进行了As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的加标回收实验，进一步验证分析方法的准确性，实验结果如表3所示，结果表明方法的加标回收率均在94%～103%之间。

表3 土壤和植物样品中砷形态的加标回收率

4 结论

(1)利用1mol/L磷酸和0.5mol/L抗坏血酸为提取剂可高效提取土壤中的砷，且提取效果十分稳定。

(2)利用液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(LC-ICP-MS)对砷形态分离条件进行实验，实验结果表明，在本文所采用的砷提取方法条件下，PRP-X 100阴离子色谱柱用于砷形态分离效果更佳。

[1]和秋红, 曾希柏.土壤中砷的形态转化及其分析方法[J]. 应用生态学报, 2008, (12): 2763-2768.

[2]Beauchemin D, et al. Identification and quantitation of arsenic species in a dogfish muscle reference material for trace elements[J]. AnalyticaL Chemistry,1988,60(20): 2209-2212.

[3]武汉大学化学系.仪器分析[M]. 北京: 高等教育出版社，2001：359-411.

[4]李林林, 朱英存.离子色谱-电感耦合等离子体质谱联用(IC-ICP-MS)测定水体中的砷形态[J].生态毒理学报, 2013, 8(2): 280-284.

[5]张国平，等.离子色谱-等离子体质谱联用测定热泉水样的砷形态[J]. 分析试验室, 2007,26: 17-20.

[6]吴勣，等. IC-ICP-MS测定大气颗粒物中的碘物种[J]. 上海师范大学学报(自然科学版), 2013,42(2): 173-177.

[7]郭军辉，等.应用IC-ICP-MS测定胶州湾表层沉积物中的溴酸盐、碘酸盐及亚硒酸盐[J]. 分析测试学报, 2010, 29(10): 1053-1057.

[8]Resongles E, Le Pape P, Fernandez-Rojo L, et al. Routine determination of inorganic arsenic speciation in precipitates from acid mine drainage using orthophosphoric acid extraction followed by HPLC-ICP-MS[J]. Analytical Methods, 2016, 8(40): 7420-7426.

[9]Schmidt L, Figueroa J L, Santos R F, et al. Arsenic Speciation in Seafood by LC-ICP-MS/MS: Method Development and Influence of Culinary Treatment[J].Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2017, 32:1490-1499.

[10]Jia X, Gong D, Wang J, et al. Arsenic speciation in environmental waters by a new specific phosphine modified polymer microsphere preconcentration and HPLC-ICP-MS determination[J]. Talanta, 2016, 160: 437-443.

[11]Beauchemim D, et al. Determination of arsenic species by high-performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1989, 4(3): 285-289.

[12]Carioni V M O, McElroy J A, Guthrie J M, et al. Fast and reliable method for As speciation in urine samples containing low levels of As by LA-ICP-MS: Focus on epidemiological studies[J]. Talanta, 2017, 165(1): 76-83.

[13]Jeong S, Lee H, Kim Y T, et al. Development of a simultaneous analytical method to determine arsenic speciation using HPLC-ICP-MS: Arsenate, arsenite, monomethylarsonic acid, dimethylarsinic acid, dimethyldithioarsinic acid, and dimethylmonothioarsinic acid[J]. Microchemical Journal, 2017, 134: 295-300.

[14]López-Garcia I, Marín-Hernánden J J, Perez-Sirvent C, et al. Measurement of very low amounts of arsenic in soils and waters: is ICP-MS the indispensable analytical tool?[C].19th EGU General Assembly, EGU2017, 2017: 9359.

[15]Lock A,Wallschlager D, McMurdo C, et al. Validation of an updated fractionation and indirect speciation procedure for inorganic arsenic in oxic and suboxic soils and sediments[J]. Environmental Pollution, 2016, 219: 1102-1108.

[16]Rahman M S, Clark M W, Yee L H, et al. Arsenic solid-phase speciation and reversible binding in long-term contaminated soils[J]. Chemosphere, 2017, 168: 1324-1336.

[17]Matsumoto S, Kasuga J, Makino T, et al. Evaluation of the effects of application of iron materials on the accumulation and speciation of arsenic in rice grain grown on uncontaminated soil with relatively high levels of arsenic[J]. Environmental and Experimental Botany, 2016, 125: 42-51.