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环境地表水是人类生活用水的重要来源之一，也是各国水资源的主要组成部分。我国依据《地表水环境质量标准》对地表水各类水域进行监督和管理。在该标准规定的基本监测项目中，砷和汞是两种受到严格限定的有毒有害重金属元素。基于砷元素常见又有亚砷酸[As(Ⅲ)]、砷酸[As(Ⅴ)]、一甲基砷酸（MMA）、二甲基砷酸（DMA）、砷甜菜碱（AsB）和砷胆碱(AsC)等形态，汞元素有无机汞（iHg）、甲基汞（MeHg）、乙基汞（EtHg）等形态。砷和汞不同的化学形态，在环境中的毒性、分布、生物效应亦不相同[1]。因此，准确地定性和定量地表水中砷和汞的形态，对区域水源的评估和环境监测治理有着重要的指导作用。
应对砷形态和汞形态的分析，高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱联用是常用的技术手段。其中形态砷的分析，多数文献选用离子交换色谱原理使用离子交换色谱柱进行分离，也有少部分选用反相色谱原理进行分离，如林滉[2]就基于反相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术的原理研究了饲料中砷形态。而对形态汞的分析，基本使用反相色谱原理进行分离。形态砷和形态汞分别独立测试方法已较为成熟，但是分别独立测试需要较长的分析时间与较高的氩气成本消耗。本文探索了采用HPLC-ICPMS联用对6种不同形态砷和3种形态汞同时进行分离，并准确定量各种元素形态含量的方法，方法具有同时分离测定，高效率低成本的特点，为水环境的监控和治理提供有用参考。
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对空白和形态砷形态汞标准溶液进样考察，排除系统干扰，并且考察6种形态砷和3种形态汞的分离度，以确保实际样品分析过程中不会造成假阳性检出。所选色谱体系下，6种砷形态的色谱分离图及同时进样时3种汞形态的色谱分离图中，亚砷酸[As（Ⅲ）]的保留时间为3.452 min、砷酸[As（Ⅴ）]的保留时间为8.851 min、一甲基砷酸（MMA）的保留时间为6.704 min、二甲基砷酸（DMA）的保留时间为6.453 min、砷甜菜碱（AsB）的保留时间为3.143 min、砷胆碱(AsC)的保留时间为2.460 min、无机汞（iHg）的保留时间为4.094 min、甲基汞（MeHg）的保留时间为4.856 min、乙基汞（EtHg）的保留时间为8.468 min。由于砷元素监测的质量数为75，汞元素监测的质量数为202，砷元素形态与汞元素形态在时间上的重合不会影响各自的定量分析。在该色谱分离条件下，9种元素形态可以实现在10 min内完全分离，有效的节省了分析的时间。
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配制6种形态砷和3种形态汞系列浓度标准溶液，测试各浓度点不同形态砷和汞色谱峰的面积，以浓度与峰面积比值做线性回归绘制标准曲线，各元素形态的线性方程及相关系数见表3。
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在进样体积为50 µL时，对砷元素浓度为10.0 µg·L−1，汞元素浓度为1.0 µg·L−1样品溶液考察各种形态的信噪比，折算信噪比S/N=3时为方法检出限，结果见表4。
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基于反相色谱原理使用HPLC同时分离了6种形态砷和3种形态汞，ICPMS-2030测定了地表水中的6种形态砷和3种形态汞的含量，并进行加标回收率实验（表5），加标回收率在85.8%—97.5%之间，重现性<5.38%，验证了本方法定量分析结果准确可靠。
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在本实验中，流动相条件是各形态分离至关重要的影响因素，通过查阅文献[2-3]和试验研究，分别对离子对试剂的类型、浓度以及流动相溶液的pH等方面做了优化。实验对比了四丁基氢氧化铵、四甲基氢氧化铵和戊烷磺酸钠体系下各元素形态的分离情况，在四甲基氢氧化铵体系中AsB与As（Ⅲ）出峰重叠，MDA与MMA无法完全分离，戊烷磺酸钠体系中AsB与As（Ⅲ）出峰重叠且iHg与MeHg无法分离，四丁基氢氧化钠体系取得了最佳的9种形态分离效果。实验对比了四丁基氢氧化铵流动相体系下，在四丁基氢氧化铵浓度分别为0.005、0.01、0.015、0.02 mol·L−1的分离结果，随着四丁基氢氧化铵浓度增加，砷元素各形态出峰往前，保留时间缩短。浓度为0.015 mol·L−1和0.02 mol·L−1时，AsB与As（Ⅲ）色谱峰出现重叠，而浓度为0.005 mol·L−1时，As（Ⅴ）保留时间延长明显，且出现峰展宽，故选择四丁基氢氧化铵浓度分别为0.01 mol·L−1作为最终实验条件。pH值在该实验中对峰形和分离度影响同样较大，经过比较pH值5.0、5.5、6.0、6.5、7.0，结果显示pH<6.0时，值为6.0时，峰形和分离度均较好，选择pH 6.0为最终实验条件。
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本文将高灵敏度的电感耦合等离子体质谱仪ICPMS-2030与岛津高效液相色谱LC-20Ai联用，利用反相离子对色谱分离的机理，建立了HPLC-ICP-MS同时快速测定地表水中6种形态砷和3种形态汞含量的分析方法。分析结果线性相关系数良好，r>0.999，加标回收率良好，方法准确、可靠。且具有操作简单、快速高效、精密度高和环境友好的特点，适用于地表水中形态砷和形态汞的同时定性和定量分析。
基于反相色谱原理HPLC-ICP-MS法同时分离测定环境水中的6种形态砷和3种形态汞
Simultaneous separation and determination of 6 forms of arsenic and 3 forms of mercury in environmental water by HPLC-ICP-MS based on the principle of reversed phase chromatography
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摘要: 本文建立了使用HPLC-ICPMS联用同时分离测定环境水中的亚砷酸[As(Ⅲ)]、砷酸[As(Ⅴ)]、一甲基砷酸（MMA）、二甲基砷酸（DMA）、砷甜菜碱（AsB）、砷胆碱(AsC)和无机汞（iHg）、甲基汞（MeHg）、乙基汞（EtHg）的方法。该方法结果显示，6种形态砷和3种形态汞的线性相关系数大于0.999，加标回收率在85.8%—97.5%之间，重现性<5.38%，6种形态砷的检出限在0.05—0.10 μg·L−1之间，3种形态汞的检出限在0.04—0.07 μg·L−1，方法适用于环境水中6种形态砷和3种形态汞的同时定量分析。
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关键词:
- HPLC-ICP-MS /
- 环境地表水 /
- 形态砷 /
- 形态汞
Abstract: A HPLC-ICPMS method was established for the simultaneous separation and determination of arsenite [As (Ⅲ)], arsenate [As (Ⅴ)], monomethyl arsenate (MMA), dimethyl arsenate (DMA), arsenic betaine (ASB), arsenic choline (ASC), inorganic mercury (IHG), methyl mercury (MeHg) and ethyl mercury (EtHg) in environmental water. The results showed that the linear correlation coefficient of 6 forms of arsenic and 3 forms of mercury was greater than 0.999, the recovery was 85.8% — 97.5%, the reproducibility was less than 5.38%, and the detection limit of 6 forms of arsenic was 0.05 — 0.10 μ g·L−1, the detection limits of three forms of mercury are 0.04 — 0.07 μ g·L−1, the method is suitable for the simultaneous quantitative analysis of 6 forms of arsenic and 3 forms of mercury in environmental water.-
Key words:
- HPLC-ICP-MS /
- environmental surface water /
- arsenic species /
- mercury species
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表 1 HPLC分析条件
Table 1. HPLC analysis conditions
参数 参数设定 色谱柱 Shim-pack GIST C8 (250 mm×4.6 mm; 3 µm) 流动相 甲醇-0.01 mol·L−1 四丁基氢氧化铵溶液（含0.05% L-半胱氨酸，丙二酸调节pH值至6.0）（5∶95） 流速 0.90 mL·min−1 进样量 50 μL 柱温 40 ℃ 洗脱程序 等度洗脱 
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表 2 ICP-MS分析条件
Table 2. ICP-MS analysis conditions
参数 参数设定 参数 参数设定 高频功率 1.20 kW 等离子体气流速 8.0 L·min−1 辅助气流速 1.10 L·min−1 载气流速 0.70 L·min−1 炬管类型 Mini炬管 雾化器 同心雾化器 雾化室 旋流 雾化室温度 5 ℃ 采样深度 5.0 mm 高频频率 27.12 MHz 碰撞气体 He 碰撞气流速 6 mL·min−1 池电压 −21 V 能量过滤器电压 7.0 V
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表 3 线性关系结果
Table 3. Linear relationship results
名称 线性方程（y=ax+b） 相关系数r 一甲基砷 Conc.=0.7359626×I−0.0000547 0.99991 二甲基砷 Conc.=0.6908158×I−0.0000686 0.99982 砷甜菜碱 Conc.=8.642405×I−0.7723754 0.99952 砷胆碱 Conc.=11.04739×I−0.3776212 0.99987 亚砷酸 Conc.=5.654409×I−0.2385836 0.99995 砷酸 Conc.=0.4118296×I−0.0000028 0.99992 无机汞 Conc.=0.0256538×I−0.0420272 0.99988 甲基汞 Conc.=0.0266438×I−0.0430716 0.99997 乙基汞 Conc.=0.0270241×I−0.0302183 0.99991
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表 4 检出限考察结果
Table 4. Inspection results of detection limit
元素形态 As(Ⅲ) As(Ⅴ) MMA DMA AsB AsC iHg MeHg EtHg 方法检出限/（μg·L−1） 0.06 0.05 0.07 0.06 0.08 0.10 0.07 0.04 0.06 定量下限/（μg·L−1） 0.19 0.16 0.23 0.19 0.25 0.35 0.24 0.14 0.19
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表 5 环境地表水样品分析结果
Table 5. Analysis results of environmental surface water samples
名称 测定结果/(μg·L−1) 加标量/(μg·L−1) 加标后测定值/(μg·L−1) 加标回收率/% RSD/%（n=3） As(Ⅲ) N.D. 10.0 9.21 92.1 4.29 N.D. 20.0 17.9 89.7 3.71 As(Ⅴ) N.D. 10.0 9.03 90.3 2.35 N.D. 20.0 17.5 87.7 2.92 DMA N.D. 10.0 9.13 91.3 1.43 N.D. 20.0 18.0 90 0.84 MMA N.D. 10.0 9.18 91.8 3.28 N.D. 20.0 17.9 89.5 0.56 AsC N.D. 10.0 9.66 96.6 3.99 N.D. 20.0 18.6 93 1.12 AsB N.D. 10.0 8.58 85.8 3.21 N.D. 20.0 17.9 89.3 1.80 IHg N.D. 1.0 0.96 96 5.38 N.D. 2.0 1.87 93.7 2.41 MeHg N.D. 1.0 0.96 96 3.18 N.D. 2.0 1.95 97.5 3.20 EtHg N.D. 1.0 0.88 88 1.95 N.D. 2.0 1.77 88.3 1.31 N.D.表示测量结果低于检出限.
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[1] 潘雨齐, 李时卉, 彭亮, 等. 环境中砷元素的分布、化学形态、生物毒性及其污染治理 [J]. 农业环境与发展, 2012, 29(3): 64-67. [2] 林滉. 基于反相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术快速测定饲料中砷形态的研究 [J]. 检测技术, 2019(4): 80-83. [3] 张普敦, 许国旺, 魏复盛. 砷形态分析方法进展 [J]. 分析化学, 2001, 29(8): 109-113. -
