环境中铅化学形态分析研究进展

许秀艳　谭丽　郑晓燕　于海斌　陈烨　吕怡兵

摘要：铅是对人类和高等生物最具危害的有毒金属之一，其毒性与化学形态密切相关。环境介质中铅的化学形态监测分析主要包含样品的采集、保存、前处理、分离和测定等步骤。该文综合国内外相关文献，系统介绍环境介质中铅化学形态监测分析的相关技术和方法，并阐述我国开展铅化学形态监测存在的问题及其意义。

关键词：铅；形态分析；研究进展

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2015）01-0040-06

0引言

随着人类活动及现代工业、交通业的发展，几乎在地球上的每个角落都能检测出铅。矿山开采、金属冶炼、汽车废气、燃煤、油漆、涂料、化妆品以及电子废品等都是环境中铅的主要来源。

自然界中的铅会不断迁移、转化，因而有多种存在形态。不同形态、价态的铅，其毒性差异很大。Creme通过研究，给出了不用形态铅化合物对老鼠的毒性作用，如表1所示。

作为广泛使用的汽油抗爆剂，四烷基铅中的四甲基铅、四乙基铅是最主要的铅污染源。汽油在燃烧过程中，铅会随着汽车尾气直接排入大气，污染环境。有机铅进入人体后，最突出的特点是在人体软组织停留时间较长，通过各器官的吸收，可触发癌变。人体内过量沉积铅将导致神经系统的破坏和智力的明显下降问。Bouton等采用基因芯片技术通过铅暴露情况下星形胶质细胞的基因表达深入研究了铅的毒害作用。日本、美国分别于1987年和1996年实现了汽油无铅化。我国也在2000年开始分阶段、分地区逐步实施汽油无铅化，规定汽油中铅质量浓度<0.005g/L。有机铅化合物具有热不稳定性，其转化规律一般是：由四甲基铅转化为三甲基铅，继而转化为二甲基铅和一甲基铅，最终转化为无机铅。四乙基铅是剧毒物质，毒性比无机铅大100倍。四乙基铅的致毒机理尚不十分清楚，目前认为主要是由分解产物三乙基铅引起，而且三乙基铅的毒性比四乙基铅大100倍，相比而言，四甲基铅急性毒性较四乙基铅低。

为了全面评估铅对环境和健康的影响，对各种铅形态进行分析测定对于预测铅的环境污染，以及采取有效措施避免污染，具有重要的现实意义。目前，我国对环境中有机铅形态的监测也仅限于四乙基铅，GB 3838

2002《地表水环境质量标准》将四乙基铅列为特定项目之一，标准限值为0.1μg/L。同时，该标准推荐采用GB/T 5750.6——2006《生活饮用水标准检验方法》中的双硫腙目视比色法测定四乙基铅，该方法需使用高挥发性的纯溴和剧毒试剂氰化钾，而且操作繁琐、易受干扰、检测灵敏度低，不能满足实际监测需要。如何准确、便捷地检测水体中的低浓度四乙基铅以满足实际监测需要，依然是环境监测领域的一个重要研究方向。

铅的化学形态分析主要是分析和测定样品中铅的无机态离子和有机态络合物的质量浓度，所以要求测试方法灵敏度高、专一性强，而且在分析过程中还要尽量避免原有的形态平衡被破坏。目前主要是结合萃取分离和富集技术，再联用高灵敏度检测仪进行铅形态的测定。

本文综合国内外相关文献，系统介绍了环境介质中铅化学形态分析样品的采集、保存、前处理和测试技术，阐述我国开展铅化学形态监测存在的问题及其意义。

1用于铅形态分析的环境样品的采集和保存

在铅化学形态的研究中，稳定性是关键问题。在样品保存过程中，因吸附或挥发等原因造成损失或发生形态转变，很可能影响分析结果的准确性，甚至得出错误的结论。因此，样品的采集和贮存方法对于铅的形态分析极为重要，如何使不同形态的铅化合物在分析测定前保持原有的存在形式和形态是铅形态监测分析需首要解决的问题。

1.1水样的采集和保存

水中四乙基铅的溶解度不高，在强光照射下会逐步分解成无机铅，故应用棕色玻璃瓶采集样品，采样时不得留有顶上空间和气泡，水样采集后应尽快萃取分析，若不能及时分析，应在4℃冰箱中避光保存，但保存时间不能超过7d。

1.2土壤样品的采集和保存

采样铲采集土壤，装入塑料袋中密封，阴凉干燥处保存，自然风干。也可参照Quevauviller等采集保存城市灰尘的方法，将样品采回实验室后，过500μm筛去除大块的杂物，然后自然风干4～5d。经球磨机球磨3min后，进一步过80μm筛。取约600g过筛后的样品置于1kg的玻璃罐中冷冻干燥20h以确保样品的均匀稳定。

1.3沉积物样品的采集和保存

采集湖水、水库等深水中沉积物，一般采用冲击式采样器采集，样品在实验室内离心脱水后，置于冰箱内冷冻保存。样品采用阴凉通风处风干或冷冻干燥。

铅化学形态分析的相关文献，以分析测定技术的文献居多，而涉及样品采集和保存环节的文献寥寥可数，还很不全面。样品采集和保存方法的完善是实现铅化学形态监测分析的一个重要环节，因此，对于铅化学形态稳定性的各类影响因素的研究还有待加强，如样品保存器皿的材质、保存温度、保存时间以及样品的pH值等。

2分析铅形态的环境样品的前处理技术

环境样品一般基体复杂、干扰严重，而且铅的含量很低，一般在mg/L～μg/L水平，甚至达到ng/L，无法直接分析测定，需要采用物理或化学方法对环境样品进行分离和富集。从某种意义上来讲，提取与富集的方法是否有效，决定了测定结果的可靠性。传统方法有液液萃取、吸附和蒸馏等。近些年来，新的方法不断涌出，如固相萃取、固相微萃取和微波萃取等，并且获得越来越多的应用。

2.1液液萃取

四乙基铅的有机物特性使得可以采用经典的液液萃取方法进行分离富集。文献中多使用三氯甲烷和二氯甲烷对水中四乙基铅进行多次萃取，杨丽莉等根据四乙基铅脂溶性强的特点，以二氯甲烷、乙酸乙酯、正己烷、环己烷等不同极性的溶剂进行萃取试验，结果表明，正己烷的萃取效果最好，而且毒性较小。

而对于离子烷基铅，如采用液液萃取的方式，需经衍生化过程转化为四烷基铅化物后再选用合适的溶剂进行萃取。Bergmann等选择四丁基硼酸四丁基铵作为衍生试剂，对水样中的三甲基铅、二甲基铅、三乙基铅、二乙基铅和pb²⁺丁基化衍生后，再采用正己烷萃取2次。其中，水样的pH值和衍生化试剂的质量浓度是衍生效率的主要影响因素。当pH<3时，由于四丁基硼酸的快速分解导致铅化合物的衍生化不完全；当pH>7时，有机铅的衍生效率随着pH的升高而降低甚至降为0，因此，衍生化的最佳条件为弱酸性。

2.2固相萃取

固相萃取（solid phase extraction，SPE）是目前萃取水中有机化合物应用较多的一种分离富集技术，该方法也可用于分离环境样品中的有机铅化合物。填料是固相萃取技术的核心，选择对有机铅化合物具有适中吸附性的SPE柱填料是确保检测准确的前提，当然，对同一种目标物，也可以选择不同的填料，但是要注意方法的调整。目前用于分析有机态铅常用的吸附剂有C18相，硅胶和活性炭，C60富勒烯柱也陆续被研究使用。Baena等㈣给出了一种简单的采用C60富勒烯柱固相萃取水环境样品中铅化合物的筛选方法。有机铅和无机铅化合物与二乙基二硫代氨基甲酸形成络合物后吸附于C60富勒烯柱上。对于无机铅络合物，因具有较好的溶解性，采用异丁基甲基酮作为淋洗液可获得较高的洗脱效率。而对于烷基铅络合物，采用正己烷作为淋洗液洗脱效率更高。如果C60富勒烯柱预先采用正己烷活化，采用异丁基甲基酮作为淋洗液亦可以达到较好的洗脱效果。

2.3固相微萃取

固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）是在固相萃取基础上发展起来的新型萃取分离技术，因具有简便快速、无污染等特点，一经出现，就得到迅速发展。近几年，SPME在金属及有机金属的形态分析领域应用广泛，SPME的使用，降低了形态分析的检出限，扩大了样品的检测范围，表现出很强的发展潜力。帅琴等建立了顶空固相微萃取与气相色谱质谱（GCMS）联用测定水样中四甲基铅和四乙基铅的方法，研究发现：采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）萃取纤维头测得的峰面积信号比采用聚丙烯酸脂（PA）萃取纤维头测得的峰面积信号可提高约5倍，并且，当水样中添加50%的甲醇时萃取效率最高，四甲基铅与四乙基铅的检出限分别为5.19，1.05μg/L。Maria等采用固相微萃取与原子吸收联用技术测定了汽油和水中的四乙基铅，方法简单、重复性较好，5次平行测定质量浓度为10ng/mL的四乙基铅加标样品，RSD达到6%。

2.4微波萃取

微波萃取（microwave assisted extracfion，MAE）是指在微波能的作用下，用有机溶剂将样品基体中的待测组分溶出的过程。早期用于无机样品的分离，现在应用范围扩展到有机化合物。可用于土壤、沉积物和生物等样品中有机铅化合物的分离。Chen等开发了含有不同形态铅化合物的贝类样品的微波提取方法，把准确称量的0.5000g贝类干组织样品置于30mL的聚四氟乙烯管中，加入10mL50%（v/v）的甲醇缓冲溶液（70mmol/LH₃BO₃和17.5mmol/LNa₂B₄O₇），盖上盖子旋紧放入微波萃取仪里，在70℃、400w的条件下提取5min，提取溶液降到室温后通过0.22μxm微孔滤膜过滤分离，残留物重复上述过程两次，得到有机铅提取溶液。剩余的残留物使用10mL 0.5mol/L的乙酸在相同的实验条件下微波辅助提取无机铅化合物。合并有机铅和无机铅萃取液后氮吹至近干，使用少量运行缓冲液（pU=8.85，70mmol/LH₃BO₃，17.5mmol/La₂B₄O₇，0.4mmol/LCTAB和2%甲醇）稀释定容。该微波提取方法有效，在不改变铅形态的前提下，能够高效地提取贝类中的痕量铅化合物，pb²⁺、三甲基铅和三乙基铅的回收率为91%～104%，平行6次样品测定，其RSD在5%以内。

总之，传统的铅总量测定往往采用破坏性的样品前处理方法，使用强酸或者强碱在高温、高压等条件下使样品全部消解，然后进行测定。但是铅的形态分析既要将各种铅形态化合物从复杂的基体中定量转移出来，又不能引起形态上的转化，因此相对铅的总量分析处理，铅形态分析的提取方法一般都较为温和。3铅形态分析的联用分析技术

分光光度法易受干扰，选择性差，检出限在10^-6以上；电化学法的灵敏度和选择性不高，无法定量萃取出所有的烷基铅离子；气相色谱法无法直接分析不易挥发且热稳定性差的二烷基铅，对于热稳定性差且会与气相色谱柱发生反应的三烷基铅以及强极性的无机铅离子的分析更是无能为力。

到目前为止，用来分析铅形态的主要分析技术都是基于分离技术和元素选择性检测器的联用。其中，色谱分离与光谱检测联用技术既发挥了色谱法分离效果好，光谱检测灵敏度高的优点，又可以进行元素形态分析，是形态分析技术领域的主流。主要包括色谱法与紫外可见分光光度法（UV）、原子吸收光谱法（AAS）、质谱法（MS）、等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）的联用等。另外，毛细管电泳用于形态分析也是一个重要的研究方向。

3.1气相色谱联用技术

挥发性和热稳定好的化合物适合用气相色谱分离，离子烷基铅和pb²⁺必需经衍生转化为易挥发的四烷基铅化物，才能通过气相色谱技术分离检测。目前，采用格林试剂衍生铅化合物非常有效，丙基化、丁基化和苯基化衍生都已成功用于气相色谱分离铅形态化合物。基于格林试剂的衍生，分析环境样品中铅化合物的研究已有许多报道。Bergmann等对水样中的三甲基铅、二甲基铅、三乙基铅、二乙基铅和Pb²⁺丁基化衍生后经正己烷萃取，以三甲基戊基铅作为内标，采用GC-AAS对各铅化物进行了成功分析。Baena等用格林试剂衍生无机铅、二烷基铅和三烷基铅，采用正己烷萃取后，通过GC-MS联用分析检测无机铅、二烷基铅和三烷基铅，检出限达到1～4ng/L，并成功用于雨水样品的分析。Heisterkamp等建立了GC-AES联用技术分析检测水样和泥炭样品中有基铅化合物的分析方法，该方法以四丁基硼酸四丁基铵作为衍生试剂，在pH值为4的醋酸/醋酸钠缓冲液中，三甲基铅、二甲基铅、三乙基铅和二乙基铅生成丁基化衍生物后被正己烷萃取，与格林试剂的烷基化衍生效果相当，检出限达到ng/L水平。Yan等以丁基溴化镁作为衍生试剂，以三丙基氯化铅作为内标，建立了同时分析检测多种汞和铅化合物的GC-ICP-MS联用技术，四甲基铅、四乙基铅、三甲基铅和pb²⁺的方法检出限（3σ）分别为0.07，0.06，0.04和7.0Pg/g。Gentineo采用四乙基硼酸钠对三乙基铅和三甲基铅进行衍生，顶空一固相微萃取有机铅的乙基化衍生物后，GC-MS联用检测其含量，检出限可达到ng/L水平。Leal-Rranadillo等用GC-ICP-MS方法测定大气降尘中的烷基铅时，各种形态的检测结果分别为3.2fg/μL三甲基铅，2.4fg/μL二甲基铅，1.8fg/μL三乙基铅，9fg/μL二乙基铅，检测限可达到pg/m³。