高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法测定禽类生物样品中7种砷形态

刘 崴, 胡俊栋, 杨红霞, 李 冰

(国家地质实验测试中心, 北京 100037)

高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法测定禽类生物样品中7种砷形态

刘 崴, 胡俊栋, 杨红霞, 李 冰

(国家地质实验测试中心, 北京 100037)

采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICP-MS)联用技术测定禽类生物样品中砷甜菜碱(AsB)、二甲基砷(DMA)、As(Ⅲ)、一甲基砷(MMA)、As(Ⅴ)、阿散酸(ASA)和硝苯砷酸(NPAA)等7种砷形态。以人工胃液超声振荡法提取禽类生物样品中的砷,采用Dionex IonPacTMAS19阴离子交换柱分离7种砷形态,并用ICP-MS测定其含量。各砷形态的质量浓度在一定范围内与峰面积呈线性关系,检出限(3s,以砷计)在0.070～0.099 μg·L-1之间。加标回收率在74.0%～112%之间,测定值的相对标准偏差(n=6)在2.0%～5.9%之间。采用该方法分析矿区禽类生物样品,各砷形态含量的测定值之和与ICP-MS测得的总砷含量基本一致。

高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法; 砷形态; 禽类生物样品; 人工胃液

砷是一种具有较强毒性和致癌性的元素,普遍存在于自然界中[1]。环境中的砷主要来源于天然存在的砷和人为活动。砷元素主要通过食物链和砷源接触在人体内的富集[2]。有关砷毒理学研究发现,砷的毒性大小与其形态有密切的关系,无机态砷的毒性大于有机态砷[3-6],而砷甜菜碱(AsB)和砷胆碱(AsC)则通常被认为毒性很小或基本无毒性[7-8]。近年来,有机砷类制剂作为动物抗病原微生物和促生长类的饲料添加剂,在世界范围内广泛使用。其种类主要有阿散酸(ASA)、硝苯砷酸(NPAA)和洛克沙胂(ROX)等。虽然有机砷的毒性比无机砷小,但过量使用也会引起中毒,并且在动物体内代谢过程中,有机砷制剂可能产生残留或降解为其他砷形态化合物,若进入食物链将会威胁人体健康。未被利用的有机砷则可通过粪尿排出,在土壤微生物的作用下逐步转化为无机砷,造成土壤和水体的砷污染[9-12]。矿产资源的开采和有色金属的冶炼等活动会造成相应矿物元素在土壤、水体和植物等不同环境介质间的聚集和迁移,最终通过生物链在动物和人体体内富集。因此,开展矿区禽类等生物样品中砷元素形态分析方法研究对了解该研究区域不同环境介质中砷元素赋存状态、可靠评价当地砷污染状况等具有重要意义。

元素形态分析通常采用联用技术,即先用有效的在线分离技术将某种元素的各种化学形式进行选择性分离,接着用高灵敏度的无机元素检测技术进行测定。目前,砷形态分析所采用的联用技术主要有高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(HPLC-ICP-MS)[13-14]、毛细管电泳-电感耦合等离子体质谱法(CE-ICP-MS)[15]和高效液相色谱-氢化物发生原子荧光光谱法(HPLC-HG-AFS)[16]等。其中,HPLC-ICP-MS应用最为广泛[7,13,17]。HPLC通常在室温下进行,对高沸点和热不稳定化合物不需要进行衍生化处理即可分离。ICP-MS以其灵敏度高、检出限低、可检测元素多、线性范围宽等优势被公认为最强有力的痕量和超痕量无机元素分析技术。同时,ICP-MS可以方便地与不同分离技术联用的特点为形态分析提供了重要的检测手段。

本工作优化样品前处理方法,采用Dionex IonPacTMAS19阴离子交换色谱柱分离,用ICP-MS测定矿区禽类生物样品中的AsB、二甲基砷(DMA)、As(Ⅲ)、一甲基砷(MMA)、As(Ⅴ)、ASA、NPAA等7种砷形态。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 7500a型电感耦合等离子体质谱仪;Agilent 1100型高效液相色谱仪;HH·S-21型恒温水浴锅;Sigma 3-18K型高速离心机;LabTech EG20A plus型电热板;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱。

AsB溶液标准物质(GBW 08670)、MMA溶液标准物质(GBW 08668)、AsO33-溶液标准物质(GBW 08666)、DMA溶液标准物质(GBW 08669)、AsO43-溶液标准物质(GBW 08667)。

p-ASA纯度为99%,NPAA纯度为99%。

甲醇为HPLC级,其他试剂均为优级纯,试验用水为去离子水再经Milli-Q装置纯化(电导率大于18 MΩ·cm-1)。

人工胃液:按照《中国人民共和国药典》(2005版)制备,将324 mL盐酸用水稀释至1 L,分取16.4 mL,加水800 mL、胃蛋白酶10 g,摇匀后,加水稀释成1 L。

1.2 仪器工作条件

1) HPLC Dionex IonPacTMAS19色谱柱(250 mm×4 mm,5 μm);流动相A为水,流动相B为pH 9.5的50 mmol·L-1碳酸铵溶液;进样量50 μL。

梯度洗脱程序:0 min时,A为100%,流量为1.0 mL·min-1;15 min时,B为100%,流量为1.2 mL·min-1;18 min时,A为100%,流量为1.2 mL·min-1;20 min时,B为100%,流量为1.0 mL·min-1。

2) ICP-MS 采样深度6.3 mm,射频功率1 400 W,射频电压1.56 V,载气流量1.05 L·min-1,雾化器Babinton型,采样模式为时间分辨,采集时间1 300 s,样品提升速率0.8 mL·min-1。调谐溶液为10 μg·L-1的Li、Y、Ce、Tl混合溶液。

由于35Cl和仪器所用的高纯载气(氩气)易形成75ClAr+,干扰75As,因此在砷总量测定中使用干扰方程75As=75M-77M(3.127)+82M(2.733)-83M(2.757)来校正该多原子离子干扰。在砷形态分析中,采用时间分辨分析模式,同时监测75As、72Ge、77Se、83Kr、35Cl的信号,用以排除75ClAr+的干扰峰[18]。

1.3 砷形态分析样品前处理方法

方法一:称取冻干样品0.200 g于50 mL离心管中,加入甲醇(1+1)溶液10 mL,于60 ℃水浴提取2 h,以6 000 r·min-1离心10 min,将上清液转移至100 mL小烧杯中。向残渣中再加入甲醇(1+1)溶液5 mL,于60 ℃水浴提取0.5 h,以6 000 r·min-1离心10 min,合并上清液。然后置于60 ℃电热板上蒸至近干,用水溶解并定容至10 mL,过0.45 μm滤膜后上机测定。

方法二:称取冻干样品0.200 g于50 mL离心管中,加入人工胃液10 mL,于37 ℃超声提取2 h,以6 000 r·min-1离心10 min,上清液经0.45 μm滤膜后上机测定。

1.4 测定总砷含量的样品前处理方法

称取样品0.100 g加入10 mL聚四氟乙烯坩埚中,先加入BV-Ⅲ级硝酸2 mL进行预消解,然后缓慢逐滴加入过氧化氢0.5 mL,待反应完毕无气泡产生后将聚四氟乙烯坩埚放入钢套中拧紧,放入烘箱,在150 ℃密封消解5 h。冷却后取出,并放在130 ℃电热板上赶酸至小体积,然后用水定容至10 mL,用ICP-MS测定。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

试验选用Dionex IonPacTMAS19阴离子色谱柱分离不同砷形态,并对流动相组成、流动相的浓度、洗脱方式等进行了优化,结果表明:选用水和碳酸铵溶液为流动相,在梯度洗脱的条件下可以实现AsB、DMA、As(Ⅲ)、MMA、As(Ⅴ)、ASA、NPAA等7种不同砷形态的完全分离。增大流动相浓度可缩小各砷形态的保留时间,但过高的盐浓度会使碳在ICP-MS锥孔上堆积,长时间可造成锥孔的堵塞。综合考虑,试验选取碳酸铵溶液的浓度为50 mmol·L-1。在梯度洗脱的条件下,7种砷形态在20 min内可实现完全分离,色谱图见图1。

图1 7种砷形态的混合标准溶液色谱图Fig. 1 Chromatogram of mixed standard solution ofseven arsenic species

2.2 标准曲线与检出限

对不同质量浓度的砷形态混合标准溶液系列进行测定。以各砷形态的质量浓度对峰面积绘制标准曲线,各砷形态的线性范围、线性回归方程与相关系数见表1。

配制估计检出限3～5倍的7种砷形态混合标准溶液,连续测定7次,求得其标准偏差。以3倍标准偏差所对应的砷质量浓度计算方法的检出限,结果见表1。

表1 线性参数和检出限Tab. 1 Linearity parameters and detection limits

由表1可知:7种砷形态的检出限在0.070～0.099 μg·L-1之间,可满足禽类等生物样品中砷形态的测定需要。

2.3 前处理方法优化

比较了甲醇(1+1)溶液60 ℃水浴提取法和人工胃液37 ℃超声振荡提取法对砷形态混合标准溶液、DORM-2、GBW 10018等3个样品中砷形态的提取效果,结果见表2和表3。通过对3个样品提取率及7种砷形态的加标回收率的比较可以看出,两种样品前处理方法均可保证标准溶液在样品处理过程中的各砷形态的稳定,说明样品前处理方法本身不会导致各砷形态的转化。

由表2可知:采用甲醇(1+1)溶液水浴法提取,DORM-2标准物质中所提取的砷主要以AsB形态存在,并且提取的AsB质量比与标准值[(16.4±1.1) mg·kg-1]基本一致;此外,还提取出少量的DMA,7种砷形态的加标回收率在90.7%～109%之间,各砷形态在样品前处理过程中保持稳定,没有发生形态间的转化;各砷形态测定值之和(16.57 mg·kg-1)低于总砷的标准值[(18.0±1.1) mg·kg-1],总砷提取率为92.1%。鸡肉GBW 10018标准物质中的砷主要以AsB和DMA有机砷形态存在,除As(Ⅲ)加标回收率偏低外,其他各砷形态的加标回收率在80.5%～96.5%之间;各砷形态之和(0.080 mg·kg-1)比总砷的标准值[(0.109±0.013) mg·kg-1]偏低,总砷提取率为73.4%。

表2 水浴法提取砷形态的分析结果Tab. 2 Analytical results of arsenic speciation by bathing extraction method

由表3可知:采用人工胃液超声振荡法提取,DORM-2标准物质中所提取的砷主要以AsB形态存在,并且提取的AsB质量比与标准值一致;此外,还提取出少量的DMA,7种砷形态的加标回收率在92.0%～107%之间,各砷形态在样品前处理过程中保持稳定,没有发生形态间的转化。各砷形态测定值之和(16.69 mg·kg-1)较总砷的标准值偏低,提取率为92.7%。鸡肉GBW 10018标准物质中的砷主要以AsB、DMA、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)等4种砷形态存在,且各砷形态在样品处理过程中均保持稳定,没有发生形态间的转化,各砷形态的加标回收率在72.0%～93.3%之间;各砷形态测定值之和(0.108 mg·kg-1)与总砷标准值基本一致,该结果优于甲醇(1+1)溶液水浴法提取结果。

表3 超声法提取砷形态的分析结果Tab. 3 Analytical results of arsenic speciation by ultrasonic extraction method

因此,试验选择人工胃液超声振荡提取法为生物样品砷形态分析的样品前处理方法。

2.4 精密度与回收试验

按试验方法对采集的鸡肉和鸡肝样品中的砷形态进行测定,并做加标回收试验,结果见表4。

由表4可知:实际样品中的砷主要以DMA、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)形态存在,各砷形态的加标回收率在74.0%～112%之间,测定值的相对标准偏差(n=6)在2.0%～5.9%之间。

表4 精密度与回收试验结果(n=6)Tab. 4 Results of tests for precision and recovery

2.5 样品分析

利用建立的方法对矿区所采集的5个鸡肉样品及5个鸡肝样品中的砷形态进行测定,并采用ICP-MS测定总砷,结果见表5。

表5 矿区禽类生物样品中砷形态分析结果Tab. 5 Analytical results of arsenic speciation in poultry samples from mining area mg·kg-1

由表5可知:除部分鸡肝样品外,其他样品中砷主要以DMA、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)形态存在,总砷质量比均低于国家畜禽肉类中砷的限量值(0.5 mg·kg-1),其中5个样品中的总无机砷质量比大于0.05 mg·kg-1。各砷形态测定值之和与采用ICP-MS所测得的总砷测定值基本一致。

本工作建立了禽类生物样品中AsB、DMA、As(Ⅲ)、MMA、As(Ⅴ)、ASA和NPAA等7种砷形态的分离与检测方法,优化了样品前处理方法,保证了样品前处理过程中各砷形态的稳定。方法的检出限和精密度均能满足分析要求,可为砷元素的矿区生态环境研究提供重要的技术支持。

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Determination of Seven Arsenic Species in Poultry Biological Samples by HPLC-ICP-MS

LIU Wei, HU Jun-dong, YANG Hong-xia, LI Bing

(NationalResearchCenterforGeoanalysis,Beijing100037,China)

HPLC-ICP-MS was applied to the determination of seven arsenic species, including arsenobetaine, dimethyl arsenic, As(Ⅲ), monomethyl arsenic, As(Ⅴ), arsanilic acid and nitrobenzene arsenic acid, in poultry biological samples. Arsenic in samples was extracted with artificial gastric juice by ultrasonic oscillation method, and the seven arsenic species were separated on a Dionex IonPacTMAS19 ion exchange column and determined by ICP-MS. Linear relationships were found between peak areas and mass concentrations of the seven arsenic speues in defined ranges, with detection limits (3s) in the range of 0.070-0.099 μg·L-1. Recovery rates obtained by standard addition method were in the range of 74.0%-112%, and RSDs (n=6) were in the range of 2.0%-5.9%. The method was used to analyze poultry biological samples in mining area, giving the sum of contents of seven arsenic species in agreement with the contents of total arsenic determined by ICP-MS.

HPLC-ICP-MS; Arsenic species; Poultry biological samples; Artificial gastric juice

10.11973/lhjy-hx201703011

2016-02-25

国家自然科学基金项目(41301565);中国地质科学 院基本科研业务费项目(YYWF201620);中国地质大调查项目 (12120113015400)

刘 崴(1981-),女,天津人,副研究员,主要从事痕 量超痕量元素含量及元素形态分析方法研究工作。E-mail:hat- tieliu@126.com

O657

A

1001-4020(2017)03-0299-06