高效液相色谱–电感耦合等离子体质谱法同步测定海水中的无机砷与六价铬

黄键，张文国，施锦辉，曹海峰，王红卫，葛红梅，王金娟

(南通海关综合技术中心，江苏南通 226004)

随着工业化进程的发展，在工业中具有广泛用途的重金属通过各种方式排放至环境中，当重金属通过水源或是食物链进入人体并达到一定阈值时会对人体产生危害。通过元素分析的手段可对环境或食品中的重金属进行检测。随着认识的深入，人们发现，即使是同样的元素，由于其存在形式的差异，在环境、食物链、动植物体内的迁移蓄积规律是不同的，且其元素活性与生物毒性也不同［1］，因此其在人体内的代谢方式和危害也不同。如砷在自然界中存在形式多样，在海产品中以砷甜菜碱和砷胆碱的形式存在，几乎无毒性；有机砷如甲基胂酸和二甲基胂酸，其毒性中等；而无机砷如亚砷酸盐和砷酸盐则毒性较高［2］。铬在自然界中广泛存在，常见的形态为Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，Cr(Ⅲ)为人体必需元素，只能外源性吸收，因此其常常作为营养强化剂加入保健食品中，而Cr(Ⅵ)则具有致癌性，对人身体有害［3］。因此，传统的元素分析测量重金属的总量往往难以表征该元素的真实生物活性与危害。分析砷、铬等元素时，其形态分析比总量分析更为重要。

近年来，元素形态分析越来越受到人们的重视。单一的仪器或技术很难实现对元素形态的精确测定，人们常使用色谱与其它仪器联用的方式来实现分离和检测元素的不同形态［4–8］。常见的联用方式有液相色谱–原子荧光光谱法、液相色谱–电感耦合等离子体质谱法等。目前对元素形态分析的研究多集中于单一元素的不同形态［9–13］，对多种元素形态同步分析的报道较少［14–17］。电感耦合等离子体质谱法可同时分析数种元素，结合色谱技术即可实现对多种元素不同形态的同步分析，从而提高分析效率，节省检测成本。

笔者采用高效液相色谱–电感耦合等离子体质谱法同时分析海水中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和Cr(Ⅵ) 3种元素形态，利用优化的色谱条件消除了干扰物对测定的影响，方法的分离度好，操作简单，适用于海水中无机砷和六价铬的形态分析。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

高效液相色谱仪：Agilent 1290 Infinity 型，美国安捷伦科技有限公司；

电感耦合等离子体质谱仪：Agilent 7700x 型，美国安捷伦科技有限公司；

分析天平：BS 224S 型，感量为0.1 mg，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；

超纯水机：Direct-Q 型，默克密理博公司；

As(Ⅲ)，As(Ⅴ)，Cr(Ⅵ)标准溶液：质量浓度均为1 000 mg／L，美国o2si 公司；

硝酸：优级纯，质量分数为65%～68%，西陇科学股份有限公司；

氨水：色谱纯，质量分数为20%～22%，上海安谱实验科技股份有限公司；

氯化钠：分析纯，江苏强盛功能化学股份有限公司；

高纯氩气：纯度大于99.999%，南通天源气体有限公司；

海水样品：沿海养殖场中的海水；

实验用水：去离子水，电阻率不小于18 MΩ·cm，自制。

1.2 溶液配制

标准贮备液：10 mg／L，分别精确称取As(Ⅲ)，As(Ⅴ)，Cr(Ⅵ)标准溶液适量，置于容量瓶中，用去离子水稀释后定容至标线。标准贮备液在4℃下可大约保存3 个月。

系列混合标准工作溶液：称取一定质量的氯化钠，用去离子水配制成3.5%的盐溶液以模仿海水基质，分别精确移取适量的标准储备液，用上述盐溶液配制成As(Ⅲ)，As(Ⅴ)质量浓度分别为10.00，20.00，50.00，100.00，250.00 µg／L，Cr(V)质量浓度分别为20.00，50.00，100.00，200.00，500.00 µg／L 的系列混合标准工作液。

流动相：量取一定体积的硝酸，用适量去离子水稀释，使用氨水调节pH 至9.0，定容，其中硝酸铵的浓度为40 mmol／L，超声脱气后备用。

1.3 仪器工作条件

1.3.1 高效液相色谱仪

阴离子交换色谱柱：Hamilton PRP–X100 型柱(250 mm×4.1 mm，10 µm，瑞士哈美顿博纳图斯股份公司)；柱温：25℃；进样体积：20 µL；流量：1 mL／min；流动相：40 mmol／L 硝酸铵溶液(用氨水调节至pH 9)；等度洗脱。

1.3.2 电感耦合等离子体质谱仪

RF 发射功率：1 550 W；雾化室温度：2℃；测定模式：No Gas；等离子体气：氩气，流量为15 L／min；载气：氩气，流量为1.05 L／min；辅助气：氩气，流量为0.9 L／min；稀释／补偿气：氩气，流量为0.07 L／min；提取透镜组电压：–180 V；欧米伽偏转电压：–90 V；欧米伽透镜电压：9.8 V；偏转电压：–3.0 V；雾化器：玻璃同心雾化器；监测质量数：m／z52，75；镍采样锥和截取锥。

1.4 实验方法

使用聚乙烯瓶收集样品，于4℃下保存，并于24 h 内进行分析，以避免元素在不同价态之间相互转化，样品经0.22 μm 水相滤膜过滤后，在1.3 仪器工作条件下进行测定。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件的选择

2.1.1 色谱柱

色谱分离的主要条件包括色谱柱和流动相。金属元素大多以离子形态存在，故可使用离子交换柱对其进行分离，也可使用络合剂将其衍生化配合反相色谱对其进行分离。无机砷与六价铬均以酸根的形式存在，为阴离子形态，因此阴离子交换色谱柱是最适合的分析柱。文献［16–17］与GB 5009.11–2014［18］中使用阴离子交换柱对无机砷或六价铬进行分离。进一步试验表明，ZORBAX SB–C18柱(150 mm×4.6 mm，5 µm，美国安捷伦科技有限公司)与Eclipse Plus C18柱(150 mm×4.6 mm，5 µm，美 国安捷伦科技有限公司)等液相色谱柱对六价铬有一定的保留作用，但是它们对无机砷的保留较差，As(Ⅲ)与As(Ⅴ)的色谱峰出现部分重叠，无法得到有效分离，而Hamilton PRP–X100 阴离子交换色谱柱对3 种元素形态的保留较好，可以实现无机砷的基线分离，因此选用Hamilton PRP–X100 阴离子交换色谱柱对待测物质进行分离。

2.1.2 流动相

除色谱柱外，流动相也是影响色谱分离的重要因素之一。选择流动相时，候选物质既要提供洗脱待测物所需的离子强度，又要对目标分离物不产生干扰。由于本方法以液相色谱–电感耦合等离子体质谱仪联用，为了避免电感耦合等离子体离子化效率降低，尽量不选择钠、钾元素的盐溶液。查阅文献［8］［13］得知，磷酸二氢铵溶液一般可用于砷的形态分析，硝酸铵溶液一般用于六价铬的分析，经试验发现，上述两种流动相均可实现砷与铬的形态分离，考虑到磷酸盐难以分解，可能存在堵塞截取锥、抑制等离子体电离效率等问题，故采用硝酸铵溶液作为流动相。对无机砷进行形态分析时，流动相中加入少量甲醇等有机溶剂能够提高分析灵敏度，但有机溶剂会在等离子体中形成40Ar12C，从而影响铬的信噪比和检出限，并且碳积聚在电感耦合等离子体质谱仪锥口可能导致堵塞，增加仪器维护频率。故流动相中不加入有机溶剂。

2.1.3 流动相浓度与酸度

流动相选择合适的浓度与酸度可实现无机砷和六价铬的分离与测定。配制一定浓度的硝酸溶液，使用氨水调节pH 值，即可得到一定浓度和pH 值的硝酸铵溶液。海水中平均盐浓度大约为3.5%，因此配制3.5%的氯化钠溶液作为基质，并以此配制系列标准溶液，研究流动相浓度与pH 值对无机砷和六价铬测定结果的影响。本试验中，在碎片离子m／z75，52 处检测到干扰信号，分别为氯化物40Ar35Cl+和36Cl16O+，上述氯化物会对75As 和52Cr 产生干扰。试验结果表明，流动相的浓度与pH 值只影响待测物质的保留时间，对上述氯化物的色谱参数无影响。

离子交换色谱中，增加流动相的浓度可提高流动相的洗脱能力，从而减少待测物质的保留时间，改变pH 值也可对待测物质的分离产生影响。由于海水基质中氯化物的干扰，需要选择合适的流动相浓度与酸度，使得待测物质与干扰物质完全分开。通过一系列试验发现，当硝酸铵溶液浓度为40 mmol／L，pH 值为9 时，目标物质与干扰物质完全分离，色谱图如图1 所示。

图1 无机砷与六价铬的加标样品色谱图

2.2 质谱条件的选择

砷是单同位素，在m／z75 时，海水基质中的氯离子会在氩气等离子体中形成40Ar35Cl+，对砷的测量产生干扰，因此通过改变色谱条件将氯离子与砷进行分离。选择丰度最高的m／z52 测量铬的信号，36Cl16O+对其测量产生干扰，同样利用最优化的色谱条件将干扰物与其分离。

2.3 线性方程与检出限

量取一定体积的混合标准储备液，将其用3.5%的盐水配制成系列标准溶液，其中As(Ⅲ)，As(Ⅴ)的质量浓度为10～250 µg／L，Cr(Ⅵ)的质量浓度为20～500 µg／L。按1.3 仪器工作条件进行测定，以各元素形态的质量浓度（x，µg／L）为横坐标，对应的色谱峰面积（y）为纵坐标进行线性回归，绘制标准曲线，并计算出各元素形态的线性方程和线性相关系数。通过稀释进样，按3 倍信噪比计算方法的检出限。各元素形态的线性范围、线性方程、相关系数和检出限数据列于表1。

表1 3 种元素形态的线性参数及检出限

2.4 加标回收试验

按1.4 实验方法对空白海水样品进行加标回收试验，低、中、高三个浓度水平平行测定6次，3 种元素形态加标回收率和精密度数据见表2。

表2 样品加标回收试验结果（n=6）

由表2 可知，3 种元素形态的平均回收率为85.1%～95.4%，相对标准偏差为1.0%～3.8%（n=6），结果均满足测量的准确度要求。

2.5 实际样品测定

应用本方法对沿海养殖场中收集的10 个批次的海水样品进行测试，所有样品中3 种元素形态的含量均低于检出限。

3 结语

建立了同步分离和测定海水中As( Ⅲ)、As(Ⅴ)和Cr(Ⅵ)的高效液相色谱–电感耦合等离子体质谱分析方法。海水样品过膜后直接进样，以40 mmol／L 硝酸铵溶液为流动相，并调节pH 至9.0，使用Hamilton PRP–X100 阴离子交换色谱柱，在20 min 内实现了上述3 种元素形态的分离检测。本方法操作简便，回收率高，可为同步测定海水中砷和铬的元素形态提供借鉴。