引用本文
杨芬, 谢邵文, 韦朝阳, 刘金鑫. HPLC-ICP-MS联用技术研究甲醇对砷形态分析结果的影响[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(6): 1884-1888.
YANG Fen, XIE Shao-wen, WEI Chao-yang, LIU Jin-xin. Effects of Methanol Addition on Arsenic Speciation Analysis with HPLC-ICP-MS[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(6): 1884-1888.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)06-1884-05  
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HPLC-ICP-MS联用技术研究甲醇对砷形态分析结果的影响
杨芬1,2,3, 谢邵文1,2,3, 韦朝阳1,2,*, 刘金鑫1,2,3
1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101
2. 中国科学院陆地表层格局与模拟院重点实验室, 北京 100101
3. 中国科学院大学, 北京 100049

作者简介: 杨 芬, 1989年生, 中国科学院地理科学与资源研究所博士研究生 e-mail: yangf.13s@igsnrr.ac.cn

收稿日期: 2017-06-26
基金: 国家自然科学基金面上项目(41571470)资助
摘要

砷是一种有毒并致癌的化学元素, 普遍存在于各种环境介质和生物体中。 研究表明, 砷对生物体的毒性不仅与砷的浓度, 还和其存在形态密切相关。 因此, 对砷的不同形态进行分析具有重要意义。 以往的研究表明, 甲醇被广泛用作固体样品砷形态分析的提取剂, 一定量的甲醇可以提高ICP-MS测总砷的信号强度。 但是, 关于甲醇对砷形态分析结果的影响研究尚未见报道。 应用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术(HPLC-ICP-MS)建立同时测定AsC, AsB, As(Ⅲ), DMA, MMA和As(Ⅴ)等六种砷形态的优化方法。 HPLC采用阴离子交换柱, 30 mmol·L-1 (NH4)2CO3(pH=9.3)作为流动相。 选择DRC模式, 以O2为反应气体, 监测91AsO+作为检测信号。 方法学验证表明, 六种砷形态的线性相关系数都大于0.998 9。 采用不同浓度的甲醇(0~100%)作为砷形态定容溶液, 发现随着甲醇浓度的增加, As(Ⅲ)和DMA的峰面积显著增加。 选取对砷形态结果影响最小的25%甲醇-水作为定容溶液时, 其对不同浓度的砷均有一定的影响, 并且对As(Ⅲ)和DMA影响最大。 因此, 在今后的研究中, 甲醇的去除起着重要的作用。

关键词: HPLC-ICP-MS; 甲醇; 砷形态; As(Ⅲ)
中图分类号:X830.2 文献标志码:A
Effects of Methanol Addition on Arsenic Speciation Analysis with HPLC-ICP-MS
YANG Fen1,2,3, XIE Shao-wen1,2,3, WEI Chao-yang1,2,*, LIU Jin-xin1,2,3
1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract

Arsenic (As) is a ubiquitous, toxic and carcinogenic element, and As compounds can pose significant health risks to human and animals. The toxicity of As depends on both the total concentrations and the chemical species as well. Therefore, much attention has been paid to As speciation analysis in the environmental and biological samples. Previous studies claimed that methanol-water solvent system is one of the most frequently utilized methods for extraction of arsenic in samples, and methanol can improve As sensitivity by ICP-MS. However, the effect of methanol addition on As speciation analysis is largely unknown. In this study, the potential As speciation changes in methanol-water solvent mixture covering the range of 0~100% were investigated. Moreover, an optimized condition was employed by using high-performance liquid chromatography inductively coupled plasma mass spectrometry (HPLC-ICP-MS) for simultaneous determination of six As species including AsC, AsB, As(Ⅲ), DMA, MMA and As(Ⅴ). In accordance with previous studies, the HPLC separation was performed on anion-exchange column using a mobile phase of 30 mmol·L-1 (NH4)2CO3 at pH=9.3. The ICP-MS on-line detection of As (AsO+, m/z=91) in eluting compounds was accomplished using the dynamic reaction cell (DRC) technology with oxygen as reaction gas. In addition, the method validation with optimized conditions indicated that the coefficients were above 0.998 9 for all As species. The results indicate that the peak area measured in the chromatographic signal for As(Ⅲ) and DMA increased significantly with the methanol contents, indicating significant impact of methanol contents on As speciation analysis. A test with comparison of 25% methanol solvent mixture, which showed the minimum effects on As speciation changes, and purified water, was further performed, and the results showed that As(Ⅲ) and DMA concentration increased markedly compared to those diluted by purified water but little change for the other four As species. Thus, the elimination of methanol plays an important role in As speciation analysis.

Keyword: HPLC-ICP-MS; Methanol addition; Arsenic speciation; As(Ⅲ)
引 言

砷(arsenic, As)是地表环境中普遍存在的微量元素, 在人们的日常饮食、 饮水以及空气和土壤中都有发现[1]。 砷及其化合物对动植物有广泛的致毒性, 研究表明, 砷的毒性和其存在的形态密切相关[2]。 一般来说, 砷的毒性大致为As(Ⅲ )> As(Ⅴ )> 二甲基胂酸(DMA)> 一甲基胂酸(MMA), 而砷甜菜碱(AsB)和砷胆碱(AsC)以及胂糖类等砷形态被认为基本无毒[3]。 因此, 对环境和生物体中不同形态的砷进行分析具有重要意义。 目前, 高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICP-MS)由于分离能力强、 灵敏度高, 已成为砷形态测试方面的主要手段[4, 5]。

由于生物样品中有机物较多, 砷以有机砷形式为主, 一般采用一定比例的甲醇-水混合溶液进行提取, 其中以1∶ 9, 1∶ 1和9∶ 1(V/V)的甲醇-水体系运用最多[6]。 通常采用氮吹或旋转蒸发的方法去除甲醇, 操作比较复杂, 还会导致样品中部分砷损失掉[7]。 有研究发现, 添加一定量的甲醇会增加ICP-MS测砷含量的检测信号强度以及灵敏度[8, 9]。 同时, 甲醇的添加还能有效降低分析物的吸附[10]。 但是, 关于甲醇浓度对砷形态分析结果的影响研究尚未有报道。 本工作应用HPLC-ICP-MS技术, 研究待测溶液中甲醇含量对环境中常见的六种砷形态[AsC, AsB, As(Ⅲ ), DMA, MMA和As(Ⅴ )]测试结果的影响, 并对今后砷形态分析方法的改进具有一定的参考价值。

1 实验部分
1.1 仪器与设备

电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)Agilent 7500a (Agilent Technologies Co. Ltd, USA), Agilent 1100型单元泵液相色谱系统(HPLC), Milli-Q超纯水机处理系统, 美国Millipore公司, 上海雷磁便携式pH计, 上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 试剂与标准物质

试剂: 超纯水(18.2 MΩ · cm); 氨水(分析纯); 碳酸铵(优级纯); 甲醇(HPLC级, Fisher科技公司); 实验用水为去离子水。

砷标准物质: 亚砷酸根[As(Ⅲ )](GBW08666)、 砷酸根[As(Ⅴ )](GBW08667)、 一甲基胂酸(MMA)(GBW08668)、 二甲基胂酸(DMA)(GBW08669)、 砷甜菜碱(AsB)(GBW08670)、 砷胆碱(AsC)(GBW08671): 国家标准物质研究中心。

实验中使用的所有器皿在清洗干净后均需在20% HNO3溶液中浸泡过夜, 再用去离子水清洗三遍。

1.3 标准溶液的制备

采用移液枪分别吸取六种砷形态的标准溶液适量, 先用超纯水制备浓度分别为200 μ g· L-1 AsC, 200 μ g· L-1 AsB, 300 μ g· L-1 As(Ⅲ ), 500 μ g· L-1 DMA, 395 μ g· L-1 MMA, 350 μ g· L-1As(Ⅴ )的各种形态储备液。 分别吸取六种砷形态储备液1到10, 25, 50, 100和200 mL于容量瓶中, 并用超纯水定容, 混合均匀, 于-4 ℃备用。 空白溶液采用超纯水。

1.4 甲醇-水系列溶液的配制

25%甲醇-水: 分别用移液枪精细吸取六种砷形态储备液1到50 mL容量瓶中, 加入12.5 mL甲醇, 并用超纯水定容, 混合均匀。 50%甲醇-水: 分别用移液枪精细吸取六种砷形态储备液1到50 mL容量瓶中, 加入25.0 mL甲醇, 并用超纯水定容, 混合均匀。 75%甲醇-水: 分别用移液枪精细吸取六种砷形态储备液1到50 mL容量瓶中, 加入37.5 mL甲醇, 并用超纯水定容, 混合均匀。 甲醇: 分别用移液枪精细吸取六种砷形态储备液1到50 mL容量瓶中, 并用甲醇定容, 混合均匀。 25%甲醇-水标准溶液系列: 分别用移液枪精细吸取六种砷形态储备液1到10, 25, 50, 100和200 mL容量瓶, 分别加入2.5, 6.25, 12.5, 25和50 mL甲醇, 并用超纯水定容, 混合均匀。 25%甲醇-水空白组: 取12.5 mL的甲醇加入到50 mL容量瓶中, 并用超纯水定容, 混合均匀。

2 结果与讨论
2.1 质谱分析条件的优化

在分析测试前, 先用Agilent公司提供的调谐液优化仪器条件, 以保证仪器的最佳状态和稳定性。 以往的研究主要监测75As作为检测信号, 但是由于样品中的某些元素(如Ca, S, Cl)和仪器所用的高纯载气(氩气)易形成40Ar35Cl+, 40Ar34SH+, 40Ca35Cl+, 37Cl2H+等干扰峰, 还会受到Nd2+, Eu2+, Sm2+等多种离子的干扰[11]。 但是在DRC模式下, 当O2的流速超过0.5 mL· min-1时, As迅速转化为AsO, 且转化率在90%以上, 稳定性极高[9]。 同时干扰元素91Zr+在环境中的含量极低, 且极易被氧化, Zr∶ ZrO的比例远小于0.04, 可忽略不计。 因此联机后选择91(AsO+)作为检测信号更加具有可靠性和准确性。 但是这种反应池模式的费用较高, 因此并未得到广泛应用。

2.2 流动相的选择

流动相的组成、 浓度和pH对砷形态的分离和保留具有显著影响。 当采用20 mmol· L-1的(NH4)2HPO4(pH=6.0)时只分离了As(Ⅲ ), DMA, MMA, As(Ⅴ )四种砷形态。 当选用(NH4)2CO3溶液作为流动相时, 六种形态均能被检测。 采用阴离子色谱分离, pH对各砷形态的分离影响最大。 实验最终采用30 mmol· L-1 (NH4)2CO3(pH=9.3)作为流动相, 可实现6种砷形态的良好分离, 并且峰形对称、 尖锐(见图1)。 经优化后, HPLC-ICP-MS联用系统最终优化的仪器测定条件如表1所示。

图1 标准系列六种砷形态的色谱流出图Fig.1 Separated chromatogram of six arsenic species obtained using HPLC-ICP-MS: 2 μ g· L-1 AsC, 2 μ g· L-1 AsB, 1.5 μ g· L-1 As(Ⅲ ), 5 μ g· L-1 DMA, 3.95 μ g· L-1 MMA, 3.5 μ g· L-1 As(Ⅴ )

表1 HPLC-ICP-MS的工作参数 Table 1 Instrumental operation conditions for HPLC-ICP-MS system
2.3 线性和检测限

六种砷形态的标准溶液系列, 峰面积与浓度呈现良好的线性关系, 相关系数见表2, 能保证样品分析在有效的线性范围内。

表2 六种砷形态标准的线性回归方程及检测限 Table 2 Characteristics of calibration curves and limits of quantification (LOQ) for the six As species in this study

y: peak area; x: concentration (As: μ g· L-1)

2.4 甲醇的影响

应用所建立的方法, 对不同甲醇含量以及不同浓度的六种砷形态进行了砷形态分析。 空白组甲醇-水溶液的色谱图见图2(a), 色谱图在2 min出现一未知峰。 但是超纯水中并没有未知峰, 见图2(b), 且两者的基线值一致。 说明甲醇的添加会对色谱柱造成一定的干扰。

图2 空白组的色谱流出图
(a): 甲醇-水; (b): 超纯水Fig.2 The chromatogram determined in blank solutions by HPLC-ICP-MS
(a): Methanol-water; (b): Water

为进一步证明甲醇对砷形态分析结果的影响, 采用不同浓度的甲醇(0, 25%, 50%, 75%, 100%)配制六种砷形态溶液。 相对应的标准溶液中六种砷形态的浓度分别为: 4 μ g· L-1 AsC, 4 μ g· L-1 AsB, 6 μ g· L-1 As(Ⅲ ), 10 μ g· L-1 DMA, 7.9 μ g· L-1 MMA, 7 μ g· L-1 As(Ⅴ )。 对不同甲醇浓度下的色谱图各砷形态的峰面积, 根据表2计算砷浓度, 测定结果见图3。 从砷形态分析的结果看来: (1)随着甲醇浓度的增加, As(Ⅲ )和DMA浓度大幅度增加; (2)AsC和AsB含量不随甲醇浓度而变化; (3)MMA和As(Ⅴ )的计算浓度随着甲醇浓度的增加有一定的下降趋势。 由此可见, 甲醇主要对As(Ⅲ )和DMA的影响较大, 且随着其浓度的增加而增加。 说明甲醇会影响砷形态的峰面积, 也就是说会影响砷形态的信号强度, 从而影响最终测试结果。 这与前人对ICP-MS测总砷时的结果一致, 均表现为甲醇对信号强度的影响[8, 9, 12] 。

图3 不同浓度甲醇下测定的六种砷形态的含量变化Fig.3 The concentration of six arsenic species with varying methanol added

选取对砷形态结果影响较小的25%甲醇-水作为砷标准系列的定容溶液, 砷形态的测定结果见图4。 整体来看, 随着砷浓度的增加, 甲醇水中六种砷形态的计算浓度均有一定变化。 AsC的浓度基本上不受甲醇的影响, 与超纯水定容的结果高度一致。 而AsB在低浓度时不受甲醇的影响, 当浓度为 20 μ g· L-1时, 其计算浓度有所下降, 为19.24 μ g· L-1。 As(Ⅲ )受甲醇的影响较大, 在甲醇-水条件下, 其计算浓度远远大于相应的超纯水条件下的测试值。 DMA受甲醇的影响也较大, 在低浓度时, 其计算浓度远高于超纯水条件下的测试值, 而当浓度为时50 μ g· L-1, 两者浓度一致。 对于MMA, 随着砷浓度的加大, 其受到甲醇的影响也加大, 当浓度为39.5 μ g· L-1时, 其在甲醇条件下, 计算浓度为41.81 μ g· L-1。 对As(Ⅴ )而言, 当浓度为14 μ g· L-1时, 其在甲醇条件下的计算浓度为12.2 μ g· L-1, 而在其他浓度下, 其砷浓度基本不受甲醇影响。

图4 25%甲醇下测定的六种砷形态的含量变化Fig.4 The effect of 25% methanol on different concentration of six arsenic species

总体而言, 在25%甲醇条件下, AsC, AsB, MMA和As(Ⅴ )在不同浓度下, 受甲醇的影响较小。 而As(Ⅲ )和DMA受到甲醇的影响较大, 与超纯水体系下计算的浓度差值会随着甲醇浓度的增加而增加。 说明, 甲醇-水主要影响As(Ⅲ )和DMA的峰面积, 即影响两种砷形态的信号强度。 从结果来看, 甲醇-水在不同砷浓度条件时, 其影响也不可忽视。 由于无机砷和DMA在生物样品中普遍存在, 因此, 甲醇-水作为提取剂时, 甲醇的去除起着至关重要的作用。

3 结 论

采用HPLC-ICP-MS, 研究了甲醇对六种砷形态分析的影响。 当甲醇浓度由0增加至100%, As(Ⅲ )和DMA的计算浓度(峰面积)逐渐增加。 对不同浓度的砷形态添加25%的甲醇时, As(Ⅲ )和DMA的计算浓度(峰面积)均大于相应标准溶液。 而其他四种砷形态受甲醇的影响相对较小。 可以推测甲醇主要增加了As(Ⅲ )和DMA的砷信号强度, 但是作用机理尚不清楚。 因此, 在今后的研究中, 应考虑到甲醇对砷形态分析结果的影响。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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