离子色谱在砷化物形态分析中的应用

离子色谱在砷化物形态分析中的应用刘勇建　牟世芬(中国科学院生态环境研究中心,Dionex 中国有限公司应用研究中心,北京,100085)砷的分析方法最初有光度法、原子吸收光谱法和极谱法等,但这些方法仅能用于总砷,不能用于砷的形态分析.因而又发展了电感耦合等离子体质谱法(ICP 2MS )、离子色谱法(IC )、气相色谱法、气相色谱2原子吸收光谱联用、液相色谱2质谱联用、离子色谱2电感耦合等离子体质谱、离子色谱2原子吸收/发射光谱联用技术等.由于砷化物在水中多以离子形式存在,采用离子色谱法能同时分析不同形态的砷离子.同时,采用电感耦合等离子体质谱及原子吸收光谱测定砷化物具有较高的灵敏度,因此,离子色谱及离子色谱与电感耦合等离子体质谱、原子吸收/发射光谱的联用技术在砷化物的形态分析中得到了较多的应用[1—8].1　直接测定法砷化物的直接测定法主要有电导检测法、紫外/可见检测法和安培检测法.采用电导检测砷化物时,因电导检测器为非选择性检测器,砷化物与其它离子间的分离是其能否被准确测定的关键.S teiber 等[9]选用表面磺化的苯乙烯2二乙烯基苯树脂填充的阴离子色谱柱,以碳酸钠/碳酸氢钠为淋洗液分离了样品溶液中的As (Ⅴ)和常见阴离子,结果表明,As (Ⅴ)和其它阴离子间可充分分离,As (Ⅴ)可被准确定量,但采用电导检测器直接测定的检测灵敏度较低.Hansen 等[10]认为,采用Dionex ASS 3×250mm 阴离子色谱柱时,碳酸钠/氢氧化钠淋洗液比常用的碳酸钠/碳酸氢钠淋洗液的分离效果好.通过将溶液中的As (Ⅲ)氧化为As (Ⅴ),可以测定溶液中无机砷的总量.As (Ⅲ)具有电化学活性,可用安培检测器测定.Li 等[11]发展了一种同时测定As (Ⅲ)和As (Ⅴ)的IC 方法,选用Dionex I onPac AS 4A 2SC 阴离子交换色谱柱,以210mm ol ・l -1NaHC O 3和515mm ol ・l -1Na 2C O 3(pH515)为淋洗液,分别以电化学检测器和分光光度检测器测定了样品中的As (Ⅲ)和As (Ⅴ).用于As (Ⅲ)测定的最佳施加电位为+0135V.用于测定As (Ⅴ)的显色是基于T riton X 2100存在时,砷钼杂多酸与铋形成的离子缔合物,于波长700nm 处检测.进样量为75μl 时,其检测限对As(Ⅲ)和As (Ⅴ)分别为219μg ・l -1和13μg ・l -1.T an 和Dutrizac [12—15]用I onpac AS 4色谱柱,分别用碳酸钠/碳酸氢钠,碳酸钠/氢氧化钠为淋洗液分离As (Ⅲ)和As (Ⅴ),并分别用电化学、电导和紫外检测器进行了测定.对As (Ⅲ)和As (Ⅴ)的检出限分别为5μg ・l -1和22μg ・l -1.2　离子色谱2电感耦合等离子体2质谱联用技术ICP 2MS 对砷化物有较高的检测灵敏度.同时ICP 2MS 与IC 联用非常方便,因此,IC 2ICP 2MS 联用技术在砷化物的分析中得到了较多的应用.离子色谱2质谱联用测定砷化物时,淋洗液的选择受所用色谱柱及其功能基的影响较大.Dionex I onPac AS 7色谱柱是以烷基季铵为功能基的阴离子交换色谱柱,选用硝酸为淋洗液进行梯度淋洗(浓度从015mm ol ・l -1到50mm ol ・l -1,pH 从313到113),5种砷化物(As (Ⅲ)、As (Ⅴ)、砷甜菜碱、二甲基2003年2月12日收稿.第22卷　第4期2003年 7月环　境　化　学E NVIRONME NT A L CHE MISTRY V ol.22,N o.4　July 2003　砷酸和砷胆碱)可在12min 内完全分离.Dionex I onPac AS 4A 2SC 色谱柱以烷醇季铵为功能基,应选用5mm ol ・l -1Na 2C O 3和40mm ol ・l -1NaOH 淋洗As (Ⅲ)和As (Ⅴ).由于AS4A 2SC 色谱柱可与有机溶剂兼容,可在淋洗液中加入4%(V/V )甲醇来提高检测灵敏度.砷化物经两种色谱柱分离后,用ICP 2MS 检测,两种方法所获结果基本相同[16].离子色谱分离砷化物时,淋洗液的强度、pH 值及柱温对分离效果有较大的影响.Inoue 等[17]研究了酒石酸的浓度、pH 值及柱温对砷酸、甲基砷酸、二甲基砷酸、氧化三甲胂及砷甜菜碱在Excelpak ICS 2A35色谱柱上的保留特性.结果表明,淋洗液pH 值为3时这5种化合物可获得最佳的分离效果;柱温对被测物在色谱柱上的保留没有影响,但可有效地提高化合物间的分离度,改善色谱峰形.通过两根ICS 2A35色谱柱串联,5种砷化物可得到有效的分离.另外,这5种砷化物对酒石酸的浓度及柱温的要求也不相同.砷甜菜碱、As (Ⅲ)和二甲基砷酸在较高柱温和较低浓度淋洗液条件下分离效果最好;而在较低柱温和较高浓度淋洗液条件下,甲基砷酸、As (Ⅴ)和氯离子可获得较好的分离.因此,为了在同一色谱条件下分离这5种砷化物,应用梯度淋洗,样品经离子色谱分离后用ICP 2MS 测定,对5种砷化物的检出限为0122—0144μg ・l -1.此外,选择淋洗液时还应考虑与ICP 2MS 的兼容性.如用磷酸盐缓冲溶液作淋洗液时,磷酸盐会腐蚀ICP 2MS 的进样锥,而碳酸盐淋洗液会产生ArC +等干扰离子.用K NO 3作淋洗液时,不会产生上述问题,且对砷化物有较好的分离,因此,可用20mm ol ・l -1K NO 3等浓度淋洗分离As (Ⅲ)和As (Ⅴ).为防止样品中其它阳离子的干扰,样品可先通过阳离子交换色谱柱去除干扰的阳离子.样品经WatersIC 2Pak A HC 阴离子交换色谱柱分离后,样品中高浓度的Cl -不干扰As (Ⅲ)和As (Ⅴ)的定量[18].采用阴离子交换色谱柱分离砷化物时,可选用离子对试剂来改善分离效果.Londesborough [19]研究了十二烷基磺酸钠、八烷基磺酸钠和1022苯二磺酸作为离子对试剂对As (Ⅲ)、As (Ⅴ)、二甲基砷酸、甲基砷酸、砷甜菜碱、砷胆碱、三甲基氧砷、氢氧化四甲砷等8种砷化物在I onPac AS7色谱柱上分离的影响.结果表明,选用0105mm ol ・l -1苯二磺酸作为离子对试剂可获得最佳的分离效果.样品分离后用ICP 2MS 测定,进样量为200μl 时,8种砷化物的检出限在0116—0160μg ・l -1范围内.该方法可有效地用于水、植物和土壤等样品中砷化物的测定.在一些特定的介质中,As (Ⅲ)、As (Ⅴ)、二甲基砷酸、甲基砷酸、对氨基苯砷酸盐均以阴离子形式存在.砷甜菜碱为两性离子,而砷胆碱为阳离子.呈阴离子状态的砷化物中,As (Ⅲ)、As (Ⅴ)、二甲基砷酸和甲基砷酸的p K a 值相差较大,可在阴离子交换色谱柱上得到较好的分离.亚砷酸盐的p K a 为912,在硅胶色谱柱所允许的pH 范围内不解离,在死体积洗脱.因此,选用聚合物阴离子色谱柱(pH 使用范围为1—12)为分离柱,选用碳酸钠为淋洗液,调节其pH 值为913,As (Ⅲ)、As (Ⅴ)、二甲基砷酸和甲基砷酸可得到较好的分离.砷甜菜碱为两性离子,在碱性条件下以阳离子形式存在,不被色谱柱保留,在死体积洗脱.砷胆碱为阳离子,在阴离子色谱柱上与二甲基砷酸共淋洗.T er sahde [20]采用阴离子色谱柱(Waters IC 2Pak A HC )与阳离子色谱柱(Waters G uard 2Pak C M/D )串联,用碳酸钠/碳酸氢钠(pH =913)、硝酸进行梯度淋洗,可在12min 内同时分离As (Ⅲ)、As (Ⅴ)、二甲基砷酸、甲基砷酸、砷甜菜碱和砷胆碱6种离子.经ICP 2MS 检测,砷的检出限小于012μg ・l -1.3　离子色谱2原子吸收/原子发射光谱联用技术砷的氢化物原子吸收光谱法有高的灵敏度,但不能分别测定不同形态的砷,IC 中的通用检测器电导对有机砷不灵敏,而这些有机砷分子中没有电化学活泼基团,也无灵敏的吸光基团.但化合物的电荷数、离子大小和疏水性是影响其在离子交换分离柱上保留的主要因素,因此,可用离子色谱将它们分开.Furuta 等[21]采用I onPac AS 4A 2SC 阴离子交换色谱柱研究了HCl 在砷氢化物形成过程中的作用.结果表明,HCl 对砷氢化物的形成没有影响.并用电感耦合等离子体原子发射光谱测定了不同氧化态的砷,对As (Ⅲ)和As (Ⅴ)的检出限分别为70和170ng ・ml -1.Han 等[22]用Dionex HPIC 2C AS1色谱柱与E lite AS3色谱柱串联来增加柱效和柱容量,改善分离效果,以磷酸二氢铵为淋洗液分离了7种砷化物.通过研究淋洗液pH 值对色谱分离的影响,选定pH 5为最佳分离条件.在C AS1色谱柱上,砷甜菜碱、As (Ⅲ)、二甲基砷酸和甲基砷酸共洗脱.在AS3色504　4期 刘勇建等:离子色谱在砷化物形态分析中的应用604环 境 化 学 22卷谱柱上,由于砷胆碱为阳离子,不被色谱柱保留,在死体积洗脱.而二甲基砷酸、甲基砷酸、As(Ⅴ)和对氨基苯砷酸盐可充分分离.通过两根色谱柱串联,二甲基砷酸、甲基砷酸、As(Ⅴ)、砷胆碱和对氨基苯砷酸盐可得到较好的分离.砷甜菜碱与As(Ⅲ)共洗脱.Han等研究发现,磷酸二氢铵淋洗液浓度增加,砷化物响应值下降.磷酸二氢铵淋洗液浓度在3—10mm ol・l-1范围内,所测砷化物可充分分离.为了保证检测灵敏度及分离效果,淋洗液浓度选为5mm ol・l-1.用氢化物发生原子光谱法测定有机砷化物时,砷甜菜碱和砷胆碱不与NaBH4反应,无法进行测定.砷甜菜碱、砷胆碱、二甲基砷酸和对氨基苯砷酸盐在含有1%K2S2O8的0104m ol・l-1氢氧化钠溶液中加热沸腾2min后可完全分解转化为As(Ⅴ).因此,7种砷化物经离子色谱分离后,将流出组分分别收集起来,用氢化物发生电热原子吸收光谱检测.由于砷甜菜碱和As(Ⅲ)共洗脱,不能直接测定二者的含量.首先将离子色谱流出组分中的As(Ⅲ)与NaBH4反应后测定.对于砷甜菜碱和As(Ⅲ)的共淋洗物,收集后经热分解后测定.从砷甜菜碱+As(Ⅲ)总量中减去As(Ⅲ)的量即为砷甜菜碱的量,其回收率为96%以上.采用该方法,进样量为100μl时,对As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、对氨基苯砷酸盐、甲基砷酸的检出限为116ng・ml-1.对二甲基砷酸、砷甜菜碱和砷胆碱的检出限为119ng・ml-1.Blas等[23]用AG50W2X8树脂填充柱分离了无机及有机砷化物.用盐酸、水、5%氢氧化氨和20%氢氧化氨分别洗脱无机砷(As(Ⅲ)和As(Ⅴ))、甲基砷酸、其它有机砷化物及二甲基砷酸.该方法对尿样中μg・l-1级无机砷、甲基砷酸和二甲基砷酸的加标回收率为85%—93%.进样量为80μl时,对砷的检出限为2μg・l-1.Ricci[24]发现,采用阴离子色谱柱,碳酸钠/碳酸氢钠淋洗液分离As(Ⅲ)、As (Ⅴ)、甲基砷酸、二甲基砷酸、对氨基苯砷酸盐时,淋洗液中加入对固定相亲和力弱的Na2B4O7,可显著改善5种化合物的分离,经原子吸收检测,对5种砷化物的检出限为6—9ng・ml-1.G rabinski等[25]采用自制的离子色谱柱(35×1cm id,内装9cm高的AG12X8阴离子交换树脂和26cm的AG50W2X8阳离子交换树脂)分离As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、甲基砷酸和二甲基砷酸.用0106m ol・l-1三氯乙酸为淋洗液(pH=215),可洗脱色谱柱上保留的As(Ⅲ)和M M A,以012m ol・l-1三氯乙酸为淋洗液时,可洗脱As(Ⅴ),以115m ol・l-1NH4OH+012m ol・l-1三氯乙酸为淋洗液时,可洗脱DM A.采用该方法,对4种砷化物的回收率为97%—104%,经原子吸收光谱检测,其检测限均小于10μg・l-1.直流等离子体原子发射光谱(DCPAES)为一种元素选择性检测器,可准确测定样品中的砷化物而不受基体的干扰,同时,采用DCPAES时,淋洗液的组成及浓度对样品测定背景值影响不大,可选用多种淋洗液及采用梯度淋洗来达到最佳的分离效果,因此,可采用此方法测定复杂样品中的砷.Urasa 等[26]采用I onPac AS4色谱柱分离As(Ⅲ)和As(Ⅴ),用DCPAES测定,对砷的检出限为215μg・l-1.4　基体干扰的去除测定实际样品中的砷化物时,溶液中Cl-会严重干扰样品的测定.必须采取有效的措施除去Cl-的干扰.Wei等[27]选用40—70mm ol・l-1(NH4)2C O3(pH1015)为淋洗液梯度淋选,柱温60℃,5种砷化物和Cl-可得到较好的分离.Cl-在最后出峰,不干扰砷化物的检测.该方法可用于Cl-含量为013% (W/W)的样品中砷化物的分析.若在色谱柱与氢化物发生装置间引入光反应器界面,其气2液分离器可有效地去除Cl-.因此,可简化分离流程,采用40mm ol・l-1(NH4)2C O3等浓度洗脱5种砷化物.用前处理柱除Cl-也可得到较好的效果,如用D owex21×8NO-3型树脂柱,Cl-在色谱柱上有较强的保留,以0103m ol・l-1硝酸为淋洗液,As(Ⅲ)和As(Ⅴ)在Cl-之前被洗脱,可消除99%以上ArCl+的干扰.该方法可有效地用于人体血清样品中砷化物的测定[8].测定铁离子含量高的水样中痕量As(Ⅲ)和As(Ⅴ)时,铁离子可在样品运输过程中生成沉淀物, As(Ⅲ)和As(Ⅴ)可吸附在沉淀物上,造成测定误差.E DT A作为一种络合剂,可有效的掩蔽铁离子,避免Fe(OH)3沉淀的形成.样品中的As(Ⅲ)和As(Ⅴ)可稳定14d左右,从而保证样品的准确测定[29].　5　离子排斥色谱砷酸和亚砷酸是弱酸,可用离子排斥色谱法分离.已报导[30]用Shim 2Pack SCR 2102H 离子排斥色谱柱,以三氟乙酸为淋洗液(pH =211),流速115ml ・min -1,可在18min 内测定As (Ⅲ)、As (Ⅴ)和甲基砷酸等3种砷化物.将六通阀连接在保护柱和分离柱之间,用柱切换技术将甲基砷酸经保护柱后直接进入ICP 2MS 测定,然后将六通阀切换回原来位置,继续As (Ⅲ)和As (Ⅴ)的分离测定.采用该技术,样品测定可在9min 内完成.当进样量为50μl 时,对As (Ⅲ)、As (Ⅴ)和甲基砷酸的检出限分别为015pg ・ml -1,111pg ・ml -1和015pg ・ml -1.Butler [31]用离子排斥色谱法,在Bio 2Rad 有机酸分析柱上,用0101m ol ・l -1正磷酸为淋洗液,于200nm 处测定As (Ⅲ)和As (Ⅴ),但检测灵敏度较低.用安培检测器在施加电位为+1100V 时测定As (Ⅲ),检出限为01012μm ol.用二氧化硫将As (Ⅴ)还原为As (Ⅲ),总砷与As (Ⅲ)之差为As (Ⅴ).参　考　文　献[1]　M attusch J ,W ennrich R ,Schmidt A C et al.,Determination of Arsenic S pecies in W ater ,S oils and Plants.Fresenius J.Anal.Chem.,2000,366∶200—203[2]　Raber G,Francesconi K A ,Irg olic K J et al.,Determination of “Arsenosugars ”in Algae with Anion 2Exchange Chro 2matography and an Inductively C oupled Plasma M ass S pectrometry.Fresenius J.Anal.Chem.,2000,367(2)∶181—188[3]　Feldmann J ,I on Chromatography C oupled 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orption/emission spectrometry were dis2 cussed em phatically.The methods for the determination of arsenic com pounds with direct ion chro2 matographic techniques,such as conductivity,UV and am perometric detectors and ion exclusion chromatography was sim ply evaluated.K eyw ords:ion chromatography;arsenic species;analysis.。