利用LC-ICP-MS分析飲用水中鉻的形態(tài)

簡(jiǎn)介 隨著環(huán)境中污染物受關(guān)注度的提高， 人們不僅局限于對(duì)金屬總量的分析， 越來(lái)越關(guān)注金屬元素的存在形態(tài)。許 多元素可以以各種形態(tài)存在，有些是不 同的價(jià)態(tài)，有些是與各種有機(jī)化合物或 其他元素結(jié)合在一起。元素的毒性和對(duì)環(huán)境的影響因存在形態(tài)的不同而異。 近年來(lái)，鉻元素形態(tài)受關(guān)注度較高。鉻可以以兩種形態(tài)存在，三價(jià)(Cr3)和六價(jià) (Cr6)。三價(jià)鉻是一種必須的營(yíng)養(yǎng)成分，而六價(jià)鉻卻是有毒的。因此，了解環(huán)境 系統(tǒng)和消費(fèi)品中六價(jià)鉻的含量比了解總鉻含量更為重要，特別是飲用水。 目前，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署只對(duì)飲用水中的總鉻作了量（100ppb）。然而，加州在 2014年對(duì)飲用水設(shè)定了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，要求總鉻含量小于50ppb，六價(jià)鉻 含量小于10ppb，六價(jià)鉻公共健康目標(biāo)值為20ppt。

本研究介紹了LC-ICP-MS在飲用水中三價(jià)和六價(jià)鉻測(cè)定方 面的應(yīng)用，旨在提供一個(gè)適合新標(biāo)準(zhǔn)要求的鉻形態(tài) 檢測(cè)方法。。

實(shí)驗(yàn)部分 三價(jià)鉻和六價(jià)鉻的分離通常有兩種：離子交換色譜法和離 子對(duì)色譜法。離子對(duì)色譜法已于之前的應(yīng)用報(bào)告中已作闡 述 [1] ，此法已被詳細(xì)驗(yàn)證過(guò)，有著快速、抗干擾的特點(diǎn)，適 用于多元素形態(tài)分析[2] ，目前應(yīng)用較廣[3] 。本研究中，我們 采用離子交換色譜法，選用一根較短但保留能力更強(qiáng)的色 譜柱，以便在進(jìn)樣量較大的前提下獲得更好的峰形和分離 度，以保證更低的檢出限，盡管較高酸度的溶液可以將各種形態(tài)的鉻提取出來(lái)[4] ，三 價(jià)鉻與EDTA絡(luò)合反應(yīng)還是需要中性環(huán)境，以利于絡(luò)合反 應(yīng)平衡向絡(luò)合更加方向偏移。此外，鉻酸根和三價(jià) 鉻的氧化還原電對(duì)對(duì)pH有著強(qiáng)烈的依賴，經(jīng)前期工作證 明，使用EDTA作為絡(luò)合劑時(shí)中性的pH值更利于鉻形態(tài)的 穩(wěn)定性。在最初測(cè)試pH對(duì)分離效率的影響之后，基于在此 pH下面良好的絡(luò)合能力和形態(tài)穩(wěn)定性，后續(xù)工作中均選 用中性。

樣品和試劑 自來(lái)水樣品取自本地和世界各地，瓶裝水購(gòu)自本地零售商 店。美國(guó)環(huán)保署和加州公共健康部（CDPH，隸屬于FDA） 的規(guī)定并不適用于所有的瓶裝水，如此大范圍的采樣是為 了驗(yàn)證本方法的有效性。 鉻標(biāo) 準(zhǔn) 溶液由三價(jià) 鉻和六 價(jià) 鉻 儲(chǔ) 備液（分 別 購(gòu)自 PerkinElmer和Spex）制成。流動(dòng)相以高純硝酸(GFS Chemicals)，氨水(Fisher Scientific)和乙二胺四乙酸二鉀 (Sigma-Aldrich)配制而成。雖然流動(dòng)相也可以用硝直接配制，但用硝酸和氨水能獲得更低的背景。配制方法 如下，875mL硝酸、202mgEDTA溶解于1L去離子水(18.2 MΩ-cm)中，以10% (v/v)氨水調(diào)節(jié)pH。以流動(dòng)相配成標(biāo)準(zhǔn) 曲線溶液，以外標(biāo)法定量。樣品以流動(dòng)相稀釋2倍。為保證三價(jià)鉻與EDTA絡(luò)合， 所有標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品在上機(jī)分析前均室溫下靜置反應(yīng)3h 以上，也可通過(guò)對(duì)溶液進(jìn)行加熱以縮短反應(yīng)時(shí)間[5] 。標(biāo)準(zhǔn) 溶液需當(dāng)天配制，研究中發(fā)現(xiàn)室溫下鉻形態(tài)不能穩(wěn)定存在 24小時(shí)以上。

雖然大部分樣品保留時(shí)間偏差很小（見(jiàn)圖4），也發(fā)現(xiàn)個(gè) 別樣品中六價(jià)鉻出峰時(shí)間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液延遲達(dá)到30s。這 種保留時(shí)間的偏移是由于水樣基質(zhì)組成不同造成的。為 測(cè)試鹽濃度對(duì)保留時(shí)間的影響，含有1ppb混標(biāo)的不同濃 度的氯化鈉溶液（最高1000mg/L）用流動(dòng)相稀釋2倍后進(jìn) 樣。由圖5可知，兩種鉻形態(tài)受氯化鈉影響極小，表明本方 法抗高濃度鹽干擾能力強(qiáng)。因此某些飲用水中六價(jià)鉻保 留時(shí)間的偏離可能是由其他基體成分導(dǎo)致，然而由于這些 都不影響六價(jià)鉻的檢出能力，未做深入研究。保留時(shí)間的 改變可以用Empower TM 3軟件通過(guò)增大尋峰范圍或評(píng)估 檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)手動(dòng)設(shè)定保留時(shí)間。另外，可以采用更高的稀 釋倍數(shù)來(lái)減小保留時(shí)間的偏移。樣品中六價(jià)鉻含量稀釋5 倍測(cè)定值與稀釋2倍測(cè)定值非常相符，表明當(dāng)不需要達(dá)到 方法檢出可以采用更高的稀釋倍數(shù)。隨之而來(lái) 的好處是可以降低色譜柱的上樣量，有利于色譜柱壽命的 延長(zhǎng)。 為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的精密度，所有樣品加混標(biāo)0.5ppb， 加標(biāo)回收率均在±10%以內(nèi)（見(jiàn)圖6），表明了方法的精密 度。 在方法的分離能力、抗干擾能力和定量準(zhǔn)確性確定之后， 對(duì)短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。短期內(nèi)，其中一個(gè)樣品 （W7）在1h內(nèi)分析了8次，圖7顯示了六價(jià)鉻測(cè)得濃度，以 第一次測(cè)得結(jié)果為基準(zhǔn)的分布情況。由圖可知，濃度測(cè)定 值偏差在4%以內(nèi)，表明短期穩(wěn)定性較好。 

長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究通過(guò)連續(xù)14h分析所有樣品進(jìn)行，每 30min分析一次質(zhì)控樣（三價(jià)鉻2ppb，六價(jià)鉻0.4ppb）。 圖8為質(zhì)控樣分布圖，以第一次測(cè)得結(jié)果為基準(zhǔn)的分布情 況。濃度測(cè)定值偏差在6%以內(nèi)，表明短標(biāo)樣、儀器條件和 方法的穩(wěn)定性。 除了標(biāo)準(zhǔn)溶液長(zhǎng)期穩(wěn)定性之外，還需注意的一點(diǎn)是樣品中 形態(tài)的穩(wěn)定性。由于水樣中含有多種成分，時(shí)間一長(zhǎng)，鉻形 態(tài)的相互轉(zhuǎn)化就有可能發(fā)生。分析11小時(shí)后（樣品制 成15h后）再對(duì)樣品進(jìn)行再分析，結(jié)果表明在此時(shí)間段內(nèi)， 大多數(shù)樣品均穩(wěn)定（原始結(jié)果差別在±5ppt以內(nèi)），只有 一個(gè)樣品（W5），六價(jià)鉻降低而三價(jià)鉻增加了。對(duì)此樣品 進(jìn)行加標(biāo)，一段時(shí)間之后，也發(fā)現(xiàn)了六價(jià)鉻向三價(jià)鉻的轉(zhuǎn) 化。由于只有著一個(gè)樣品顯示出相互轉(zhuǎn)化，意味著此樣品 中有某種東西可促進(jìn)六價(jià)鉻向三價(jià)鉻的降解。由于質(zhì)控 樣沒(méi)有形態(tài)轉(zhuǎn)化（圖8），可以排除進(jìn)樣瓶引起的問(wèn)題。

總結(jié) 本研究表明，Altus TM UPLC- NexIONTM 350D ICP-MS能成功 分離近期嚴(yán)格法規(guī)規(guī)定的以下的鉻形態(tài)。本方法可 以在6min內(nèi)分離三價(jià)鉻和六價(jià)鉻，能檢出10ppt以下（樣品 中20ppt）的鉻，線性范圍可達(dá)到至少50ppb。用流動(dòng)相稀釋2倍以更好地絡(luò)合三 價(jià)鉻，降低了由基質(zhì)造成的保留時(shí)間偏移，獲得了良好的峰 形和分辨率，樣品稀釋液和流動(dòng)相一致也帶來(lái)了較大的便 利