砷的形态分析技术

砷的形态分析技术摘要:砷的毒性与其形态有着直接的关系，对砷的形态的进行分析十分必要。本文阐述对不同含砷的环境样品中的形态，包括砷的分离技术与检测技术以及其联用技术。同时，对砷的形态分析技术的发展进行了展望。关键词：砷，形态分析，联用技术0引言砷是自然界中常见的有毒致癌性元素之一，其原子序数为33。砷的生物毒性不仅与其含量有关，更大程度上还与其存在形态有关。不同形态的砷化合物性质往往不同，毒性差异很大。因此在评价环境、食品安全时只检测总砷量而不探明其形态是不科学的，砷形态分析是现代生命分析化学的一个重要研究课题。常见的砷化合物有：亚砷酸(As(Ⅲ))、砷酸(As(Ⅴ))、一甲基砷酸(MMA)、二甲基砷酸(DMA)、砷甜菜碱和砷胆碱，此外还有砷糖、砷酯类化合物等。其中，无机砷的毒性大于有机砷，砷与有机基团结合越多，毒性越小。它们的毒性排序为：As(Ⅲ)As(Ⅴ)MMADMA，而砷胆碱和砷甜菜碱普遍认为是无毒的。由于砷的毒性、致癌性、迁移性质和生物效应均取决于它的化学形态，并且各砷形态随着所处环境的不同处于动态互变之中，所以测定总砷含量无法准确表示出砷的暴露水平及砷对环境、生态的影响。因此，对砷的各种存在形态分别进行分析测定十分必要。所谓砷的形态分析是指分离、富集、鉴定和测定各种砷化合物的分析方法。对环境样品中的砷含量进行细致的分析，不同化合价态和化合物质进行检测，计量出其在样品中的所占比例。1样品前处理技术环境样品中有多种不同形态的砷化合物,由于基体复杂、含量低，一般的检测器难以同时进行识别，所以需要在样品分析之前对不同形态砷化合物进行有效的分离。目前对于砷的分离方法主要有氢化物发生法(HG)、色谱法、毛细管电泳法(CE)、溶剂萃取法、离子交换法等。1.1氢化物发生法(HG)氢化物发生法是利用As(Ⅲ)容易生成易挥发的AsH3来测定As(Ⅲ)的含量，它可以大大降低基体的背景干扰，该法在砷形态分离中应用较多。近年来，常将氢化物发生法与原子吸收光谱、原子荧光光谱、色谱联用进行砷的形态分析。武铄，虞锐鹏等采用液相色谱－氢化物发生原子荧光LC—HG/AFS联用技术测定了啤酒中砷的形态。该实验优化了氢化物发生的实验条件，当以10％的盐酸为载流3.5％的KBH4为还原剂，流量为500mL/min的氩气作为载气时，取得了较好的信号强度。顾婕，施伟华等以20g/L的K2S2O8溶液作氧化剂，紫外催化氧化消解，可使有机砷完全转化为无机态的As(V)，并在10%的盐酸载流、20g/LKBH4+5g/LKOH、溶液为还原剂的条件下，实现了氢化发生原子荧光检测。1.2色谱法色谱法是通过调节缓冲溶液的pH值使不同形态的砷化物带若干数目的电荷，然后采用不同的色谱方法进行分离，是可以同时分离无机与有机砷化物的方法。该法是目前砷形态分析中应用最为广泛的分离方法，源于其操作简单快捷而且可以和检测技术联用实现在线分析等优点。在砷的形态分析中，液相色谱相比于气相色谱更具优势。因为其一样品不需衍生，经过简单的处理就可以投入使用；其二，液相色谱可以选择较多的固定相和流动相作为分离介质，可根据所分析形态的性质选择适当的色谱体系。目前是分离能力强、重视性高的高效液相色谱(HPLC)应用最为广泛。顾婕，施伟华等用ICAnionPW阴离子交换色谱分离As(Ⅲ)，As(Ⅴ)，MMA和DMA，在pH6.0，1mmol/LKH2PO4、15mmol/LKH2PO4作流动相，梯度洗脱条件下实现了4种砷形态的分离。1.3毛细管电泳法(CE)自上世纪80年代以来，毛细管电泳法(CE)快速发展并成为应用范围十分广泛的一种分离技术。电泳和色谱技术的双重优点,以毛细管为分离通道,以高压直流电场为驱动力,以样品的多种特性(电荷大小、等电点、极性、亲和行为、各组分之间淌度、相分配特性等)为依据的液相分离分析技术，因而CE具有分辨率高、速度快，柱效很高等特点。对同一元素的不同形态,只要有结构或电荷上的差别,即可用CE进行分离。但是CE的检测器灵敏度有些欠缺,对常用的UV检测器，由于各砷化物的吸收系数小，其检出限仅为mg/L水平，这对于只有ug/L浓度的实际血样、尿样和环境样品来说是远不够的。因此一定程度上限制了其在形态分析中的应用。但是人们通过衍生化，使CE与HG-ICP-MS、HG-ICP-AES或与激光诱导荧光检测器(LIF)联用，使CE在形态分析中的灵敏度得以提高。张景红，李红玉等建立一种中药复杂体系中砷形态的分离分析方法,确定雄黄炮制液中砷的形态种类和含量。该实验以常规炮制雄黄为对照,采用毛细管电泳法测定了3种雄黄微生物炮制液中(As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMAV和DMAV的含量,其优化条件为：BGE：PDC/10mmol/L和CTAOH/1mmol/L。在电压25kV,温度25℃,pH11.0,紫外检测波长设定在216nm的分离条件下，实现了雄黄炮制液中4种形态砷的完全分离。侯晋等在不同pH值的缓冲溶液中，用毛细管电泳法进行化妆品中砷的形态分析，测定波长为197nm采用磷酸盐缓冲溶液，化妆品中As(Ⅲ)二甲基胂(DMA)对氨苯基胂酸(ANA)一甲基胂(MMA)和As(Ⅲ)等5种形态的砷可通过毛细管电泳法得到有效分离。1.4溶剂萃取法溶剂萃取法是利用不同形态的砷对某种溶剂的亲和力不同而达到分离的方法。该方法对不同的砷化物需要更换溶剂，虽操作繁杂，且只能分离少数砷形态，但对设备要求低。吴军姜平等方法采用快速溶剂萃取(ASE)、超声溶剂提取(SON)和盐酸浸提(HCl)3种不同的前处理方法在亚砷酸钠高、中、低剂量组大鼠肝脏中,提取组织中的砷形态，结果快速溶剂萃取法提取大鼠肝脏砷形态提取效率最高,超声溶剂提取效率次之,盐酸浸提法提取效果最差，但都具有较好的分离效果。初步建立了As(Ⅲ)、二甲基砷酸(DMA)2种砷形态的萃取分离分析方法。1.5离子交换法离子交换法早期曾被认为是形态分离较好的方法之一，由于价格便宜、操作简单、选择性好，至今在砷形态分离中仍有研究者使用。杨莉丽等用717型阴离子交换树脂分离水中的As(III)和As(V)，对树脂的吸附能力及其选择性进行研究，不仅优化了分离体系，还结合氢化物原子荧光光谱法进行检测，同时建立了水样中不同价态砷的分离测定方法。唐艳梅，黎其万等采用适合酸度结合超声提取无机砷，732#、717#离子交换树脂对4种砷直接进行了成功分离，其中运用碘化钾在酸性条件下将As(Ⅴ)还原成As(Ⅲ)，有效实现无机砷与有机砷的分离，改善了原来用树脂无法分离As(Ⅴ)与一甲基砷酸(MMA)。2检测技术对于分离后的各种形态的砷，需要使用检测仪器测定各形态砷在样品中的含量。早期多用光度法来测定砷，近些年来随着高效检测技术的发展，现在常用的检测技术包括吸光光度法、原子吸收光谱法(AAS)、原子发射光谱法(AES)、原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP－AES)、电感耦合等离子体质谱法(ICP－MS)等。这些方法根据元素特征进行检测,具有高选择性、强抗干扰能力等优点，常用于环境样品、生物样品或人体中砷化合物的测定。2.1吸光光度法吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法，包括比色法、可见及紫外吸光光度法及红外光谱法。砷的吸光光度法分析技术包括砷斑法、钼蓝光度法、银盐法、阻抑动力学光度法催化动力学光度法等，最常见的光度法是银盐法、银盐法以AgDDC—CHCl3－吡啶为吸收液，砷的最低检出浓度为0.007mg/L。由于普通光度法灵敏度低、操作繁琐，目前使用较少。近些年也出现了一些测痕量砷的新显色方法，如陈国树等基于在H2SO4介质中痕量As(Ⅲ)能阻抑溴酸钾、溴化钾和锆试剂的褪色反应，建立了测定废水中痕量As(Ⅲ)的方法，检测结果较为满意。王坚[]利用硝酸银吸光光度法测定高纯二氧化锗中痕量砷。高纯二氧化锗中主体锗分离后,痕量砷被还原成砷化氢气体逸出,在酸性吸收液中还原硝酸银为单质银,单质银在聚乙烯醇作用下显均匀的黄色,其最大吸收波长在400nm处，砷量在0.2～5μg/10ml吸收范围内符合比耳定律。方法检出限为0.06μg/ml，加标回收率为96%～103%，结果令人满意。2.2原子吸收光谱法原子吸收光谱，即原子吸收光谱法，是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收的方法。原子吸收光谱法简便快捷，但只能测定总砷，不能直接用于砷的形态分析。当与其它分离技术结合后，需先将砷元素的不同形态分离，再检测砷的不同化学形态。原子吸收光谱法灵敏度低，检出限高，难以用于环境样品中痕量砷的检测。近年来，利用原子吸收光谱法测定砷总量的报道较多，P.R.M.Correia等将钴作为内标，采用原子吸收法(ISMAAS)测定了尿液中的砷化物；在1400～2300℃下以Pd和Mg作为混合基体改性剂对As进行了检测，检测限达到(1.8±0.1)μg/L。2.3电感耦合等离子法电感耦合等离子法常与其它分析手段联用进行元素的检测分析。最常见的联用方式有电感耦合等离子体发射光谱法以及电感耦合等离子体质谱法。电感耦合等离子法的具有进样方便、干扰少和优良的检测限等优点，其优良特性主要来源于其特殊的激发光源ICP。ICP—AES联用可使能形成挥发性氢化物的元素检测灵敏度提高2至3个数量级。电感耦合等离子法的主要优点为灵敏度高、检测限低、动态线性范围宽和能跟踪多元素同位素信号等。何涛孙梦寅[]等采用微量进样、在线添加内标115In、使用动态反应池的方法，建立电感耦合等离子体质谱法直接测定果汁中砷的方法。结果表明：方法检出限小于2.000μg/L，不同加标量下的As回收率在95.69%～105.45%之间，结果分析表明，测定值(0.0875μg/g)与参考值(0.085μg/g)吻合，As相对标准偏差为2.50%。将比对样品经微波消解后测定结果与该直接测定方法测定结果比较无显著差异，表明该方法简便、快速、准确，完全能够满足果汁中砷的检测要求。但是由于ICP—MS法的成本和维修费用非常昂贵，难以在常规分析中推广。2.4原子荧光光谱法原子荧光光谱法的灵敏度比吸光光度法高1～4个数量级，与ICP—MS的灵敏度相当，但相比于ICP—MS仪器价格很低，而且操作简单、选择性好、线性范围宽、使用方便、分析快速。解玉鉴，赵新玲[]应用原子荧光光谱法测定砷的含量：以深层生土、地表熟土为样品,采用顺序注射氢化物发生-原子荧光光谱法进行测定。在最佳实验条件下,方法的线性范围在2—60μg/L以内,相关系数r=0.9993,检出限为0.16Lg/L,测定标准溶液的RSD为1.6%(n=11)，样品加标回收率为96.5%—103.5%，方法简单、快速，可测定土壤中的砷。目前，AFS常和氢化物发生法(HG)联用以实现降低背景干扰。如L.O.Leal等用多项注射流动进样系统和原子荧光联用(MSFLA—HGAFS)，实现了无机砷的分离与检测；优化反应条件后，此方法比以前的MSFLA—HGAFS在灵敏度上提高了5倍，其检测范围为50～2000ng/L。2.5电化学方法电化学方法测定痕量砷的方法有离子选择性电极法、示波极谱法、络合吸附波法、溶出伏安法等。单独的电化学使用较少，多与其它方法联用进行痕量砷的监测。申屠超侯逸众[]等用双阳极电化学氢化物发生原子荧光光谱法测定砷，在相同条件下,双阳极电化学氢化物发生效率为化学法的99.0%～101.6%。在选定的实验条件下，100μg/L进样量的As(Ⅲ)线性范围为0～120μg/L；检出限为0.64μg/L(信噪比S/N=3)；60μg/L的As(Ⅲ)标准溶液平行进样13次,荧光信号面积的相对标准偏差(RSD)为2.02%。用本法测得GBW07406号标准土壤样品中As含量为(205.2±1.4)μg/g与标准值(220±21)μg/g一致,仔猪饲料样品的加标回收率为97.0%～103.0%。本法灵敏度高、重现性好、结果准确。2.6联用技术随着检测技术的发展以