砷元素形态分析现状与发展

砷元素形态分析现状与发展张新荣清华大学分析中心一、砷元素的形态及其特性砷是一种广泛分布于自然界的元素。克拉克值为5×10－4,宇宙丰度为4.0。除发现少量的天然砷外，已知有150多种含砷矿物。最普通的矿物是：砷化物矿，硫化物矿，氧化物矿，砷酸盐矿。此外，海水中平均含有1.1gL－1的砷，在矿泉水、土壤和人体中都有微量的砷。近年来，由于采煤及其它工业污染,使地下水中砷的浓度不断增加，砷污染已经成为一个潜在的公共卫生问题，亚洲地区特别是孟加拉国地下水的砷污染问题已经受到国际社会特别的关注。据卫生部的统计，我国目前有11个省的部分地区受到地下水中砷的污染，比较严重的山西、内蒙、贵州等地区已经出现严重的地方性砷中毒。由于饮用水中含有的砷超过一定限量会引起慢性中毒，因此世界卫生组织规定生活饮用水安全标准为每升含砷不超过0.05毫克。2001年1月，EPA提出一个新的标准，即生活饮用水标准每升含砷不超过0.01毫克，并决定从2006年起实施，欧盟也计划实行这一标准。但是，对发展中国家来说，要按照这一新标准控制饮用水中的砷含量尚有一定困难，2004年由世界卫生组织、联合国儿童基金会和世界银行联合在我国太原召开的有关减轻砷中毒为主题的大会上，亚洲各国仍建议延缓启动新标准。除饮用水外，在所有的生物中都可以检出低含量的砷，海洋动物中存在的高含量砷是人们特别关注的问题。中华人民共和国农业行业标准(NY5073)规定鱼中无机砷含量不得超过0.5毫克/公斤，其它水产品中含量不得超过1.0毫克/公斤。这一规定实际存在一定的执行难度，因为国标目前推荐的方法只能测定总量，不能区分砷的形态，而由于鱼和其它海产品中大部分砷是无毒的有机砷化合物，最高可达几十个毫克/公斤，因此，测量结果偏高的现象时有发生。例如2004年在香港媒体上报道多次的鱼罐头事件，就是因为检出了其中高含量的砷，引起规模超过5亿元的内地鱼罐头产业近来一直不景气。实际上，国内绝大多数产品并未超标，只是检测方法存在问题罢了。由此可见，区分砷元素不同形态的检测方法的研究是十分重要的。在自然界，砷元素可以以许多不同形态的化合物存在，在空气、土壤、沉积物和水中发现的主要砷化物有As2O3或亚砷酸盐(AsⅢ)、砷酸盐(AsⅤ)、一甲基砷酸(MMA)和二甲基砷酸(DMA)，在海产品中则主要以砷甜菜碱(AsB)和砷胆碱(AsC)形式存在。另外，还有其他更复杂的砷化合物，例如砷糖(Arsenosugars)、砷脂类化合物等。主要砷化物对大鼠的半致死量LD50(mgkg)分别为:As2O334.5,亚砷酸盐(AsIII)14，砷酸盐(AsV)20，MMA700-1800，DMA700-2600，AsC6500，AsB10000。这些数据表明,无机砷的毒性最大,甲基化砷的毒性较小,而AsB、AsC和砷糖常被认为是无毒的。正是由于各种不同形态的砷具有不同的物理及化学性质，例如各种不同形态的砷具有不同的毒性，因此砷的形态分析才越来越为人们所重视。由于不同形态砷化物的毒性不同,其在人体内的迁移、转化和代谢规律就与其致毒和去毒的机理有关。砷在体内的代谢过程一般为:As（III）→As（V）→MMA→DMA→尿排出,而AsB在体内不经任何转变即排出。这说明As（III）→DMA是主要的去毒过程。在致毒方面,亚砷酸盐通过阻止含邻位巯基的酶在活性中心作用而表现其急性毒性，而砷酸盐由于其结构与磷酸盐类似，在ATP形成过程中可取代磷酸盐而破坏磷酰化作用。另外,不同形态的砷化物对农作物生长及产量都有明显的影响。因此无论对环境样品、食品，还是对从事与砷有关的工作人员或砷中毒患者的体液进行砷的形态分析都是有必要的。传统方法中，只测定样品中的总砷量，不能给出有关毒性的确切信息。因此，从正确估计砷对环境及人类的危害角度出发，需要建立一种有效地分离、测试各种形态砷化合物的手段。另外对于砷在环境中的循环、转化机理的研究也要求对其进行形态分析。二、分离方法在砷形态分析的初期，一些传统的方法被用于分离或测定各种砷的形态，如蒸馏分离法，共沉淀分离法，单质砷沉淀法，萃取分离法和选择性还原法等。自从70年末以来，有很多新方法用于此目的。常用的是气相色谱，液相色谱和毛细管电泳的方法。1．气相色谱要使不同形态的砷化物适用于气相色谱分离，首先要将它们转化为气态或可挥发的液态衍生物。这些衍生物要具备良好的挥发性，良好的化学稳定性及热稳定性等优点，而且衍生反应能适用于多种砷形态。常用于砷形态分析的衍生方法有：氢化物法，二硫代氨基甲酸衍生法，三甲基硅烷衍生法，DMA的碘代二甲基砷氢化物法以及巯基乙酸甲酯（TGM）衍生法等。在气相色谱中衍生物一般被溶于某一溶剂，然后在液态下进样于色谱柱中。但是对砷的分离而言，因为氢化物的挥发性太大，不易被萃入溶剂，在实际应用时都是将氢化物发生器与气相色谱系统直接相连，发生的氢化物通过载气被直接带入色谱柱。二甲基砷化氢可以被萃入甲苯后进入色谱柱，但这种方法对其他砷的氢化物就不合适，如甲基砷化氢挥发性较前者大，用甲苯萃取损失很大，而在低温下（-5℃）二甲基砷化氢，一甲基砷化氢均可被萃入甲苯中。气相色谱分离后砷的氢化物可直接进入发射光谱，质谱，及原子吸收光谱等测定。氢化物发生－气相色谱方法的缺点是只能局限于形成氢化物的那些砷的形态分析。气相色谱分离不同形态砷化物的一些典型的例子包括：（1）Fukui等人[4]利用2，3－二巯基丙醇（BAL）与无机砷和MMA形成络合物，然后在涂有20％SE－30ChromosorbAWADMCS的气相色谱柱上加以分离，并用火焰光度计检测。（2）Beckmann[5]利用MMA、DMA与巯基乙酸甲酯形成络合物并在涂有2.5%XE－60ChromosorbGAW－DMCS柱上将它们分离，用火焰离子化检测器测定，检测限达到10ng/ml。此方法应用于尿和血样的分析。（3）Dix等人[6]利用TGM为衍生剂，分离了无机砷、MMA和DMA，并用于尿、血及生物器官提出液的分析，采用火焰离子化检测，最低检测限为100ng/ml。（4）Henry等人[7]将As（Ⅲ），As（V）和DMA转化成其相应的三甲基硅烷衍生物，并在涂有5％OV－225的Gas－ChromQ色谱柱上分离，质谱仪检测。As（V）和DMA的检测限为0.1ng，As（Ⅲ）的检测限为1ng。（5）Daughbrey等人[8]以二乙基二硫代氨基甲酸酯为衍生剂，使之与无机砷，MMA络合生成的低沸点化合物，然后在涂有5％OV－17AnakromAS柱上得到分离，热导及火焰电离技术检测，可用于尿样的分析。气相色谱用于砷的形态分析的关键是需要选择一个好的衍生方法，能够同时使几种重要的砷化物被衍生成低沸点衍生物。但上述几种衍生方法只对部分砷化物适用，使得该方法在砷形态分析上局限很大。同时由于气相色谱所必需的衍生反应，操作复杂且易造成玷污，因此近几年逐渐被液相色谱分离的手段所取代。但是尽管气相色谱具有这些不利因素，由于它本身固有的分离效率高，容易与检测器如原子吸收、原子发射及质谱相联机的优点，气相色谱在形态分析中仍然占有一席之地。2．高效液相色谱液相色谱用于砷的形态分析有很多优点。首先，在液相色谱中分析物不必衍生而能直接在室温下分离。一般样品都以液相存在，如分析水样，尿样，生物器官和组织提取液中的砷形态等，可以经过简单的前处理后直接进样于色谱柱加以分析，这样不仅节约了分析时间，而且能够减少在衍生过程中带来的玷污及各种形态的重排反应和它们之间的相互转化，使得分析数据更加可靠。其次，液相色谱可以选择众多的流动相作为分离介质，在实验中可根据所要分析的形态的性质选择适当的色谱体系，这使得液相色谱在分离方面具有多样性。目前在砷的形态分析中一般采用两种分离机理：离子交换机理和反相离子对色谱机理。（1）离子交换色谱不同形态的砷化物能够被离子交换色谱分离的主要原因是因为这些砷化物在分离条件下大多数是以离子型化合物存在的。表1列出几种重要砷化物的pKa值。表1几种重要的砷形态的pKa值形态As(Ⅲ)As(V)MMADMAAsBpKa19.22.32.66.22.2pKa2/6.88.2//pKa3/11.6///从表1可见，As（Ⅲ），As（V），DMA，MMA和AsB是弱酸或中强酸。而且pKa值相差也比较大，在适宜的pH条件下均能以阴离子的形式存在。此外，已经知道AsC只能以阳离子形式存在，DMA和AsB则在一定PH值下可同时以阳离子及阴离子形式存在。因此可以用离子交换机理来进行分离。采用离子交换分离时，流动相的优化可依据砷元素在不同pH下的形态分布图为指导。从图1可以看出，当采用阴离子色谱柱时，pH6是一个理想的条件，在这一pH之下，AsIII主要以不带电荷的亚砷酸（H3A）形式存在，在阴离子色谱柱上无保留；二甲基砷以HA和A-各占一半的形式存在，因此在阴离子色谱柱上有一定保留；一甲基砷完全以HA-的形式存在，因此在阴离子色谱柱上保留强于二甲基砷；而AsV部分已经以HA2-的形式存在，是这几种离子中保留最强的，因此最后流出，从而使这几种砷的形态被相互分离。由此可见，pH6是采用阴离子色谱柱分离时的最佳流动相条件。图1砷元素在不同pH下的形态分布图图2a,b是本书作者等采用两种离子交换柱分离不同形态有机砷化合物的色谱图。从图2a可以看出，当在pH为6.0的条件下，四种以阴离子形态存在的砷化合物As（III），As（V），MMA和DMA获得了很好的分离[9]。从图2b可以看出，在较强的酸度下，除MMA以外，5种有机砷的化合物都能够质子化形成阳离子化合物，因此可用阳离子交换柱分离。MMA不保留，因此在死时间流出[10]。图2a阴离子交换柱分离砷化合物1-As（III），2-DMA,3-MMA和4-As（V）0500100015002000250030000200400600800Retentiontime(sec)Intensity(cps)图2b阳离子交换柱分离1-MMA，2-DMA，3-AsB，4-AsC，5-TMAO，6-TMAs+一般文献报道用阴离子交换机理来分离阴离子型的砷形态，用阳离子交换机理分离阳离子型的砷形态，但将阴阳离子型砷形态同时分离有一定困难。本书作者等曾采用阴离子交换柱尝试分离As（Ⅲ），As（V），DMA，MMA，AsB和AsC等6个形态的砷化物[11]，由于AsC不能以阴离子形态存在，因此在死时间流出，其它5种离子的流出顺序见图3。但是，这一分离方法存在的主要问题是与色谱柱使用寿命有关，新柱子的分离效果并不好，用一段时间后分离效率提高，但是再用一段时间，分离效果又变差了。因此我们并不推荐采用这一分离方式。也有人甚至利用一根离子交换柱分离8种或更多的砷化物，但是实际存在同样的问题。图3用阴离子交换柱SupelcosilLCSAX分离六种图4反相离子对色谱分离人血清中的四种砷化物砷化物（流动相：20mmoll-1NH4H2PO4,pH3.9）；1－As（Ⅲ），2－DMA，3－MMA；4－As（V）1,AsC;2,AsIII;3,DMA;4,AsB;5,AsV;and6,MMA.（2）反相离子对色谱反相色谱的固定相通常是非极性的，要适于反相色谱分离，分析物应该是疏水性物质。若要使离子型物质能够在反相柱上分离，则需要将它转化为疏水性物质。反相离子对色谱是用含一个长链有机基团的离子与和它带相反电荷的所要分离的化合物形成疏水性的离子对化合物，然后在非极性的反相柱上分离。如表4.2所见，As（Ⅲ），As（V），DMA，MMA均可以阴离子形式存在，它们在疏水性的反相色谱柱上不被保留，也就不能被分离。但是用一长链烷基（4）的季铵盐可与上述阴离子砷化物形成离子对化合物，这种化合物表现出疏水性而能被反相柱保留并分离。对于阳离子型的砷形态，则采用阴离子型的对离子，如烷基磺酸盐类，这里烷基碳链一般为七碳以上，以保证形成的离子对化合物的疏水性。本书作者曾采用反相离子对色谱分离过人血清中的As（Ⅲ），As（V），DMA，MMA等四种不同形态的砷化物，色谱见图4[12]。其它关