高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法同时测定大米中6种砷形态的含量

赵丽君

(杭州谱育科技发展有限公司,杭州 311300)

砷(As)是自然界中普遍存在的一种元素。除发现少量自然砷外,砷广泛存在于熔积岩和沉积岩中,通常以许多不同形态的化合物存在。砷的毒性取决于其化学形态和种类[1],常见的砷形态有亚砷酸盐[As(Ⅲ)]、砷酸盐[As(Ⅴ)]、一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)、砷甜菜碱(AsB)、砷胆碱(AsC)等。研究发现,无机砷的毒性大于有机砷,As(Ⅲ)的毒性大于As(Ⅴ)的,有机砷毒性从大到小排序为MMA、DMA、AsB、AsC[2]。

农药的广泛使用以及采矿、冶炼、电镀、化工等工业“三废”的大量排放,使得我国土壤、水体受重金属污染的问题日益严重,这导致农作物产量和质量下降,危害人体健康[3-4]。人长期摄入砷容易引发黑脚病、心血管疾病等,砷还可能和皮肤癌、膀胱癌、肺癌、肝癌、肾癌等癌症相关[5-6]。如As(Ⅲ)和As(V)会造成人组织交换和物质代谢功能的损害,诱发基因突变,严重干扰细胞的结构、生物功能和正常代谢;MMA、DMA在酶的作用下会脱去甲基形成自由基,促使抗体产生有害的氧和氢氧根离子,导致脂质氧化,膜细胞损害。

大米及其制品是人类的主要食品,水稻对土壤及水中砷具有富集作用,导致大米成为人摄入砷的重要途径[7-8]。单一测定总砷含量已不能满足人们对食品中砷摄入风险的正确评价,对不同砷形态含量的测定显得越来越重要。以往的文献多侧重于大米中无机砷含量的测定[9-10]或者4～5种砷形态的同时测定[11-15],AsB、As(Ⅲ)、DMA、MMA、As(Ⅴ)、AsC等6种砷形态同时测定的文献报道较少。考虑到AsC、AsB和As(Ⅲ)保留时间接近,不易分离,本工作通过优化国产高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱仪的洗脱程序,成功将6种砷形态同时分离,且分离效果良好;采用低浓度水平的磷酸二氢铵溶液为流动相,降低了盐类对仪器的干扰;提出的方法前处理过程简单,分析时间短,试剂配制过程简单、方便,适用于大米中6种砷形态含量的准确测定。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

ICP-MS SUPEC 7000型电感耦合等离子体质谱仪;ULC 510型高效液相色谱仪;TGL-16M型高速离心机;101-2B型电热恒温干燥箱;SK8210LHC型超声波清洗仪;Milli-Q型超纯水装置。

砷形态单标准溶液:MMA、DMA、AsB、AsC的质量分数分别为25.1, 52.9, 38.8, 28.0 μg·g-1,As(Ⅲ)、As(Ⅴ)的质量浓度均为1 000 mg·L-1,市售。使用时用水稀释至所需的质量浓度。

混合标准溶液系列:取适量6种砷形态单标准溶液,用水逐级稀释,配制成质量浓度为0, 1.000, 5.000, 10.00, 50.00, 100.0 μg·L-1的混合标准溶液系列。

流动相A:25 mmol·L-1磷酸二氢铵溶液(pH 8.0),准确称取1.437 9 g(精确至0.1 mg)磷酸二氢铵于500 mL烧杯中,加入300 mL水溶解,用氨水调节酸度至pH 8.0,转移至500 mL容量瓶中,用水稀释至刻度,摇匀后倒入1 L色谱瓶中,封口,放入超声波清洗仪中超声3 min,去除溶液中的气泡,备用。

流动相B:取适量水,于超声波清洗仪中超声3 min,去除溶液中的气泡,备用。

硝酸为痕量级纯;氨水为分析纯;磷酸二氢铵为色谱纯;试验用水为一级水(电阻率不小于18.2 MΩ·cm)。

1.2 仪器工作参数

1.2.1 高效液相色谱仪

Hamilton PRP-X100阴离子交换色谱柱(250 mm×4.1 mm,10 μm);采用流动相A和B以流量1 mL·min-1进行梯度洗脱,洗脱程序:0～17 min,A由5%升至100%;17～20 min,A由100%降至5%。进样量100 μL。

1.2.2 电感耦合等离子体质谱仪

射频功率1 600 W;雾化气流量1.110 L·min-1;辅助气流量1 L·min-1;冷却气流量15 L·min-1;采样深度1.08 mm;待测元素同位素75As;氦气(He)碰撞模式,用来消除40Ar35Cl对75As的干扰。

1.3 试验方法

将大米样品中的杂物去除后,用谷物粉碎机粉碎均匀,过60目(孔径0.28 mm)筛。分取1.0 g样品(精确至0.1 mg),置于50 mL塑料离心管中,加入20 mL 0.15 mol·L-1硝酸溶液(提取剂),放置过夜。于90 ℃恒温箱中热浸提2.5 h,过程中每0.5 h振摇1 min。提取完毕,取出,冷却至室温,以转速8 000 r·min-1离心15 min,将上清液过0.45 μm滤膜,滤液上机测试。

2 结果与讨论

2.1 洗脱程序的选择

采用Hamilton PRP-X100阴离子交换色谱柱进行砷形态分离时,多采用磷酸盐缓冲液作流动相。分离无机砷时,一般使用等度洗脱程序;分离4种以上砷形态时,由于各砷形态化学性质不一,多采用梯度洗脱程序。AsC在溶液中只能以阳离子形式存在;其他5种砷形态化合物多为弱酸或中强酸,在适宜酸度条件下均能以阴离子形式存在。因此,以阴离子交换色谱柱分离时,AsC最先流出,而其他5种砷形态依据其在阴离子交换色谱柱上的保留能力依次流出,其中AsB和As(Ⅲ)在阴离子交换色谱柱上保留时间较短,色谱峰可能发生重合,分离度较差,无法进行准确定量。为实现6种砷形态的完全分离,试验比较了分别以等度洗脱、梯度洗脱程序1(0～17 min,B为100%;17～20 min,B由100%降至5%)和梯度洗脱程序2(见1.2.1节)洗脱时6种砷形态的分离效果。结果显示:在采用等度洗脱方式时,MMA和As(Ⅴ)在20 min内均未出峰,分析时间较长,且AsB和As(Ⅲ)色谱峰发生重合,如图1(a)所示。采用梯度洗脱方式时,As(Ⅴ)的保留时间缩短,其中:采用梯度洗脱程序1时,基线在0～20 min内稳定性不好,且AsC和AsB色谱峰发生重合,如图1(b)所示;当采用梯度洗脱程序2时,6种砷形态完全分离,且基线平稳,如图1(c)所示,此时As(Ⅲ)峰形对称性较差,推测与流动相中磷酸二氢铵浓度较低有关,增加磷酸二氢铵浓度,虽然As(Ⅲ)更易被洗脱,其峰形更加对称,但是其保留时间缩短,色谱峰与AsC、AsB重合。考虑到As(Ⅲ)的峰形不影响其准确定量,试验选择将流动相中磷酸二氢铵浓度维持在较低水平,采用梯度洗脱程序2进行试验,以保证AsC、AsB、As(Ⅲ)的有效分离。

图1 不同洗脱程序下6种砷形态的色谱图Fig.1 Chromatograms of the 6 arsenic species under different elution procedures

2.2 标准曲线和检出限

将混合标准溶液系列用0.45 μm滤膜过滤后上机测试,以各砷形态的质量浓度为横坐标,对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。结果显示:各砷形态的质量浓度均在1.000～100.0 μg·L-1内和对应的峰面积呈线性关系,其他线性参数见表1。

表1 6种砷形态的线性参数和检出限

按照试验方法对空白样品连续测定7次,计算各砷形态测定值的标准偏差(s),以3s计算检出限,结果见表1。

2.3 精密度和准确度试验

按照试验方法对大米样品进行低、中、高等3个浓度水平的加标回收试验,每个浓度水平重复测定6次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

表2 精密度和回收试验结果(n=6)

由表2可知,6种砷形态的回收率为91.2%～108%,测定值的RSD均小于5.0%,表明该方法稳定可靠。

按照试验方法分析大米无机砷质控样品,平行分析3次,结果见表3,其中*iAs为As(Ⅲ)+As(Ⅴ)。

表3 无机砷质控样的测定结果

由表3可知,在大米无机砷质控样品中检出的*iAs测定值和认定值基本一致,说明本方法的准确度较好。

本工作采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法测定大米中6种砷形态的含量,该方法操作简单,精密度和准确度良好,可用于大米中6种砷形态的分析。