砷形态分析技术研究进展*

田 靖 陈昌云

(南京晓庄学院生物化工与环境工程学院，南京 211171)

砷是原子序数为33的化学元素，由于其毒性大而闻名。然而不同形态的砷毒性差别很大，例如海产品中砷含量很高，但一般食用是安全的。因此在评价环境、食品安全时只检测总砷量而不标示形态是不科学的，砷形态分析是现代生命分析化学的一个重要研究课题。

在自然界中砷以4种化合价形态存在:As(V)、As(III)、As(0)、As(-III)[1]。砷的化合物大多有剧毒[2]，不同形态与价态的砷在环境中的迁移转化规律和对生物的毒性、可用性是不同的，不同形态砷的毒性顺序为：AsH3>As(III)>As(V)>MMA(一甲基胂酸，Monomethylarsonic Acid) >DMA(二甲基胂酸，Dimethylarsonic Acid)>TMAO(三甲基胂氧)>AsC(砷胆碱，Arsenocholine)>AsB(砷甜菜碱，Arsenobetaine)[3]，而AsB和AsC常被认为是无毒的。在环境和生物样品中，砷主要以As(III)和As(V)的形式存在[4]。砷与其化合物常被应用在农药、除草剂、杀虫剂及多种合金中。

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[3-5]，目前各国政府、国际组织和一些科研机构纷纷开展砷的形态分析。

1 样品前处理技术

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[4]，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[3,6]。

1.2 色谱法

色谱法主要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和有机砷化物的方法。由于操作简单快捷且可以和检测技术联用实现在线分析,该法是目前砷形态分析中应用最广泛的分离方法[4]。

在砷的形态分析中，液相色谱比气相色谱更具有优势，因为样品不需衍生，且液相色谱可以选择众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[7]。目前应用最广泛的是分离能力强、重视性高的高效液相色谱(HPLC)[8]。

1.3 毛细管电泳法(CE)

20世纪80年代以来，毛细管电泳法(CE)发展并成为应用范围十分广泛的一种分离技术[8]，它不仅具有高效、快速、选择性高、抗干扰强、较HPLC更方便等优点，而且能克服常规理化法步骤繁琐、误差大、色谱法中色谱柱易受污染等问题[7]。在近10年中，各种样品预浓缩技术广泛应用于毛细管电泳的分离分析中，这些浓缩技术包括等速电泳、等电聚集(简称电聚集)、场放大以及色谱预浓缩等[9]。侯晋等[10]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197 nm。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(Ⅴ)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[7,8]。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[7]。I. B. Karadjova等[11]分别用pH 5.1的柠檬酸缓冲溶液萃取As(III)，0.2 mol/L乙酸萃取DMA，最后用8 mol/L HCl测定总无机砷As(III)、As(V)之和。

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[7]。杨莉丽等[12]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。

2 检测技术

对各种形态的砷进行有效分离后，需要采用检测仪器测定各形态砷的含量。砷的测定早期多采用光度法[6]，近年来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)等或其联用法[13-16]。这些方法根据元素特征进行检测，具有选择性高、抗干扰能力强等优点，常被用于环境样品、生物样品或人体中砷化合物的测定[1]。

2.1 吸光光度法

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[17]，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0.007 mg/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[18]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。

2.2 原子吸收光谱法

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[7]。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[6]。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[16]。近年来，利用原子吸收光谱法测定砷总量的报道较多，如P.R.M.Correia等[19]将钴作为内标，采用原子吸收法(ISMAAS)测定了尿中的砷化物；在1 400～2 300℃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，效果较好。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[14,20]。

电感耦合等离子法的主要优点有进样方便、干扰少和优良的检测限等，其优良特性主要来源于其特殊的激发光源ICP[8,16,21]。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或3个数量级[8,21]。

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[4,13,14,16,20]。近年该方法发展迅速，如K. Jit manee等[22]采用阴离子交换小柱分离富集As(III)和As(V)，用ICP-AES法进行检测，建立了在线分析淡水中无机砷的方法，其中As(III)和As(V)的检测限为0.1 μg/L。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10～10 000倍，与ICP-MS的灵敏度相当，但仪器价格远低于ICP-MS，且操作简单、选择性好、线性范围宽、使用方便、分析快速[3-6,14,16]。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[23]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50～2 000 ng/L。

王莉坤[24]使用XGY-6080型双通道原子荧光光度计(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制),同时测定饮用水中的砷和汞。在最佳仪器工作条件下,砷和汞的检出限分别为0.027 3、0.003 4 μg/L,测定结果的相对标准偏差为1.09%～3.34%(n=7),砷和汞的加标回收率分别为96.59%～103.97%和96.78%～98.95%,测量灵敏度较高,结果准确。

2.5 电化学方法

电化学方法测定痕量砷的方法主要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[3,5,6]。如舒和庆[25]曾用碘离子选择性电极测定As(III)的含量，测定结果表明，As(III)的浓度在1×10-6～1×10-3mol/L范围内线性较好，砷的检出限为6.25×10-7mol/L，回收率可达97%～100%。

2.6 中子活化分析法

近年来,在砷的测定分析中有中子活化分析的报道[5,6]，如高兆华[26]采用中子活化分析法测定了发样中砷浓度，测定结果如下：发砷中位数为0.067 μg/g，95%位数为0.245 μg/g，并制定了我国人发中砷含量的正常参考值。

2.7 联用技术

近年来，联用技术的发展大大推动了砷形态的研究，联用技术的选择性、灵敏度与单一的检测技术相比效果更好，使得联用技术成为砷形态分析中的重要手段[3,4,6]。

2.7.1 光谱分析法的联用

将氢化物发生法(HG)与原子吸收光谱(AAS)、等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、原子荧光光谱(AFS)或等离子体质谱(ICP-MS)联用可提高砷分析的灵敏度。一般分析过程如下所示[27，28]：

李晓霞等[29]用盐酸溶液(1+5)作为酸介质，向砷浓度为1.5、5.0、10.0 μg/L的水样中加入高(30 μg/L)、低(10 μg/L)浓度砷溶液进行加标回收试验，用原子吸收氢化物发生法测得结果为(29.9±0.65)μg/L，该法适用于生活饮用水中砷的检测。

2.7.2 高效液相色谱的联用

(1)高效液相色谱与石墨炉原子吸收光谱法的联用

高效液相色谱与石墨炉原子吸收光谱法联用常用来检测砷的形态分析，该法具有光谱干扰少、特效性好、适用性广、操作简便等优点，成为近年来形态分析中广泛应用的技术之一[16]。Ricci等[30]采用阴离子色谱，碳酸钠/碳酸氢钠淋洗液分离了As (III)、As (V)、甲基砷酸、二甲基砷酸、对氨基苯砷酸盐，经石墨炉原子吸收检测， 5种砷化物的检出限在6～9 μg/L之间。

(2)高效液相色谱与电感耦合等离子体原子发射光谱的联用

电感耦合等离子体发射光谱具有进样方便、多元素同时选择性检测等优点，其优良特性主要来源于激发光源ICP。HPLC与ICP-AES的结合不仅能够解决元素的化学形态分析问题，同时能有效地减少ICP-AES的光谱干扰,是一种常用的形态分析方法[16]。

贾崇荣等[31]采用阴离子交换色谱法,选用碳酸铵水溶液作为洗脱液，梯度洗脱程序为在15 min内从纯水变到99% 0.05 mol/L碳酸铵，使4种砷形态得到了良好分离，并用ICP-AES检测，砷各形态的检出限分别为As(III) 0.41 μg，MMAA 0.12 μg，DMAA 0.10 μg，As(V) 0.17 μg(以As计,S/N=2)。

(3)高效液相色谱与氢化物发生原子荧光光谱的联用

氢化物发生原子荧光光谱法(HGAFS)作为砷形态分析的检测器是由于氢化物发生进样是改善分析方法灵敏度的最简易、最方便的方法之一，且原子荧光光谱具有灵敏度高、干扰少、简便、快捷、样品用量少等优点，因而在微量元素分析中占有重要的地位[32]。近年来，该联用技术也广泛用于砷的形态分离分析中。杨惠芬等[33]首先将原子荧光光谱法引入食品中砷的检测，并将其作为分析有机砷、三价砷、五价砷、总砷的首选方法。

(4)高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱的联用

迄今为止，HPLC-ICP-MS在砷的形态分析中一直扮演研究利器的角色[34]。这是由于ICP-MS具有极高的灵敏度、干扰少、可进行连续测定、多元素同时检测能力、极宽的动态范围以及同位素比检测能力等优势，使得HPLC与ICP-MS联用进行元素形态分析具有诸多优点。此外，在元素形态分析中，ICP-MS是一种极佳的检测系统，其检出限比ICP-AES还低2至3个数量级[16]。

白晶等[35]应用液相色谱-等离子质谱联用的方法分析了食品样品中的主要有机砷(MMAA、DMAA)和无机砷[As(III)、As(V)]。用50%(体积分数)甲醇水溶液作为萃取剂，以5 mmol/L四丁氢铵，2 mmol/L丙二酸和5%(体积分数)甲醇水溶液作为流动相(pH 5.9)，C18色谱柱将样品萃取液进行液相色谱分离，最后进入等离子质谱仪分析。经研究发现，新鲜蔬菜和水果样品中主要含有的无机砷为三价砷和五价砷，有机砷为二甲基砷酸。其检出限分别为As(III)0.2 ng/g 、As (V)0.6 ng/g、DMAA 0.3 ng/g。

2.7.3 X-射线荧光法(XRF)

每个元素受高能辐射激发能发射出具有一定特征的X-射线谱线，测得该谱线的波长，即可知为何种元素；测得其强度，即可知该元素的含量[36]。Sbarato等[37]用能量散射X-射线荧光法对阿根廷的一个小镇的第1和第2含水土层的地下水的50个样品进行了分析，样品是在3 kW的X-射线管中被激活，用45°反射几何学角度来测量，样品的检出限为0.05 mg/L，最大测量值为3 mg/L。说明此地区的砷含量高，此法较具有实用价值。

2.7.4 离子色谱的联用

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；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。所以离子色谱与电感耦合等离子体质谱、原子吸收或发射光谱的联用技术在砷化物的形态分析中也得到了较多的应用[8]。

(1)离子色谱-电感耦合等离子体-质谱(IC-ICP-MS)的联用技术

电感耦合等离子体-质谱(ICP-MS)有较高的检测灵敏度，且ICP-MS与IC联用非常方便，因此近年来在砷的化合物形态分析得到广泛的应用。但需注意，淋洗液的选择受所用色谱柱及其功能基的影响很大[8]。J.Mattusch[38]等用KNO3作淋洗液时，能避免用磷酸盐缓冲溶液作淋洗液时，磷酸盐会腐蚀ICP-MS的进样锥或碳酸盐淋洗液会产生ArC+等干扰离子的问题，且对砷化物有较好的分离，因此用20 mmol/L KNO3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Waters IC-Pak AHC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。

(2)离子色谱-原子吸收/原子发射光谱联用技术(IC-AAS/AES)

有机砷化合物的电荷数、离子大小和疏水性是影响离子交换分离柱上保留的主要因素，所以离子色谱可将它们分开[8]。Furuta等[39]采用IonPac AS 4A-SC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，As(III)和As(V)的检出限分别为70、170 ng/mL。

3 结语

高效液相色谱法是元素形态分离的有效途径，高效液相色谱在分离和测定方面的特点使其在砷的形态分离中得到了广泛的应用。HPLC与ICP-MS、ICP-AES等的联用技术是当前最常用的砷形态分析方法，这些方法已用于实际样品的分析中。ICP-MS的灵敏度高，但价格昂贵是一般实验室难以承受的，而且分析高毒性物质(如砷化物)时，较大的样品用量及试剂用量都是不适宜的。在今后的分析检测中，HPLC及其联用的方法仍有较大的探索空间。

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