微波辅助萃取-HPLC-AFS联用技术检测土壤样品中砷的化学形态

陈邵鹏，仲 雪

1.苏州市环境监测中心站，江苏 苏州 215004 2.欧普图斯(苏州)光学纳米科技有限公司，江苏 苏州 215125

砷是一种有毒并致癌的非金属元素，有许多同素异形体。当前，砷污染已成为严重危害环境和健康的因素之一[1]。据报道，全球有至少5 000多万人口正面临着地方性砷中毒的威胁。随着砷矿的开采和冶炼，污水灌溉，含砷农药、化肥等农资产品的过量使用，土壤中砷元素不断累积，严重影响植物、动物的生长和品质，并且通过食物链进入人体，对人类的生存和健康构成严重威胁[2]。研究表明，砷在环境中的效应并不取决于砷总量，而是取决于存在的形态[3-4]，带入土壤中的砷形态不仅有无机态，如亚砷酸盐[As(Ⅲ)]、砷酸盐[As(Ⅴ)]，还有有机态，如二甲基砷(DMA)、一甲基砷(MMA)，其中无机砷的毒性较有机砷大。因此，土壤中不同形态砷的监测已成为开展环境健康风险评估、砷污染土壤诊断与修复等的重要环节。

目前，对土壤中砷形态的研究报道相对较少。一方面土壤样品基体复杂，样品需经预处理后才可进行形态分析。而常用的消解提取方法包括超声波提取、水浴消解提取、混合酸高温消解提取等。这些方法均不同程度存在着试剂用量多、消解时间长、形态易转化、测定速度慢、测定结果偏低等缺点。另一方面，石墨炉原子吸收法、分光光度法、高效液相色谱-原子吸收联用法等检测灵敏度不高[5-6]，而电感耦合等离子体质谱法[7-13]虽然检测灵敏度高，但设备昂贵，使用成本高，难以普及。

该文采用微波辅助萃取前处理技术，借助高效液相色谱对砷不同形态良好的分离能力，结合原子荧光光谱检测器对砷专属响应的特点，建立了微波辅助萃取-高效液相色谱(HPLC)-原子荧光光谱(AFS)联用技术检测土壤样品中砷的化学形态。该方法有效解决了湿法消解过程中存在的诸多问题，具有高效、简单、快速、灵敏、环保、空白值低和劳动强度低等优势，适合于大批量土壤样品中不同形态砷的分析。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

AFS-9700型双道原子荧光光度计，中国北京；高性能砷空心阴极灯，中国北京；LC-20AT型高效液相色谱泵，配自动进样阀(l00 μL，10 AT型)，日本；PRPX-100阴离子交换柱(250 mm×4.6 mm，30 cm)，美国；Ethos320高压密闭微波消解系统，意大利。

氩气(99.999%)；硼氢化钾、盐酸、氢氧化钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾，均为优级纯；亚砷酸盐[GBW 08666，(0.335±0.011)μmol/g]，砷酸盐[GBW 08667，(0.233±0.005)μmol/g]，一甲基砷[GBW 08668，(0.335±0.011)μmol/g]，二甲基砷[GBW 08669，(0.706±0.024)μmol/g]，均购自国家标准物质中心；实验用水为去离子水经Milli-Q装置纯化(电阻率大于18 MΩ)；所有玻璃仪器(分液漏斗和试管)均用5%盐酸溶液浸泡24 h以上。

流动相(磷酸盐缓冲溶液)的配制：分别准确称取磷酸氢二钠0.895 4 g和磷酸二氢钾3.026 g溶于纯水，置于500 mL容量瓶中，用纯水稀释至刻线，摇匀，使用前经0.45 μm微孔滤膜抽滤，超声波脱气。

1.2 土壤样品的制备

土壤样品：将土壤样品自然风干，研磨后过0.180 mm孔径筛备用。

1.3 微波萃取

准确称取一定量的土壤样品于聚四氟乙烯萃取罐中，加入10 mL 0.1 mol/L的H3PO4溶液进行微波萃取。微波萃取程序：微波功率300 W，5 min升温到90 ℃，控温90 ℃萃取3 min。萃取液在5 000 r/min下离心分离20 min，经0.45 μm滤膜过滤后直接进样检测。

1.4 微波消解测定总砷

准确称取一定量的土壤样品于聚四氟乙烯萃取罐中，在HNO3-H2O2混酸体系下进行微波消解，消解程序：微波功率300 W，15 min升温到185 ℃，消化20 min。消解结束后卸压、定容，直接测定。

1.5 仪器测量参数

流动相为1.79 g/L磷酸氢二钠溶液+ 6.05 g/L磷酸二氢钾溶液，流量1.0 mL/min，在线还原剂为0.12 mol/L抗坏血酸溶液，氢化物发生还原剂为20 g/L硼氢化钾溶液+3.5 g/L氢氧化钠溶液，载流为7%盐酸溶液，灯电流80 mA，载气流量300 mL/min，PMT负高压320 V，进样体积100 μL。

2 结果与讨论

2.1 微波辅助萃取条件优化

借助微波辅助萃取法萃取土壤中不同形态的砷时，涉及多种实验因素，如功率、萃取溶剂体积、萃取温度、萃取时间等。为减少实验次数，提高检测效率，采用正交实验设计方法，优化了微波辅助萃取的实验条件。采用L16(45)正交水平表进行实验设计，以萃取率作为监控指标，考察功率、萃取溶剂体积、萃取温度、萃取时间等4种因素对结果的影响。根据设计的正交实验，对土壤标准样品ESS-1[保证值(10.7±0.8)μg/g]中的砷形态进行萃取和测定，结果见表1。由表1可见，萃取条件的改变对砷萃取率的影响较大。当萃取功率增加时，萃取效率有一定提升；提高萃取溶剂浓度或延长萃取时间，萃取效率有提升，但变化不明显；当提高萃取温度时，萃取效率有显著提升。基于此，以萃取效率作为考察指标，利用直观分析及极差分析，探讨影响萃取率的主要因素，分析结果见表2。

表1 土壤标准样品中砷形态提取正交实验设计及实验结果

由表2可见，根据极差分析结果，RD>RA>RB>RC，即影响提取效率的因素从大到小依次为萃取温度功率>萃取溶剂体积>萃取时间。因此，萃取温度是影响萃取效率的最主要因素。综合表1和表2的结果，该实验确定最佳萃取条件：功率300 W,萃取溶剂体积10 mL,萃取温度90 ℃,萃取时间3 min。

2.2 标准谱图

采用PRPX-100阴离子交换柱对砷的形态进行分离，选取磷酸盐缓冲溶液(pH=6.0)作为流动相。在优化的色谱条件下，砷混合标准溶液的色谱峰见图1。在7 min之内，As(Ⅲ)、DMA、MMA和As(Ⅴ)可实现完全分离，峰形对称，保留时间分别为2.564、3.150、3.964、6.480 min。

图1 标准溶液中4种砷的形态色谱峰

2.3 标准曲线和检出限

配制1.00、10.0、20.0、40.0、60.0、80.0、100 μg/L 4种形态砷的混合标准溶液，按照第2.5节检测条件进行测定，以各组分质量浓度对应峰面积进行线性回归，得到标准品的线性回归方程和相关系数，所有化合物的相关系数均大于0.999 1。重复测定1.00 μg/L 4种形态砷的混合标准溶液6次，计算色谱峰面积的相对标准偏差(RSD)。连续分析7个接近于检出限的实验室空白加标样品，计算其标准偏差S，根据检出限(MDL)计算公式MDL=s×t(n-1，0.99)计算4种形态砷的实验室检出限，结果如表3所示。

表3 4种形态砷的标准曲线

2.4 精密度与加标回收实验

为了研究所选用的微波辅助萃取条件是否会在萃取过程中改变砷的形态，在土壤标准样品ESS-1和ESS-2中添加4种形态砷混标溶液，添加量为4 μg/g。加标标准品于通风橱中自然风干，平衡24h，经历同样的萃取过程后进行加标回收率和精密度实验(n=5)，结果见表4。由表4可见，4种形态砷平行测定的RSD≤5.6%，回收率为78.1%～94.4%，表明微波萃取过程中并未发生明显的砷形态转变，且具有较好的准确度和精密度。同时2种样品砷的萃取率分别为83.8%和90.2%，表明萃取效率较高。因此，建立的微波辅助萃取-HPLC-AFS联用技术可行、可靠，可满足土壤中砷形态的日常检测。

2.5 实际样品分析

用微波辅助萃取法对4种土壤样品进行萃取，经HPLC-AFS测得各形态的浓度，并用AFS直接测定总砷，结果见表5。由表5可见，4个土壤样品中As(Ⅴ)含量均高于As(Ⅲ)含量，即样品中无机砷主要以高氧化态形式体现，而2种有机砷均为未检出。此外，无机砷含量占总砷含量的百分比为80.6%～92.5%，表明土壤样品中砷主要以无机形式存在，且存在其他砷形态，需要更多的砷形态标准物质对其进行定性和定量分析。

表4 精密度与加标回收实验结果

注：ND为未检出，下同。

表5 实际样品分析结果(n=4)

3 结论

建立了微波辅助萃取-HPLC-AFS联用方法分析土壤样品中As(Ⅲ)、DMA、MMA和As(Ⅴ)等4种形态砷。其中，前处理技术具有简便、快速、高效、节省试剂、适于批量处理等优点。应用该方法检测土壤中4种形态砷重现性好、灵敏度高、准确度高、线性关系好，杂质干扰少，可大范围地推广使用。

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