利用LC-ICP-MS分析饮用水中铬的形态

简介 随着环境中污染物受关注度的提高， 人们不仅局限于对金属总量的分析， 越来越关注金属元素的存在形态。许 多元素可以以各种形态存在，有些是不 同的价态，有些是与各种有机化合物或 其他元素结合在一起。元素的毒性和对环境的影响因存在形态的不同而异。 近年来，铬元素形态受关注度较高。铬可以以两种形态存在，三价(Cr3)和六价 (Cr6)。三价铬是一种必须的营养成分，而六价铬却是有毒的。因此，了解环境 系统和消费品中六价铬的含量比了解总铬含量更为重要，特别是饮用水。 目前，美国环境保护署只对饮用水中的总铬作了量（100ppb）。然而，加州在 2014年对饮用水设定了更严格的标准，要求总铬含量小于50ppb，六价铬 含量小于10ppb，六价铬公共健康目标值为20ppt。

本研究介绍了LC-ICP-MS在饮用水中三价和六价铬测定方 面的应用，旨在提供一个适合新标准要求的铬形态 检测方法。。

实验部分 三价铬和六价铬的分离通常有两种：离子交换色谱法和离 子对色谱法。离子对色谱法已于之前的应用报告中已作阐 述 [1] ，此法已被详细验证过，有着快速、抗干扰的特点，适 用于多元素形态分析[2] ，目前应用较广[3] 。本研究中，我们 采用离子交换色谱法，选用一根较短但保留能力更强的色 谱柱，以便在进样量较大的前提下获得更好的峰形和分离 度，以保证更低的检出限，尽管较高酸度的溶液可以将各种形态的铬提取出来[4] ，三 价铬与EDTA络合反应还是需要中性环境，以利于络合反 应平衡向络合更加方向偏移。此外，铬酸根和三价 铬的氧化还原电对对pH有着强烈的依赖，经前期工作证 明，使用EDTA作为络合剂时中性的pH值更利于铬形态的 稳定性。在最初测试pH对分离效率的影响之后，基于在此 pH下面良好的络合能力和形态稳定性，后续工作中均选 用中性。

样品和试剂 自来水样品取自本地和世界各地，瓶装水购自本地零售商 店。美国环保署和加州公共健康部（CDPH，隶属于FDA） 的规定并不适用于所有的瓶装水，如此大范围的采样是为 了验证本方法的有效性。 铬标 准 溶液由三价 铬和六 价 铬 储 备液（分 别 购自 PerkinElmer和Spex）制成。流动相以高纯硝酸(GFS Chemicals)，氨水(Fisher Scientific)和乙二胺四乙酸二钾 (Sigma-Aldrich)配制而成。虽然流动相也可以用硝直接配制，但用硝酸和氨水能获得更低的背景。配制方法 如下，875mL硝酸、202mgEDTA溶解于1L去离子水(18.2 MΩ-cm)中，以10% (v/v)氨水调节pH。以流动相配成标准 曲线溶液，以外标法定量。样品以流动相稀释2倍。为保证三价铬与EDTA络合， 所有标准溶液和样品在上机分析前均室温下静置反应3h 以上，也可通过对溶液进行加热以缩短反应时间[5] 。标准 溶液需当天配制，研究中发现室温下铬形态不能稳定存在 24小时以上。

虽然大部分样品保留时间偏差很小（见图4），也发现个 别样品中六价铬出峰时间相对标准溶液延迟达到30s。这 种保留时间的偏移是由于水样基质组成不同造成的。为 测试盐浓度对保留时间的影响，含有1ppb混标的不同浓 度的氯化钠溶液（最高1000mg/L）用流动相稀释2倍后进 样。由图5可知，两种铬形态受氯化钠影响极小，表明本方 法抗高浓度盐干扰能力强。因此某些饮用水中六价铬保 留时间的偏离可能是由其他基体成分导致，然而由于这些 都不影响六价铬的检出能力，未做深入研究。保留时间的 改变可以用Empower TM 3软件通过增大寻峰范围或评估 检测数据时手动设定保留时间。另外，可以采用更高的稀 释倍数来减小保留时间的偏移。样品中六价铬含量稀释5 倍测定值与稀释2倍测定值非常相符，表明当不需要达到 方法检出可以采用更高的稀释倍数。随之而来 的好处是可以降低色谱柱的上样量，有利于色谱柱寿命的 延长。 为了验证检测结果的精密度，所有样品加混标0.5ppb， 加标回收率均在±10%以内（见图6），表明了方法的精密 度。 在方法的分离能力、抗干扰能力和定量准确性确定之后， 对短期和长期稳定性进行了研究。短期内，其中一个样品 （W7）在1h内分析了8次，图7显示了六价铬测得浓度，以 第一次测得结果为基准的分布情况。由图可知，浓度测定 值偏差在4%以内，表明短期稳定性较好。 

长期稳定性的研究通过连续14h分析所有样品进行，每 30min分析一次质控样（三价铬2ppb，六价铬0.4ppb）。 图8为质控样分布图，以第一次测得结果为基准的分布情 况。浓度测定值偏差在6%以内，表明短标样、仪器条件和 方法的稳定性。 除了标准溶液长期稳定性之外，还需注意的一点是样品中 形态的稳定性。由于水样中含有多种成分，时间一长，铬形 态的相互转化就有可能发生。分析11小时后（样品制 成15h后）再对样品进行再分析，结果表明在此时间段内， 大多数样品均稳定（原始结果差别在±5ppt以内），只有 一个样品（W5），六价铬降低而三价铬增加了。对此样品 进行加标，一段时间之后，也发现了六价铬向三价铬的转 化。由于只有着一个样品显示出相互转化，意味着此样品 中有某种东西可促进六价铬向三价铬的降解。由于质控 样没有形态转化（图8），可以排除进样瓶引起的问题。

总结 本研究表明，Altus TM UPLC- NexIONTM 350D ICP-MS能成功 分离近期严格法规规定的以下的铬形态。本方法可 以在6min内分离三价铬和六价铬，能检出10ppt以下（样品 中20ppt）的铬，线性范围可达到至少50ppb。用流动相稀释2倍以更好地络合三 价铬，降低了由基质造成的保留时间偏移，获得了良好的峰 形和分辨率，样品稀释液和流动相一致也带来了较大的便 利