1、砷元素形態(tài)分析現(xiàn)狀與發(fā)展張新榮清華大學(xué)分析中心一、神元素的形態(tài)及其特性砷是一種廣泛分布于自然界的元素。克拉克值為5x10-4，宇宙豐度為4.0。除 發(fā)現(xiàn)少量的天然砷外，已知有150多種含砷礦物。最普通的礦物是：砷化物礦， 硫化物礦，氧化物礦，砷酸鹽礦。此外，海水中平均含有1.1 g L-1的砷，在礦 泉水、土壤和人體中都有微量的砷。近年來，由于采煤及其它工業(yè)污染，使地下水中砷的濃度不斷增加，砷污染已 經(jīng)成為一個(gè)潛在的公共衛(wèi)生問題，亞洲地區(qū)特別是孟加拉國地下水的砷污染問題 已經(jīng)受到國際社會(huì)特別的關(guān)注。據(jù)衛(wèi)生部的統(tǒng)計(jì)，我國目前有11個(gè)省的部分地 區(qū)受到地下水中砷的污染，比較嚴(yán)重的山西、內(nèi)蒙、貴州等

2、地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的 地方性砷中毒。由于飲用水中含有的砷超過一定限量會(huì)引起慢性中毒，因此世界衛(wèi)生組織規(guī) 定生活飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)為每升含砷不超過0.05毫克。2001年1月，EPA提出一 個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)，即生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)每升含砷不超過0.01毫克，并決定從2006年起 實(shí)施，歐盟也計(jì)劃實(shí)行這一標(biāo)準(zhǔn)。但是，對發(fā)展中國家來說，要按照這一新標(biāo)準(zhǔn) 控制飲用水中的砷含量尚有一定困難，2004年由世界衛(wèi)生組織、聯(lián)合國兒童基 金會(huì)和世界銀行聯(lián)合在我國太原召開的有關(guān)減輕砷中毒為主題的大會(huì)上，亞洲各 國仍建議延緩啟動(dòng)新標(biāo)準(zhǔn)。除飲用水外，在所有的生物中都可以檢出低含量的砷，海洋動(dòng)物中存在的高 含量砷是人們特別關(guān)注的問題。中

3、華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY5073)規(guī)定魚 中無機(jī)砷含量不得超過0.5毫克/公斤，其它水產(chǎn)品中含量不得超過1.0毫克/公斤。 這一規(guī)定實(shí)際存在一定的執(zhí)行難度，因?yàn)閲鴺?biāo)目前推薦的方法只能測定總量，不 能區(qū)分砷的形態(tài)，而由于魚和其它海產(chǎn)品中大部分砷是無毒的有機(jī)砷化合物，最 高可達(dá)幾十個(gè)毫克/公斤，因此，測量結(jié)果偏高的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。例如2004年在 香港媒體上報(bào)道多次的魚罐頭事件，就是因?yàn)闄z出了其中高含量的砷，引起規(guī)模 超過5億元的內(nèi)地魚罐頭產(chǎn)業(yè)近來一直不景氣。實(shí)際上，國內(nèi)絕大多數(shù)產(chǎn)品并未 超標(biāo)，只是檢測方法存在問題罷了。由此可見，區(qū)分砷元素不同形態(tài)的檢測方法 的研究是十分重要的。在自然界，砷元

4、素可以以許多不同形態(tài)的化合物存在，在空氣、土壤、沉積 物和水中發(fā)現(xiàn)的主要砷化物有As2O3或亞砷酸鹽(As III)、砷酸鹽(As V)、一甲基 砷酸(MMA)和二甲基砷酸(DMA)，在海產(chǎn)品中則主要以砷甜菜堿(AsB)和砷膽堿 (AsC)形式存在。另外，還有其他更復(fù)雜的砷化合物，例如砷糖(Arsenosugars)、 砷脂類化合物等。主要砷化物對大鼠的半致死量LD50(mg kg)分別為:As2O3 34.5,亞砷酸鹽(As 111)14,砷酸鹽(As V)20，MMA 700-1800，DMA 700-2600，AsC 6500，AsB10000。 這些數(shù)據(jù)表明，無機(jī)砷的毒性最大，甲基化砷

5、的毒性較小，而AsB、AsC和砷糖常被 認(rèn)為是無毒的。正是由于各種不同形態(tài)的砷具有不同的物理及化學(xué)性質(zhì)，例如各 種不同形態(tài)的砷具有不同的毒性，因此砷的形態(tài)分析才越來越為人們所重視。由于不同形態(tài)砷化物的毒性不同，其在人體內(nèi)的遷移、轉(zhuǎn)化和代謝規(guī)律就與其 致毒和去毒的機(jī)理有關(guān)。砷在體內(nèi)的代謝過程一般為 :As（III）一As（V） MMADMA尿排出，而AsB在體內(nèi)不經(jīng)任何轉(zhuǎn)變即排出。這說明As（III） -DMA是主要的去毒過程。在致毒方面，亞砷酸鹽通過阻止含鄰位巰基的酶在活 性中心作用而表現(xiàn)其急性毒性，而砷酸鹽由于其結(jié)構(gòu)與磷酸鹽類似，在ATP形 成過程中可取代磷酸鹽而破壞磷酰化作用。另外，不同形

6、態(tài)的砷化物對農(nóng)作物生 長及產(chǎn)量都有明顯的影響。因此無論對環(huán)境樣品、食品，還是對從事與砷有關(guān)的 工作人員或砷中毒患者的體液進(jìn)行砷的形態(tài)分析都是有必要的。傳統(tǒng)方法中，只測定樣品中的總砷量，不能給出有關(guān)毒性的確切信息。因此， 從正確估計(jì)砷對環(huán)境及人類的危害角度出發(fā)，需要建立一種有效地分離、測試各 種形態(tài)砷化合物的手段。另外對于砷在環(huán)境中的循環(huán)、轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究也要求對 其進(jìn)行形態(tài)分析。二、分離方法在砷形態(tài)分析的初期，一些傳統(tǒng)的方法被用于分離或測定各種砷的形態(tài)，如 蒸餾分離法，共沉淀分離法，單質(zhì)砷沉淀法，萃取分離法和選擇性還原法等。自 從70年末以來，有很多新方法用于此目的。常用的是氣相色譜，液相色譜和

7、毛 細(xì)管電泳的方法。1.氣相色譜要使不同形態(tài)的砷化物適用于氣相色譜分離，首先要將它們轉(zhuǎn)化為氣態(tài)或 可揮發(fā)的液態(tài)衍生物。這些衍生物要具備良好的揮發(fā)性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性及 熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，而且衍生反應(yīng)能適用于多種砷形態(tài)。常用于砷形態(tài)分析的衍 生方法有：氫化物法，二硫代氨基甲酸衍生法，三甲基硅烷衍生法，DMA的碘 代二甲基砷氫化物法以及巰基乙酸甲酯（TGM）衍生法等。在氣相色譜中衍生物一般被溶于某一溶劑，然后在液態(tài)下進(jìn)樣于色譜柱中。 但是對砷的分離而言，因?yàn)闅浠锏膿]發(fā)性太大，不易被萃入溶劑，在實(shí)際應(yīng) 用時(shí)都是將氫化物發(fā)生器與氣相色譜系統(tǒng)直接相連，發(fā)生的氫化物通過載氣被 直接帶入色譜柱。二甲基砷化氫

8、可以被萃入甲苯后進(jìn)入色譜柱，但這種方法對 其他砷的氫化物就不合適，如甲基砷化氫揮發(fā)性較前者大，用甲苯萃取損失很 大，而在低溫下（-5C）二甲基砷化氫，一甲基砷化氫均可被萃入甲苯中。氣 相色譜分離后砷的氫化物可直接進(jìn)入發(fā)射光譜，質(zhì)譜，及原子吸收光譜等測定。 氫化物發(fā)生一氣相色譜方法的缺點(diǎn)是只能局限于形成氫化物的那些砷的形態(tài)分 析。氣相色譜分離不同形態(tài)砷化物的一些典型的例子包括：（1） Fukui等人囹利 用2, 3一二巰基丙醇（BAL）與無機(jī)砷和MMA形成絡(luò)合物，然后在涂有20% SE-30Chromosorb AWADMCS的氣相色譜柱上加以分離，并用火焰光度計(jì)檢 測。（2） Beckmann

9、5利用MMA、DMA與巰基乙酸甲酯形成絡(luò)合物并在涂有 2.5%XE-60 Chromosorb G AW-DMCS柱上將它們分離，用火焰離子化檢測器 測定，檢測限達(dá)到10ng/ml。此方法應(yīng)用于尿和血樣的分析。（3） Dix等人6利 用TGM為衍生劑，分離了無機(jī)砷、MMA和DMA，并用于尿、血及生物器官 提出液的分析，采用火焰離子化檢測，最低檢測限為100ng/ml。（4） Henry等 人7將As （III），As （V）和DMA轉(zhuǎn)化成其相應(yīng)的三甲基硅烷衍生物，并在涂 有5%OV-225的Gas-Chrom Q色譜柱上分離，質(zhì)譜儀檢測。As（V）和DMA 的檢測限為0.1ng，As （III

10、）的檢測限為1ng。（5） Daughbrey等人8以二乙基 二硫代氨基甲酸酯為衍生劑，使之與無機(jī)砷，MMA絡(luò)合生成的低沸點(diǎn)化合物， 然后在涂有5%OV17Anakrom AS柱上得到分離，熱導(dǎo)及火焰電離技術(shù)檢測， 可用于尿樣的分析。氣相色譜用于砷的形態(tài)分析的關(guān)鍵是需要選擇一個(gè)好的衍生方法，能夠同 時(shí)使幾種重要的砷化物被衍生成低沸點(diǎn)衍生物。但上述幾種衍生方法只對部分 砷化物適用，使得該方法在砷形態(tài)分析上局限很大。同時(shí)由于氣相色譜所必需 的衍生反應(yīng)，操作復(fù)雜且易造成玷污，因此近幾年逐漸被液相色譜分離的手段 所取代。但是盡管氣相色譜具有這些不利因素，由于它本身固有的分離效率高， 容易與檢測器如原子

11、吸收、原子發(fā)射及質(zhì)譜相聯(lián)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，氣相色譜在形態(tài)分 析中仍然占有一席之地。2 .高效液相色譜液相色譜用于砷的形態(tài)分析有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，在液相色譜中分析物不必 衍生而能直接在室溫下分離。一般樣品都以液相存在，如分析水樣，尿樣，生 物器官和組織提取液中的砷形態(tài)等，可以經(jīng)過簡單的前處理后直接進(jìn)樣于色譜 柱加以分析，這樣不僅節(jié)約了分析時(shí)間，而且能夠減少在衍生過程中帶來的玷 污及各種形態(tài)的重排反應(yīng)和它們之間的相互轉(zhuǎn)化，使得分析數(shù)據(jù)更加可靠。其 次，液相色譜可以選擇眾多的流動(dòng)相作為分離介質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)所要分析 的形態(tài)的性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)纳V體系，這使得液相色譜在分離方面具有多樣性。 目前在砷的形態(tài)分析中一

12、般采用兩種分離機(jī)理：離子交換機(jī)理和反相離子對色 譜機(jī)理。(1)離子交換色譜不同形態(tài)的砷化物能夠被離子交換色譜分離的主要原因是因?yàn)檫@些砷化物 在分離條件下大多數(shù)是以離子型化合物存在的。表1列出幾種重要砷化物的pKa 值。表1幾種重要的砷形態(tài)的pKa值形態(tài)As(III)As(V)MMADMAAsBpKa19.22.32.66.22.2pKa2/6.88.2/pKa3/11.6/從表1可見，As (III)，As (V)，DMA，MMA和AsB是弱酸或中強(qiáng)酸。而 且pKa值相差也比較大，在適宜的pH條件下均能以陰離子的形式存在。此外， 已經(jīng)知道AsC只能以陽離子形式存在，DMA和AsB則在一定PH值

13、下可同時(shí)以 陽離子及陰離子形式存在。因此可以用離子交換機(jī)理來進(jìn)行分離。采用離子交換分離時(shí)，流動(dòng)相的優(yōu)化可依據(jù)砷元素在不同pH下的形態(tài)分布 圖為指導(dǎo)。從圖1可以看出，當(dāng)采用陰離子色譜柱時(shí)，pH6是一個(gè)理想的條件， 在這一 pH之下，Asm主要以不帶電荷的亞砷酸(H3A)形式存在，在陰離子色 譜柱上無保留；二甲基砷以HA和A-各占一半的形式存在，因此在陰離子色譜 柱上有一定保留；一甲基砷完全以HA-的形式存在，因此在陰離子色譜柱上保留 強(qiáng)于二甲基砷；而AsV部分已經(jīng)以HA2-的形式存在，是這幾種離子中保留最強(qiáng) 的，因此最后流出，從而使這幾種砷的形態(tài)被相互分離。由此可見，pH6是采用 陰離子色譜柱分

14、離時(shí)的最佳流動(dòng)相條件。圖2a,b是本書作者等采用兩種離子交換柱分離不同形態(tài)有機(jī)砷化合物的色 譜圖。從圖2a可以看出，當(dāng)在pH為6.0的條件下，四種以陰離子形態(tài)存在的砷 化合物As（III），As（V），MMA和DMA獲得了很好的分離凹。從圖2b可以看 出，在較強(qiáng)的酸度下，除MMA以外，5種有機(jī)砷的化合物都能夠質(zhì)子化形成陽 離子化合物，因此可用陽離子交換柱分離MMA不保留，因此在死時(shí)間流出10。圖2a陰離子交換柱分離砷化合物1-As （III），2-DMA,3- MMA和4-As（V）圖 2b 陽離子交換柱分離 1-MMA, 2-DMA, 3-AsB, 4-AsC, 5-TMAO, 6-TMAs

15、+一般文獻(xiàn)報(bào)道用陰離子交換機(jī)理來分離陰離子型的砷形態(tài)，用陽離子交換機(jī) 理分離陽離子型的砷形態(tài)，但將陰陽離子型砷形態(tài)同時(shí)分離有一定困難。本書作 者等曾采用陰離子交換柱嘗試分離As (III), As (V), DMA, MMA, AsB和 AsC等6個(gè)形態(tài)的砷化物11,由于AsC不能以陰離子形態(tài)存在，因此在死時(shí)間 流出，其它5種離子的流出順序見圖3。但是，這一分離方法存在的主要問題是 與色譜柱使用壽命有關(guān)，新柱子的分離效果并不好，用一段時(shí)間后分離效率提高， 但是再用一段時(shí)間，分離效果又變差了。因此我們并不推薦采用這一分離方式。 也有人甚至利用一根離子交換柱分離8種或更多的砷化物，但是實(shí)際存在同樣

16、的 問題。LIS Slunoo-SUCDF_圖4反相離子對色譜分離人血清中的四種碑化物1-As (I)，2DMA，3MMA； 4 As (V)圖3用陰離子交換柱Supelcosil LC SAX分離六種 碑化物（流動(dòng)相：20 mmol l-1 NH4H2PO4, pH 3.9）； 1, AsC; 2, Asm; 3, DMA; 4, AsB; 5, AsV; and 6, MMA.(2)反相離子對色譜反相色譜的固定相通常是非極性的，要適于反相色譜分離，分析物應(yīng)該是 疏水性物質(zhì)。若要使離子型物質(zhì)能夠在反相柱上分離，則需要將它轉(zhuǎn)化為疏水 性物質(zhì)。反相離子對色譜是用含一個(gè)長鏈有機(jī)基團(tuán)的離子與和它帶相反電荷的 所要分離的化合物形成疏水性的離子對化合物，然后在非極性的反相柱上分離。如表4.2所見，As (III), As (V), DMA, MMA均可以陰離子形式存在， 它們在疏水性的反相色譜柱上不被保留，也就不能被分離。但是用一長鏈烷基 (4 )的季銨鹽可與上述陰離子砷化物形成離子對化