標題砷元素形態分析現狀與發展

張新榮

清華大學分析中心

一、砷元素的形態及其特性

砷是一種廣泛分布于自然界的元素�？死�克值為5×10－4,宇宙豐度為4.0。除發現少量的天然砷外，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1.1mgL－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污染,使地下水中砷的濃度不斷增加，砷污染已經成為一個潛在的公共衛生問題，亞洲地區特別是孟加拉國地下水的砷污染問題已經受到國際社會特別的關注。據衛生部的統計，我國目前有11個省的部分地區受到地下水中砷的污染，比較嚴重的山西、內蒙、貴州等地區已經出現嚴重的地方性砷中毒。

由于飲用水中含有的砷超過一定限量會引起慢性中毒，因此世界衛生組織規定生活飲用水安全標準為每升含砷不超過0.05毫克。2001年1月，EPA提出一個新的標準，即生活飲用水標準每升含砷不超過0.01毫克，并決定從2006年起實施，歐盟也計劃實行這一標準。但是，對發展中國家來說，要按照這一新標準控制飲用水中的砷含量尚有一定困難，2004年由世界衛生組織、聯合國兒童基金會和世界銀行聯合在我國太原召開的有關減輕砷中毒為主題的大會上，亞洲各國仍建議延緩啟動新標準。

除飲用水外，在所有的生物中都可以檢出低含量的砷，海洋動物中存在的高含量砷是人們特別關注的問題。中華人民共和國農業行業標準(NY5073)規定魚中無機砷含量不得超過0.5毫克/公斤，其它水產品中含量不得超過1.0毫克/公斤。這一規定實際存在一定的執行難度，因為國標目前推薦的方法只能測定總量，不能區分砷的形態，而由于魚和其它海產品中大部分砷是無毒的有機砷化合物，最高可達幾十個毫克/公斤，因此，測量結果偏高的現象時有發生。例如2004年在香港媒體上報道多次的魚罐頭事件，就是因為檢出了其中高含量的砷，引起規模超過5億元的內地魚罐頭產業近來一直不景氣。實際上，國內絕大多數產品并未超標，只是檢測方法存在問題罷了。由此可見，區分砷元素不同形態的檢測方法的研究是十分重要的。

在自然界，砷元素可以以許多不同形態的化合物存在，在空氣、土壤、沉積物和水中發現的主要砷化物有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 III)14，砷酸鹽(As V)20，MMA 700-1800，DMA 700-2600，AsC 6500，AsB>10000。這些數據表明,無機砷的毒性最大,甲基化砷的毒性較小,而AsB、AsC和砷糖常被認為是無毒的。正是由于各種不同形態的砷具有不同的物理及化學性質，例如各種不同形態的砷具有不同的毒性，因此砷的形態分析才越來越為人們所重視。

由于不同形態砷化物的毒性不同,其在人體內的遷移、轉化和代謝規律就與其致毒和去毒的機理有關。砷在體內的代謝過程一般為:As（III）→As（V）→MMA→DMA→尿排出,而AsB在體內不經任何轉變即排出。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其急性毒性，而砷酸鹽由于其結構與磷酸鹽類似，在ATP形成過程中可取代磷酸鹽而破壞磷�；�作用。另外,不同形態的砷化物對農作物生長及產量都有明顯的影響。因此無論對環境樣品、食品，還是對從事與砷有關的工作人員或砷中毒患者的體液進行砷的形態分析都是有必要的。

傳統方法中，只測定樣品中的總砷量，不能給出有關毒性的確切信息。因此，從正確估計砷對環境及人類的危害角度出發，需要建立一種有效地分離、測試各種形態砷化合物的手段。另外對于砷在環境中的循環、轉化機理的研究也要求對其進行形態分析。

二、分離方法

在砷形態分析的初期，一些傳統的方法被用于分離或測定各種砷的形態，如蒸餾分離法，共沉淀分離法，單質砷沉淀法，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，液相色譜和毛細管電泳的方法。

• 氣相色譜

要使不同形態的砷化物適用于氣相色譜分離，首先要將它們轉化為氣態或可揮發的液態衍生物。這些衍生物要具備良好的揮發性，良好的化學穩定性及熱穩定性等優點，而且衍生反應能適用于多種砷形態。常用于砷形態分析的衍生方法有：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，然后在液態下進樣于色譜柱中。但是對砷的分離而言，因為氫化物的揮發性太大，不易被萃入溶劑，在實際應用時都是將氫化物發生器與氣相色譜系統直接相連，發生的氫化物通過載氣被直接帶入色譜柱。二甲基砷化氫可以被萃入甲苯后進入色譜柱，但這種方法對其他砷的氫化物就不合適，如甲基砷化氫揮發性較前者大，用甲苯萃取損失很大，而在低溫下（-5℃）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入發射光譜，質譜，及原子吸收光譜等測定。氫化物發生－氣相色譜方法的缺點是只能局限于形成氫化物的那些砷的形態分析。

氣相色譜分離不同形態砷化物的一些典型的例子包括：（1）Fukui等人[4]利用2，3－二巰基丙醇（BAL）與無機砷和MMA形成絡合物，然后在涂有20％SE－30Chromosorb AWA DMCS的氣相色譜柱上加以分離，并用火焰光度計檢測。（2）Beckmann[5]利用MMA、DMA與巰基乙酸甲酯形成絡合物并在涂有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，檢測限達到10ng/ml。此方法應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轉化成其相應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，質譜儀檢測。As（V）和DMA的檢測限為0.1ng，As（Ⅲ）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，使之與無機砷，MMA絡合生成的低沸點化合物，然后在涂有5％OV－17Anakrom AS 柱上得到分離，熱導及火焰電離技術檢測，可用于尿樣的分析。

氣相色譜用于砷的形態分析的關鍵是需要選擇一個好的衍生方法，能夠同時使幾種重要的砷化物被衍生成低沸點衍生物。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分析上局限很大。同時由于氣相色譜所必需的衍生反應，操作復雜且易造成玷污，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吸收、原子發射及質譜相聯機的優點，氣相色譜在形態分析中仍然占有一席之地。

• 高效液相色譜

液相色譜用于砷的形態分析有很多優點。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等，可以經過簡單的前處理后直接進樣于色譜柱加以分析，這樣不僅節約了分析時間，而且能夠減少在衍生過程中帶來的玷污及各種形態的重排反應和它們之間的相互轉化，使得分析數據更加可靠。其次，液相色譜可以選擇眾多的流動相作為分離介質，在實驗中可根據所要分析的形態的性質選擇適當的色譜體系，這使得液相色譜在分離方面具有多樣性。目前在砷的形態分析中一般采用兩種分離機理：離子交換機理和反相離子對色譜機理。

（1）離子交換色譜

不同形態的砷化物能夠被離子交換色譜分離的主要原因是因為這些砷化物在分離條件下大多數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幾種重要的砷形態的pKa值

從表1可見，As（Ⅲ），As（V），DMA，MMA和AsB是弱酸或中強酸。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，已經知道AsC只能以陽離子形式存在，DMA和AsB則在一定PH值下可同時以陽離子及陰離子形式存在。因此可以用離子交換機理來進行分離。

采用離子交換分離時，流動相的優化可依據砷元素在不同pH下的形態分布圖為指導。從圖1可以看出，當采用陰離子色譜柱時，pH6是一個理想的條件，在這一pH之下，AsIII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于二甲基砷；而AsV部分已經以HA2-的形式存在，是這幾種離子中保留最強的，因此最后流出，從而使這幾種砷的形態被相互分離。由此可見，pH6是采用陰離子色譜柱分離時的最佳流動相條件。

圖1砷元素在不同pH下的形態分布圖

圖2a,b是本書作者等采用兩種離子交換柱分離不同形態有機砷化合物的色譜圖。從圖2a可以看出，當在pH為6.0的條件下，四種以陰離子形態存在的砷化合物As（III），As（V），MMA和DMA獲得了很好的分離[9]。從圖2b可以看出，在較強的酸度下，除MMA以外，5種有機砷的化合物都能夠質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+

一般文獻報道用陰離子交換機理來分離陰離子型的砷形態，用陽離子交換機理分離陽離子型的砷形態，但將陰陽離子型砷形態同時分離有一定困難。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個形態的砷化物[11]，由于AsC不能以陰離子形態存在，因此在死時間流出，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，新柱子的分離效果并不好，用一段時間后分離效率提高，但是再用一段時間，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，但是實際存在同樣的問題。

圖3用陰離子交換柱Supelcosil LC SAX分離六種圖4反相離子對色譜分離人血清中的四種砷化物

砷化物（流動相：20 mmol l-1 NH4H2PO4, pH 3.9）；1－As（Ⅲ），2－DMA，3－MMA； 4－As（V）

1, AsC; 2, AsIII; 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，分析物應該是疏水性物質。若要使離子型物質能夠在反相柱上分離，則需要將它轉化為疏水性物質。反相離子對色譜是用含一個長鏈有機基團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合物，這種化合物表現出疏水性而能被反相柱保留并分離。對于陽離子型的砷形態，則采用陰離子型的對離子，如烷基磺酸鹽類，這里烷基碳鏈一般為七碳以上，以保證形成的離子對化合物的疏水性。本書作者曾采用反相離子對色譜分離過人血清中的As（Ⅲ），As（V），DMA，MMA等四種不同形態的砷化物，色譜見圖4[12]。其它關于離子對反相色譜應用于砷的形態分析的實例列于表2中。從表中可見，由于幾種重要的砷化物有的是陰離子型，有的是陽離子型，有的則以兩性存在，用一種對離子試劑同時分離表1所列的幾種形態的砷化物尚有一定困難。