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原子荧光光度计

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国内外有关水、土壤、沉积物和食品中烷基汞监测方法的研究进展

发布日期:2020-12-02  点击次数:

关键词:烷基汞;监测方法;美析集团 www.macylab.com

        摘 要:汞作为备受全球关注的重要污染物之一,由于汞在生产生活中的应用,全球每年仍有约 5000 吨多种形态的汞被排放到自然环境中。在自然界中汞的来源分为人为源和自然源,自然源包括土壤排放、火山喷发、地质沉积和森林火灾;人为源包括矿山开采及有色金属的冶炼、氯碱、化工、仪表、颜料等工业企业排除的含汞废水以及废旧器材,含汞农药的使用及污水灌溉等。另外,节能灯、温度计等其他含汞物品的使用也会造成一定程度的汞污染。汞在环境中的存在形式主要有元素汞、无机汞和有机汞。其中,有机汞的毒性远大于元素汞和无机汞。烷基汞是主要的有机汞形态,它在自然界中的含量比其他有机汞高。自然界中汞的毒性与其在环境中的化学形态密切相关,因此,汞的化学形态分析受到日益关注。

一、烷基汞的理化性质和危害

烷基汞包括甲基汞(methylmercury)、乙基汞(ethylmercury)、二甲基汞、二乙基汞、丙基汞等多种有机形态汞。甲基汞的结构是由一个甲基基团(CH3-)键合到汞离子上,其化学式是 CH3Hg(也写成MeHg+)。作为带正电荷的离子,容易与阴离子如氯化物(Cl-),氢氧化物(OH-)和硝酸盐(NO3-)结合。它还对含硫阴离子,特别是氨基酸半胱氨酸上的硫醇(-SH)基团以及含有半胱氨酸的蛋白质具有非常高的亲和力,形成共价键。

       甲基汞是有机汞中毒性较强的一种形态,摄食被甲基汞污染的食物是甲基汞侵害人体健康的主要途径,其中又以鱼、贝壳等海产品的摄入为主。甲基汞进入人体与生物大分子中的巯基结合,生成稳定的化合物,随血液分布于全身,并能透过血脑屏障蓄积在脑中,造成脑部神经受损。能引起智力迟钝、癫痫、大脑皮质性麻痹以及死亡;低剂量长时间摄入汞也会对人体产生危害,包括神经系统损伤、运动机能和记忆力下降、汞毒性震颤、肝肾损伤等,对孕妇、婴儿和儿童的危害更为突出。当人体血液内的甲基汞含量超过0.2μg/g 时就会出现中毒症状。它还是一种具有较强生物毒性的环境污染物,无色无味,具有挥发性和腐蚀性,受热会分解有毒汞熏烟。无机汞离子在微生物的作用下,会转化为甲基汞,甲基汞进入水体、土壤后,容易被生物吸收富集,并随食物链传递,对环境有生物累积毒害。

土壤、沉积物、沼泽湿地等缺氧环境是汞甲基化的主要场所。土壤在经历不同的水分条件变化时,如季节性水淹、干湿交替、污灌,可以使土壤中的汞发生甲基化作用,从而造成土壤中甲基汞的含量增加,同时并释放到水体或大气中,进而形成生物体的甲基汞暴露;水体沉积物是污染物的一个重要载体,沉积物富含有机质、铁锰氧化物,对水体中的汞具有很强的亲和力,在微生物作用下转化成甲基汞,并可通过沉积物的在悬浮重新回到水体。另外,水体与沉积物的混合作用增加了可产生汞甲基化的沉积物深度,从而形成巨大的甲基汞储库。

自然环境条件下也有可能产生乙基汞,但环境中的乙基汞主要来源于人为排放,乙基汞的结构式为 C2H5Hg+,是由一个乙基基团(C2H5-)键合到汞离子上形成的。乙基汞是描述包含乙基汞结构的有机汞化合物的通用术语。例如氯化乙基汞。与甲基汞不同,乙基汞并没有发现具有生物累积性。乙基汞在生物体内的半衰期较短,乙基汞从成人血液中清除的半衰期为 7 10 天。乙基汞可能不具有通过转运蛋白穿过血脑屏障的能力,而是依赖于简单扩散进入大脑。暴露实验发现:和甲基汞相比,乙基汞可以产生较小的脑损伤,较大的肾损伤。此外,乙基汞属亲脂性化合物,乙基汞中毒主要损害神经系统和心脏。主要表现有发生口腔炎,引起急性胃肠炎,神经衰弱综合症、昏迷、瘫痪、震颤、共济失调和向心性视野缩小等;也可发生肾脏损害,比较严重者可导致急性肾功能衰竭。

二、烷基汞的研究进展

2.1   主要国家、地区及国际组织相关分析方法研究

目前,国际上关于烷基汞的分析方法标准并不多,主要有美国EPA Method 1630方法和日本Mercury Analysis Manual. 2004,目前还未检索到英国、德国、欧盟以及 ISO ASTM 等组织关于中烷基汞分析的相关标准。

2.1.1 美国环境保护署(EPA2010 年发布的《执行2001 1月甲基汞在水中的质量标准的导则》(Guidance for Implementing the January 2001 Methylmercury Water QualityCriterion)(EPA-823-R-10-001)中介绍了四种方法,这四种甲基汞的测定方法并没有本质不同,因此,他们的最低检测限也是相近的,介于0.01ng/L0.06ng/L 之间,四种方法具体如下:

1EPA 颁布的关于水中甲基汞的测定方法

EPA 1630Methyl Mercury in Water by DistillationAqueous EthylationPurge and Trapand CVAFS):是目前受到广泛认可和应用的汞形态分析方法,其方法为取 45ml 的水样,加入 200μl1%APDC 溶液,通过氮气辅助蒸馏进行前处理,然后用四乙基硼化钠对蒸馏处理后的水样进行衍生化,通过碳管进行富集,然后快速加热脱附,脱附后的甲基汞衍生化产物经过高温裂解为汞蒸气,最后通过冷原子荧光进行检测。方法的最低检测限为 0.06ng/L

2)美国地质勘探局(USGS)颁布的测定水中甲基汞的方法USGS Open -File Report 01 -445 Determination of Methyl Mercury by Aqueous Phase Ethylation Followed by Gas Chromatographic Separation with Cold Vapor Atomic Fluorescence Detection):该方法与 EPA1630 在方法原理上基本一致,唯一的差异是该方法向水样中加入适量 CuSO4,可更好的消除干扰物。该方法的最低检测限达到0.04ng/L。

3)华盛顿大学的标准作业指导书(UW-Madison SOP for MeHg Analysis)该方法的最低检测限达到 0.01ng/L

4)美国地质勘探局威斯康星州汞实验室的标准作业指导书(USGS Wisconsin-Mercury Labs SOPs 004)。该方法的最低检测限达到 0.05ng/L2.1.2 日本环境省汞分析手册 Mercury Analysis Manual. 2004

日本环保省于 2004 3 月颁布了《汞分析手册》,该手册规定了环境样品(生物样品、水、沉积物/土壤、植物、空气)和人体样品(头发、血液、尿液、脐带)等样品中汞和甲基汞的分析方法。该手册并未提到检出限、精密度、准确度以及质控措施等相关信息。

2.1.3 国际官方分析化学家协会颁布鱼和贝类中汞(甲基汞)测定的气相色谱法988.11和海产品中甲基汞测定的液相色谱-原子吸收光谱法990.04988.11方法规定了海产品通过盐酸提取、甲苯萃取,电子捕获气相色谱测定CH3HgCl990.04方法规定了可食部分的海鲜通过盐酸提取,液相色谱分离甲基汞,加热甲基汞化合物产生汞蒸气,氮气吹扫汞蒸气进入原子吸收分光光度计测定。

2.2 国内相关分析方法研究

对于烷基汞的分析方法,目前,我国环境领域内仅有两个相关国家标准方法,一个是《环境甲基汞的测定气相色谱法》(GB/T 17132-1997),该标准内只涉及甲基汞的测定。该标准适用于地面水、生活饮用水、生活污水、工业废水、沉积物、鱼体及人发和人尿中甲基汞含量的测定。水、沉积物和尿中的甲基汞采用巯基纱布和巯基棉二次富集的前处理后通过气相色谱测定,水、沉积物和尿最低检出浓度分别为 0.01ng/L0.02μg/kg2ng/L;鱼肉和人发组织中甲基汞采用盐酸溶液浸提前处理后通过气相色谱仪测定,鱼肉和人发最低检出浓度分别为 0.1μg/kg 1μg/kg

第二个是《水质烷基汞的测定气相色谱法》(GB/T 14204-93),本标准适于地面水及污水中甲基汞和乙基汞的测定。方法中利用巯基棉富集水中的烷基汞,然后用盐酸氯化钠溶液解析,用甲苯萃取,气相色谱仪测定,实际达到的最低检出浓度,会伴随仪器灵敏度和水样基体效应而变化,当取样量为1L时,甲基汞检出限为 10ng/L,乙基汞检出限为 20ng/L。随着环境监测技术的发展,一些基于新型原理的方法也广泛应用,例如:福建省的地方标准《环境样品中甲基汞、乙基汞及无机汞高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(HPLC-ICP-MS)测定》(DB35/T 895-2009)。该标准适用于地表水、生活饮用水、生活污水、工业废水、藻类、鱼体中甲基汞、乙基汞和无机汞含量的测定。该标准方法对地表水、生活饮用水、生活污水、工业废水中三种形态的汞方法检测限分别为:甲基汞 0.05μg/L,乙基汞 0.1μg/L 和无机汞 0.1μg/L。在试样取样量为 2.0g,定容体积为 50ml 时,藻类和鱼体样品中三种形态的汞方法检测限分别为:甲基汞0.03mg/kg,乙基汞 0.05mg/kg 和无机汞 0.05mg/kg。

目前,国内研究出了不少色谱-原子荧光联用方法,用来测定烷基汞,该方法使用色谱柱+原子荧光光度计即可实现精确测定。

上海美析原子荧光光度计AFS-680

吉林省的地方标准《废水烷基汞的测定液相色谱-原子荧光法》(DB 22/T 2205-2014)适用于废水中烷基汞的测定,水样采用改性后的固相萃取膜进行富集处理,液相色谱柱分离,原子荧光光谱仪检测分析。甲基汞、乙基汞的检出限分别为 1.78ng/L2.26ng/L,测定下限分别为 7.12ng/L9.05ng/L

吉林省的地方标准《农田土壤中甲基汞、乙基汞的测定高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用法》(DB22/T1586-2012)采用0.5mol/L 硝酸溶浸提土壤,超声波提取1h,用 HPLC反相C18柱分离,ICP-MS检测,甲基汞、乙基汞的质量浓度检出限分别为0.004mg/kg0.008mg/kg

食品行业建立了甲基汞的食品安全国家标准:《食品中总汞及有机汞的测定》(GB 5009.17-2014)。该标准采用了液相色谱-原子荧光光谱联用方法。食品中甲基汞经超声波辅助 5mol/L 盐酸溶液提取后,由原子荧光光谱仪测定。当样品量为1g,定容体积为 10ml 时,方法检出限为0.008mg/kg,方法定量限为 0.025mg/kg


《出口水产品中无机汞、甲基汞和乙基汞的测定液相色谱-原子荧光光谱联(LC-AFS)法》(SN/T 3034-2011)将样品中多种形态的汞以盐酸-硫脲-氯化钾提取液提取后,通过 C18 色谱柱进行分离,经氧化还原反应后,由原子荧光光谱法测定,方法中无机汞、甲基汞和乙基汞的测定低限均为 0.05mg/kg

《蜂产品中砷和汞的形态分析原子荧光法》(NY/T 2822-2015)。样品经盐酸-硫脲-氯化钾提取液提取后,通过 C18 色谱柱进行分离,经氧化还原反应后,由原子荧光光谱法测定。方法中甲基汞检出限为2.4ug/kg,乙基汞的检出限为0.30ug/kg

三、 国内外有关土壤和沉积物中烷基汞的监测以及分析方法

3.1前处理方法介绍

自然界的土壤和沉积物中大都含有丰富的矿物质、硫化物、氨基酸和蛋白质等,这些物质中含有的巯基与汞化合物结合非常牢固,且烷基汞的环境限值很低,直接进样不能满足标准要求。为了提高方法的灵敏度和消除基体干扰,需要在测定前对样品进行预处理,常用的预处理方法有酸浸提、碱消解、微波辅助萃取、超临界流体萃取、固相微萃取法、蒸馏法、液液萃取法等。

3.1.1酸浸提

土壤和沉积物中富含矿物质、硫化物、氨基酸和蛋白质等,而这些物质中都含有的巯基,汞的化合物与巯基结合非常牢固,因此,必须加入氢卤酸或有机酸和络合剂才能够将汞的化合物从土壤和沉积物中释放出来,形成烷基汞卤化物,最终能溶解在氯仿或甲苯等其他的有机溶剂

中。

3.1.2碱消解

一些底泥中含有大量有机物质,如果采用酸-有机溶剂萃取,可发生严重的乳化现象,产生大量的泡沫,这样无形的增加了萃取时间和萃取难度。利用氢氧化钾/甲醇可对土壤和沉积物样品的甲基汞进行萃取,而且不破坏原有的 C-Hg 键。硼氢化钠和四烷基硼化钠与甲基汞的衍生反应可以在水相中进行,减少了样品前处理的时间,避免了使用有机溶剂。样品基体中金属离子的存在会极大降低汞化合物氢化衍生测定的灵敏度。

3.1.3微波辅助萃取

微波辅助萃取的优势在于其可以借助有机溶剂将甲基汞从总汞中分离出来,微波辅助萃取和传统萃取技术相比,具有速度快,使用溶剂少的优点。孙谨[1]利用微波辅助萃取,选择 HCl 作为溶剂,超声2h,以二氯甲烷萃取,稀释后直接测得甲基汞的含量,该方法简便、快捷。

3.1.4固相微萃取法

何滨等固相微萃取法富集了农田土壤中的甲基汞和乙基汞,并以毛细管气相色谱-原子吸收法进行了测定。该方法可用于复杂基体中有机汞的分离测定,操作简便,有效降低基体干扰,无有机溶剂污染,环境友好。

3.2相关分析测试方法研究

随着检测技术的发展以及相关科学研究方法的深入,国内外学者已经建立了多种烷基汞的分析方法,能实现多种环境介质中的痕量烷基汞的检测。

3.2.1气相色谱法及其联用技术

       气相色谱法是分析烷基汞较早和较成熟的方法之一,国内现行的标准方法也是采用气相色谱测定,潘怡将水样经衍生化后,用气相色谱质谱联用法(GC-MS)分析,取得较好回收率和重复性。

3.2.2液相色谱法及其联用技术

相比于气相色谱法,高效液相色谱法具有精密度高、挥发性低等优点,对于热不稳定化合物的分离不需经过衍生化,节约时间,降低实验的复杂性。但是,液相色谱法的灵敏度低于气相色谱法,因此,在应用时受到了很大的限制。目前,液相色谱联用技术中最为常见的方法为HPLCICP-MS 法,该项技术的接口简单、前处理过程简单同时灵敏度高、检出限低。杨正标利用固相萃取富集水样中的烷基汞,经 HPLC-ICP-MS 技术进样分析,甲基汞的检出限分别为 0.5ng/L、乙基汞的检出限为 0.7ng/L,甲基汞和乙基汞的加标回收率在 81%103%之间。

3.2.3原子荧光及其联用技术

       与气相色谱法和液相色谱法相比较,原子荧光光谱法灵敏度更高、受谱线和机体干扰更小、检出限更低,因而,原子荧光光谱法在烷基汞测定中运用最为广泛。陈邵鹏建立了 HPLC-HG-AFS联用技术分析地表水和废水中烷基汞的方法,对于标准水样、地表水和废水实际水样,加标回收率范围为80%110%

3.2.4 毛细管电泳法

       毛细管电泳与色谱分离相比,其样品与固定相之间没有干扰,多可用于分离化学形态不同的金属离子和各种无机阴离子,而且毛细管电泳法样品用量少,试剂用量少,分离模式较多,运行成本低廉。因由于水相中有机汞化合物的离子化程度低,而且几乎不带电荷,为了达到不同形态汞化合物的有效分离,进样前选择合适的衍生试剂对汞化合物进行衍生处理。对于用紫外-可见检测器的毛细管电泳分离来说,衍生处理不仅可以提高汞化合物的紫外光吸收能力,同时还可以降低电荷少或者不带电荷的汞化合物转化为带负电的衍生物的能力,增强其水溶性。卢瑞宏用毛细管电泳法对汞化学形态进行了分离,实现了无机汞和甲基汞的分离。

四、文献出处及鸣谢

本文主要内容部分出自:1.国内外有关水_土壤_沉积物和食品中烷基汞监测方法的研究进展_赵欣 , 

                                     研究中图分类号:X832       文献标志码:A   文章编号:2095-2945202036-0107-04

  感谢以上科研工作者的成果分享与交流!