水中砷和铬元素的形态分析
为了更加准确地评价不同氧化态元素的影响，有必要对样品中特定元素的每个氧化态进行定量分析，本研究建立了只需要对样品进行1次分析,就能够在5 min内完成水样中铬形态和砷形态分析的方法。
许多元素在物质中是以不同的氧化态形式存在的，其对健康和环境产生的影响也各不相同。因此，为了更加准确地评价不同氧化态元素的影响，有必要对样品中特定元素的每个氧化态进行定量分析，而不仅仅是对元素的总含量进行定量分析。
三价铬（Cr III）是人体必需的营养元素，而六价铬（Cr VI）则是有毒物质，六价铬并非天然存在，只有人类活动才能产生。砷的存在形式较多, 其中以三价形式（As III）毒性最大，其次是五价形式（As V） 。砷其他常见的形式主要包括一甲基砷酸（MMA） 、二甲基砷酸 （DMA）和砷甜菜碱（As B）。
铬和砷的形态分离和定量分析常使用高效液相色谱法进行形态分离和电感耦合等离子体质谱法检测。然而，HPLC 分离1个元素需要10 min，而且分离不同的元素需要使用不同的流动相。由于这些因素的制约，每个样品至少需要分析两次才能测定出铬和砷的不同形态。
基质干扰是测定水样中低浓度铬和砷时经常碰到的一个大问题，如常见的碳、氯和钙元素。碳（ArC+）对铬同位素的测定会产生干扰，而氯（ArCl+，CaCl+）则会对砷的同位素测定造成特异性干扰。因此，检测低浓度的铬和砷，必须先消除这些产生干扰的基体成分。
本研究的目的是建立一种只需要对样品进行一次分析就能在5 min时间内完成水样中铬形态和砷形态分析的方法。由于带有动态反应池TM（DRCTM）的电感耦合等离子体质谱仪能有效消除常见的干扰效应，使得该仪器具有很低的检出限。应当指出的是，样品分析前如何保持元素各个形态的稳定是当前形态分析研究中关注的重点。据了解，由于样品中元素各氧化态之间存在相互转化，检测出的各形态浓度并不能代表其在环境中的真实情况，关于这个问题的探讨不在本研究范围内。
实验部分
高效液相色谱仪器条件
元素形态的分离仪器使用PerkinElmer 200系列液相色谱二元梯度泵、自动进样器和真空脱气机。色谱柱为3cm的pecoshere C8 柱（3μm）（PerkinElmer）。流动相为 1mM 的四丁基氢氧化铵（TBAH）、0.5mM 乙二胺四乙酸二钾二水合物（EDTA）（Aldrich公司）和5%甲醇溶液（Fisher Scientific）。使用稀硝酸和氢氧化铵（Fisher Scientific）调节pH 至 7.2。所有溶液的配制都使用18 MΩ去离子蒸馏水，以保证铬和砷的形态能在峰形和保留时间方面达到最佳。
分析前使用流速为1.5 ml/min的流动相平衡色谱柱30 min，进样体积为50μl，自动进样器冲洗液为5%甲醇溶液。实验结束后用95%的甲醇水溶液冲洗色谱柱15 min，以去除柱内的缓冲液和盐，然后再用70%的甲醇水溶液洗柱15 min，防止色谱柱干燥。如果是过夜保存，应将色谱柱与液相色谱系统连接，若需长期保存，应该盖上柱子的端帽。
ICP-MS仪器条件
使用ELAN DRC II测定水样中不同形态的铬和砷，仪器设置见表1。由于氧气易与 As+反应形成 AsO+（m/z 91），从而不受 ArCl+和 CaCl+对质荷比为 75时的干扰，氧气同时也能够减少ArC对质荷比为52的Cr的干扰。研究还单独使用ICP-MS对总铬和总砷含量进行测定，仪器设置见表2，由于涉及的基体不同，分析时反应池的条件不同，形态分析时的基体是流动相，而总量分析时的基体是水样本身，除此之外，其他仪器条件都一致。
标准溶液和样品制备
所有标准和样品都使用和流动相相同的混合溶剂配制（1mM TBAH以及0.5mM EDTA，pH= 7.2），并且在分析前至少放置30 min。样品至少稀释2倍。若样品中待测物质含量较高，则稀释倍数更大，以使最终检测浓度落在标准曲线范围内。样品用流动相稀释后应先静置30 min，以使所有形态的物质都能与流动相保持平衡。
标准溶液使用1000 mg/L标准储备液进行稀释，其中包括：铬（III）和砷（V）（PE Pure），铬（VI）和砷（III）（SpexCertiprep）。样品从多个地方采集，使用塑料瓶（聚乙烯或聚丙烯）盛装采集的水样，水样不进行加酸保存。从湖泊和河流采集的水样在分析前先用Whatman 40号滤纸滤除水样中的颗粒物，本地购买的瓶装水需在室温下进行脱气处理，居民用水直接从水龙头采集。
结果和讨论
1μg/L 铬和砷的标准溶液色谱图见图1。色谱图通过监测 ICP-MS 上的两个不同质量数获得，即m/z 52用于Cr+和m/z 91用于 AsO+。图1可看到，只进行1次分析就能在 3 min内同时分析出全部的4种形态。
本研究中，为消除ArC+干扰，反应气选用氧气。虽然氧气易与ArC+发生反应，也被认为在消除干扰时更有效，但其容易和As+发生反应，造成离子蒸气中As+损失，因此没有使用氨气。同时，也正因为ArC+未被完全去除，再加上流动相的污染，使得色谱图表现为铬基线升高。虽然基线升高可能会产生一些问题，但它并不会影响色谱峰的信噪比（S / N），后续数据也显示，浓度为100ng/L的Cr仍能被检测。
校准曲线浓度为0.5、1.0和5.0?μg/L，每个形态的曲线R2均大于0.999，能够证明方法的线性较好，使用峰面积进行所有的定量计算。
图2、3和4为被测样品的色谱图。图2为某市政供水水样的色谱图，该水样中铬含量较高，而砷含量较低。图3为某居民家庭井水样品的色谱图，显示水样中砷含量较高，铬含量较低。图4为另一个市政供水水样的色谱图，可见该水样中铬和砷的含量都较低。
不同来源水样的测定结果列于表3，包括：2份天然水样、2份市政供水水样、1份居民家庭水井水样和3份不同品牌的瓶装水水样。这些数据显示，形态分析的结果（HPLC/ICP-MS 测定）和元素总量分析的结果（直接用ICP-MS 测定）即使是在低浓度时也具有较好的一致性，由此证明了方法的整体有效性。
图6中值得注意的是，As（V）的色谱峰保留时间不一致，而且多次实验均发现这一现象。当进行样品元素总含量分析时，我们发现各水样中的矿物质（如 Na， Mg， K， Ca， Fe）含量不同，其中水样1的矿物质含量最高，水样3含量最低。研究又专门进行实验以探讨水样中含盐量对Cr（III）和As（V）保留时间的影响。研究发现，当水样中含盐量增大时，Cr（III）和As（V）的保留时间也随之增加，而Cr（VI）和As（III）的保留时间不受影响，图6可见这一变化趋势。研究同时还发现如果增大流动相中的离子强度（如增加缓冲液）可以减轻含盐量的影响，这将是今后研究的重点。
一甲基砷酸（MMA）、二甲基砷酸 （DMA）是另外两个经常和 As（III）、As（V）一起研究的砷形态。使用色谱方法对这4种砷形态进行分离，本研究分析的水样中均未发现有MMA和DMA的存在。因此，本研究对砷形态集中在对As（III）和As（V）的研究。
小结
本研究证能够快速测定水样中铬和砷的形态。
