主题：【第六届原创】HPLC-ICPMS联用测定废水中的三价铬与六价铬

  HPLC-ICPMS联用测定废水中的三价铬与六价铬

摘要：  本文建立了同时测定废水中三价铬和六价铬的液相色谱仪（HPLC）和电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS）联用的分析方法。使用HypersilGOLD TM（150×4.6mm， 5μm）色谱柱，流动相为5mmoL/L(pH=7) EDTA，流速1.2mL/min时三价铬以EDTA络合成稳定的Cr(Ⅲ)－EDTA和六价铬可以在4min 内完成两种铬的价态分析。该方法由于样品制备和色谱条件的最优化，可以分析高基体样品，比如废水。当进样量为100μL时，该方法对三价铬和六价铬的检测限分别为43.4 ng/L和82.8ng/L。该方法灵敏度高，分析干扰少，高效准确。

关键词：液相色谱仪；电感耦合等离子体质谱仪；三价铬；六价铬；废水；联用技术

中图分类号：文献标识码：文章编号：

Simultaneous Extraction andDetermination of Chromium (Ⅲ) and Chromium (Ⅵ) in Water

Abstract: The simultaneousdetermination of trivalent chromium and hexavalent chromium wastewater liquidchromatography and inductively coupled plasma mass spectrometry analysis.Hypersil GOLD TM (150 × 4.6 mm,5μm) column, the mobile phase to 5mmoL / L (pH = 7) EDTA, a flow rate of1.2mL/min trivalent chromium EDTA network synthesis and stability of Cr (Ⅲ)-EDTA and twovalence of chromium hexavalent chromium can be completed in 4 min stateanalysis. When the injection volume of 100μL, the detection limit of the methodof trivalent chromium and hexavalent chromium, respectively, to 43.4 ng / L and82.8ng / L.  This method is of highsensitivity analysis、 less disturbance、accurate and efficient. 

Keywords:  HPLC； ICPMS;  Chromium (Ⅲ);  Chromium (Ⅵ)；Hyphenated Techniques

1  前言

由于铬在各种工业生产中应用广泛, 加之来源于自然界中铬的腐蚀, 使得铬在环境中普遍存在。因此，对环境、食品以及水资源中的铬进行监测，并以此评价由于铬暴露所造成的潜在危害是至关重要的^[1]。Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在价态上的差异导致其在毒性、反应活性以及生物可利用性方面存在显著不同， 因此，对于铬的价态区分显得十分重要。 为了有效地评价环境中的铬和各种铬物质的暴露对人体健康产生的危害，高效液相色谱(HPLC)和电感耦合等离子体质谱(ICP－MS)的联用为建立快速、准确以及高灵敏度的废水中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的测定方法提供了一条有效的途径。

2 实验方法

2.1 主要试剂及仪器

NaOH（分析纯）；EDTA（2Na）（分析纯）K₂CrO₄（分析纯）；Cr(NO₃)₃•9H₂O（分析纯）；1moL/LNaOH溶液；0.1moL/LEDTA-2Na溶液(pH=6.0)；流动相5.0 mmoL/L EDTA (pH=7.0)；

铬形态标准溶液：

1000 ug/mL Cr(VI)：取100 mL容量瓶，加约50mL超纯水，加入0.3734 g K₂CrO₄，溶解，稀释至刻度。 注意：若直接市面购买Cr(VI)标液，须注意必须为Cr(VI)标液，而非ICP-AES或AAS上用的Cr标液[含HNO₃，易将Cr(VI)转化]。

10 ug/mL Cr(VI)：取1 mL 1000 ug/mL 的Cr（VI），用超纯水稀释至100mL。

1000 ug/mL Cr(III)：  取100 mL容量瓶，加约50mL超纯水， 加入0.7965 g Cr(NO₃)₃•9H₂O，待溶解后用超纯水稀释至刻度。

  注意： Cr(III) 不稳定，易转化为Cr(VI)，因此该溶液现用现配。

10 ug/mL Cr(III)-EDTA溶液：  取1mL 1000 ug/mL的Cr(III)贮备液及5mL 0.1 moL/LEDTA （pH=6.0）溶液，用超纯水稀释至100mL。

水浴40℃下加热3小时，或50℃下加热1小时，使Cr(III）充分反应，生成Cr(III)-EDTA络合物。冷却至室温。该溶液可在5℃下保存约3个月。

仪器：Agilent 7700x ICP-MS（美国安捷伦科技有限公司产）；雾化器：玻璃同心雾化器；Piltier半导体控温：2.0℃；样品锥：镍锥；石英整套炬管，随配2.5mm内径中心喷射管；液相色谱仪：Agilent 1290（美国安捷伦科技有限公司产）；色谱联用接口板；瞬间信号采集处理软件，用于与ICP-MS仪器系统软件集成；Al204-IC电子分析天平；色谱柱：Hypersil GOLD TM（150×4.6mm，5μm）；微量移液枪（5～50）μL；微量注射器：50～500μL

2.2 工作标准使用液的配制

混合标准溶液：吸取一定量体积的10 ug/mL Cr(VI)标准溶液与10 ug/mLCr(III)-EDTA于1000mL容量瓶中，加超纯水稀释，再加0.1moL/L EDTA(pH6.0)使溶液中EDTA浓度为5.0 mmoL/L，定容，使之浓度分别为0.0、0.05、0.1、0.5和1.0μg/L。

2.3  样液的制备

向样品溶液中加入0.1 moL/L EDTA(pH=6.0)，使样品溶液中EDTA浓度成一定浓度，并保证样品溶液中pH值在6.0~ 7.0之间。若pH值低于6.0，则滴加1moL/LNaOH调节pH值。 EDTA终浓度取决于样液中Ca, Mg与其它金属元素的含量（总含盐量）(参照表1)。

          表1 EDTA终浓度与Ca, Mg与其它金属元素的含量关系

含盐量（mg/L）	EDTA（mmoL/L）
＜100	2.5
100～200	5.0
200～600	15.0

将上述溶液水浴40℃加热3小时, 或50℃加热1小时，使Cr(III) 完全转化成Cr(III)-EDTA络合物。过0.22μm滤膜后直接进样分析。

2.4  色谱条件

铬形态的色谱分离条件见表2。

表2铬形态的的色谱分离条件

项目	仪器参数
色谱柱	Hypersil GOLD TM（150×4.6mm， 5μm）色谱柱
流动相	5.0 mmoL/L EDTA (用0.1moL/LNaOH调节pH=7.0)
流速	1.2mL/min
色谱柱温度	室温
进样体积	50～500μL
反应温度	40℃
保温时间	3h
EDTA浓度	5～15 mmoL/L EDTA (用0.1moL/LNaOH调节pH=7.0)

2.5 电感耦合等离子体质谱条件

优化后ICP-MS仪器参数见表3。

表3 优化后ICP-MS仪器参数

参数	数值
RF功率	1550W
冷却气流量	15L·min-1
辅助气流量	1.0 L·min-1
载气流量	0.4-0.6L/min  尽量减少载气流速以减少流动相中缓冲盐在锥口的堆积
补偿气流量	0.4-0.6L/min  载气与补充气的总量小于 1L/min
蠕动泵转速（排废液）	0.4rps
采样深度	9.0mm
采样模式	时间分辨模式（色谱）
瞬时信号采集总时间	300S（根据Cr(III)-EDTA与Cr(VI)-在色谱柱上的保留时间来定）
铬积分时间	0.2S
扫描方式	跳峰扫描
氧化物	＜1%（no  gas模式下）
灵敏度	Y（89）：273cps/ppb  （no  gas模式下）
碰撞反应池	开
He流量	4.0mL·min-1

3 结果与讨论

3.1  HPLC-ICPMS联机试剂准备

因HPLC-ICPＭＳ所分析的各种目标化合物极易互相转化，所有器皿的清洗与试剂的配制均采用超纯水，容器上与试剂中不得含有强氧化性酸（如硝酸等）以避免氧化还原反应的发生。液相LC的不锈钢泵管(Cr含量>13wt%)会带入本底污染。但使用惰性液相，或者先用较浓的硝酸（1+1）对液相不锈钢泵管进行钝化，也可达到同样的使用效果。本文所建立的方法即对液相LC的不锈钢泵管用较浓的硝酸（1+1）先进行钝化处理。

  3.2 液相色谱分析方法的优化

    在反相高效液相色谱中，利用Cr(III)与EDTA易形成的络合物的性质可以改善Cr(III)与Cr(VI)的分离效果。除了样品用EDTA钠盐稳定外，流动相中也要加入EDTA，在分离期间稳定Cr(III) 的络合物。另外，流动相中EDTA的浓度与样液的浓度须保持一致，且必须将溶液调到pH 7，以利于铬形态的稳定和最优化的色谱分离。图1是0.1μg/LCr(III)与0.1μg/L Cr(VI)、进样量为100μL的色谱分离图。



图1  0.1μg/L Cr(III)与0.1μg/L Cr(VI)、进样量为100μL色谱图

3.3 ICPMS仪器分析条件的优化

由于流动相含碳，因此需要利用仪器自带的碰撞反应池技术（ORS八级杆）并通过条件优化以消除多原子离子如ArC⁺和ClOH⁺对⁵²Cr的干扰。而且HPLC用到有机相，样品的体积膨胀过快和过大，容易造成ICP熄灭。可通过二种途径得以解决：一是减少炬管中心尺寸，如中心尺寸为1.5mm炬管；二是当矩管尺寸为2.5mm时须把载气流速调到0.65L/min，尽量减少载气流速以减少流动相中缓冲盐在锥口的堆积，当样品的进样量大时，加大蠕动泵排废液的流速（0.4rps以上），速度太低，雾化室容易积液造成ICP-MS灭火。

3.4 样液制备

水样中铬的一般形态是Cr(VI)的铬酸盐(CrO₄^2-)以及Cr(III)的铬离子(Cr³⁺)。 铬酸盐是一种阴离子，而三价铬离子是阳离子。所以在相同条件下，采用一种离子交换方法是不能对这两种离子都起作用的^[2]。铬的形态分析的难点在于：随着pH值的改变，水溶液中Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)的存在价态会发生改变。当水溶液中含有大量还原成分时，pH值的降低又极易导致Cr(VI)向Cr(Ⅲ)的转化。欲保证分析结果的可靠性，首先就要保证Cr(Ⅲ)与Cr(VI)的形态稳定性^[3,4]。因此，在样品采集、储存和制备过程中都必须非常小心，以保证原始样品中铬的形态分配在分析之前保持不变。

本文介绍的方法采用一种最优化的样品稳定方法，将样品与EDTA放在40℃恒温箱中，EDTA与Cr(III)形成一种络合物，然后用一个简单的色谱法分离Cr(III)－EDTA络合物和Cr(VI)。形成Cr(III)EDTA络合物的反应取决于保温时间和温度。在60℃1个小时之内或40 ℃3小时条件下，反应完全。在室温条件下，即使放置7小时，反应也不会完全。注意该方法对于杂质离子多的水样品，需要加入比较高浓度的EDTA。因为其它一些离子，比如Ca和Mg，也会和Cr(III) 竞争形成EDTA的络合物，如EDTA量不够，导致Cr(III) 的回收率随基体偏低。

  3.5  线性与检测限

以系列浓度分别为0.0、0.05、0.1、0.5和1.0μg/LCr(III)－EDTA与Cr(VI)在选定的色谱条件2.4和质谱条件2.5，进样量100μL时分别进行测定，质量浓度为X轴,峰面积为Y轴绘制工作曲线。Cr(III)的线性方程为Y=8.90e+006X+1.32e+005，r²=0.999，Cr(VI)的线性方程为Y=8.11e+006X-4.03e+004，r²=1.000。以标准色谱图中信噪比（S/N）为3计算，当进样量为100μL时，该方法对三价铬和六价铬的检测限分别为43.4 ng/L和82.8ng/L。

3.6 实际样品的检测、精密度及加标回收率

特意选取二个不同水平的含盐量废水样，分别加入0.05μg/L、0.1μg/L、0.5μg/L三水平的Cr(III)－EDTA与Cr(VI)标准使用液，将样液与加入不同浓度水平的Cr(III)－EDTA与Cr(VI)标准使用液的样液（进样量100μL）分别进行样液的测定及加标回收试验，计算每个浓度的测定回收率（n=3），3个添加水平范围内的平均回收率为（91.0～97.7）%，重复次数n=3下,RSD小于5%。结果见表4。