地热水中多种甲基硫代砷酸盐的同时定量测定

Simultaneous Quantitative Analysis of Multiple Methylthiolated Arsenates in Geothermal Water

摘要

地热水中的砷含量常远超过其他类型天然水体，其形态分析具有重要环境地球化学意义；甲基硫代砷酸盐在特定水环境条件下可能成为砷的一种不可忽视的形态，但其环境地球化学研究几为空白.本研究合成了甲基硫代砷酸盐标准，建立了可同时定量测试天然水中多种甲基硫代砷酸盐（包括一甲基一硫代砷酸盐、一甲基二硫代砷酸盐、一甲基三硫代砷酸盐、二甲基一硫代砷酸盐、二甲基二硫代砷酸盐）及砷的其他常见形态的离子色谱‒电感耦合等离子体质谱联用系统（IC-ICP-MS）及其方法，并分析了典型地热水样品中砷的形态分布，可为今后不同类型水环境中甲基硫代砷酸盐的地球化学研究奠定分析方法基础.

关键词

地热水 / 甲基硫代砷酸盐 / 定量分析 / IC-ICP-MS / 地下水地球化学

Key words

geothermal water / methylthiolated arsenate / quantitative analysis / IC-ICP-MS / groundwater geochemistry

砷是环境中的典型有害组分，对人体的毒性乃至致癌效应已在世界范围内得到共识.饮用水是人类摄入砷的重要载体之一，因此天然水环境中砷的形成、形态分布和转化受到国内外研究者的长期密切关注.水中砷的最常见的形态为亚砷酸盐（iAs（Ⅲ））、砷酸盐（iAs（V））、一甲基砷酸盐（MMA（V））、二甲基砷酸盐（DMA（V））等；近年来，富硫化物天然水中硫代砷酸盐的形成和环境效应也日渐受到重视（Stauder et al.， 2005； Planer-Friedrich et al.， 2007； Suess et al.， 2011， 2015； Ullrich et al.， 2013； Guo et al.， 2017）.

砷的毒性和毒理效应与其存在形态密切相关.在砷的常见形态中，亚砷酸盐的毒性远高于砷酸盐和甲基砷酸盐；硫代砷酸盐的毒性因其硫代程度而异，但均低于亚砷酸盐或与其相当.然而，在适当的环境条件下，砷的含氧络阴离子也可能同时被甲基化和巯基化，或先后经历上述过程，从而形成甲基硫代砷；研究表明某些甲基硫代砷具有比亚砷酸盐更高的毒性（Styblo et al.， 1997； Styblo et al.， 2000）.迄今为止，天然水环境中亚砷酸盐、砷酸盐和甲基砷酸盐的环境地球化学过程已得到深入研究，硫代砷酸盐的环境地球化学研究也屡见于文献（Suess and Planer-Friedrich， 2012； Burton et al.， 2013； Couture et al.， 2013；王莹等， 2015； 肖翻和贾永锋， 2015）；但针对甲基硫代砷的研究则总体上限于生物体（包括人体）的新陈代谢过程及其毒理效应（Hansen et al.， 2004； Suzuki et al.， 2004； Ackerman et al.， 2005），在环境领域所开展的工作极少.事实上，学界对甲基硫代砷在环境中的形成过程、在不同环境条件下的稳定性、及其环境迁移和转化规律的认识几为空白.

高温地热水（特别是形成于聚敛型板块边界附近且受岩浆流体输入影响的地热水）中砷的富集程度往往非常高（Guo et al.， 2019），因而是环境中砷的重要来源，且常排入地热区附近用作饮用水源的其他类型天然水体中并形成砷污染（Guo et al.， 2015）.更重要的是，高砷地热系统内常为硫化环境，高温热泉口及其流径上嗜热微生物和藻类的发育也为砷的甲基化提供了必要条件，因此高温地热区是研究甲基硫代砷形成、形态转化和环境归宿的理想场所.然而，当前国内地热水中砷形态的相关研究在砷的常见形态（亚砷酸盐、砷酸盐、一甲基砷酸盐、二甲基砷酸盐）之外，主要关注无机砷的巯基化产物，即无机硫代砷酸盐（王敏黛等， 2016； 庄亚芹等， 2016； 郭清海等， 2017）；对于甲基砷的巯基化产物（即甲基硫代砷酸盐），则尚缺乏多种甲基硫代砷酸盐的同时定量测定方法，遑论其深入、系统的环境地球化学研究.鉴于此，笔者利用合成的甲基硫代砷酸盐标准，基于分析地球化学研究，建立了可定量分析多组分并存的天然水中甲基硫代砷酸盐的离子色谱‒电感耦合等离子体质谱联用系统（IC-ICP-MS），并分析了典型高砷、富硫化物地热水样品中砷的形态分布，在国内首次获得了天然水样品中甲基硫代砷酸盐的定量测试结果.本研究为地热水环境中（乃至其他类型水环境中）甲基硫代砷酸盐的地球化学研究奠定了分析方法基础.

1 实验部分

1.1　试剂与仪器

甲基砷酸二钠（MMA（V））CH₃AsNa₂O₃·6H₂O（美国AccuStandard）；二甲基砷酸钠（DMA（V））（CH₃）₂AsNaO₂·3H₂O（美国Strem Chemicals）；氢氧化钠NaOH（国药集团化学试剂有限公司）；单质硫S（国药集团化学试剂有限公司）；九水硫化钠Na₂S·9H₂O（国药集团化学试剂有限公司）；盐酸HCl（国药集团化学试剂有限公司）；硫酸96%H₂SO₄（国药集团化学试剂有限公司）；乙醚C₄H₁₀O（国药集团化学试剂有限公司）；乙醇C₂H₆O（天津市光复精细化工研究所）.

离子色谱仪（ICS6000；Thermo Fisher）；电感耦合等离子体质谱（iCAP RQ；Thermo Fisher）；电喷雾‒高分辨质谱仪（Thermo QE）；手套箱（上海跃进医疗器械有限公司）.

1.2　甲基硫代砷酸盐标准制备

1.2.1　一甲基一硫代砷酸盐（MMMTA）

在厌氧箱内，将适量MMA（V）溶液和硫化钠溶液混合，使其中As∶S=1∶10.用0.1 mol/L的HCl溶液将混合液pH调节至3，反应30 min后，用1 mol/L的NaOH溶液将pH调节至12.3，再反应60 min，可得到MMMTA溶液.将反应液过滤、分装于2 mL小冻存管、干冰速冻，速冻后合成产物保存于-20 ℃冰箱，使用前在厌氧箱内融化（Wallschläger and London， 2008； Hinrichsen et al.， 2015）.

1.2.2　二甲基一硫代砷酸盐（DMMTA）

在厌氧箱内，将DMA（V）溶液和硫化钠溶液混合，反应瓶转移至通风橱内，通入氮气流保持瓶内厌氧环境，通过注射器逐滴加入硫酸触发反应，并保持磁力搅拌，使反应1 h后As∶Na₂S∶H₂SO₄=1∶1.6∶1.6，可见反应液由无色变为白色，将混合液转移至装有乙醚的分液漏斗，进行摇晃萃取5~10 min，静置漏斗待出现清晰分层，打开阀门将下层水溶液收集于烧杯，上层乙醚收集于玻璃瓶，将收集的水溶液再萃取3次，然后将所搜集的乙醚萃取液用超纯水洗涤一遍，即得到DMMTA的乙醚溶液.将该溶液转移至结晶皿中，在无氧环境中挥发晾干得到DMMTA白色粉末.将所得DMMTA厌氧、避光保存于4 ℃冰箱待用（Naranmandura et al.， 2006； Suzuki et al.， 2007）.

1.2.3　二甲基二硫代砷酸盐（DMDTA）

在通风橱内，将DMA（V）溶液和硫化钠溶液混合，通过注射器逐滴加入硫酸触发反应，期间摇晃反应瓶，使最终As∶Na₂S∶H₂SO₄=1∶7.5∶7.5，可见反应液由无色变白再变为黄色絮状，反应液静置于通风橱中过夜.将反应液通过活化后的C₁₈硅基固相萃取柱，DMDTA将被吸附于柱内，使用约10 mmol/L的醋酸铵溶液（pH=6.3）将DMDTA从柱内洗脱至结晶皿，在无氧环境中挥发晾干得到DMDTA白色晶体粉末.将所得DMDTA厌氧、避光保存于4 ℃冰箱待用（Naranmandura et al.， 2006； Suzuki et al.， 2007）.

1.3　ESI-HR-MS条件

流动相为30%甲醇和70%乙酸水（0.2%乙酸），进样体积为5 μL，流速为0.3 mL/min，测试模式为负离子模式全扫描，扫描范围为质荷比150到500，分辨率为70 000.

1.4　IC-ICP-MS条件

砷形态分离由IC（ICS6000）完成，色谱分析柱/保护柱为AS/AG16，淋洗液为NaOH溶液，采用梯度淋洗方式，具体为：0~3 min，2.5 mmol/L；3~5 min，2.5~ 20 mmol/L；5~10 min，20 mmol/L；10~20 min，20~100 mmol/L；20~24 min，2.5 mmol/L.总砷浓度高于100 μg/L样品使用25 μL进样环，低于100 μg/L样品使用50 μL进样环，流速为1.2 mL/min.各砷形态测试由ICP-MS（iCAP RQ）完成，选用CCT模式（collision cell technology），反应气为氧气，测试AsO⁺ （m/z=91）以避免ArCl⁺（m/z=75）的干扰.

2 结果与讨论

2.1　甲基硫代砷酸盐标准的ESI-HR-MS鉴定

对各种甲基硫代砷酸盐合成产物的储备液进行电喷雾高分辨率质谱分析，所获谱图见图1.各种甲基硫代砷酸盐的实际质荷比（图1）与其单体（及脱质子产物）的理论质荷比（表1）的对比表明，MMMTA的最强质谱峰（m/z=154.916 1）与［HAsS（CH₃）O₂］^-（理论m/z=154.915 3）对应，DMMTA的最强质谱峰（m/z=152.936 8）与［AsS（CH₃）₂O］^-（理论m/z=152.936 1）对应，DMDTA的最强质谱峰（m/z=168.914 1）则与［AsS₂（CH₃）₂］^-（理论m/z=168.913 2）基本一致.因此，所合成产物均主要为目标砷形态.

2.2　甲基硫代砷酸盐标准溶液的IC-ICP-MS分析

各种甲基硫代砷酸盐合成产物储备液的IC-ICP-MS分析结果见图2.此外，也开展了典型无机硫代砷酸盐标准溶液（一硫代砷酸盐MTA、四硫代砷酸盐TetraTA）的IC-ICP-MS分析，以对比不同形态砷的出峰时间.结果表明，甲基硫代砷酸盐与无机硫代砷酸盐具备截然不同的出峰时间，可基于IC-ICP-MS联用系统进行同时定量分析.此外，所合成的甲基硫代砷酸盐中虽主要为目标砷形态，但仍存在少量杂质，具体为：MMMTA纯度为91%，但含9%的MMDTA；DMMTA纯度为74%，含7%的DMA（V）和19%的DMDTA；DMDTA纯度为90%，但含10%的DMMTA.

值得深入研究的是，在MMMTA标准物质制备过程中，如初始S/As摩尔比较高（超过标准制备流程中的S/As=10），所合成物质溶液的IC-ICP-MS谱图中将出现MMA（V）、MMMTA和MMDTA之外的砷形态峰，出峰时间约940 s（初始S/As摩尔比为20，反应时间为2 h）.当反应底物为MMA（V）和硫化物时，MMA（V）巯基化反应的产物在理论上可能为单巯基的MMMTA、双巯基的MMDTA、以及三巯基的一甲基三硫代砷酸盐（MMTTA；其在天然水中的存在尚未确证于文献），这样，上述在940 s左右出峰的未知砷形态极可能为MMTTA.为准确鉴定该未知砷形态，笔者调节MMA和硫化钠的反应条件，最终在pH=3、反应 4 h后，使其在总砷中的比例达到最大；而后，在CCT质谱检测模式下同时获得了该样品的AsO⁺（m/z=91）和SO⁺（m/z=48）信号，计算了其S/As摩尔比，且对其进行了ESI-HRMS分析.

样品的IC-ICP-MS分析结果（图3）表明，该未知砷形态的砷含量为6.15 μmol/L（重复测试3次取均值，标准偏差为0.02），硫含量则为 18.15 μmol/L（重复测试3次取均值，标准偏差为0.12），其S/As摩尔比相应为2.95（标准偏差为0.01），与MMTTA的理论S/As摩尔比（S/As=3）吻合.样品的ESI-HRMS检测结果见图4，其中占绝对优势组分的m/z为186.870 2，与MMTTA脱质子后形态［HAsS₃（CH₃）］^-的m/z一致；在m/z=188.865 8处则检出了M+2的S同位素质谱峰，且同位素峰信号强度占总信号强度的比值接近天然³⁴S丰度（4.2%）的3倍，说明该峰对应的砷形态为［HAs³⁴S³²S₂（CH₃）］^-.综上，笔者认为出现在940 s左右的砷形态峰确为MMTTA；本IC-ICP-MS联用系统具备对包括MMTTA在内的各种甲基硫代砷酸盐的分离和检测能力.

2.3　典型地热水样品中甲基硫代砷酸盐的定量测试结果

在国内选择排泄富硫化物地热水的地热区（云南龙陵邦腊掌中硝），采集了代表性热泉样品（硫化物含量达9.8 mg/L；采样后即用干冰快速冷冻直至分析；临近分析前快速解冻），并利用本研究所建立的IC-ICP-MS联用系统开展了样品中砷的形态分析.由于本研究使用的测试结果分析软件Qtegra尚缺少对于无工作曲线砷形态的半定量计算功能，故采用4种商业标准品砷形态的标准曲线进行近似计算，分别为iAs（Ⅲ）、iAs（V）、MMA（V）和DMA（V）.配制并检测上述标准砷形态的标准混合溶液，绘制了各标准砷形态的配制浓度与谱图中该形态的峰面积之间的关系曲线（即工作曲线），见图5.对于测试样品中的标准砷形态，根据峰面积按其各自工作曲线计算浓度；对于样品中的非标准砷形态，则根据其出峰位置，以距离该位置最近的标准砷形态的工作曲线对其进行定量计算.

热泉样品的砷形态定量分析结果见图6.在样品中检出的甲基硫代砷酸盐包括一甲基二硫代砷酸盐（MMDTA）和二甲基二硫代砷酸盐（DMDTA），含量分别为0.9 μg/L和7.8 μg/L，占总砷含量（97.0 μg/L）百分比分别达0.93%和8.04%.其余检出的砷形态包括亚砷酸盐（iAs（Ⅲ））、砷酸盐（iAs（V））、一硫代砷酸盐（MTA）、二硫代砷酸盐（DTA）、三硫代砷酸盐（TriTA）、四硫代砷酸盐（TetraTA），含量分别为4.9、26.5、5.4、2.0、13.0、36.4 μg/L，占总砷含量百分比分别达5.09%、27.37%、5.54%、2.10%、13.40%、37.53%.甲基硫代砷酸盐总量在总砷中占比已接近9%，是不容忽视的重要砷形态.

3 结论

甲基硫代砷酸盐是富硫化物水环境中可能出现的砷的重要形态之一.本研究合成了3种甲基硫代砷酸盐标准，建立了离子色谱‒电感耦合等离子体质谱联用系统（IC-ICP-MS），测定了实验室制备的甲基硫代砷酸盐溶液和代表性地热水样品中砷的形态分布.本研究所采用的甲基硫代砷酸盐定量分析方法灵敏度高、重现性好，可用于包括地热水在内的多组分并存天然水体中甲基硫代砷酸盐的精确定量分析.客观上，本工作有助于促进地热水环境和其他天然水环境中甲基硫代砷酸盐的地球化学研究，获得对甲基硫代砷酸盐在不同水环境条件下的形成过程、稳定性、迁移能力及转化路径的系统认识.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42077278;41861134028)