大体积进样-原子荧光光谱法测定海水中痕量汞

崔艳红 常 亮 邱 烨 孔维恒 冯 婷 薛辰全 刘 鑫*

(1.北京吉天仪器有限公司，北京 100015；2.中国海关科学技术研究中心，北京 100026)

海洋重金属污染已成为全球性的环境污染问题，海洋中的汞在生物体内会转化为毒性高的甲基汞，并在生物体内长期富集[1]，影响生物体的健康，且人类长期食用汞含量高的海产品，也会对人类身体健康造成威胁。《海水水质标准》(GB 3097—1997)按照海域的不同使用功能和保护目的将海水水质分为四类，汞的限量值分别为0.05、0.2、0.2和0.5 μg/L。因此，准确测定海水中汞的含量具有重要意义。

目前，汞的测定方法主要有原子荧光光谱法[2-5]、冷原子吸收光谱法[6]、电感耦合等离子体质谱法[7]、直接测汞仪法[8]等。其中，原子荧光光谱法因其灵敏度高、重复性好、检测速度快、成本低等优点而被广泛使用。在国家标准方法GB 17378.4—2007中规定了海水中汞的分析方法，第一法即为原子荧光光谱法，该方法采用硫酸-过硫酸钾消解前处理，但有的文献[3]会用盐酸溶液代替硫酸溶液作载流，也有文献[4]认为硫酸在海水样品消化过程中只起到酸化作用，而直接用硝酸代替硫酸，却并未具体深入验证酸的种类是否对测试结果有影响；其次，过硫酸钾法是否能将海水样品消解完全，即烷基汞是否全部转化为无机汞，目前尚无文献报道有效的判定方法。另外，海水中汞的含量处于超痕量水平，2017年，国家环境监测总站发布的《国家近岸海域海水水质监测操作技术规程》依据GB 17378.4—2007制定了原子荧光光谱法检测海水汞的操作规程，明确规定了原子荧光光谱法测汞的检出限为0.007 μg/L，这就要求仪器具有更高的灵敏度和稳定性。本研究以间歇泵进样原子荧光结构为基础，优化进样体积、酸的种类、还原剂浓度、原子化方式等仪器条件，并考察不同前处理方法对烷基汞消解效率的影响，确定其前处理方法的影响，以期确定一种方便、高效、适用性广的海水中汞的检测方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

AFS-10B原子荧光光度计(北京吉天仪器有限公司)、分析天平(十万分之一)、万用电炉、锥形瓶、超纯水仪。

汞单元素溶液标准物质(GBW(E)080124，实验中作为无机汞)，甲基汞溶液标准物质(GBW08675)，乙基汞溶液标准物质(GBW081524)，中国计量科学研究院；水质汞标准样品(GSB 07-3173-2014)，生态环境部标准样品研究所；海水中汞标准物质(GBW(E)080042)，国家海洋局第二海洋研究所；硫酸、盐酸、氢氧化钾均为优级纯，过硫酸钾、盐酸羟胺、硼氢化钾均为分析纯。

海水1#、海水2#和海水3#分别采自渤海、东海、南海水域；海水4#为盲样。

硼氢化钾[0.35 g/L，溶于氢氧化钾(5 g/L)中]。

载流：3.0%盐酸溶液。

1.2 实验方法

1.2.1 仪器工作条件

负高压280 V，汞灯主电流35 mA，辅电流0 mA，载气流量400 mL/min，屏蔽气流量800 mL/min，读数时间23 s，延迟时间1 s；采用大体积进样方式，第一步蠕动泵转速150 r/min，时间15 s，第二步蠕动泵转速120 r/min，时间30 s。

1.2.2 样品前处理

量取100 mL海水样于250 mL锥形瓶中，加入3.0 mL浓盐酸和5.0 mL过硫酸钾溶液(50 g/L)，放置在室温下消解24 h，或加热煮沸1 min后，冷却至室温，滴加2.0 mL盐酸羟胺溶液(100 g/L)。同时做2份空白实验和低、中、高不同浓度水平的加标实验。

1.2.3 校准曲线的绘制

配制标准系列溶液，用3.0%盐酸溶液进行稀释。汞标准系列溶液的浓度为：0、0.005、0.01、0.02、0.04、0.08、0.16、0.32和0.50 μg/L。

2 结果与讨论

2.1 大体积进样方式的选择

海水中汞含量处于超痕量水平，方法检出限要求0.007 μg/L，常规原子荧光光度计进样体积一般为1 mL，当测量样品中极低浓度汞的含量时，会因进样量少而产生误差。因此，本研究对管路进行了优化升级，将进样体积增大至3 mL。为了减少蠕动泵定量对进样体积带来的误差问题，实验采用过量进样，定量采样的方式，使用FEP管做定量环，并优化了进样程序。对比两种管路测定0.005 μg/L汞标准溶液的谱图见图1，大体积管路测得荧光峰面积约是常规管路的2.5倍。大体积进样方式下，分别连续进样7次不同浓度的汞标准溶液(0.50、0.10、0.05、0.02和0.01 μg/L)，得到汞的相对标准偏差RSD分别为0.32%、0.47%、0.60%、0.65%和0.69%。连续进样7次测低浓度海水样品的浓度值(0.014 μg/L)，以3.143倍的标准偏差作为汞的方法检出限为0.000 7 μg/L。实验结果表明，大体积进样方式下低浓度汞的重现性良好和检出限低。

图1 两种管路测定浓度0.005 μg/L的汞标准溶液谱图对比Figure 1 Comparison of 0.005 μg/L mercury spectrum under the two pipelines.

2.2 消解效果的判定

2.2.1 样品中汞消解效率的判定方法

汞在海水中一般以无机汞和烷基汞(甲基汞和乙基汞)的形态存在，用原子荧光光谱法测定海水中的总汞时，要先将样品进行消解前处理，将烷基汞转化为无机汞。不经消解的烷基汞用原子荧光光度计一般也可检测到荧光信号，但低于同浓度无机汞的荧光信号。因此如何判断样品中的汞消解是否完全，即样品中的汞是否全部转化为无机汞，对测定样品中汞含量的准确度具有重要意义，但目前尚未查到有效的判定方法。经实验研究发现，使用烷基汞加标，用低浓度还原剂检测加标回收率可以判断样品中汞的消解效率。由图2可知，硼氢化钾的浓度在10～20 g/L时，不经消解直接上机测甲基汞和乙基汞的加标回收率约80%和60%，但当硼氢化钾的浓度降为0.35 g/L时，测得甲基汞和乙基汞的加标回收率仅约2%和11%，无机汞则不受还原剂浓度的影响；但如果在样品中加入甲基汞或乙基汞经充分消解后加标回收率不受还原剂浓度的影响，加标回收率约100%，即甲基汞和乙基汞在消解时均被转化为无机汞。因此，用烷基汞加标，低浓度还原剂检测加标回收率的方法可以判定汞的消解效率，该方法适用于海水、地表水和生活饮用水等。

图2 硼氢化钾浓度与甲基汞、乙基汞加标回收率的关系Figure 2 Relationship between the concentration of KBH4 and the recovery of methyl mercury and ethyl mercury.

2.2.2 两种消解方式的消解效果对比

GB 17378.4—2007中采用在样品中加入过硫酸钾后，室温消化24 h和加热煮沸1 min两种消解方式。实验通过在样品中加入甲基汞、乙基汞，用加标回收率来判断这两种方式的消解效果。由图3可知，室温消解24 h和加热煮沸1 min两种消解方式的回收率均接近100%，因此判断两种消解方法均能消解完全。两种方式各有优缺点：加热煮沸1 min的方式处理时间短，但对取样量有要求，可按标准中的方法取样100 mL，如果取样体积小，体积损失相对明显，会导致加标回收率偏高；室温消解24 h的方式可对样品进行批量处理，可调整取样量，但处理时间较长。

图3 甲基汞、乙基汞不同消解方式的加标回收率Figure 3 Recoveries of methyl mercury and ethyl mercury under different digestion methods.

2.3 酸的优化

GB 17378.4—2007中，标准曲线系列的基质为2.8%的硫酸溶液，样品中也是加入硫酸和过硫酸钾进行消解。实验对2.8%的硫酸基质和3.0%的盐酸基质进行了对比，结果发现，在硫酸基质下，0.005～0.5 μg/L浓度范围内汞标准曲线的线性略差(R2约为0.997)，测量结果也存在一定误差；3.0%盐酸基质下，标准曲线的线性好(R2为0.999 9)，检测样品、样品加标回收率均较好，甲基汞、乙基汞和无机汞在海水样品中的加标回收率为101%～109%(表1)，因此判断该实验可用3.0%盐酸代替2.8%硫酸，并可进一步提高线性和准确度。

表1 盐酸基质下的加标回收率Table 1 Recoveries under hydrochloric acid matrix

2.4 原子化方式和硼氢化钾浓度的选择

汞的检测可以选择两种不同的原子化方式：火焰法或冷原子法。冷原子法没有氩氢火焰的背景发射干扰，同时，以低浓度硼氢化钾作为还原剂，有利于抑制氢化物元素和过渡金属离子的产生，可消除对汞检测的干扰，因此汞荧光强度高，灵敏度好；但当室温偏低时采用冷原子法检测，峰形和重复性会受到温度的影响而变差。火焰法虽然会受到氩氢火焰的背景干扰，汞灵敏度略差，但重现性好。由荧光强度与还原剂浓度的关系(图4)可知，冷原子法时，汞的荧光强度随还原剂浓度的升高而大幅下降，最多降至约27%；火焰法时，汞的荧光强度整体随还原剂浓度的升高而略微下降。两种原子化方式的曲线均显示，硼氢化钾在0.2～0.5 g/L的较低浓度范围时，荧光强度较高，且节省试剂，因此优选火焰法，并采用低浓度硼氢化钾溶液进行测量。

图4 荧光强度与硼氢化钾浓度的关系Figure 4 Relationship between fluorescence intensity and the concentration of KBH4.

2.5 样品测量及准确度实验

按优化后的实验条件，依次进样0、0.005、0.01、0.02、0.04、0.08、0.16、0.32和0.50 μg/L的标准系列溶液，以元素浓度为横坐标，荧光强度为纵坐标绘制标准曲线，得到线性回归方程和线性相关系数R2。在0.005～0.5 μg/L浓度范围内，测得线性回归方程为y=48307x+0.56，线性相关系数R2为0.999 9。连续进样7次0.10 μg/L汞标准溶液，得到RSD为0.47%。

测定室温消化24 h和加热煮沸1 min两种方式消解海水样品中的汞。对水质汞标准样品GSB 07-3173-2014和海水中汞标准物质GBW(E)080042进行准确度测定，测定结果见表2。

从表2中可以看出，所测的几种海水样品，汞的含量均低于0.02 μg/L，为Ⅰ类海水(Ⅰ类海水限量值为0.05 μg/L)。样品平行性好，水质汞标准样品和海水中汞标准物质均在标称范围内，说明该方法的测定结果准确可靠。

表2 样品测定结果Table 2 Test results of samples /(μg·L-1)

3 结论

大体积进样-原子荧光光谱法能够准确测定海水中痕量的汞。用烷基汞加标，低浓度还原剂检测加标回收的方法可以判定汞的消解效率，海水样品中加入过硫酸钾后，室温消解24 h和加热煮沸1 min两种消解方式均能消解完全。实验可用盐酸代替硫酸，测定结果更准确。实验测定时优选火焰法，采用低浓度还原剂进行测定，荧光强度较高，测定结果稳定，且节省试剂。大体积进样-原子荧光光谱法具有检出限好、测定结果准确、检测速度快等优点，可广泛适用于海水中汞的检测。