河流与河口水体中痕量金属研究的洁净采样与分析

摘要

在水生环境中进行痕量金属研究时，正确采集和处理水样需要特别注意使用“洁净技术”。本文介绍了一种采样、样品处理及分析的实验方案，旨在获得可靠的环境监测数据和高灵敏度的分析结果，以支持详细的痕量金属研究。

摘要

几十年前测得的环境水体中大多数痕量金属浓度因缺乏污染控制而被认为不可靠。近几十年来，一些旨在减少痕量金属污染的技术发展使得当前报告的浓度比过去低几个数量级。这些极低的浓度通常要求在仪器分析之前对水样进行预富集。由于污染可能出现在痕量金属分析的各个阶段，包括样品采集（以及采样容器的准备）、储存与处理、前处理以及仪器分析过程，因此必须在每个步骤中采取特别措施以降低污染水平。在痕量金属研究中开发和使用“洁净技术”的努力，使科学家能够更详细地研究痕量金属的分布及其化学与生物行为。这一进展也提供了痕量金属数据所需的准确性和精密度，从而能够将环境状况与水生环境中痕量金属的浓度关联起来。

本方案详细介绍了样品制备、样品采集、样品预处理（包括预浓缩）以及仪器分析所需的材料。通过降低上述各阶段中痕量金属分析过程中的污染，可实现更低的检测限，从而提高分析准确性。“洁净技术”的有效性通过低空白值以及标准参考物质的良好回收率得到进一步验证。由此获得的数据质量可用于评估痕量金属的分布特征及其与环境参数之间的关系。

引言

人们普遍认为，由于在样品采集、处理和测定过程中采用了不充分的技术，导致天然水体中某些痕量金属的检测结果可能不准确^1,2。真实浓度（在表层水中为亚纳摩尔至纳摩尔范围） ³溶解性痕量金属的浓度现比先前发表的数值低两个数量级。在海洋化学领域也发现了类似情况，随着采样和分析方法的不断改进，在过去约40年中，公海海水中公认的溶解性痕量金属浓度已降低了几个数量级。为提高数据质量，研究人员已致力于改进 "无菌技术" 旨在减少或消除痕量金属分析各个阶段中的痕量金属污染 ^4-8对于环境水平下痕量金属浓度的测定，通常需要进行富集。离子交换技术 ^8-12 已被广泛应用于高效的预富集。

污染可能来源于容器壁、容器清洗过程、采样器、样品的处理与储存，以及样品的保存和分析过程^7,13。所有近期采用洁净方法开展的研究均表明，天然水体中痕量金属的浓度通常远低于常规检测方法的检出限⁷。自20世纪90年代初认识到可疑的痕量金属数据以来，洁净方法已被纳入美国环境保护署（Environmental Protection Agency, EPA）关于痕量金属测定的指南¹⁴，美国地质调查局也在其水质监测项目中采用了洁净方法¹⁵。为了建立可靠且准确的数据基础，所有项目均需采用痕量金属研究的洁净方法。

原则上，用于痕量金属测定的水样应使用特定材质和组成的适当采样设备采集，并在进行仪器分析前，使用合适的容器和装置进行妥善储存和处理。由于悬浮颗粒物（SPM）在样品储存期间可能发生改变，进而影响水体组成，因此在水环境痕量金属研究中，通常需迅速将悬浮颗粒物从水样中分离。为测定天然水中溶解态痕量金属的浓度，过滤是必要的步骤，而在线过滤技术具有适用性强和效率高的优点。

水环境中痕量金属的分布和行为，如地表水和地下水，可能受到自然因素（例如，风化作用）和人为因素（例如，废水排放）以及其他环境条件的影响，包括区域地质、地貌、土地利用与植被以及气候^16-19。这些因素可能导致一系列理化参数的差异，例如悬浮颗粒物（SPM）浓度、溶解性有机碳（DOC）浓度、人为配体（例如，乙二胺四乙酸，EDTA）、盐度、氧化还原电位和pH值^17-20。因此，开展准确且具有代表性的痕量金属研究，需要恰当地采集样品，用于痕量金属分析以及相关因素和参数的测定。

方案

1. 采样器准备

1. 采样器
   1. 采样器的组装
      1. 将一根长4 m的氟化乙烯丙烯（FEP）管（内径0.635 cm，外径0.95 cm或类似规格）连接至一根1.5 m长的耐化学腐蚀硅胶泵管（外径0.635 cm）。
      2. 将一个聚丙烯Y型接头插入泵管中，并将一根50 cm长的泵管连接至其中一个出口，另一个出口则通过一根20 cm长的泵管连接一个0.45 μm胶囊过滤器。
      3. 在洁净室（工作台）内完成管路组件的组装（清洗后进行，见下文），并将组装好的部件存放在两层聚乙烯袋中。
   2. 采样器清洗
      1. 将泵管连接到蠕动泵上，用实验室洗涤剂溶液充满管路组件，浸泡24小时。用去离子水彻底冲洗管路组件，然后注入10%（v/v）HCl（试剂级），浸泡48小时。
      2. 用去离子水多次彻底冲洗管路组件，并将组件存放在塑料袋中。将Y型接头和短泵管浸泡在50%（v/v）HNO₃（试剂级）溶液中24小时进行清洗。
   3. 胶囊过滤器
      1. 先用去离子水冲洗胶囊过滤器，再用10%（v/v）HCl溶液浸泡48小时，以完成清洗。
      2. 酸浸泡后，用去离子水冲洗过滤器，并向每个过滤器中加入1 ml 21%（重量）NH₄OH（亚沸蒸馏）溶液以中和残余酸。
      3. 使用一段30 cm长的已清洗泵管将过滤器的入口和出口连接成回路，密封单个过滤器，并将其存放在聚乙烯自封袋中。
2. 样品容器
   1. 使用聚乙烯（PE，1,000 ml）和FEP（500 ml和1,000 ml）瓶作为痕量金属测定的容器。
      1. 先将瓶子在1%洗涤剂中浸泡，然后分别在50%（v/v）HNO₃（试剂级）和10%（v/v）HCl（试剂级）溶液中依次浸泡24、48和24小时，在两次浸泡之间用去离子水冲洗瓶子。
      2. 最后一次HCl浸泡后，用去离子水（DIW）彻底冲洗瓶子，并在洁净室或100级洁净工作台中将瓶子（带盖密封）干燥。
      3. 将清洗后的瓶子密封于聚乙烯自封袋中，并再用两层聚乙烯袋包装，以便运输。
   2. 用于溶解性有机碳（DOC）测定的玻璃瓶清洗
      1. 将用于溶解性有机碳（DOC）分析的琥珀色硼硅酸盐玻璃瓶（40 ml）在10% HCl中浸泡48小时。清洗后的玻璃瓶用去离子水冲洗，并在使用前于480 °C下灼烧2小时。将瓶子 individually 密封于聚乙烯自封袋中运输。

2. 取样

1. 水样采集
   1. 到达采样点后，在外层袋上标记样品编号，并将瓶子保留在原始包装袋中。
   2. 在河岸或船上，由一人打开装有采样器的袋子，并将一段4米长的FEP管连接到一根已清洗过的3米长聚丙烯杆上。将杆尽可能伸向远离河岸的水域，并在启动泵之前，使FEP管的进水口保持在流动河水表面以下约30 cm处。
   3. 另一人将泵管连接至蠕动泵（内置电池的采样泵）的泵头。启动泵后，至少将相当于采样器总体积3倍的水从下游端排出。戴上无粉手套，打开瓶子和瓶盖的包装袋，开始灌装样品瓶。
      1. 或者，若有第三位人员可用，可由其负责打开内层袋和样品瓶盖，并手持将样品导入瓶中的采样管。
   4. 在125 ml塑料瓶中采集未过滤样品，用于现场测定电导率、温度和pH值。
   5. 首先通过无滤膜的出口采集未过滤样品（500 ml或1,000 ml，用于颗粒物样品采集），然后用塑料夹关闭该出口，迫使水流经胶囊滤膜，以采集过滤后的水样（1 L，用于溶解态痕量金属测定）。
   6. 通过带滤膜的出口，将过滤后的样品收集至40 ml棕色玻璃瓶中，用于DOC和EDTA测定。
   7. 以大约500 ml/min至1,000 ml/min的流速采集水样。当压力开始升高时（根据滤膜规格），更换胶囊滤膜。针对每种类型的样品，在选定位置额外采集样品以及现场空白样，作为质量控制分装样。
   8. 将40 ml玻璃瓶置于干冰上，并储存在保温箱中；聚乙烯瓶则存放于冰盒中。
2. 悬浮颗粒物（SPM）的采集
   1. 使用塑料过滤漏斗和滤瓶，通过真空过滤法将SPM截留在0.4 μm的聚碳酸酯（PC）膜滤膜（经酸洗并预先称重）上。
   2. 在实验室中对膜滤膜进行冷冻干燥，以获得SPM浓度，并提供用于颗粒态痕量金属测定的颗粒样品。

3. 样品预处理（溶解态痕量金属）

1. 用于溶解态痕量金属测定，向样品瓶中加入 2 ml 浓缩亚沸 HNO₃（每 1 L 样品）。将已酸化的溶解态痕量金属样品转移至 FEP 瓶中。或者，也可直接将样品采集至 FEP 瓶中。使用 8 支 15 瓦紫外灯对 FEP 瓶中的样品进行 24 小时紫外照射。

4. 痕量金属分析的预浓缩与处理方法

1. 预浓缩树脂
   1. 称取2 g阳离子交换树脂放入一个小的（10–30 ml容量）塑料杯中，加入少量2 N HNO₃₃ 将溶液倒入杯中。将树脂倒入一个容量为10 ml的层析柱中。用5 ml 2 N HNO₃洗涤层析柱以清洗树脂。₃ （煮沸后冷却的）水冲洗两次，并用高纯度水（HPW）冲洗三次。
   2. 加入10 ml 1 M NH₄将亚沸处理的 OH 加入柱中，使树脂转化为 NH 型₄⁺-形式。
2. 缓冲溶液（1 M 醋酸铵）
   1. 加入57 ml冰醋酸（经亚沸蒸馏）至约800 ml高纯水（HPW）中。加入约60 ml氨水（21%，经亚沸蒸馏），与醋酸混合。调节终体积至1,000 ml，并将最终pH值调至5.5。
3. 痕量溶解金属预浓缩程序
   1. 将酸化并经紫外照射的样品 pH 值调节至 5.5 ± 0.3，加入 30 ml 1 M 醋酸铵缓冲溶液及约 2.8 ml NH₄将亚沸蒸馏的OH加入样品中。
   2. 将样品瓶置于装有阳离子交换树脂的富集柱（第4.1节）上方约30 cm处，并使用长约60 cm的FEP管以及色谱帽和接头（雌性鲁尔接头）连接样品瓶与富集柱。
   3. 使用连接在柱子上方的二通旋塞阀将流速控制在 3–5 ml/min。使样品流经预浓缩柱。样品完全通过柱子后，断开柱子上的管路和盖帽。
   4. 用2次5 ml高纯水（HPW）和4次5 ml 1 M醋酸铵（pH 5.5）处理层析柱，再用2次5 ml高纯水（HPW）冲洗，以将主要阳离子与其他痕量金属分离。
   5. 在柱下方放置一个30 ml经酸洗的聚乙烯瓶，用7 × 1 ml的2 N HNO₃洗涤柱子₃ （经煮沸处理后）转移至PE瓶中。
   6. 确定 2 N HNO₃ 的体积₃ 流出液（约 8.0 ml），通过称重并测定 2 N HNO₃ 的比重获得₃ 出水
4. 悬浮颗粒物的消化
   1. 冷冻干燥含SPM样品的PC滤膜，干燥后称重。将带有滤膜的SPM样品放入已称重的聚全氟烷氧基烷烃（PFA）容器（60 ml容量）中，加入3 ml浓HNO₃。₃ 进入容器中。
   2. 将容器拧紧至2.5 kg·m的恒定扭矩，在130 °C的普通烘箱中消解12小时。冷却后打开容器，向容器中加入2 ml HF。
   3. 将容器拧紧至2.5 kg·m的恒定扭矩，在130 °C的普通烘箱中消化12小时。冷却后打开容器，向其中加入16 ml 4.5%硼酸溶液。
   4. 将容器拧紧至2.5 kg·m的恒定扭矩，在130 °C的普通烘箱中消化12小时。称量每个容器，测定每种消化液的比重，以确定最终消化体积。
   5. 根据滤膜上SPM的最终体积和重量计算每种消化液的稀释因子（最终消化液体积除以滤膜上的样品重量）。

5. 样品分析

1. 痕量金属
   1. 使用火焰原子吸收光谱法、石墨炉原子吸收光谱法和/或电感耦合等离子体质谱仪，测定预浓缩后的溶解态样品及颗粒物溶液中痕量金属（Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb 和 Zn）的浓度。
   2. 使用电感耦合等离子体-原子发射光谱法，测定预浓缩前采集的子样品以及悬浮颗粒物消解液中的主要离子浓度及部分痕量金属浓度。
2. 辅助参数
   1. 使用便携式设备在野外测定样品的温度、pH、盐度和电导率。
   2. 采用总有机碳分析仪，基于湿法氧化结合红外光谱法检测二氧化碳，测定溶解性有机碳（DOC）浓度；按照既定方法²¹，采用高效液相色谱仪（配备SPD-M10AV二极管阵列检测器）测定总EDTA浓度^22,23。

结果

随着“洁净技术”的发展和应用，人们已普遍认识到，为了准确测定环境水体中的痕量金属浓度，通常需要对水样中的痕量金属进行富集。尽管天然水体中痕量金属的水质标准大多处于低μg/L范围，但为了研究水生环境中痕量金属在环境浓度下的地球化学和生物效应，仍需更低的检测限。

随着检测限的改善，在使用后 "清洁技术"，从德克萨斯州河流随机采集的141个河水样本数据集可以明显看出，需要进行预浓缩处理（图1）。Cd、Cu、Ni 和 Pb 的痕量金属数据直方图显示，某些特定元素的浓度可能相对容易测定（例如，Cu），某些元素（例如，Cd 和 Pb）在环境水体中的浓度远低于常规分析方法的检出限。将德克萨斯州河流数据集与美国环保局方法 1637、1638、1639 和 1640 进行了比较。方法 1637 和 1640 分别为通过石墨炉原子吸收光谱法或电感耦合等离子体质谱法检测的痕量金属测定技术，...

讨论

在天然水体中获得可靠的痕量金属数据需要格外谨慎，尤其是在样品采集、处理、预处理和分析过程中，必须采取措施以减少污染。过去二十年中，采用"洁净技术"所获得的天然水体中痕量金属浓度表明，其浓度可能比以往报道的数值低数个数量级。当痕量金属水平能够被准确测定时，目前对水体中痕量金属的水质标准评估更为可行，从而更准确地评估其对人类及高等生物的危害效应。在较低浓度范围内，水生环境中痕量金属的生物可利用性和毒性需要更严格的研究。这并非易事，因为痕量金属的分布和行为受到环境中多种其他理化参数的共同控制，因此，对痕量金属生物可利用性和毒性的可靠评估具有挑战性。此类评估还需包括与痕量金属相关的辅助参数的采样和分析。

因此，消除污染并最终降低环境水体中痕量金属浓度的检出限，要求科研人员在痕量金属分析的各个阶段均需格外注意。从实验器皿、采样设备、样品容器、样品前处理过程中使用的装置和材料，到化学品与试剂，以及仪器设置，污染会逐级累积，因此在报告痕量金属分析结果时，必须明确说明上述所有因素。因此，采样设备、样品容器以及用于样品处理和分析所用材料的前处理步骤，均为获得高质量水环境中痕量金属数据...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
硝酸	Seastar Chemicals		基准级
氢氧化铵	Seastar Chemicals		基准级
乙酸	Seastar Chemicals		基准级
硝酸	J. T. Baker	9601-05	试剂级
盐酸	J. T. Baker	9530-33	试剂级
色谱柱	Bio-Rad	7311550	Poly-Prep
柱堆叠盖帽	Bio-Rad	7311555
连接盖帽（雌性鲁尔接头）	Bio-Rad	7318223
二通旋塞阀	Bio-Rad	7328102
阳离子交换树脂	Bio-Rad	1422832	Chelex-100
便携式采样器（采样泵）	Cole Palmer	EW-07571-00
FEP 管	Cole Palmer	EW-06450-07	内径 6.4 mm，外径 9.5 mm
泵管	Cole Palmer	EW-06424-24	内径 6.4 mm，C-Flex 材质
胶囊过滤器（0.4 mm）	Fisher Scientific	WP4HY410F0	聚丙烯外壳
1 L 低密度聚乙烯瓶	NALGE NUNC INTERNATIONAL	312088-0032
1 L（或 500 ml）FEP 瓶	NALGE NUNC INTERNATIONAL	381600-0032