一种天然水中硫代钨酸盐的定量测试方法
阅读说明：本技术 一种天然水中硫代钨酸盐的定量测试方法 (Quantitative test method for thiotungstate in natural water ) 是由 郭清海 赵倩 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种天然水中硫代钨酸盐的定量测试方法,步骤为：将采集到的天然水样品快速冷冻保存,备用；将冷冻保存的天然水样品在即将检测前快速解冻,获得天然水溶液；将天然水溶液注入梯度淋洗反相离子对色谱仪中进行钨形态分离,利用联用的电感耦合等离子体质谱仪测定溶液中不同钨形态(包括钨酸盐、一硫代钨酸盐、二硫代钨酸盐、三硫代钨酸盐、四硫代钨酸盐)的含量。本发明提供的测试方法可以有效分离天然水中的钨酸盐和不同类型的硫代钨酸盐并可实现其定量测试,该方法检出限低于常见富硫化物天然水中钨的含量水平,且可屏蔽天然水中存在的其他组分对目标组分检测的干扰,具有快速、有效、高精度等优点。(The invention discloses a quantitative test method of thiotungstate in natural water, which comprises the following steps: rapidly freezing and storing the collected natural water sample for later use; quickly thawing the frozen and stored natural water sample before detection to obtain a natural water solution; injecting the natural water solution into a gradient leaching reversed-phase ion pair chromatograph to separate tungsten forms, and measuring the content of different tungsten forms (comprising tungstate, mono-thiotungstate, dithiotungstate, tri-thiotungstate and tetra-thiotungstate) in the solution by using a coupled inductively coupled plasma mass spectrometer. The test method provided by the invention can effectively separate tungstate and different types of thiotungstate in natural water and realize quantitative test of the tungstate and the thiotungstate, the detection limit of the method is lower than the content level of tungsten in common sulfide-rich natural water, the interference of other components existing in the natural water on the detection of target components can be shielded, and the method has the advantages of rapidness, effectiveness, high precision and the like.)
技术领域
本发明涉及分析地球化学领域，尤其涉及一种天然水中硫代钨酸盐的定量测试方法。
背景技术
钨的毒性乃至致癌性已在近年来引起相关研究者的密切关注。天然水是钨存在的重要环境介质，因此，天然水中钨的含量范围、形态分布及其环境和健康效应研究具有重要意义。在天然水中，钨一般以含氧络阴离子(WO4 2-)的形式存在；但在富硫化物天然水中，硫代钨酸盐可成为钨的不可忽视的重要存在形态。然而，当前缺乏针对天然水中硫代钨酸盐的有效定量测试方法；受其影响，也相应缺乏针对硫代钨酸盐在天然水系统中地球化学行为、毒理效应和环境健康影响的系统研究。
在现有研究中，Mohajerin等用紫外可见吸收光谱法(UV-Vis)测定了实验室配制溶液中硫代钨酸盐的浓度并藉此确定了水中钨酸盐和四种硫代钨酸盐之间相互转化的化学平衡常数，Johannesson等利用地球化学模拟手段计算了美国德克萨斯州Carrizo含水层和马里兰州Aquia含水层内地下水中硫代钨酸盐的含量。然而，Mohajerin等的研究中UV-Vis法的测试对象为实验室配制的仅含钨酸盐与硫代钨酸盐的水溶液，由于不存在其他组分对测试过程的干扰，所获得的吸光度可视为水中不同硫代钨酸盐浓度的直接反映；而当该方法移植于天然水中硫代钨酸盐的测定时，干扰组分的影响将使测试结果(即吸光度)变得毫无意义。在紫外可见吸收光谱法之外，X射线吸收光谱(XAS)也已用于水中硫代化合物的鉴定，包括硫代砷酸盐/硫代亚砷酸盐和硫代锑酸盐，但该方法仅能定性识别水中不同形态硫代化合物的存在，而不能得到定量结果。
迄今为止，阴离子交换色谱-电感耦合等离子体质谱联用系统(AEC-ICP-MS)是定量测试天然水中硫代化合物的最佳选择，已被成功应用于天然水中硫代砷酸盐和硫代锑酸盐的测定。然而，在用于由原子量较大的金属元素形成的硫代化合物(以硫代钨酸盐、硫代钼酸盐、硫代高铼酸盐等为典型代表)时，阴离子交换色谱往往并不可行。例如，Weiss等发现用阴离子交换色谱分离水中不同形态钼时，硫代钼酸盐在色谱柱上吸持时间过长，使基于此分离方法的定量测试因效率太低而事实上不可行。再如Vorlicek等在用阴离子交换色谱(采用Dionex IonPac AS-16/AG-16色谱柱和100mmol/L KOH淋洗液等度淋洗)分离水中硫代高铼酸盐时，虽然之前的UV-Vis测试已指示待测溶液中同时含有高浓度的高铼酸盐、一硫代高铼酸盐和四硫代高铼酸盐(均超过50μmol/L)，但在超过150分钟的淋洗过程中，仅出现了高铼酸盐的色谱峰，说明在有效时间里用阴离子交换色谱柱也无法分离硫代高铼酸盐。本课题组前期工作表明，阴离子交换色谱-电感耦合等离子体质谱联用系统(AEC-ICP-MS)同样也不适用于硫代钨酸盐的定量测试。
目前，在已公开的文献中均未见关于天然水中硫代钨酸盐的定量测试方法的描述，也未见关于天然水中硫代钨酸盐定量测试方法的专利。
发明内容
本发明的目的在于，针对当前缺乏天然水中硫代钨酸盐定量测试方法的现状，建立一种快速、有效、高精度的反相离子对色谱-电感耦合等离子体质谱(RP-IPC-ICP-MS)定量测试天然水中硫代钨酸盐的方法。
本发明提供一种天然水中硫代钨酸盐的定量测试方法，包括以下步骤：
S1：将采集到的天然水样品快速冷冻保存，备用；
S2：将冷冻保存的天然水样品在即将测试前用高频快速解冻装置快速解冻，获得天然水溶液；
S3：将天然水溶液注入梯度淋洗反相离子对色谱仪(RP-IPC)中进行钨形态分离；
S4：利用联用的电感耦合等离子体质谱仪测定天然水溶液中不同钨形态(包括钨酸盐、一硫代钨酸盐、二硫代钨酸盐、三硫代钨酸盐、四硫代钨酸盐)的含量。
进一步地，将所采集天然水样品自采集起在不大于-20℃的温度条件下保存，并在进行定量测试前对样品快速解冻；天然水样品采集后如果置于常温空气条件下，其中硫代钨酸盐(特别是三硫代钨酸盐)可发生脱硫反应向钨酸盐快速转化，因此将样品自采集后即进行快速冷冻，可以更好地保存天然水样品中的硫代化合物。
进一步地，天然水样品的保存方式为在采样现场以及运送至实验室的过程中用液氮或干冰冷冻保存，在实验室等待测样的过程中用低温冰箱冷冻保存。
进一步地，步骤S3中，梯度淋洗反相离子对色谱仪的色谱柱采用Dionex IonPacNS1(10μm，250×4mm)分析柱和Dionex IonPac NG1(10μm，35×4mm)保护柱；NS1分析柱为聚合物反相色谱柱，用中性、大孔、高表面积、交联55％二乙烯基苯的乙烯基乙苯聚合物装填，这种树脂使NS1分析柱对溶剂、酸、碱均耐受，可使用pH为0到14的洗脱液，非常适合分离疏水性、可离子化化合物。
进一步地，步骤S3中，梯度淋洗反相离子对色谱仪中加入的淋洗液为：以Na2CO3与(CH3CH2CH2CH2)4N(OH)的混合溶液作为流动相A，以乙醇作为流动相B；其中混合溶液中Na2CO3的浓度为1mM，(CH3CH2CH2CH2)4N(OH)的浓度为2mM。乙醇的洗脱能力介于乙腈和异丙醇之间，能够实现WO4 2-和WO3S2-、WO2S2 2-、WOS3 2-、WS4 2-的完全基线分离，有机溶剂甲醇的洗脱能力较弱，不适宜于硫代钨酸盐的分离；离子对试剂四丁基氢氧化铵(TBA+)的电荷与被测离子WOnS4-n 2-(n的取值为0-4)的电荷相反，二者可以形成疏水性离子对化合物TBA+-WOnS4-n 2-，从而增加样品离子WOnS4-n 2-在固定相中的溶解度，同时在固定相中的离子对TBA+-WOnS4-n 2-发生可逆反应生成TBA+、WOnS4-n 2-，TBA+、WOnS4-n 2-重新溶解在流动相中，WOnSn-4 2-随流动相前行；而后，样品中的WOnS4-n 2-与流动相中的TBA+结合，再次生成TBA+-WOnS4-n 2-......，如此周而复始。WOnS4-n 2-在固定相和流动相中发生多次分配，各硫代钨形态因其不同的分配能力而分离，疏水性弱的形态先被淋洗出，疏水性强的形态则会在色谱柱上有更长时间的保留。硫代化合物的保留时间随被氧原子替代的硫原子数目的增加而增加，因此钨酸盐和硫代钨酸盐的保留时间顺序为WO4 2-<WO3S2-<WO2S2 2-<WOS3 2-<WS4 2-；添加碳酸钠可以减少WOnS4-n 2-的保留时间并改善峰形。
进一步地，淋洗液中乙醇的浓度梯度为：0-15分钟，乙醇的体积浓度由12％随时间线性增加到23.5％；15-23分钟，乙醇的体积浓度由23.5％随时间线性增加到35％；23-24分钟，乙醇的体积浓度由35％随时间线性减少到12％；24-28分钟，乙醇的体积浓度保持12％不变。梯度淋洗可提高难分离形态之间的分离效果，缩短强保留形态的洗脱时间，提高检测的灵敏度。梯度洗脱时间tG、强洗脱溶剂组分浓度变化范围Δψ、梯度陡度T等因素会影响梯度洗脱效果，其中上述三者关系为T＝Δψ/tG。对于硫代钨酸盐的检测，先用低强度流动相(即低浓度乙醇)和较小梯度陡度(T1)开始洗脱，待保留时间较小的WO4 2-和WO3S2-以良好的分离度分离后，再逐渐增加流动相洗脱强度(即提高乙醇浓度)和梯度陡度T2，使分离度较好但保留较强的WO2S2 2-、WOS3 2-、WS4 2-快速洗脱，从而得到令人满意的分析结果。
进一步地，梯度淋洗反相离子对色谱仪的定量环规格为200μL或500μL，当W含量≤10μmol/L时，用规格为200μL的定量环；当W含量＞10μmol/L时，用规格为500μL的定量环。
进一步地，梯度淋洗反相离子对色谱仪的流动相A和流动相B的流速为1.0mL/min。
进一步地，梯度淋洗反相离子对色谱仪的色谱柱温度为30℃。
进一步地，ICP-MS的进样系统为PFA雾化器、1.0mm中心管、Pt采样锥和Pt截取锥；实现RP-IPC-ICP-MS联用包括：将色谱柱出口与PFA雾化器相连、用通讯电缆连接两仪器建立信号触发、用Thermo Scientific Qtegra软件的tQuant模式连续采集信号。
进一步地，ICP-MS的气体条件为：雾化器(氩气)流量为0.705L/min，冷却气(氩气)流量为14L/min，辅助气(氩气)流量为0.8L/min，CCT模式下氧气流量为0.438mL/min，去除乙醇中碳元素的氧气添加量为15.09％；流动相中高浓度乙醇进入ICP-MS后，火焰会呈现绿色，加入适量氧气燃烧去除乙醇中的碳元素并使火焰变为白色时的氧气量最为合适(氧气含量也不宜过高，否则会导致熄火)。
进一步地，ICP-MS的测试离子质荷比(m/z)为184W.16O和32S.16O。
进一步地，梯度淋洗反相离子对色谱仪选用DionexTM ICS-6000型，电感耦合等离子体质谱仪选用Thermo Scientific iCAP RQ型。
本发明先通过确定和优化反相离子对色谱(RP-IPC)分离各种钨形态(包括钨酸盐和一、二、三、四硫代钨酸盐)的工作条件，包括色谱柱型号、淋洗液配方、梯度洗脱程序、定量环尺寸、流动相流速、柱温；然后确定和优化电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定通过RP-ICP分离的各种钨形态含量的工作条件，包括进样系统、气体流量、测试离子m/z，建立了定量测试天然水中硫代钨酸盐的方法，并以钨标准溶液作为分析标准，基于RP-IPC-ICP-MS联用系统定量分析实验室制备溶液和代表性天然水样品中硫代钨酸盐的含量，确定了所建立方法的有效性和普适性。
本发明提供的方法基于反相离子对色谱-电感耦合等离子体质谱联用系统(RP-IPC-ICP-MS)，并通过对色谱-质谱运行参数进行一系列优化而形成，可精确定量分析天然水中存在的痕量硫代钨酸盐及钨酸盐。
与抗干扰组分能力差、检出限高，因而只能用于室内配制的高含量硫代钨酸盐溶液的定量分析的紫外可见吸收光谱法(UV-Vis)相比，本发明提供的方法可有效屏蔽天然水中与钨并存的其他组分的干扰，且检出限为0.965μg/L，线性范围为0.001～20mg/L，线性相关系数R2＝0.999，因此可用于天然水中痕量硫代钨酸盐及钨酸盐的同时定量分析。
与仅能对水中硫代钨酸盐进行定性分析的X射线吸收光谱(XAS)和电喷雾电离质谱(ESI-HRMS)相比，本发明提供的方法在硫代钨酸盐定量分析方面实现了突破。
与可进行天然水中硫代砷酸盐、硫代锑酸盐等硫代化合物定量分析的阴离子交换色谱-电感耦合等离子体质谱(AEC-ICP-MS)分析方法相比，本发明提供的方法解决了AEC不能有效分离水中硫代钨酸盐的关键问题。
附图说明
图1为本发明实施例1一种天然水中硫代钨酸盐的定量测试方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1获得的富硫化物热泉样品的钨形态色谱分离图及其定量分析结果；
图3为本发明实施例2获得的硫代钨酸盐标准溶液的钨形态色谱分离图及其定量分析结果；
图4为本发明实施例3获得的钨酸盐-硫化物混合溶液的钨形态色谱分离图及其定量分析结果。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例。结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
参考图1，本实施例1提供了一种天然水中硫代钨酸盐的定量测试方法，包括以下步骤：
步骤S1，将采集到的富硫化物热泉样品用5mL冻存管储存后立刻用干冰保存至运回实验室，并在实验室内用低温冰箱在-20℃条件下冷冻保存直至测试；其中，富硫化物热泉样品采自云南省龙陵县邦腊掌地热区，热泉现场指标测试结果为：pH，9.38；硫化物，8.2mg/L；
步骤S2，在即将测试前将冷冻保存的富硫化物热泉样品快速解冻，获得富硫化物热泉样品溶液；
步骤S3，将富硫化物热泉样品溶液注入DionexTM ICS-6000梯度淋洗反相离子对色谱仪中进行钨形态分离；
其中，DionexTM ICS-6000梯度淋洗反相离子对色谱仪的色谱条件为：
色谱柱：Dionex IonPac NS1(10μm，250×4mm)分析柱和Dionex IonPac NG1(10μm，35×4mm)保护柱；
淋洗液：流动相A：Na2CO3与(CH3CH2CH2CH2)4N(OH)的混合溶液(混合溶液中，Na2CO3的浓度为1mM，(CH3CH2CH2CH2)4N(OH)的浓度为2mM)；流动相B：乙醇；乙醇的浓度梯度为：0-15分钟，乙醇的浓度由12％随时间线性增加到23.5％；15-23分钟，乙醇的浓度由23.5％随时间线性增加到35％；23-24分钟，乙醇的浓度由35％随时间线性减少到12％；24-28分钟，乙醇的浓度保持12％不变；
定量环：500μL；
柱温：30℃；
流动相流速：1.0mL/min；
步骤S4，利用Thermo Scientific iCAP RQ电感耦合等离子体质谱仪对富硫化物热泉样品溶液中不同形态钨进行定量测试；
其中，Thermo Scientific iCAP RQ电感耦合等离子体质谱仪的进样系统为PFA雾化器、1.0mm中心管、Pt采样锥和Pt截取锥；气体条件为：雾化器(氩气)流量为0.705L/min，冷却气(氩气)流量为14L/min，辅助气(氩气)流量为0.8L/min，CCT模式下氧气流量为0.438mL/min，去除乙醇中碳元素的氧气添加量为15.09％；测试离子质荷比(m/z)为184W.16O和32S.16O。
获得的钨形态色谱分离图及其定量分析结果见图2。
由图2可知，色谱分离图中在140秒、320秒、620秒、705秒、860秒、1130秒、1395秒、1580秒出现了S(-II)的色谱峰，在680秒、860秒、1130秒、1395秒、1580秒出现了W(VI)的色谱峰，峰形尖锐，且完全实现了基线分离。根据100μmol/L钨酸钠标准溶液中钨酸盐(WO4 2-)的色谱出峰时间以及本色谱分离图中各色谱峰的S(-II)/W摩尔比，判断图中色谱峰0为钨酸盐，色谱峰1、2、3、4分别为一硫代钨酸盐、二硫代钨酸盐、三硫代钨酸盐和四硫代钨酸盐。本富硫化物热泉样品中钨酸盐和一硫代钨酸盐、二硫代钨酸盐、三硫代钨酸盐、四硫代钨酸盐含量的定量测试结果分别为59.6μg/L、13.1μg/L、26.9μg/L、143.1μg/L、11.5μg/L。
实施例2：
实施例2测定了硫代钨酸盐标准溶液中钨的形态分布，其测定过程为：
配制100μmol/L的硫代钨酸盐标准溶液：称取1mmol四硫代钨酸铵标准固体((NH4)2WS4)并溶于超纯水，用容量瓶将溶液定容至1000mL，形成1mmol/L四硫代钨酸铵溶液；量取10mL的1mmol/L四硫代钨酸铵溶液，用超纯水稀释10倍，形成100μmol/L的待测四硫代钨酸铵溶液，然后移液至厌氧瓶中待测；上述所有操作均在手套箱中完成；实验过程中配制溶液使用的超纯水为经过高纯氮气(纯度≥99.999％)脱氧处理1小时以上的超纯水(18.25mΩ/cm)。
按照实施例1中步骤S3-S4的方法测定钨的形态分布，得到硫代钨酸盐标准溶液的钨形态色谱分离图及其定量分析结果，见图3。实施例2中使用规格为200μL的定量环。
由图3可知，色谱分离图中在330秒、640秒、790秒、1045秒、1335秒、1545秒出现了S(-II)的色谱峰，在620秒、790秒、1045秒、1335秒、1545秒出现了W(VI)的色谱峰，峰形尖锐，且完全实现了基线分离。根据100μmol/L钨酸钠标准溶液中钨酸盐(WO4 2-)的色谱出峰时间以及本色谱分离图中各色谱峰的S(-II)/W摩尔比，判断图中色谱峰0为钨酸盐，色谱峰1、2、3、4分别为一硫代钨酸盐、二硫代钨酸盐、三硫代钨酸盐和四硫代钨酸盐。本硫代钨酸盐标准溶液中钨酸盐和一硫代钨酸盐、二硫代钨酸盐、三硫代钨酸盐、四硫代钨酸盐含量的定量测试结果分别为20.5μmol/L、7.0μmol/L、46.9μmol/L、3.0μmol/L、22.6μmol/L。
实施例3：
实施例3测定了钨酸盐-硫化物混合溶液中钨的形态分布，其测定过程为：
在实验室配制钨酸盐-硫化物混合溶液：称取1mmol二水钨酸钠固体(Na2WO4·2H2O)和40mmol九水硫化钠固体(Na2S·9H2O)并溶于超纯水，用容量瓶将溶液定容至1000mL，形成钨酸盐-硫化物混合溶液(其钨含量为1mmol/L)；量取10mL钨酸盐-硫化物混合溶液，用超纯水稀释10倍，形成待测钨酸盐-硫化物混合溶液(其钨含量为100μmol/L)，用HCl调节pH＝5后移液至厌氧瓶中封口保存45天待测，可以得到同时含有WO4 2-、WO3S2-、WO2S2 2-、WOS3 2-、WS4 2-等五种钨形态的溶液；上述所有操作均在手套箱中完成；为避免Na2S·9H2O中S(II)的氧化和钨溶液中硫代钨酸盐向钨酸盐的形态转化，实验过程中所有溶液的配制均使用经过高纯氮气(纯度≥99.999％)脱氧处理1小时以上的超纯水(18.25mΩ/cm)。
按照实施例1中步骤S3-S4的方法测定钨的形态分布，得到钨酸盐-硫化物混合溶液的钨形态色谱分离图及其定量分析结果，见图4。实施例3中使用规格为200μL的定量环。
由图4可知，色谱分离图中在360秒、640秒、790秒、1045秒、1335秒、1545秒出现了S(-II)的色谱峰，在620秒、790秒、1045秒、1335秒、1545秒出现了W(VI)的色谱峰，峰形尖锐，且完全实现了基线分离。根据100μmol/L钨酸钠标准溶液中钨酸盐(WO4 2-)的色谱出峰时间以及本色谱分离图中各色谱峰的S(-II)/W摩尔比，判断图中色谱峰0为钨酸盐，色谱峰1、2、3、4分别为一硫代钨酸盐、二硫代钨酸盐、三硫代钨酸盐和四硫代钨酸盐。本钨酸盐-硫化物混合溶液中钨酸盐和一硫代钨酸盐、二硫代钨酸盐、三硫代钨酸盐、四硫代钨酸盐含量的定量测试结果分别为15.4μmol/L、35.8μmol/L、28.3μmol/L、18.2μmol/L、2.3μmol/L。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。