疏水性螯合物固相萃取-原子吸收光谱法测定海水中5种重金属_王增焕.pdf

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2017 年 7 月 July 2017 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 36,No. 4 360 -366 收稿日期 2017 -01 -20; 修回日期 2017 -07 -09; 接受日期 2017 -07 -15 基金项目 农业部水产品加工重点实验室项目 NYJG201512 ; 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 2015TS16, 2013YD08 ; 广东省水产品质量安全专项 201520501 作者简介 王增焕, 硕士, 研究员, 主要从事海洋与渔业生态环境监测。E- mail zh - wang1211163. com。 王增焕,王许诺,谷阳光,等. 疏水性螯合物固相萃取 - 原子吸收光谱法测定海水中 5 种重金属[ J] . 岩矿测试, 2017, 36 4 360 -366. WANG Zeng- huan,WANG Xu- nuo,GU Yang- guang,et al. Determination of 5 Heavy Metals in Seawater by Atomic Absorption Spectrometry with Solid- phase Extraction of Hydrophobic Chelate[ J] . Rock and Mineral Analysis, 2017, 36 4 360 -366. 【DOI 10. 15898/j. cnki. 11 -2131/td. 201701200011】 疏水性螯合物固相萃取 - 原子吸收光谱法测定海水中 5 种 重金属 王增焕,王许诺,谷阳光,陈瑛娜 中国水产科学研究院南海水产研究所,农业部水产品加工重点实验室,广东省渔业生态环境重点实验室, 广东 广州 510300 摘要 海水重金属的含量变化与分布特征受海洋中生物地球化学过程控制。海水重金属测定的难点在于海 水盐度高且重金属含量低, 需要进行分离、 富集等样品前处理。常规前处理方法如溶剂萃取样品量大、 操作 繁琐, 使用大量有机溶剂, 对环境和操作者危害大; 共沉淀法容易造成污染。本研究以吡咯烷基二硫代甲酸 铵和二乙氨基二硫代甲酸钠为螯合剂, 采用商品化的固相萃取柱, 分离海水中的镉、 铜、 铅、 镍和锌 5 种重金 属, 原子吸收光谱法测定其含量。结果表明5 种元素工作曲线的相关性较好 R >0. 999 , 镉锌的线性范围 分别为 0 ~4 g/L 和 0 ~100 g/L, 铅铜镍的线性范围为 0 ~40 g/L; 检出限 g/L 分别为 0. 02、 2. 6、 0. 06、 0. 18、 0. 3, 方法精密度高 RSD <5 , 加标回收率为 93. 8 ~104。本方法利用疏水性作用的固相萃取 技术, 实现了海水分析的绿色样品前处理。 关键词 海水; 重金属; 固相萃取; 绿色分离技术; 二硫代氨基甲酸盐; 原子吸收光谱法 中图分类号 P641; O657. 31文献标识码 A 海水中重金属元素主要来源于大气沉降、 地表 径流输入、 海底热液活动释放等, 参与海洋中各种物 理、 化学和生物过程 [1 ], 与海水中的水合氧化物胶 体、 颗粒物、 有机物等配位体络合 [2 ], 其含量变化、 分布特征、 物理和化学形态, 是海洋地球化学研究的 重要内容 [3 -4 ]。海水中的微量重金属元素的监测及 其生物效应研究, 极大地丰富了海洋地球化学的研 究内容, 推动着海洋生物地球化学的发展 [5 -8 ]。 海水重金属的分析技术, 需要高的灵敏度和低 的检出限。因为海水重金属含量低, 一般在 pmol/L 至 nmol/L 之间 [1, 8 ], 在大洋水中的含量则更低。我 国海水水质标准规定, 一类海水中的镉、 铅含量不超 过 1 g/L, 铜、 镍含量不超过 5 g/L, 锌含量不超过 20 g/L。目前, 海水重金属最常用的分析技术是原 子吸收光谱法 AAS [9 -12 ]和电感耦合等离子体质 谱法 ICP - MS , 特别是 ICP - MS 能同时测定多个 元素, 线性范围很宽, 在海水分析中的应用越来越 多。然而, 海水中氯化钠含量最高可达 35 g/L, 钾、 钙、 镁等离子的含量也很高, 直接用 AAS 分析会产 生明显的背景吸收 [12 -14 ], 用 ICP - MS 分析可形成 盐的沉淀和积累 [15 -16 ]以及多原子质谱干扰[17 -19 ]。 因此, 应用 AAS 和 ICP - MS 测定海水重金属之前都 需要进行分离富集操作 [1, 7, 20 ], 样品前处理已是海水 分析技术的主要研究内容 [5 -8, 15 ]。常用的分离方法 有溶剂萃取 [21 -22 ]、 共沉淀分离[18, 23 ]、 固相萃取[9, 24 ] 等。溶剂萃取的样本量大, 萃取过程中用到大量有 机溶剂, 可能对操作者和环境有潜在毒性, 而且操作 繁琐 [12 -13 ]; 共沉淀方法需要加入较大量的载体离 063 ChaoXing 子, 很容易造成新的基体干扰和待测元素的污 染 [8, 12 ]; 固相萃取是环境友好的绿色技术, 费用低、 使用简单, 在海水分析中的应用越来越多。传统的 固相萃取使用较多的是硅胶、 树脂等, 选择性差、 pH 范围小, 而螯合型固相萃取柱的富集能力强, 能 从极低浓度的水溶液中萃取富集金属离子, 取得了 良好的效果, 但这类固相萃取柱商品化程度低, 制备 麻烦、 冗长耗时 [25 -27 ], 一般实验室合成比较困难。 吡咯烷基二硫代甲酸铵和二乙氨基二硫代甲酸 钠是两种常见的二硫代氨基甲酸盐类重金属螯合 剂, 能与许多金属离子形成稳定的疏水性螯合物, 但 不会与碱金属和碱土金属形成螯合物 [28 -29 ]。本研 究基于疏水性相互作用的固相萃取技术, 以吡咯烷 基二硫代甲酸铵和二乙氨基二硫代甲酸钠为螯合 剂, 与海水中的重金属形成疏水性螯合物, 采用商品 化的 C8 固相萃取柱吸附, 从海水基体中分离出镉、 铜、 铅、 镍和锌 5 种被测重金属; 经洗脱后, 用原子吸 收光谱法测定, 实现了海水重金属的绿色分离和快 速检测。 1实验部分 1. 1仪器与工作条件 Z2000 型原子吸收分光光度计 日本日立公 司 , 火焰 - 石墨炉串联、 塞曼效应扣背景, 配石墨 炉自动进样器, 以及镉、 铜、 铅、 镍、 锌空心阴极灯。 锌采用空气 - 乙炔火焰法, 镉、 铜、 铅、 镍采用石墨炉 法, 仪器工作条件和石墨炉温度程序见表 1。 pH -3C 酸度计 上海雷兹精密仪器厂 , 20 位 固相萃取仪 美国 Waters 公司 , Bond Elut C8/C18 固相萃取柱 6 mL, 500 mg, 美国 Agilent 公司 。 表 1仪器工作条件 Table 1Working parameters of the AAS instrument 元素 波长 nm 灯电流 mA 狭缝 nm 干燥条件灰化条件原子化条件净化条件 进样量 μL Cd228.86. 01.3120℃, 10/20s300℃, 10/20s1500℃, 0/3s1800℃, 0/5s15 Cu324.85. 01.3140℃, 10/20s600℃, 10/20s2400℃, 0/5s2500℃, 0/5s20 Ni232.010.00.2140℃, 10/20s1000℃, 10/20s2600℃, 0/5s2800℃, 0/5s20 Pb283.37. 51.3120℃, 10/20s400℃, 10/20s2000℃, 0/3s2200℃, 0/5s30 Zn214.85. 01.3 “ - ---- 1. 2标准溶液与主要试剂 混合标准溶液 GBW E 080670, 购于中国计量 科学研究院, 使用前用 5 的硝酸稀释成所需的质 量浓度。 溴甲酚绿、 二硫代氨基甲酸盐 吡咯烷基二硫 代甲酸铵、 二乙氨基二硫代甲酸钠 , 均为分析纯; 乙醇、 硝酸、 氨水、 盐酸, 均为优级纯。 高纯水 电阻率≥18. 2 MΩcm 。 1. 3实验方法 固相萃取小柱的处理 先用少量纯水过柱, 润湿 吸附剂。用 15 mL 1 硝酸 V/V 过柱, 洗涤吸附 剂, 除去可能残留的金属离子, 然后用纯水冲洗干 净。再用 2 mL 20 g/L 的吡咯烷基二硫代甲酸铵和 二乙氨基二硫代甲酸钠混合溶液 络合剂 过柱, 增 强吸附能力。 样品处理 取25 mL 水样于比色管中, 加入一滴 溴甲酚绿指示剂, 用氨水和盐酸调至溶液呈浅蓝色 pH 值约 5. 0 0. 5 , 加入 1. 0 mL 吡咯烷基二硫代 甲酸铵和二乙氨基二硫代甲酸钠混合溶液, 混匀、 静置。 萃取 将处理好的样品缓缓加入已预处理的固 相萃取柱, 调节压力使样品溶液通过萃取柱呈滴状 流出, 样品溶液全部通过后, 再用 1 mL 高纯水通过 萃取柱, 洗净残留样品溶液。 洗脱 先将 0. 5 mL 50 硝酸通过固相萃取柱, 再用 4 mL 1硝酸 V/V 洗脱, 收集洗脱液, 定容至 5. 0 mL, 用于测定元素的含量。 测定 移取1 mL 洗脱待测溶液于石墨炉进样杯 中, 按 1. 1 节仪器条件测定镉、 铜、 镍和铅的含量; 剩 余溶液用于火焰法测定锌的含量。 2结果与讨论 2. 1溶液 pH 的影响 在固相萃取中, 溶液的 pH 是目标分析物定量 回收的关键参数之一 [6, 28, 30 -31 ], 样品溶液的酸度影 响二硫代氨基甲酸盐与重金属离子的螯合。本实验 考察了海水样品酸度对螯合物形成的影响。由图 1 实验结果可见, 样品溶液 pH 控制在 2. 5 ~9. 0 范围 内, 5 种元素均能获得较好的吸光度值, 且保持稳 定, 表明在此 pH 值范围内, 各元素能形成稳定的螯 163 第 4 期王增焕, 等 疏水性螯合物固相萃取 - 原子吸收光谱法测定海水中 5 种重金属第 36 卷 ChaoXing 图 1溶液 pH 对金属螯合物形成的影响 Fig. 1The effects of solution pH on the chelate ation 合物。重金属的螯合作用, 取决于有机配体在特定 pH 时的形式 [30, 32 ]。Aghamohammadi 等[30 ]研究了浊 点萃取吡咯烷基二硫代甲酸铵与镉、 铅等元素形成 的螯合物, 结果显示, 在 pH 6. 5 时石墨炉峰高值 最大; Wang 等 [21 ]采用吡咯烷基二硫代甲酸铵螯合、 甲基异丁基酮萃取、 激光剥蚀电感耦合等离子体质 谱测 定 铅、镉,在 pH 3 时 信 号 强 度 最 大; Karadjova[29 ]采用二乙基二硫代氨基甲酸钠为螯合 剂、 甲基异丁基酮为萃取剂, pH 在 4 至 10 范围内, 铜、 铅、 镍等元素的回收率都在 90 以上。本实验 的 pH 值范围与 Karadjova[29 ]的结果相近, 而与 Aghamohammadi 等 [30 ]和 Wang 等[21 ]结果有所差异。 经分析认为, Aghamohammadi 等 [30 ]采用浊点萃取, 需要超声水浴、 加入分散剂等; Wang 等 [21 ]采用溶剂 萃取, 溶剂蒸发后激光剥蚀进样, 可能是实验条件不 同, 导致 pH 值范围与本实验结果相差较大。二硫 代氨基甲酸盐在较高酸度溶液中易发生质子化作 用, 以分子形式存在, 而在较高 pH 溶液中, 重金属 离子容易水解 [30, 32 ], 因此本实验最终 pH 确定为 4. 5 ~5. 5。 2. 2固相吸附剂的选择 固相萃取的适用性取决于使用的吸附剂 [28 ] , 在 复杂样品的痕量分析中要有很高的净化和富集效 率。选择固定相吸附剂时, 主要考虑被分析物和样 品基体的化学性质。疏水性金属螯合物的吸附主要 是通过范德华力或疏水性作用, 采用的吸附剂是疏 水性、 多孔、 大表面积的化合物, 主要有疏水性有机 聚合物 [28 ]和烷基键合硅胶, 其中 C18 柱对无机物和 有机物都具有较好的通用性, 是固相萃取中常用的 萃取柱 [27, 33 -35 ], 目前尚未发现采用 C8 柱萃取分离 重金属的报道。 本实验比较了重金属螯合物在 C18 和 C8 固相 萃取小柱的保留情况。当浓度相同时, 经 C8 小柱 萃取后待测元素的吸光度值高于 C18 柱, 而且经 C8 柱萃取后, 工作曲线的线性相关系数、 斜率也优于 C18 柱的萃取效果, 表明 C8 柱对 5 种元素螯合物的 保留情况更好。C8 柱和 C18 柱具有相近的性质, 但 是碳链短, 填料表面具有较弱的极性作用, 对极性化 合物的保留强于 C18 柱。在固相萃取中, 被分析物 的极性与固定相吸附剂越相似, 二者间作用力越强, 被分析物的保留越完全。吡咯烷基二硫代甲酸铵和 二乙氨基二硫代甲酸钠, 这两种螯合剂分子结构具 有不对称性, 所形成的重金属螯合物可能呈极性或 弱极性, 在 C8 柱上有更好的保留, 因而萃取结果 更好。 2. 3洗脱液及其浓度的选择 采用基于疏水性相互作用的固相萃取, 通常是 用有机溶剂将待测物洗脱 [25, 33 ], 或者用强酸将螯合 物分解破坏洗脱 [9, 26, 31 ]。在原子吸收光谱分析中, 对有机溶剂的使用有一定的限制, 许多研究者采用 了硝酸为洗脱液 [6, 9, 26, 28, 31 ]。为避免向样品溶液中 引入氯离子, 本实验采用硝酸为洗脱液。不同浓度 硝酸溶液的洗脱回收率列于表 2。结果表明, 随硝 酸洗脱液浓度的升高, 5 种元素的回收率逐渐升高; 当洗脱液为 50的硝酸时, 重金属的回收率保持在 95以上。因此, 本实验选定洗脱液为 50 硝酸。 为得到定量洗脱重金属元素的最小洗脱体积, 进行 了洗脱液体积为 0. 5 ~2. 0 mL 的洗脱实验, 结果显 示 0. 5 mL 的洗脱液可以对各元素定量洗脱。 表 2不同浓度硝酸对洗脱效果的影响 Table 2Effect of nitric acid concentration on the recovery of heave elements elution 硝酸浓度 重金属回收率 NiZnCuPbCd 11.0822. 11.431.769.95 51.1525. 31.9331.322. 3 1012.628. 811.968.526. 1 2041.756. 743.575.945. 6 5096.610395.896.597. 5 2. 4基体的影响 海水中重金属元素分析的挑战性在于待测元素 的含量极低, 而基体元素 Na、 Mg、 Ca、 K 和 Cl 含量 高, 对测定的干扰很大 [15, 17, 19 ]。在海水中, 含量超过 1 mg/L 的成分主要有 Na 、 K 、 Ca2 、 Mg2 和 Sr2 五种阳离子, 它们占海水总盐分的 99 以上。其中 263 第 4 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2017 年 ChaoXing NaCl 含量接近或超过 30 g/L, Mg 含量超过1 g/L, Ca、 K 含量约 0. 5 g/L, 是主要干扰成分。在待测元 素的溶液中, 按海水主要组分含量加入 NaCl、 Mg、 Ca、 K 等元素, 测试固相萃取去除海水基体干扰的效 果。结果表明, 5 种重金属元素回收率在 93 ~ 102之间, 待测元素与海水基体能很好地分离。 2. 5方法的线性范围、 检出限和精密度 在最佳实验条件下, 镉在 0 ~4 g/L, 铅、 铜、 镍 在 0 ~40 g/L, 锌在 0 ~100 g/L 范围内, 各元素的 浓度与吸光度的线性关系良好, 相关系数均在0. 999 以上。以海水基体为空白, 连续测定 11 次, 以其标 准偏差的 3 倍计算的镉、 铅、 铜、 镍、 锌 检 出 限 g/L 分别为 0. 02、 0. 06、 0. 18、 0. 3、 2. 6。本方法 的镉、 铅、 铜、 锌检出限与海洋监测规范 第 4 部分 海水分析 GB17378. 42007 相当, 镍的检出限低 于液液萃取 - 原子吸收光谱法 [22 ] 。海洋监测规 范 中没有镍的测定方法, 铜、 铅、 镉 3 种元素与锌 的样品前处理方法不同; 且采用液液萃取分离法, 样 品用量大, 操作过程费时费力。本方法将 5 种元素 同时前处理, 样品的用量较少, 在实际监测工作中具 有更高的效率, 工作强度较小。 取海水样品, 按实验方法处理, 重复测定 12 次, 计算精密度。5 种重金属测定结果的相对标准偏差 RSD 均小于 5。 2. 6海水样品测定 应用本方法, 对分别采自大亚湾和三亚海域的 海水样品进行测定。大亚湾是南海沿岸半封闭型海 湾, 周边地区社会经济发展快, 海洋生态环境受人类 活动影响大; 三亚海域深入南海、 毗邻北部湾南端, 受工农业和社会经济影响较小。海水的采集按 海洋监测规范 进行操作, 样品加硝酸至 pH <2 保 存。按本实验方法, 测定海水样品中 5 种重金属元 素含量, 同时进行加标回收实验, 结果列于表 3。由 表 3 可见, 5 种元素的加标回收率在 93. 8 ~104 之间, 满足 海洋监测规范 GB 30971997 对海 水水质监测的要求。 3结论 建立了基于疏水性作用的固相萃取、 原子吸收 光谱法测定海水中的重金属镉、 铜、 铅、 镍、 锌的方 法。采用商品化的 C8 固相萃取柱, 不需要复杂的 实验合成吸附剂。与海洋监测规范 中的方法相 比, 本方法采用绿色样品处理技术, 对环境友好、 对 操作者安全; 原子吸收光谱法的实验操作简单快速、 表 3海水样品测定结果及加标回收率 Table 3Analytical results of seawater samples and spiked recovery 采样地点元素 测定值 g/L 加标量 g/L 加标后测定值 g/L 回收率 Cd0.382. 02.2694. 9 Pb1.875. 06.6596. 8 大亚湾Cu3.675. 08.5798. 8 Ni5.715. 010.598.0 Zn23.64065.3103 Cd0.172. 02.0996. 3 Pb0.685. 05.3393. 8 三亚Cu2.745. 07.5697. 7 Ni3.255. 08.30101 Zn20.64062.8104 结果准确, 运行成本低, 更适合于基层海洋监测应 用, 也可用于其他水质监测。 本方法采用疏水性固相萃取技术, 与电感耦合 等离子体质谱/发射光谱法相结合能同时检测多元 素, 极大提高工作效率。但实验中采用离线样品处 理方法, 不能实现样品在线自动化前处理, 且有样品 污染的风险; 另外洗脱酸度高, 需要稀释, 不利于提 高方法技术指标。目前, 固相萃取分离富集方法朝 向自动化、 微型化发展, 与检测设备的在线联机, 实 现自动化、 微型化的在线分离富集, 则是本研究下一 步需要重点研究和解决的问题。 4参考文献 [ 1]Lagerstrom M E, Field M P, Seguret M, et al. 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