浊点萃取-原子光谱法在金属离子形态分析中的应用

杨利宁，赵玲玲，陈建荣，2

(1.浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华 321004;2.浙江师范大学地理与环境科学学院，金华浙江 321004)

随着生命科学、生物工程和环境科学等学科的迅速发展，分析对象日益复杂多样，对复杂基体中痕量和超痕量组分的分离和检测成为突出的问题.虽然现代仪器分析方法的检出限越来越低，但要直接分析某些组分的含量，也常会遇到困难，有时甚至是不可能的.这是因为:一方面是样品本身的物理化学状态有的不适合直接测定，或者分析方法对极低含量的组分灵敏度不够;另一方面是存在基体干扰，或者缺乏相应的校正标准和试剂.因此，必须借助各种各样的分离富集技术，以提高分析方法的灵敏度和选择性.浊点萃取作为一种分离富集的手段，具有萃取效率高、富集因子大、操作简便、安全、经济和便于实现联用等优点.一般来说，任何与胶束体系直接反应(一般指疏水有机物)或预先衍生(例如金属离子与合适的螯合剂的螯合反应)后的物质，都可以用浊点萃取法从其溶液中萃取和富集.浊点萃取法(CPE)与原子光谱法结合进行分离富集和检测痕量金属离子是一种有效解决上述问题的方法.本文着重介绍了近十年来浊点萃取-原子光谱法在测定不同形态金属离子含量方面的应用.

1 浊点萃取

浊点萃取技术是利用表面活性剂在水溶液中特殊的相行为对溶质进行分离的.表面活性剂分子在水溶液中能够形成亲水基团向外、憎水基团向内的胶团.表面活性剂胶团溶液可以使微溶于水或不溶于水的有机物的溶解度大大增加，称作表面活性剂溶液的增溶.同时，某些表面活性剂水溶液在加热到一定温度(浊点温度)以上后变浑浊并出现分相.浊点萃取法就是利用表面活性剂溶液的增溶(solubilization)和分相(phase separation)来实现溶质的富集和分离.浊点萃取法使用的各种类型的表面活性剂中，开发最早、应用最广泛的是非离子表面活性剂.具有代表性的非离子表面活性剂是聚氧乙烯烷基醚(polyoxy-ethylene alkyl ether，POEAE)，它是在浊点萃取中最常应用的非离子表面活性剂.非离子表面活性剂溶液在加热到浊点温度以上时出现分相，分为表面活性剂富集的凝聚相和表面活性剂含量很低的主体水相.表1列出了一些聚氧乙烯烷基醚类表面活性剂的浊点温度.可以看出，浊点温度与表面活性剂分子的烷基链长和聚氧乙烯链长有密切的关系.当烷基链长相同时，浊点温度随聚氧乙烯链长的增加而升高;相反，聚氧乙烯链长相同时，浊点温度随烷基链长的增加而降低.

表1 聚氧乙烯烷基醚类表面活性剂的浊点温度［1］

文献［2］对于直脂肪链聚氧乙烯烷基醚类的表面活性剂进行了研究，给出了浊点温度(T，℃)与表面活性剂结构之间的经验关系

其中，NE和NC分别是表面活性剂分子中的聚氧乙烯链和脂肪链中的碳原子个数.

非离子表面活性剂溶液的温度升高时，表面活性剂中聚氧乙烯基的氧原子与水形成氢键的能力减弱，表面活性剂在水中的溶解度降低，进而使表面活性剂的临界胶团浓度变小，胶团的聚集数(aggregate number)增大，胶团体积增大.当溶液温度到达浊点温度时，溶液由于胶团体积过大而混浊分相.

浊点分相可以解释为聚氧乙烯链的结构变化导致氧乙烯单元的极性降低、亲水性下降，在浊点温度以上胶团与水的混合熵的大量减少.表面活性剂溶液体系的Gibbs自由能由2个部分组成:胶团在溶液中均匀分布的熵(entropie effect)增加造成的自由能降低和溶液中胶团之间的相互作用(internal energy effect)造成的自由能增加.这2种作用的竞争造成了非离子表面活性剂溶液特有的浊点分相现象.

值得注意的是，在水相中，表面活性剂的浓度并不为零，而是等于或者大于表面活性剂的临界胶团浓度.因此，在主体水相中，表面活性剂分子形成的各种结构的胶团仍然存在，并且这些胶团对于溶质仍然具有增溶作用.温度变化导致的表面活性剂溶液的分层现象是一个可逆的过程，降温之后体系会恢复成澄清的一相.两相分层需要借助两相之间的密度差完成，一般需要对体系进行离心分离或者重力沉降.

2 浊点萃取法与原子光谱法联用

浊点萃取法作为痕量元素分离富集的手段，在分析化学中广泛应用，它能与多种原子光谱检测技术联用，包括原子吸收光谱法、等离子体原子发射光谱法、原子荧光光谱法等.

2.1 浊点萃取-原子吸收光谱法

火焰原子吸收光谱法(FAAS)的进样速度快，测定时间短，在0.5 min内即可测定一个样品，并且标准曲线的线性可以达到0.999，重现性也比较好，相对误差小于1%.但火焰原子吸收光谱法的进样体积相对来说较大，并且浊点萃取之后的表面活性剂相是粘滞的，因此需要加入含一定量硝酸的甲醇溶液降低其黏度，这就降低了浊点萃取的富集倍数.

与火焰原子吸收光谱法相比，石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)更受到青睐.因为石墨炉原子吸收光谱法的精确度高、灵敏度高，检测限可达到10-13g·mL-1，比火焰原子吸收光谱法的检出限更低，并且石墨炉原子吸收光谱法可以采用自动进样技术，操作简便快捷，只需一人操作即可完成全部测定过程，进样量也只有几μL，这在提高浊点萃取的富集倍数方面有很大的优势.由于石墨炉进样量小，所以经过浊点萃取后的表面活性剂相不需要用有机溶剂稀释，可直接用移液枪注入石墨管内部进行测定，也可采用自动进样装置注入，表面活性剂还会改善溶液和石墨管的接触性能，提高原子化速度.将CPE与电热原子吸收光谱法(ETAAS)联用，灵敏度比CPE-FAAS法提高2～3个数量级.

2.2 浊点萃取-等离子体原子发射光谱法

等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)虽然是一种常用的痕量金属的检测方法，但其检出限仍然高于样品中金属的浓度，为了获得准确、可靠的结果，需对样品中的被测物进行富集和分离，以便直接检测.原子发射光谱法(AES)有如下特点:由于各元素同时发射各自的特征光谱，所以AES可多元素同时检测，并且选择性高;AES的进样速度快，分析速度快;检出限较低;准确度较高，尤其是定性分析，目前在各种分析手段中是最有效的.

由此，前处理技术——浊点萃取法与低检出限的原子发射光谱法联用，形成了一种对金属的富集和检测的有效技术，适用于测定环境样品中的痕量金属元素.

2.3 浊点萃取-原子荧光光谱法

有些元素的原子蒸气在辐射能激发下会产生荧光，原子荧光光谱法(AFS)就是通过测量待测元素发射的荧光强度对待测元素进行定量分析的，根据荧光谱线的波长还可以进行定性分析.原子荧光光谱法的仪器设备简单、检测灵敏度高、荧光光谱干扰少、线性范围宽、可以进行多元素测定.该方法也是测定各种环境样品的标准检验推荐方法，在农业、医学、地球化学、地质、材料和环境科学等领域的应用非常广泛.

3 浊点萃取-原子光谱法在金属离子形态分析中的应用

根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的定义［3］，形态分析是指测定样品中某元素的不同键合形式、不同氧化态和该元素的总量.不同形态离子的作用和毒性大不相同.例如:铬的主要存在形态是Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，Cr(Ⅲ)是人体中必不可少的微量元素，而 Cr(Ⅵ)被认为是毒性物质［4］，其毒性比Cr(Ⅲ)大100倍;无机锡主要以Sn(Ⅱ)和Sn(Ⅳ)的形式存在于环境样品中，由于无机锡是一种耐腐蚀的金属，因而在食品包装和电子工业中具有重要应用.然而，不同形态的元素总量不能为其毒性、生物利用和转化、循环方式等提供充足的信息.因此，需要对元素的不同形态进行分析测定.

浊点萃取法是近年来金属离子形态分析中常用的方法，在实际应用中，例如与光谱法联用时，有2种方法:一是采用差减法;二是调节溶液pH值或加入不同螯合剂的方法.

3.1 测定 Cr

铬元素广泛存在于地壳中，其在各种工业工艺品和产品中的广泛应用是环境中铬污染的主要来源.元素铬的生物学和毒理学特性很大程度上取决于其化学形态，其中:Cr(Ⅲ)参与糖代谢，是维持动物正常的葡萄糖耐量、生长及寿命不可缺少的;但Cr(Ⅵ)对人体有毒害性［4］，主要是偶然吸入极限量的铬酸或铬酸盐后，引起肾脏、肝脏、神经系统和血液的广泛病变，导致死亡.浊点萃取分离富集铬形态时多采用氧化还原法(即差减法)，也有采用不同螯合剂的方法.有关浊点萃取与原子光谱法联用分离富集测定 Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的研究进展［5-20］见表2.

3.2 测定 Sb

文献［21］采用N-苯甲酰苯基羟胺和TritonX-114体系萃取 Sb(Ⅲ)，用 L-半胱氨酸还原Sb(Ⅴ)以达到萃取测定总Sb的目的，浓缩相经甲醇稀释后用FAAS测定，差减法计算Sb(Ⅴ)的量.文献［22］利用 pH 5.0 时 APDC 对 Sb(Ⅲ)的选择性萃取达到与Sb(Ⅴ)分离，同样采用L-半胱氨酸还原Sb(Ⅴ)测定锑的总量.用ETAAS测定，Sb(Ⅲ)的检出限达 0.02 μg·L-1，方法成功应用于食品接触材料浸出液中锑形态的测定.文献［23］利用APDC与Sb(Ⅲ)的螯合反应浊点萃取Sb(Ⅲ)，分相后不经离心分离，萃取混合液经棉花填充的小柱吸附表面活性剂浓缩相后，再以100 μL乙腈洗脱，洗脱液用电热蒸发等离子体原子发射光谱(ETV-ICP-AES)测定;然后以L-半胱氨酸还原 Sb(Ⅴ)测定总锑，再以差减法计算Sb(Ⅴ)的量.该方法的灵敏度更高、检测限更低，并成功用于水样中无机锑形态的分析测定.

表2 浊点萃取与原子光谱法联用测定Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)

3.3 测定 Se

Güler等［24］利用在酸性条件下 2，3-二氨基萘(DAN)对 Se(Ⅳ)的选择性螯合萃取达到与Se(Ⅵ)分离的目的，用12 mol·L-1HCl还原Se(Ⅵ)测定Se的总量，用荧光光谱法测定.方法用于测定硒酸盐、亚硒酸盐及总无机硒含量均达到 μg·L-1级.Sounderajan 等［25］利用 3，3'-二氨基联苯胺(DAB)和 Triton X-114体系萃取Se(Ⅳ)，富集因子可达100，用4 mol·L-1HCl微波加热还原Se(Ⅵ)以测定总Se，用ETAAS测定，环境水样中 Se 的检测限达 0.002 5 μg·L-1，并且可用于一些动物食物中总Se的测定.

3.4 测定 As

张力培等［26］利用 pH 3.0 时 As(Ⅲ)与 APDC络合形成疏水性螯合物被萃取到表面活性剂相，用钨丝电热原子荧光光谱法测定，从而实现与As(Ⅴ)的分离测定;利用Na2S2O3还原As(Ⅴ)测定总As，然后由差减法求得As(Ⅴ)的含量.As(Ⅲ)的检出限为 0.9 μg·L-1，可用于水样中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的测定.文献［27］利用钼酸盐与As(Ⅴ)的络合反应，用浊点萃取-ETAAS测定As(Ⅴ)，KMnO4氧化 As(Ⅲ)以测定总 As，然后差减法求得As(Ⅲ)的含量，方法的检测限达到0.01 μg·L-1，富集倍数达 52.5.该方法成功地用于自来水样中As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的测定及生物样品中总As的测定.

3.5 测定 Fe

Giokas等［28］将流动注射分析-光度法和FAAS结合开展铁形态的研究，以APDC同时螯合浊点萃取Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)，并以FAAS测定2种形态铁的总量，然后以流动注射分析-光度法测定Fe(Ⅱ)，总量减去Fe(Ⅱ)的量即为Fe(Ⅲ)的值.该方法避免了其他类似分步形态分析方法需对某一形态进行氧化或还原的步骤，同时，因为采用了流动注射分析技术，方法相对简便快速.该方法成功应用于环境水样中铁形态的测定.Shakerian等［29］采用如上的方法，利用铁试剂ferron同时与Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)在高于浊点温度时生成的螯合物萃取到表面活性剂相，用流动注射-FAAS测定了总铁.

3.6 测定 Sn

Gholivanda等［30］利用 α-多金属氧酸盐在 pH 1.2时仅与 Sn(Ⅱ)螯合，而在 pH 3.6 时与Sn(Ⅱ)和Sn(Ⅳ)同时反应的特点，通过控制酸度分别对Sn总量和Sn(Ⅱ)萃取富集，用FAAS法测定，Sn(Ⅱ)和Sn(Ⅳ)的检出限分别为8.4和12.6 μg·L-1，富集因子可达100.文献［31］在非离子表面活性剂存在下，将Sn(Ⅳ)与钙试剂羧酸钠(CCA)反应萃取，Sn(Ⅱ)在酸性条件下经高锰酸钾氧化为Sn(Ⅳ)以测定总Sn量，差减法计算Sn(Ⅱ)的量，火焰原子吸收光谱法测定，Sn(Ⅳ)富集因子达 100，检出限 2.86 μg·L-1.

3.7 测定其他元素

文献［32］基于I-存在下Hg(Ⅱ)与甲基绿生成不溶于水的离子缔合物，被萃取到表面活性剂相中，从而与水相中的甲基汞MeHg+分离，包含Hg(Ⅱ)的胶束相引入电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)检测，从而实现了 Hg(Ⅱ)和MeHg+的直接形态分析.肖宇等［33］建立了不需形成螯合物的浊点萃取-石墨炉原子吸收光谱法测定水中Tl(Ⅲ)的新方法，方法的检测限为0.018 μg·L-1，加标回收率为 98.0% ～101%，方法适用于水中痕量Tl(Ⅲ)的测定.陈海婷等［34］采用APDC为络合剂，建立了浊点萃取预富集电热原子吸收光谱法测定水中痕量铊的方法，方法的富集倍率达到31，可用于自来水和河水中痕量铊的测定.

4 展望

浊点萃取技术与原子光谱法联用在金属离子形态分析方面已经得到广泛的应用，浊点萃取法比传统的液-液萃取法有很多优点，例如:避免了大量使用有毒的有机溶剂;拥有更高的回收率和富集因子等.但浊点萃取在水浴、离心、分离表面活性剂相时还是要花费一定的时间，目前还没有达到快速检测、现场检测的要求.近几年，在线流动注射浊点萃取的方法有所发展，因为流动注射省去了所有的人工操作，但在联用技术方面有所限制，还没有大范围地推广.如果把浊点萃取流动注射与原子光谱法的联用技术进一步发展、优化，这样既可以节省样品预处理的时间，又可以达到快速检测的目的，在金属离子形态分析方面有很好的应用前景.另外，利用色谱柱的分离功能虽然可以同时测定不同金属形态的含量，但是色谱法一般检出限较高，达不到痕量检测的目的.因此，这两方面的研究还需要进一步深入.

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