磁性石墨烯固相萃取/原子吸收法测定环境水样中的痕量铜

苑 鹤，王卫娜，吴秋华，王 春，王 志

(河北农业大学 理学院 生物无机化学重点实验室，河北 保定 071001)

铜+元素广泛存在于水和土壤中，是机体蛋白质和酶的重要组成部分，为人体健康不可缺少的特殊微量营养元素之一。体内缺乏铜会导致造血功能下降，胆固醇升高，酶活性下降，产生冠心病等疾病的可能性也会增加［1］。然而过量铜元素的吸收会抑制人体内许多酶的活性，使细胞膜受到严重损伤［2］，可能引起急性铜中毒、腹泻、失眠、脱发、皮肤病、老年痴呆等，因此工业污染造成的水体铜污染可能给人体带来伤害。目前，最常用的测定痕量铜离子的方法为原子吸收光谱法。但污染水中重金属离子的含量一般很低，火焰原子吸收光谱法的灵敏度往往难以实现对水中痕量Cu2+的直接测定，一般需要通过样品前处理过程来分离和富集目标分析物并除去基质中的干扰。目前许多样品前处理技术已被用于富集和浓缩不同样品中的痕量铜，其中最常使用的两种前处理方法是固相萃取(SPE)和液相萃取(LPE)［3－5］法。SPE由于使用较少量的有机溶剂而被认为优于LPE［6］。然而，SPE操作较为繁琐、费时并相对昂贵。为了克服这些缺点，近年来一种SPE的新模式即磁性固相萃取(MSPE)被提出［7］。与传统的SPE相比，MSPE使用的吸附剂具有磁性，磁性吸附剂可以方便地在外加磁场作用下进行导向或分离，而不需要额外的离心或过滤程序。所以该方法具有操作简单、快速、富集效率高、对环境友好等优点。因此MSPE被广泛应用于各种领域［8－9］，同时磁性纳米材料的研究也成为目前研究的一个热点领域，其中的磁性碳材料更以其强的吸附能力而颇受关注。

石墨烯是一种新型的碳纳米材料，于2004年由Geim和Novoselov等发现［10］。它是一种以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维平面纳米材料，具有很大的表面积、良好的导电性能和机械特性，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。与其他形式的碳材料相比，石墨烯显示出许多优点，例如比表面积很大、耐高温、化学稳定性好、机械强度高和生产成本低等［11］。近年来，有关石墨烯的研究报道不断增加，目前的研究热点主要集中在石墨烯的物理性质，特别是电子结构和电学性质等方面，关于石墨烯的化学研究及应用还较少涉及。由于石墨烯结构中含有离域的π电子体系，可以和苯环形成强的π－π作用力，这就预示着它可能是一种对含苯环物质具有较强吸附作用的潜在吸附剂，但其在分析化学方面的应用研究目前报道较少［6，11］。本实验将新兴的石墨烯材料与磁性纳米技术相结合，使用化学沉淀法合成了磁性石墨烯纳米材料，将其作为固相吸附剂用以富集环境水样中的痕量铜并与原子吸收法联用进行测定，结果表明，该方法操作简便、灵敏、具有较好的重现性。本研究为测定痕量铜提供了一种MSPE新方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

WYX－9003A原子吸收分光光度计及铜元素空心阴极灯(沈阳仪通分析仪器有限公司);SK－1快速混匀器、SHA－C水浴恒温振荡器、SZ－93型双蒸水机(上海亚荣生化仪器厂)和KQ–2200 DE超声波仪(昆山超声波仪器有限公司)。

石墨粉(博爱欣化学试剂有限公司);硫酸铜(优级纯，天津市北联精细化学品开发有限公司);1-(2-吡咯偶氮)-2-萘酚(PAN)、氢氧化钠、无水乙醇、硝酸、丙酮、乙腈(分析纯，北京化学试剂有限公司);水为二次蒸馏水。

矿泉水购自保定超市，自来水采自本实验室，湖水采自保定竞秀公园。所有的溶剂和水样在分析前先过0.45 μm滤膜，除去颗粒物。用硫酸铜溶解配制铜储备液，质量浓度为10 mg/L。

1.2 G－Fe3O4的制备

按本实验室［12］和文献［13－15］报道的方法合成制备石墨烯。采用Fe2+、Fe3+(摩尔比为1∶2)和石墨烯在碱性溶液中共沉淀的方法制备磁性石墨烯纳米粒子:在三口瓶中依次加入200 mL水、0.5 g石墨烯、1.7 g(4.33 mmol)(NH4)2Fe(SO4)·6H2O和2.51 g(8.66 mmol)NH4Fe(SO4)2·12H2O，在50℃、通N2的条件下超声(200 W，40 kHz)10 min，然后逐滴加入10 mL 8.0 mol/L的NH4OH溶液，混合溶液的最终pH值应在11.0～12.0之间。加完后在50℃下搅拌反应60 min。反应完成后，用磁铁将G－Fe3O4从溶液中分离出来并弃去上层溶液，分别经水、乙醇冲洗，真空干燥后备用。

1.3 MSPE程序

称取15 mg G－Fe3O4于500 mL锥形瓶中，准确加入200 mL样品溶液、0.3 mL PAN－乙醇溶液，置于振荡器上振荡萃取20 min。萃取结束后，用磁铁将磁性石墨烯聚集到锥形瓶底部，弃去大部分上清液，将剩余溶液和磁性石墨烯转移至10 mL玻璃离心管中，用磁铁将石墨烯聚集到离心管壁上后倒掉所有溶液，加入2 mL 1.0 mol/L NaOH溶液涡旋30 s进行洗脱，所得溶液用浓HCl溶液调至pH 4.0，然后进样进行火焰原子吸收分光光度计测定。

1.4 条件优化过程

使用WYX－9003A原子吸收分光光度计及铜元素空心阴极灯测定铜离子的含量，原子吸收条件为:波长324.7 nm，灯电流3 mA，乙炔流量1.2 L/min，空气流量5.0 L/min。

用200 mL铜离子浓度为50 μg/L的水溶液进行优化实验。通过在15 mg吸附剂中加入0.1～0.7 mL的PAN来选择络合剂用量;通过考察在pH 5.0～9.0范围内吸收信号的变化情况选择最优pH值;考察了萃取时间在5～60 min范围内对萃取效率的影响;最后对解吸剂及其浓度进行优化。每种条件实验重复3次取其平均值用作优化评价。

图1 PAN体积对铜离子吸光度的影响Fig.1 Effect of PAN volume on absorption of copper

2 结果与讨论

2.1 络合剂与吸附剂用量的关系

在固定其他实验条件的情况下，研究了向含有15 mg吸附剂的溶液中加入不同体积PAN(浓度为1.0×10－3mol/L)时对铜离子吸光度的影响，结果如图1所示。由图可知，当PAN用量达到0.3 mL后，吸光度出现平台，在用量大于0.5 mL后吸光度开始下降。这可能是由于PAN加入量低时导致其用量不足，而当PAN加入量过大时，部分PAN与PAN的铜离子螯合物间在石墨烯磁性纳米粒子上产生竞争性吸附而使得PAN的铜离子螯合物吸附率下降，从而导致PAN用量大于0.5 mL后吸光度下降。本实验选择加入0.3 mL的PAN－乙醇溶液。

图2 pH值对铜离子吸光度的影响Fig.2 Effect of pH value on absorption of copper

2.2 pH值的影响

溶液的酸度直接影响金属离子与配位剂形成配合物的稳定性。当pH值过低时，形成的配合物不稳定;而pH值过高时，铜离子极易水解，影响萃取效率。实验用稀氢氧化钠和HNO3溶液调节溶液的pH值，考察了pH值在5.0～9.0范围内吸收信号的变化情况，结果如图2所示。当pH值为7.0时回收率达到最高值，因此，选择溶液的最佳pH值为7.0。

图3 NaOH浓度对铜离子吸光度的影响Fig.3 Effect of concentration of NaOH on absorption of copper

2.3 萃取时间的选择

在萃取过程中，萃取时间是影响萃取效率的重要因素。在MSPE过程中，萃取时间是指在样品溶液中加入吸附剂后于振荡器上振荡的时间。为使铜离子与PAN的螯合反应以及PAN的铜离子螯合物与G－Fe3O4吸附反应完全，实验考察了萃取时间为5～60 min时对萃取效率的影响。结果显示，当萃取时间大于20 min后，萃取效率基本不再变化。因此最终选择最佳萃取时间为20 min。

2.4 解吸剂的选择

实验考察了甲醇、乙醇、丙酮及NaOH水溶液的解吸能力，结果表明NaOH溶液的解吸效果最好，因此实验选择NaOH水溶液为解吸剂。进一步考察了不同浓度的NaOH对分析物的洗脱能力。分别用2 mL 0.25、0.5、0.75、1.0、1.25 mol/L的NaOH进行涡旋解吸，用浓盐酸将pH值调至4.0，直接进入火焰原子吸收分光光度计进行测定。结果如图3所示，NaOH浓度过低时，洗脱效果差，在NaOH浓度达到1.0 mol/L时洗脱效果最佳。因此选择加入浓度为1.0 mol/L的NaOH进行洗脱。因原子吸收进样量大约需2 mL，实验表明2 mL 1.0 mol/L的NaOH已可将大部分待测物解吸下来(＞80%)，继续加大解吸剂的体积，回收率并无明显提高。因此最终选择加入2 mL 1.0 mol/L的NaOH溶液进行解吸。

2.5 干扰离子的影响

在优化实验条件下，向20 μg/L Cu2+的溶液中加入几种常见的离子，考察了其对Cu2+萃取效率的影响，相对误差不超过±10%时各离子的最大允许量为1 500倍的K+、Na+、F－;1 000倍的Cl－和，100倍的、，50倍的 Hg2+、Mn2+，30倍的 Fe3+、Mg2+、Ca2+，20倍的 Al3+、Zn2+。而在实际样品中，上述共存离子的含量远远低于最大允许存在量［16］。

2.6 方法评价

在最佳实验条件下，按上述实验方法操作，以吸光度A为纵坐标、以铜离子浓度ρ为横坐标绘制铜离子的工作曲线。结果显示铜离子在0.50～100 μg/L范围内与吸光度间呈良好的线性关系，回归方程为:A=0.004 7 ρ(μg/L)+0.000 8，相关系数为0.998 1。富集倍数为最终解吸液中铜的络合物浓度与最初铜离子加标浓度的比值，通过计算得到本方法的富集倍数为80.4倍。方法的检出限(S/N=3)为 0.067 μg/L。

2.7 实际样品的测定

为了检验所建立方法的实用性，对不同水样(矿泉水、自来水和公园湖水)中痕量铜的残留进行了萃取和测定。结果在矿泉水、自来水和公园湖水中检测到铜的残留量分别为41.6、52.2、53.7 μg/L。

为了验证该方法的可靠性，对实际水样加标20 μg/L平行测定5次，回收率实验结果见表1。样品的加标回收率为94%～103%，相对标准偏差为2.1%～5.2%，本方法的精密度和重现性均令人满意。

表1 不同样品中铜离子含量的测定(n=5)Table 1 Analytical results for the determination of copper in real samples(n=5)

2.8 与其他样品前处理技术的比较

将上述MSPE与其他样品前处理方法如SPE［17－18］、中空纤维液相微萃取(HF－LPME)［19］、浊点萃取(CPE)［20－21］、分散液液微萃取(DLLME)［22］、悬浮凝固化有机液液相微萃取(DLLME － SFO)［23］等进行对比，结果见表2。数据表明，与其他方法相比，MSPE方法的线性范围、检出限、重现性均较好，且操作过程简单、有机溶剂用量较少、环境友好。

表2 MSPE与其他样品前处理方法的对比Table 2 Comparison of the MSPE with other sample preparation techniques for the determination of copper

3 结论

将本实验室合成的一种新型吸附剂石墨烯磁性纳米材料(G－Fe3O4)用于水样中铜离子的萃取，并结合原子吸收法实现了对环境水样中痕量铜的灵敏测定。此方法有效地结合了G比表面积大、吸附性能好和Fe3O4纳米粒子具有磁性的优点，使用MSPE避免了传统固相萃取中离心和过滤等繁琐的操作步骤。实验结果表明，本方法简便、快速，具有较好的回收率和重现性，适于实际水样中铜离子的测定。该方法为其他金属离子的富集测定提供了可借鉴的研究基础。

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