超声辅助浊点萃取-原子荧光光谱法测定水中痕量汞

刘景龙 韩 倩

(1.江苏省南京环境监测中心，南京 210003；2.安徽工业大学 分子工程与应用化学研究所，安徽 马鞍山 243000)

汞在自然界中不是一种丰富的化学元素，但由于其巨大的毒性，并且许多工业和农业广泛应用，汞的测定在环境和毒理学研究中显示出重要的意义[1-2]。其中饮用水是汞进入人体的重要途径之一，因此，对水中微量甚至痕量汞的测定变得尤为重要。由于非污染水体中的汞浓度非常低，因此需要有灵敏度很高的分析技术进行测定，但是到目前为止，只有少数分析方法显示出足够的灵敏性，比如冷蒸气原子吸收光谱(AAS)法[3]、冷蒸气原子荧光光谱法[4]、氢化物发生-原子荧光光谱法[5-7]、电感耦合等离子体发射光谱法[8-9]、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法[10-11]等。虽然AAS能够在灵敏度上满足汞的测定要求，但是水蒸气和挥发性有机物所产生的背景吸收干扰，几乎是它的致命因素。ICP-MS由于其高昂的仪器费用和维护费用使得很多实验室望而却步。原子荧光光谱法基于其对汞的高灵敏度、低检出限、以及几乎不存在干扰等优点，目前已经成为国内测定汞的主要分析方法[12-14]。

如果能够采用一种高效、绿色、环保的预富集方式，将有可能使得汞的分析检出浓度大大降低。浊点萃取(CPE)便是一种对多种分析物进行预浓缩和分离的环保程序，特别是对于汞元素来说，整个萃取过程避免了汞的挥发损失，能够具有高效的萃取效率。并且浊点萃取的过程不消耗或消耗最少的有毒有机溶剂，因此，它被称为绿色萃取过程[15-17]。利用浊点萃取富集金属离子，其中最为关键是络合剂的选用，只有让金属离子形成稳定的疏水型化合物，才能被表面活性剂高效地萃取。因此，在众多的金属络合萃取剂中选择合适的络合剂至关重要，比如1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)[18]、2-(5-溴-2-吡啶偶氮)-5-(二乙氨基)苯酚(5-Br-padap)[19]、吡咯烷二硫代氨基甲酸铵(APDC)[20]、二乙基二硫代氨基甲酸钠(DDTC)[21]、O，O-二乙基二硫代磷酸铵(DDTP)[22]、双硫腙[23]、甲基绿-碘化钾[20]、硫代米蚩酮(TMK)[24]等。

实验采用超声辅助-浊点萃取的方式，筛选出硫代米蚩酮作为络合剂，在超声辅助条件下，采用非离子表面活性剂Triton X-114萃取水样中的汞，然后对富集水样进行酸化和消泡处理后，利用原子荧光光谱仪进行测定，建立检出限更低和灵敏度更高的浊点萃取-原子荧光光谱法。

1 实验部分

1.1 实验仪器

AFS-8520原子荧光光度计(北京海光仪器公司)。

仪器设定条件：载气(氩气)流量300 mL/min，屏蔽气流量800 mL/min，负高压270 V，灯电流20 mA，读数方式为峰面积，读数时间12 s。

P300H型超声波清洗器(德国Elma公司)：超声波频率80 kHz，加热温度50 ℃。

TGL-16型高速台式冷冻离心机(湖南湘仪集团)：转速3 000 r/min，离心温度15 ℃。

1.2 实验试剂

所有试剂纯度均为分析纯以上，并且在测试范围内空白未检出。汞标准储备液浓度为100 mg/L(国家环境保护总局标准样品研究所研制)，临用前由储备液逐级稀释至所需浓度。

硫代米蚩酮(C17H20N2S，上海麦克林生化科技有限公司)溶液：0.08 g硫代米蚩酮(分析纯)溶于100 mL乙醇中。

Triton X-114溶液(5%)：5 mL Triton X-114溶于95 mL纯水中。

消泡剂：磷酸三丁酯与乙醇1∶1(V/V)混合配制。

硼氢化钾溶液(20 g/L)：5 g硼氢化钾(优级纯)溶于250 mL的氢氧化钠(优级纯)水溶液(5 g/L)中，临用现配。

5%盐酸溶液：200 mL盐酸(优级纯)溶于3.8 L纯水中。

1.3 浊点萃取步骤

取一定体积水样或汞标准溶液于离心管中，依次加入0.5 mL 硫代米蚩酮溶液，1.5 mL Triton X-114表面活性剂溶液，1 mL伯瑞坦-罗宾森缓冲溶液(pH≈3)。混合溶液在50 ℃超声水浴中超声处理5 min后浊化，然后在3 500 r/min的离心机中离心10 min。离心分层后的溶液在冰盐浴中冷却5 min，使得表面活性剂相变得凝固，然后用吸管小心移去上层水相(如图1所示)。向表面活性剂相中加入400 μL消泡剂，然后用5%盐酸溶液定容至5 mL，混匀待测。

图1 浊点萃取流程图Figure 1 Flowchart presentation of cloud point extraction.

1.4 样品处理

自来水：将自来水龙头放水20 min后，取水样2 000 mL并立刻用0.45 μm滤膜过滤，用HCl调节pH值至3～4后保存。饮用水源地湖水：在水源地取样口取样1 000 mL，用HCl酸化保存至实验室，用0.45 μm滤膜过滤，并调节pH值至3～4待测。

2 结果与讨论

2.1 萃取分离机理

为了充分利用表面活性剂胶束对金属离子进行有效提取，关键一步是利用配体化合物或者络合剂上的孤对电子，去抵消金属离子上的电荷，并与金属离子相结合形成疏水性金属络合物。

2.1.1 螯合剂的选择

通过对PAN、5-Br-padap、APDC、DDTC、DDTP、双硫腙、甲基绿-碘化钾、TMK七种络合剂进行初步筛选。结果发现，在酸性条件下双硫腙、TMK、APDC具有较高的萃取效率，但是双硫腙的试剂空白最高，APDC为无色溶液，相分离过程比较困难，因此放弃选用。

TMK易溶于热醇和苯，不溶于水和石油醚。TMK对汞的显色灵敏度很高，是因为在酸性条件下TMK发生异构现象，由酮式结构转变为烯醇式，生成的烯醇式化合物带有正电荷并能够和汞形成3∶1的配合物[24-25](如图2所示)，因此实验中采用乙醇为溶剂配制TMK溶液，作为浊点萃取中的螯合剂。

图2 硫代米蚩酮与汞离子作用机理Figure 2 Reaction mechanism of Thio-Michler′s ketone with mercury cation.

2.1.2 萃取过程

浊点萃取过程中，通常使用非离子型表面活性剂，将形成的疏水型化合物萃取到表面活性剂的胶束中，进而离心分离(如图1所示)。目前常见的有Triton X-100、Triton X-114等。其中Triton X-114的浊点温度约为40～50 ℃，而Triton X-100的浊点温度为100 ℃左右，虽然可以通过增加离子强度来降低浊点温度，但是会引入新的试剂。因此，本文选用Triton X-114作为萃取剂。

2.2 pH值对浊点萃取效率的影响

在浊点萃取过程中，pH值对络合物的形成及其化学稳定性起着重要作用。鉴于TMK本身不与汞反应，必须在酸性条件下发生异构反应生成烯醇式化合物才能与汞发生强烈结合，因此在pH值为2～9，考察了pH值对浊点萃取效率的影响。由图3可以看出，pH值在2～4的范围内汞的荧光值达到较大的范围，其中pH=3时荧光值最高。因此，后续实验中选用pH=3为最佳条件进行测试。

图3 pH值对汞的原子荧光强度的影响Figure 3 Effect of pH on atomic fluorescence intensity of mercury.

2.3 TMK用量对浊点萃取效率的影响

实验中采用TMK的乙醇饱和溶液作为络合剂，考察了TMK用量为0.2～1.5 mL对萃取效率的影响。在TMK用量为0.2～0.5 mL时，以1 mL 5%的Triton X-114为萃取剂，萃取完成后，上清液基本为无色；当TMK用量大于0.5 mL时，TMK不能完全被萃取进入表面活性剂相，上清液呈橙黄色。由图4实验结果可知，TMK的用量对萃取效率影响不大，0.5 mL的TMK足以结合溶液中的汞离子，且相对更好，因此后续实验中选用0.5 mL TMK的乙醇溶液为络合剂。

图4 TMK用量对汞的原子荧光强度的影响Figure 4 Effect of TMK quantity on atomic fluorescence intensity of mercury.

2.4 Triton X-114用量对浊点萃取效率的影响

以非表面活性剂Triton X-114为萃取剂，为降低萃取剂的黏度，以提高吸取过程中吸取量的准确度，实验中采用体积分数为5%的Triton X-114进行萃取。最理想的实验条件是在Triton X-114较低的浓度下获得最大的萃取效率，因为更多的表面活性剂增加了富集表面活性剂相的体积，从而导致最终分析溶液黏度的增加，影响仪器分析中的稳定性和精密度[20]。实验考察了萃取剂用量为0.2～1.5 mL对萃取效率的影响。由图5结果可知，相对较多的Triton X-114用量可以提高萃取效率，但为了降低黏度，选用1.0 mL Triton X-114溶液为萃取剂进行实验。

图5 Triton X-114对汞的原子荧光强度的影响Figure 5 Effect of Triton X-114 quantity on atomic fluorescence intensity of mercury.

2.5 浊点萃取的平衡条件

为了在最短的时间和较低的平衡温度下完成萃取，实验中采用了超声水浴的方式进行萃取平衡，对比与单纯的水浴加热，超声能够使得络合反应完全，并且提高萃取的效率和精密度。实验发现，单纯的水浴平衡，需要在50 ℃条件下，10 min左右完成萃取反应；而在超声条件下，5 min即可获得较高的萃取效率。超声辅助能够加速浊点萃取过程，但不能降低浊点温度。实验中尝试了加入NaCl或者Na2SO4来增加离子强度，以降低浊点温度，但会降低萃取效率。因此，选用超声辅助-加热萃取的方式完成萃取平衡过程。

2.6 共存离子的干扰

由文献[25]可知，TMK在pH值约为3的溶液中对汞具有较好的选择性，只有钯和金能被结合产生干扰，而对砷、钡、铋、镉、钴、铬(Ⅲ)、铁、锰(Ⅱ)、镍、锇、铷、锑、锡、锶、钍、铊、铀、锌或锆等金属粒子没有作用。钯和金的干扰只取决于TMK浓度，大多数水样中钯和金的浓度通常很低，实验选用的TMK摩尔浓度是汞标准溶液的105倍，因此可以消除它们对汞提取和测定的干扰。

2.7 方法性能的讨论

在优化的实验条件下，以检出限、方法精密度和准确度为特性指标，考察了该方法对50 mL样品的分析性能。在设定仪器条件下，采用原子荧光光谱仪以0、0.2、0.4、0.8、1.6和2.0 μg/L六个汞浓度的荧光值绘制标准曲线，并对富集萃取后的水样进行分析。上机分析之前，在样品中加入400 μL磷酸三丁酯乙醇溶液为消泡剂，以消除大量气泡对原子荧光光谱测定过程中的影响。

2.7.1 方法检出限

鉴于空白实验中未检测出汞，采用空白试样加标样品进行检测限的测定。取2.0 μg/L的汞标准使用液0.5 mL于50 mL离心管中，调节pH值3左右并定容至刻度线，依此方法配制加标浓度为0.020 μg/L的加标样品7份。按照浊点萃取程序，依次加入TMK溶液、Triton X-114溶液，经过超声辅助萃取和低温冷却，加入消泡剂后上机测定，测试结果如表1所示。根据HJ 168—2020的要求，以MDL=t(n-1，0.99)×S计算方法检出限，得到本方法检出限可以达到0.003 μg/L，能够比现行原子荧光光谱法测定水中汞的检出限0.04 μg/L低一个数量级。

表1 空白加标样品测定结果

2.7.2 方法精密度与准确度

按照浊点萃取程序，对浓度为0.020、0.050、0.100 μg/L三个浓度的空白加标样品进行富集预处理，然后利用原子荧光光谱仪进行测试，相对标准偏差分别为8.6%、5.6%和4.2%，如表2所示。低浓度样品的相对标准偏差相对更高，高浓度样品的精密度更好，符合分析测试的规律，可以满足测试方法对精密度的要求。从准确度方面分析，以均值来计算空白样品的加标回收率，三个浓度的加标回收率分别为85.0%、106%和91%，说明该方法具有很好的的准确度。

表2 方法精密度与准确度实验

2.7.3 实际样品分析

为了考察该方法分析实际水样中汞含量的适用性，通过对地表水和自来水两种水样的分析来评价。经过0.45 μm滤膜过滤并酸化的地表水和自来水，按照最优浊点萃取条件进行预富集，富集倍数为10。由于预富集处理，本方法对水中汞测定灵敏度明显提高，能够检测出高于直接分析方法检出限的汞含量。经过平行测定6份地表水样品，浓度分别为0.032、0.036、0.035、0.039、0.036和0.039 μg/L，相对标准偏差为4.6%，具有良好的测试稳定性。通过不同浓度水样的加标测试，地表水和自来水测定结果的加标回收率分别92.5%～98.5%和88.5～101%，说明方法具有良好的准确度。

3 结论

利用绿色、环保、高效的超声辅助浊点萃取的方法，结合硫代米蚩酮络合剂对水样中汞的良好选择性和高度敏感性，实现了水样中汞的浓缩和预富集。在消泡剂的存在下，利用原子荧光光谱仪对制备的水样进行分析测定。研究结果表明，该方法的检出限能够低于现行水质分析标准，并且具有较为满意的精密度和良好的加标回收率，能够实现水中的痕量分析。该方法具有很好的应用前景和通用性，可以作为原子荧光光谱法测定水样中汞的补充方法，满足超低含汞浓度水样的分析和监测。