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提高分析方法的灵敏度和选择性一直都是新分析方法研发的重要目标,固相萃取(SPE)是提高灵敏度、改善选择性的有效途径。本课题组基于SPE操作后不经洗脱而直接测定吸附材料上光谱的思路,发展了固相萃取光谱(SPES)技术[1]。该技术不仅操作简单,而且灵敏度显著提高,已经用于低含量的色素、重金属、多环芳烃等组分的快速检测[2-6]。应用SPES技术检测重金属时,先用显色剂与金属离子生成有色络合物,再采用膜固相萃取将络合物富集在小面积的膜上,最后在膜上测定漫反射光谱[2]。由于显色剂通常都是有色的,而且也可以与其他金属离子发生显示反应,因此上述方法一般不易解决干扰问题。本文提出了富集-部分洗脱-固相光谱测定的解决方案,在一定程度上消除或补偿了采用SPES方法测定Hg2+时显色剂的干扰问题,同时使用掩蔽剂去除共存Cu2+、Cd2+的干扰,达到同时提高方法灵敏度和选择性的目的。
汞及其化合物具有毒性强,且易在人体内累积的特点[7],对人的神经系统、肝脏、肾脏等部位会造成很大程度的损害[8-9],是世界各国长期关注的一种重金属。目前测定汞的常用方法有双硫腙分光光度法[10]、原子吸收法[11-12]、原子荧光法[13-14]、电感耦合等离子体原子发射法[15]等。国家标准GB2762—2017规定了矿泉水中汞的质量浓度不得超过0.001 mg/L。常规双硫腙分光光度法很难达到如此低的检出限,同时,该方法需要进行萃取洗脱,步骤繁琐,抗干扰能力差。
本文采用SPES技术大幅提高了水中汞离子检测的灵敏度。用双硫腙络合水中汞离子,并富集到混合纤维素膜上,而后用碱洗除去膜上过量的双硫腙,最后直接采集膜上固相光谱用于定量分析。本文方法设备简单、灵巧便携、操作简便,而且灵敏度和选择性都比较高,适用于水质中汞离子的快速检测和现场检测。
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固相萃取-固相光谱联用仪器(本实验室研发[4]);PHS-25型数字型精密酸度计(梅特勒-托利多(上海)仪器有限公司);超纯水净化系统(SARTORIUS arium 611DI型,德国赛多利斯集团);AB104-N电子天平(梅特勒-托利多(上海)仪器有限公司)。
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混合纤维素膜A(孔径0.22 μm,上海兴亚净化材料厂),尼龙膜(孔径0.22 μm,上海兴亚净化材料厂),聚醚砜膜(孔径0.22 μm,上海兴亚净化材料厂),混合纤维素膜B(孔径0.22 μm,天津津腾有限公司),硝酸汞(纯度98%,阿法埃莎化学有限公司),浓硝酸(分析纯,国药集团化学试剂有限公司),双硫腙(分析纯,国药集团化学试剂有限公司),丙酮(分析纯,上海阿拉丁试剂有限公司),氢氧化钠(分析纯,上海阿拉丁试剂有限公司),乙二胺四乙酸(EDTA)二钠(分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司),河水样品(采自华东理工大学青春河)。
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100 mg/L Hg2+溶液:称取0.016 2 g Hg(NO3)2,用pH=2的超纯水(浓硝酸调节)定容至100 mL,逐级稀释至所需浓度。现配现用。
100 mg/L双硫腙溶液:称取0.01 g双硫腙,用丙酮溶解并定容至100 mL。
6 mg/L双硫腙溶液:取6 mL100 mg/L双硫腙溶液,用丙酮定容至100 mL。
2 g/L碱洗液:称取2 g NaOH溶于超纯水中,加入2.5 g EDTA二钠,定容至1 L。
0.21 g/L EDTA二钠掩蔽溶液:称取0.021 mg EDTA二钠溶于热超纯水,定容至100 mL。
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实验中所用水均为超纯水,所用玻璃仪器均先用洗衣粉清洁,再用10%(质量分数)的硝酸浸泡15 min,然后用超纯水冲洗3次。
Hg2+可与络合剂双硫腙发生络合反应生成橙色络合物,但是由于加入的络合剂双硫腙是深绿色的,且过量,因此,将反应后的溶液过滤富集到混合纤维素膜,然后直接向膜上滴加碱洗液,洗掉膜上剩余双硫腙,膜上富集物颜色由深绿色变为橙色。
取30.0 mL预先用浓硝酸调至pH=2的样品溶液,加入1 mL质量浓度为6 mg/L的双硫腙丙酮溶液,置于样品架,反应4 min。将混合纤维素膜放置在砂芯上,加置滤杯和溶剂输入装置。打开仪器操作软件,开启真空泵使真空度控制在0.06 MPa,负压上样。溶液经由管道富集到微孔滤膜上,滤液流至收集瓶中。进样完成后,滴加2 mL碱洗液。取出滤膜,热风干燥。干燥后的滤膜无需洗脱,直接在线采集滤膜上样品点的可见光谱,取479.3 nm处吸光度值进行定量分析。
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pH是汞-双硫腙络合物形成的关键因素。络合反应为:Hg2++2H2L=Hg(HL)2+2H+(其中H2L是双硫腙)。低pH容易引起络合物Hg(HL)2的分解,而高pH可能导致Hg2+的水解。实验考察了pH为1~6范围内,pH对溶液中形成Hg-双硫腙络合物的影响。结果如图1所示,在pH=2时,膜上汞-双硫腙络合物在最大吸收波长处获得最大吸光度,因此后续选择pH=2的溶液进行实验。
考察了2~25 min时反应时间对络合物吸光度的影响,结果如图2所示。当反应时间为4 min时,络合物的吸光度最大,且比较稳定。随着反应时间继续增加,反应生成的络合物可能逐渐分解而导致络合物的吸光度降低。因此,后续实验选择反应时间为4 min。
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用30 mL质量浓度为7 μg/L Hg2+溶液,考察了4种常用微孔滤膜(混合纤维素膜A、混合纤维素膜B、尼龙膜、聚醚砜膜)富集汞-双硫腙络合物的性能。按实验方法进行富集和光谱测定。结果显示,混合纤维素膜A的富集效果最佳,吸光度值最大。其他种类膜存在富集不均匀、易扩散、没有明显富集效果、光谱信号弱等问题,故后续实验中选择混合纤维素膜A进行实验。
考察10~175 mL范围内溶液体积对膜富集的效果。当Hg2+溶液的质量浓度为7.0 μg/L、pH为2、真空度为0.06 MPa时,按照1.4节方法进行富集,结果如图3所示,随着样品体积从10 mL增加到100 mL,最大吸收波长处络合物的吸光度明显增加;当样品体积从100 mL增加到170 mL时,络合物的吸光度趋于平稳。从富集时间、效率、稳定性以及后续标准曲线等方面考虑,选择30 mL的样品体积进行后续实验。
在富集真空度为0.015~0.08 MPa时,富集真空度的改变对富集效果影响不大。综合考虑操作时间、富集效率、真空度稳定性等因素后,最终选择富集的真空度为 0.06 MPa。
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在确定溶液体积的前提下,络合剂双硫腙溶液的质量浓度和碱洗溶液质量浓度是优化汞-双硫腙膜富集的重要参数,因为两种溶液的质量浓度均会影响膜上络合物的富集量,即影响膜上光谱的测定结果。加入1 mL 3.0~10.0 mg/L双硫腙溶液并富集完成后,再滴加2 mL 0.4~4.0 g/L碱溶液以洗去过量双硫腙,干燥后测定膜上光谱,考察碱和双硫腙质量浓度对汞-双硫腙络合物吸光度的影响,结果如图4所示。
图 4 碱和双硫腙质量浓度对汞-双硫腙络合物吸光度的影响
Figure 4. Effect of mass concentration of alkaline and dithizone on absorbance of Hg-dithizone complex
由图4可得,加入1 mL 6 mg/L双硫腙溶液并完成富集后,滴加2 mL 2 g/L碱溶液洗去过量双硫腙条件下测得的膜的吸光度值最大。因此,后续实验选择先加入1 mL 6 mg/L双硫腙溶液,富集完成后,再滴加2 mL 2.0 g/L碱溶液以洗去过量双硫腙。
汞-双硫腙络合物溶液富集到混合纤维素膜上,经碱洗后测得的固相光谱见图5。比较图中双硫腙溶液、汞-双硫腙络合物溶液(双硫腙过量)和碱洗汞-双硫腙络合物的固相光谱可知,显色反应中过量的双硫腙会对络合物的光谱测定造成明显干扰,通过碱洗的方式,可去除其干扰,络合物的吸收峰在479.3 nm。因此后续选择碱洗后的固相光谱进行分析,分析波长选择479.3 nm。
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在最佳实验条件下,探究了Hg2+质量浓度(0.5~50 μg/L)与吸光度的关系,结果如图6所示。在该质量浓度范围内,吸光度(y)与Hg2+质量浓度(x)呈二次函数关系(y=−0.000 127x2+0.014 2x+0.092 9),相关系数R2=0.995。在较小质量浓度(0.5~30 μg/L)范围内,它们呈良好的线性关系(y=0.010 7x+0.105),相关系数R2=0.993。利用9次空白样品计算其标准偏差(S),按3倍标准偏差估算本实验方法的检出限(3S/k,k为线性标准曲线斜率)为0.444 μg/L。该方法的检出限低,明显优于传统的双硫腙分光光度法。
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为了评估所建立方法的选择性,考察了实际样品中可能存在的几种无机离子的干扰。当一定浓度的某物质引起待分析物的检测信号变化超过±5%时,认为此浓度的某物质对待分析物检测构成干扰,此时干扰物质质量与待分析物的质量之比称为容忍比。容忍比越小,干扰越强。结果表明,K+、Na+、
${\rm{NO}}_3^- $ 、${\rm{PO}}_4^{3-}$ 、${\rm{SO}}_4^{2-}$ 、CH3COO−等无机离子对检测无干扰,Fe3+、Pb2+的容忍比为1 000,Zn2+、Co2+的容忍比为2 000,Mg2+的容忍比为3 000,Ca2+、Al3+的容忍比为5 000。Cu2+和Cd2+的容忍比为5,显然会严重干扰Hg2+的测定。原因是Cu2+和Cd2+容易生成铜/镉-双硫腙络合物[16],并在479.3 nm附近产生强烈吸收,因此使用掩蔽剂EDTA二钠掩蔽Cu2+和Cd2+对Hg2+的干扰。已知EDTA二钠与M2+(M为Cu、Cd)的络合比为1∶1,过量的EDTA二钠不会对汞和双硫腙的络合反应产生干扰。为确保溶液中干扰离子Cu2+和Cd2+被完全掩蔽,且尽量减少试剂的添加量,加入干扰离子的EDTA二钠(干扰离子与EDTA二钠物质的量之比1∶1.2)掩蔽溶液。实验结果表明,加入EDTA二钠可有效消除干扰离子的干扰,Cu2+和Cd2+的容忍比提高至1 000和1 500。 -
为了检验所建立方法的准确性和实用性,本文将其用于河水和自来水样品中Hg2+含量的测定。将河水样品和自来水样品用微孔尼龙滤膜过滤,然后使用固相前处理柱Ag柱和H柱处理[17-18],滤液用于后续检测。用电感耦合等离子体质谱法以及本文方法对河水样品进行检测,均未检出Hg2+,为此在样品中添加10、15、20 μg/L的Hg2+进行加标回收实验,结果见表1。
Sample ρ(Hg2+)/(μg·L–1) R/% RSD/%
(n=5)ρ(ICP-MS)/(μg·L−1) R(ICP-MS)/% Addition Detection River-water — — — — — — 10 9.76 97.6 9.68 8.4 84.0 15 15.2 101.5 4.02 13.7 91.3 20 20.1 100.4 3.84 18.2 91.0 Tap-water — — — — — — 10 10.8 108.0 2.06 8.5 85.0 15 13.7 91.3 2.40 12.5 83.3 20 19.3 96.5 6.19 18.1 90.5 表 1 所建立方法对河水和自来水样品中Hg2+浓度的测定
Table 1. Determination of Hg2+ concention in river and tap-water samples
表1显示,使用本方法测定的Hg2+在河水中的回收率(R)范围是97.6%~101.5%,5次平行实验相对标准偏差(RSD)在3.84%~9.68%之间。Hg2+在自来水中的R范围是91.3%~108.0%,5次平行实验RSD在2.06%~6.19%之间。与ICP-MS检测结果进行对比分析,两种检测R均在80%~110%之间,结果满足日常分析要求,说明本方法与ICP-MS检测结果基本一致,证明了本文提出的富集-部分洗脱-固相光谱法可用于河水、自来水水样中Hg2+含量的检测。
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(1)采用SPES技术可大幅提高水中Hg2+检测的灵敏度。
(2)采用碱洗除去膜上过量的双硫腙,在线采集膜上固相光谱用于定量分析。对于可能存在的干扰物,使用EDTA二钠掩蔽,提高了方法的选择性。
(3)设备简单价廉、灵巧便携、操作简便,适用于水质中Hg2+的快速检测和现场检测。
富集-部分洗脱-固相光谱法快速测定水样中痕量汞离子
Rapid Determination of Trace Hg2+ in Water with Enrichment-Part Elution-Solid Phase Spectroscopy
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摘要: 基于实验室研发的固相萃取-固相光谱联用仪测试手段,提出了一种有效解决干扰,快速、灵敏检测河水中Hg2+的方法。以双硫腙为显色剂,将溶液中的Hg2+生成橙色的汞-双硫腙络合物,以混合纤维素膜为富集材料,将该络合物富集到膜上,在膜上进行碱洗去除多余的双硫腙后,直接测定膜的漫反射可见光谱,实现Hg2+的定量分析。采用碱选择性地洗脱过量双硫腙,通过加入乙二胺四乙酸(EDTA)二钠掩蔽剂去除Cu2+、Cd2+对Hg2+的干扰,有效解决了干扰问题。在最佳操作条件下,标准曲线的线性范围为0.5~30 μg/L,相关系数(R2)为0.993,检出限为0.444 μg/L。将该方法用于河水、自来水中Hg2+的检测,加标回收率为91.3%~108.0%,相对标准偏差为2.06%~9.68%。Abstract: By using a hyphenated solid phase extraction (SPE) and solid phase spectroscopy designed by our group, a rapid, sensitive and selective method for detecting Hg2+ in river water is developed. Hg-dithizone produced with dithizone and Hg2+ can be enriched on a mixed cellulose membrane, and the residual dithizone was removed by washing the membrane with sodium hydroxide solution. Then, visible diffuse reflectance spectroscopy was used for the quantitative analysis of Hg2+ in situ. As such, unwanted interference from other contaminants was minimized by washing the membrane to remove dithizone; EDTA disodium is also added to mask Cu2+ and Cd2+. Under the optimal conditions, the liner range of the method is 0.5−30 μg/L with a squared correlation coefficient of 0.993, and the limit of detection is 0.444 μg/L. The method is applied to the quantification of Hg2+ in tap-water and river water. The recovery rates achieve 91.3%−108.0%, and the relative standard deviations of parallel tests range from 2.06 to 9.68. This work offers a fast method for the determination of Hg2+ in river water with high sensitivity and selectivity.
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Key words:
- solid phase extraction spectroscopy /
- Hg2+ /
- visible spectroscopy /
- masking /
- waste water
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表 1 所建立方法对河水和自来水样品中Hg2+浓度的测定
Table 1. Determination of Hg2+ concention in river and tap-water samples
Sample ρ(Hg2+)/(μg·L–1) R/% RSD/%
(n=5)ρ(ICP-MS)/(μg·L−1) R(ICP-MS)/% Addition Detection River-water — — — — — — 10 9.76 97.6 9.68 8.4 84.0 15 15.2 101.5 4.02 13.7 91.3 20 20.1 100.4 3.84 18.2 91.0 Tap-water — — — — — — 10 10.8 108.0 2.06 8.5 85.0 15 13.7 91.3 2.40 12.5 83.3 20 19.3 96.5 6.19 18.1 90.5 -
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