正交設(shè)計優(yōu)化濁點(diǎn)萃取-石墨爐原子吸收光譜法測定環(huán)境水樣中痕量Cd(Ⅱ)

李 姍, 王 梅, 楊冰儀, 古嘉平

(廣東藥學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，廣東省分子流行病學(xué)重點(diǎn)實驗室，廣東廣州 510310)

鎘是一種主要的環(huán)境污染物，在生物體內(nèi)的半衰期長達(dá)10～30年[1]，它具有強(qiáng)致癌、致畸性和致突變的作用。美國毒物管理委員會已將其列為第6位危害人類健康的有毒物質(zhì)[2]。由于環(huán)境水樣中Cd(Ⅱ)含量較低，基體復(fù)雜，直接測定痕量或者超痕量Cd(Ⅱ)較困難，因此測定前需對其進(jìn)行分離和富集。濁點(diǎn)萃取法(Cloud Point Extraction,CPE)作為一種有效的分離富集方法，因具有試劑消耗量小、富集倍數(shù)大、操作簡便和不使用揮發(fā)性的有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于痕量金屬元素的分離富集[3，4]。

目前，CPE已與分光光度法[5]、原子吸收光譜法[6]和電感耦合等離子發(fā)射光譜技術(shù)[7]結(jié)合用于痕量Cd(Ⅱ)的測定。采用的表面活性劑主要是Triton X-114[8]、Triton X-100[9]和PONPE 7.5[10]，而使用Triton X-45尚未見報道。表面活性劑Triton X-45相較于以上表面活性劑具有更低濁點(diǎn)溫度及疏水性強(qiáng)[11]，更易于實現(xiàn)表面活性劑相與水相分離。此外，對于濁點(diǎn)萃取條件的優(yōu)化，文獻(xiàn)報道的主要采用單因素實驗，未考慮到其它因素對結(jié)果的影響。本文以8-羥基喹啉為螯合劑、Triton X-45為表面活性劑，采用L27(313)正交表進(jìn)行正交試驗優(yōu)化濁點(diǎn)萃取條件，并與石墨爐原子吸收(Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry，GFAAS)檢測技術(shù)聯(lián)用，建立了測定水樣中痕量Cd(Ⅱ)的新方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

Z-2000型原子吸收分光光度計(日本，日立公司)，配縱向加熱石墨爐原子化器，縱向交流塞曼效應(yīng)背景校正器，自動進(jìn)樣器。DK-600型三用恒溫水箱(上海精密實驗設(shè)備有限公司)；Anke KA-1000型臺式離心機(jī)；pHS-3C精密酸度計(上海虹益儀器儀表有限公司)；SZ-97自動三重水蒸餾器(上海亞榮生化儀器廠)。

Cd(Ⅱ)系列標(biāo)準(zhǔn)溶液由濃度為1 000 mg/L Cd(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液(核工業(yè)北京化工冶金研究所)逐級稀釋得到；1%8-羥基喹啉乙醇溶液；5%Triton X-45水溶液；含1%HNO3的甲醇；pH=9.0的硼酸鈉緩沖溶液；10 g/L NH4H2PO4溶液。試劑均為分析純，實驗用水為三次蒸餾水。實驗所用器皿均用5%HNO3浸泡24 h后使用。

1.2 儀器工作條件

GFAAS的工作條件為：Cd(Ⅱ)的測定波長228.8 nm，燈電流7.5 mA，光譜通帶寬度1.3 nm，進(jìn)樣量20 μL，基體改進(jìn)劑NH4H2PO4溶液進(jìn)樣5 μL，以峰高定量。石墨爐升溫程序見表1。

表1 石墨爐升溫程序

1.3 實驗方法

1.3.1濁點(diǎn)萃取步驟準(zhǔn)確移取0.50 mL 2.00 μg/L Cd(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)溶液(或6 mL樣品溶液)于10 mL離心管中，依次加入5%Triton X-45溶液0.4 mL，1%8-羥基喹啉溶液0.2 mL，2.0 mL 硼酸鈉緩沖液，用三次蒸餾水定容至10 mL。擰緊離心管蓋子，搖勻，置于40 ℃恒溫水浴中加熱15 min后，取出，立即趁熱置于離心機(jī)中以3 500 r/min離心10 min。取出，置于冰水浴中冷卻10 min，使富集相變成粘滯的液相，棄去水相后加入0.3 mL含1%HNO3的甲醇降低富集相粘度后，按儀器工作條件進(jìn)行測定。

1.3.2樣品測定自來水和河水樣品用0.45 μm孔徑的濾膜過濾后，調(diào)節(jié)pH為中性，按優(yōu)化濁點(diǎn)萃取條件萃取后，以優(yōu)化的GFAAS條件測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗優(yōu)化萃取條件

為考察緩沖溶液pH、8-羥基喹啉的用量、Triton X-45的濃度、水浴溫度和水浴時間五個因素對Cd(Ⅱ) 萃取率的影響，根據(jù)單因素實驗結(jié)果，引入L27(313)正交表進(jìn)行正交試驗。正交試驗設(shè)計各因素和水平見表2，正交實驗結(jié)果見表3。

表2 濁點(diǎn)萃取的因素與水平

表3 L27(313)正交試驗處理組合與結(jié)果統(tǒng)計

(續(xù)表3)

No.ABABABCACACeDeeEeAbsorbance713331113332220.2551813332221113330.2120913333332221110.23981021231231231230.20291121232312312310.27171221233123123120.15201322311232313120.21541422312313121230.16491522313121232310.22461623121233122310.21581723122311233120.25661823123122311230.30371931321321321320.16922031322132132130.10722131323213213210.15212232131322133210.13082332132133211320.18852432133211322130.22102533211323212130.14912633212131323210.20712733213212131320.1360k10.22190.18170.22190.18170.18510.22190.18170.16160.1894k20.22300.20610.22300.22610.21070.22300.22610.20740.2086k30.16230.21950.16230.21950.21150.16230.21940.23840.2094R0.06070.03780.06070.04440.02640.03780.04440.04780.0202

Note:e represents the empty columns.

通過SAS9.0軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明：各因子和交互作用的主次順序為：水浴溫度>pH>8-羥基喹啉濃度>Triton X-45濃度>pH與8-羥基喹啉濃度的交互作用>水浴時間(p<0.05)，而pH與Triton X-45濃度的交互作用，差異不顯著(p>0.05)。因此，根據(jù)表3的極差分析， A2B3C3D3最合適，由于E因素E2和E3與E1差異顯著，而E2與E3差異并不顯著，出于節(jié)省分析時間和能源的考慮，選擇E2。A與B因素的交互作用，在A2B3的條件下，濁點(diǎn)萃取Cd(Ⅱ)的吸光度最大，最佳條件與極差分析結(jié)果相同。

綜上所述，采用8-羥基喹啉與Triton X-45體系對Cd(Ⅱ)進(jìn)行濁點(diǎn)萃取，最優(yōu)條件為A2B3C3D3E2，即pH=9.0、8-羥基喹啉濃度為0.02%、Triton X-45濃度為0.20%，水浴溫度40 ℃，水浴時間15 min。

2.2 共存離子的干擾

考察了常見的金屬離子對測定Cd(Ⅱ)的干擾。結(jié)果表明，當(dāng)相對誤差為±5%時，對0.1 μg/L的Cd(Ⅱ)， 5 000倍的K+、Na+，2 000倍的Mg2+，1 000倍的Ca2+、Al3+，500倍的Fe3+、Zn2+，20倍的Pb2+對測定沒有影響，可見方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.3 工作曲線和線性范圍、檢出限、精密度

在優(yōu)化條件下，繪制了工作曲線，結(jié)果表明Cd(Ⅱ)的濃度(c)在0.05～0.50 μg/L范圍內(nèi)與吸光度(A)呈線性，工作曲線方程為：A=0.9014c(μg/L)+0.0211，相關(guān)系數(shù)r=0.9994，富集倍數(shù)為18.4。以平行萃取Cd(Ⅱ)空白溶液測定吸光度的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差除以工作曲線的斜率(3S/K)定義檢出限，其檢出限為1.7 ng/L。對濃度為2.00 μg/L的Cd(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)溶液平行富集6次后測定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.54%。

2.4 樣品測定及回收率實驗

以所建立的CPE-GFAAS方法測定了廣州市自來水和某兩條河涌水樣中Cd(Ⅱ)的含量，并進(jìn)行加標(biāo)回收率實驗，結(jié)果見表4。加標(biāo)回收率為96.2%～101.5%，結(jié)果滿意。

表4 河水水樣分析及加標(biāo)回收率(n=3)

2.5 目前濁點(diǎn)萃取與原子吸收聯(lián)用技術(shù)的比較

表5列出了近年來濁點(diǎn)萃取與原子吸收光譜聯(lián)用測定Cd(Ⅱ)的方法，其中未見Triton X-45 的報道，從表中可以明顯發(fā)現(xiàn)Triton X-45濁點(diǎn)溫度低的優(yōu)勢。此外，本方法相對其它方法，檢出限(LOD)較低，并且在相同富集體積的情況下，具有較高的富集倍數(shù)。

表5 已報道方法與本分析方法的比較

TAN:1-(2-thiazolylazo)-2-naphthol； APDC:Ammonium pyrolidine dithiocarbamate；PMBP:1-phenyl-3-methyl-4-benzoyl-5-pyrazolone ；5-Br-PADAP:2-(5-Bromo-2-pyridylazo)-5-(diethylamino)phenol；DDTP:ammonium O,Odiethyl dithiophosphate.

3 結(jié)論

Triton X-45作為表面活性劑具有較低的濁點(diǎn)溫度，利用其萃取 8-羥基喹啉與Cd(Ⅱ)生成的螯合物，分相后的表面活性劑富集相中加入含1%HNO3的甲醇稀釋后可直接進(jìn)行測定。采用正交試驗的方法優(yōu)化實驗條件，根據(jù)實驗結(jié)果，可以更加客觀嚴(yán)謹(jǐn)?shù)嘏袛喔饕蛩貙腿÷视绊懙拇笮?，從而指?dǎo)優(yōu)化方案的選擇，對于8-羥基喹啉作螯合劑，Triton X-45作濁點(diǎn)萃取劑萃取其他痕量金屬離子也有指導(dǎo)的意義。該方法用于測定水樣中痕量Cd(Ⅱ)是可行的，獲得的結(jié)果滿意。