氨基化有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱分離富集環(huán)境水中五價(jià)砷

趙靈瑜，胡忻，陳逸珺，練鴻振，*

(1. 生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心，江蘇 南京 210093)

·監(jiān)測(cè)技術(shù)·

氨基化有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱分離富集環(huán)境水中五價(jià)砷

趙靈瑜1，胡忻2，陳逸珺2，練鴻振1，2*

(1. 生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心，江蘇 南京 210093)

將四乙氧基硅烷(TEOS)和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷(AEAPTES)作為共聚前體，采用在毛細(xì)管內(nèi)原位聚合的方式制備得到氨基功能化的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱，將其作為針式固相微萃取(SPME)介質(zhì)，建立了現(xiàn)場(chǎng)分離富集環(huán)境水中As(V)的SPME方法，優(yōu)化了有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱富集As(V)的實(shí)驗(yàn)條件，并研究了整體柱對(duì)As(V)的吸附/洗脫性能和富集能力，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境水樣中As(V)的高效、快速、高選擇性檢測(cè)。

有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱；電感耦合等離子質(zhì)譜；五價(jià)砷；固相微萃取

在環(huán)境及生物體中，元素的生物活性、可利用性以及毒性與其存在的化學(xué)形態(tài)有著密切的聯(lián)系，因此元素形態(tài)分析受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。砷是一種常見(jiàn)的對(duì)人體有害的毒性元素[1]，長(zhǎng)期生活在含砷的水體環(huán)境中會(huì)引發(fā)多方面的疾病，如皮膚、肺部、肝臟癌癥甚至基因變異等，砷已經(jīng)被列為一級(jí)致癌物質(zhì)[2-5]。環(huán)境水體中砷主要以2種無(wú)機(jī)砷形態(tài)存在，分別為As(Ⅲ)和As(V)，其中As(Ⅲ)毒性較強(qiáng)，As(V)毒性相對(duì)較弱[1，6-7]。因此，研發(fā)能夠快速分離、富集、檢測(cè)水體中不同形態(tài)砷的方法非常必要。

固相微萃取(SPME)是利用涂敷在一小段毛細(xì)管上的固定相進(jìn)行萃取的一種簡(jiǎn)單、無(wú)溶劑化、體積小的樣品前處理技術(shù)，已成功應(yīng)用于痕量元素及其形態(tài)的分析領(lǐng)域[8-9]。而有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱作為新興的整體柱材料[10]，將有機(jī)聚合物整體柱和硅膠整體柱兩者結(jié)合，具有制備簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、溶劑耐受強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[11]，常用作SPME材料。

現(xiàn)利用四乙氧基硅烷(TEOS)和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷(AEAPTES)作為共聚前體，合成含氨基的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱作為SPME材料[11-12]，與ICP-MS聯(lián)用檢測(cè)水中As(V)。分別考察了As(Ⅲ)的干擾、pH值、流速、進(jìn)樣體積等因素對(duì)As(V)吸附效果的影響，建立一種能夠現(xiàn)場(chǎng)分離富集水中As(V)的針式SPME方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

ELAN 9000型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)(Perkin Elmer公司，美國(guó))。Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)(Hitachi集團(tuán)，日本)。Nicolet-6700型傅立葉變換紅外分光光度計(jì)(FT-IR)(Madison公司，美國(guó))。SevenMulti型pH計(jì)(Mettle-Toledo公司，瑞士)。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，98%)購(gòu)于日本TCI會(huì)社；AEAPTES為分析純，購(gòu)于奧然科技有限公司；TEOS為分析純，購(gòu)于Alfa Aesar公司；去離子水(18.2 MΩ·cm)來(lái)自Milli-Q純水系統(tǒng)(Millipore公司，美國(guó))；其他所有試劑均為分析純。

1 000.0 mg/L的As(Ⅲ)和As(V)儲(chǔ)備液分別由Na3AsO3和As2O5(Johnson Matthey公司，英國(guó))在去離子水中溶解得到，4 ℃保存，備用。其他低濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液于實(shí)驗(yàn)當(dāng)天稀釋得到。

1.3 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化毛細(xì)管整體柱的制備

用于制備整體柱的石英毛細(xì)管內(nèi)徑為530 μm，外徑為690 μm，購(gòu)于永年銳灃色譜器件有限公司。

氨基化有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱的制備方法參照文獻(xiàn)[11]，并做了適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

(1)毛細(xì)管活化。依次用1.0 mol/L氫氧化鈉溶液沖洗毛細(xì)管2 h，去離子水沖洗0.5 h，1.0 mol/L鹽酸沖洗2 h，然后用去離子水沖至中性，再用甲醇沖洗0.5 h，在160 ℃下氮?dú)獯蹈桑瑐溆谩?/p>

(2)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱原位合成。稱(chēng)取44.4 mg CTAB于1.5 mL離心管中，加入450 μL無(wú)水乙醇和150 μL去離子水，渦旋至CTAB完全溶解。然后快速移取320 μL TEOS和80 μL AEAPTES至離心管中，室溫下渦旋30 s，在0 ℃冰水浴中超聲30 s后，將混合液通入已活化好的毛細(xì)管中。將毛細(xì)管兩端用硅橡膠封口后，置于40 ℃烘箱中反應(yīng)20 h。

(3)整體柱清洗。反應(yīng)結(jié)束后，用硝酸/乙醇(V/V=1/200)充分洗滌毛細(xì)管，除去未反應(yīng)的共聚前體硅烷試劑和模板劑CTAB，最后用去離子水沖洗至中性，待用。

1.4 樣品采集

自來(lái)水取自南京大學(xué)鼓樓校區(qū)科學(xué)樓，雪水取自2016年1月南京大學(xué)仙林校區(qū)，長(zhǎng)江水取自長(zhǎng)江南京段。水樣可現(xiàn)場(chǎng)處理，或帶回實(shí)驗(yàn)室4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.5 水樣中As(V)的分離富集與檢測(cè)

截取5 cm制備的雜化整體柱，代替金屬針頭置于醫(yī)用注射器的端口。將一定體積經(jīng)0.45 μm乙酸纖維素膜過(guò)濾的水樣以指定的流速通過(guò)去離子水活化好的整體柱，使水樣中的As(V)被充分吸附，流出液可用于測(cè)定水樣中As(Ⅲ)。整體柱經(jīng)超純水洗滌后，通入少許空氣排凈柱內(nèi)殘留液。用指定體積的洗脫液洗脫，洗脫液中的As(V)用ICP-MS測(cè)定。

1.6 ICP-MS儀器工作條件

進(jìn)樣系統(tǒng)由小型氣旋霧化室和一個(gè)微型同心霧化器構(gòu)成。優(yōu)化后的ICP-MS工作條件見(jiàn)表1。

表1 ICP-MS工作參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 雜化整體柱的表征

雜化整體柱的形貌如圖1(a)所示。

通過(guò)SEM圖像可見(jiàn)，整體柱中整體材料與毛細(xì)管內(nèi)壁貼合緊密，保證了整體柱能夠承受較高的壓力和較大的流速；且材料結(jié)構(gòu)均一，存在大孔孔隙，使得整體柱材料能夠擁有較高的萃取效率，同時(shí)滲透性良好。

為保證AEAPTES成功地結(jié)合在整體骨架上，通過(guò)FT-IR以及元素分析對(duì)材料進(jìn)行了表征。由圖1(b)可見(jiàn)，整體柱材料中有較高含量的氮元素。同時(shí)，F(xiàn)T-IR圖譜中，位于2 929 cm-1的C-H峰、1647 cm-1的N-H峰、1 473 cm-1的C-N峰以及3 400 cm-1附近的-NH2寬峰可以證明材料中存在氨基官能團(tuán)，進(jìn)一步說(shuō)明AEAPTES成功摻雜在雜化整體柱骨架中。

圖1 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱的表征結(jié)果

2.2 整體柱吸附水中As(V)條件優(yōu)化

2.2.1 pH值及洗脫液選擇

圖2 雜化整體柱對(duì)不同pH值砷溶液的吸附效果

2.2.2 樣品流速

樣品流速也會(huì)影響As(V)在整體柱上的保留行為，流速過(guò)高水樣通過(guò)整體柱的時(shí)間過(guò)短，萃取不完全，流速過(guò)低則會(huì)使上樣所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，分析效率較低?，F(xiàn)考察了流速對(duì)As(V)吸附效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 流速對(duì)氨基雜化整體柱吸附As(V)的影響

由圖3可見(jiàn)，流速由50 μL/min到300 μL/min，對(duì)整體柱吸附As(V)的效率無(wú)明顯變化，吸附率>95%。而當(dāng)流速超過(guò)300 μL/min，柱子所承受的壓力較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易遭受破壞。考慮到柱材料的穩(wěn)定性以及實(shí)驗(yàn)效率等因素，最終選取 150 μL/min作為樣品溶液的流速以及洗脫流速。

2.2.3 進(jìn)樣體積和洗脫體積

進(jìn)樣體積和洗脫體積從一定程度上影響水樣的富集倍數(shù)。為考察As(V)濃度較低時(shí)進(jìn)樣體積對(duì)吸附率的影響，將As(V)質(zhì)量為200 ng的不同體積(1，2，5和10 mL)的As(V)溶液分別通過(guò)長(zhǎng)度為5 cm的氨基雜化整體柱。結(jié)果表明樣品進(jìn)樣體積在1～10 mL范圍內(nèi)，整體柱對(duì)As(V)的吸附率無(wú)明顯變化，均>95%。而當(dāng)通入樣品體積繼續(xù)增大時(shí)，整體柱開(kāi)始出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，柱結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞。因此進(jìn)樣體積確定為10 mL。

為了考察洗脫液體積對(duì)洗脫效果的影響，分別用200，500 μL和1 mL洗脫液進(jìn)行洗脫。結(jié)果表明3種體積的洗脫液洗脫效果無(wú)明顯差異，洗脫率均>95%。而ICP-MS檢測(cè)所需液體體積最少為200 μL，因此選擇洗脫液體積為200 μL。

2.3 整體柱的分析性能

2.3.1 吸附容量

吸附容量是整體柱性能的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，良好的吸附容量表示整體柱的性能較好。現(xiàn)將不同體積的pH值為5.0、質(zhì)量濃度為200 μg/L的As(V)溶液分別通過(guò)長(zhǎng)度為5 cm的氨基雜化整體柱，收集的流出液用ICP-MS測(cè)定。結(jié)果顯示，連續(xù)通入12 mL樣品后，整體柱對(duì)As(V)的吸附率仍然無(wú)明顯變化，始終>99%。說(shuō)明5 cm長(zhǎng)的氨基雜化整體柱對(duì)As(V)的吸附容量至少為2.4 μg(見(jiàn)圖4)。在實(shí)際水體中，As(V)的含量較少，多數(shù)質(zhì)量濃度低于1 μg/L，故氨基雜化整體柱的吸附容量足夠滿(mǎn)足實(shí)際水樣的測(cè)定需求。

圖4 氨基雜化整體柱對(duì)As(V)溶液吸附效果

2.3.2 可復(fù)用性

重復(fù)利用率是考察整體柱性能好壞以及分離富集方法是否合理的重要指標(biāo)之一。在優(yōu)化好的實(shí)驗(yàn)條件下，使用同一根整體柱進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在保持整體柱形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，吸附率和回收率均>90%的前提下，氨基雜化整體柱至少可以重復(fù)使用5次。

2.4 實(shí)際樣品檢測(cè)

為驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性及實(shí)用性，利用所建立的雜化整體柱檢測(cè)As(V)的SPME-ICP-MS方法對(duì)飲用水和天然水體中的As(V)進(jìn)行檢測(cè)，包括自來(lái)水，雪水及長(zhǎng)江水。結(jié)果如表2所示，As(V)的加標(biāo)回收率為82.2%～121.3%。在所采集到的水樣中，均只檢測(cè)到極微量的As(V)。

表2 實(shí)際樣品中As(V)的檢測(cè)結(jié)果(n=3)

3 結(jié)語(yǔ)

利用自制的氨基化有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化整體柱，建立了一種現(xiàn)場(chǎng)快速富集天然水樣中As(V)的方法，加標(biāo)回收率范圍為82.2%～121.3%。氨基功能化能夠特異性識(shí)別As(V)，不需要通過(guò)昂貴的HPLC-ICP-MS對(duì)砷元素形態(tài)進(jìn)行拆分即可排除As(Ⅲ)的干擾，保證了As(V)濃度測(cè)定的準(zhǔn)確性，操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，大大地降低了檢測(cè)成本。此方法對(duì)環(huán)境水樣中低濃度的As(V)檢測(cè)有良好的靈敏度、準(zhǔn)確度和精密度。所建立的SPME-ICP-MS方法適用于環(huán)境水中As(V)的測(cè)定。

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Separation and Preconcentration of As(V) in Environmental Waters by Aminated Organic-inorganic Hybrid Monolithic Column

ZHAO Ling-yu1， HU Xin2， CHEN Yi-jun2， LIAN Hong-zhen1，2*

(1.StateKeyLaboratoryofAnalyticalChemistryforLifeScience，SchoolofChemistryandChemicalEngineering，NanjingUniversity，Nanjing，Jiangsu210023，China； 2.CenterofMaterialsAnalysis，NanjingUniversity，Nanjing，Jiangsu210093，China)

Amino functionalized organic-inorganic hybrid monolithic column was prepared in situ in capillary using tetraethyl orthosilicate (TEOS) and N-(β-aminoethyl)-γ-aminopropyltriethoxysilane (AEAPTES) as copolymer precursors. The monolithic column was employed as the in-syringe extraction medium for solid phase micro extraction (SPME) to specifically adsorb As(V). We established a SPME method for separation and preconcentration of As(V) in environmental waters on site. We optimized the experimental conditions for enrichment of As(V) and studied the adsorption and elution capabilities of organic-inorganic hybrid monolithic column for As(V). Finally， it was realized to detect As(V) in environmental waters efficiently， fast and selectively.

Aminated organic-inorganic hybrid monolithic column； Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)； As(V)； Solid phase micro extraction (SPME)

2016-10-17；

2016-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21275069；21577057)；江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)科研基金資助項(xiàng)目(1409)

趙靈瑜(1991—)，女，博士在讀，從事環(huán)境生物樣品中元素形態(tài)分析方面研究。

*通訊作者：練鴻振 Email:hzlian@nju.edu.cn.

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1674-6732(2017)01-0021-04