富集技術(shù)與便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀聯(lián)用研究

溫曉東，陳路瓊，雷自榮，楊盛春

（大理大學(xué)藥學(xué)與化學(xué)學(xué)院，云南大理 671000）

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，現(xiàn)場分析已經(jīng)逐漸成為分析科學(xué)一個重要的發(fā)展方向，造價低廉、測定快速、便攜的現(xiàn)場分析儀器則一直是儀器分析領(lǐng)域的研究熱點。與傳統(tǒng)的實驗室分析儀器不同，一個理想的現(xiàn)場分析儀應(yīng)具有以下特點：響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r、在線分析；不需要或僅需要簡單的樣品前處理；體積小巧，便攜；能量供應(yīng)簡單。

在元素分析領(lǐng)域中，原子吸收光譜（AAS）分析技術(shù)是非常重要和實用的分析手段，其中以石墨爐為代表的電熱原子吸收光譜法（ET-AAS）因具有較高的靈敏度而得到廣泛使用，但是由于儀器相對大型幾乎無法實現(xiàn)便攜式和現(xiàn)場分析。同時，金屬原子化器的研究和應(yīng)用也是該領(lǐng)域的研究熱點。自Williams等〔1〕首次將鎢絲用作原子化器應(yīng)用于原子吸收光譜分析以來，金屬鎢在AAS中的應(yīng)用已經(jīng)有30多年的歷史，并在電熱原子吸收儀器〔2〕、多元素同時測定〔3〕、化學(xué)改進劑〔4〕、電熱蒸發(fā)裝置〔5-6〕等多個方面有大量研究工作報道〔7〕。鎢絲作為金屬原子化器的代表在原子吸收中扮演了重要的角色，并且具備便攜式方面的潛在優(yōu)勢，在小型化便攜式儀器研究方面具有較好的研究和應(yīng)用前景。由四川大學(xué)侯賢燈科研組與北京北分瑞利分析儀器有限公司聯(lián)合研制的WFX-900系列便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀采用的則是鎢絲原子化器〔8〕。鎢絲原子化器也是便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀區(qū)別于石墨爐原子吸收光譜（GFAAS）的主要標志。立足于小型化、便攜式，野外分析的鎢絲電熱原子吸收光譜儀主要應(yīng)用于測定環(huán)境監(jiān)測中的一些主要元素，包括鋅、鉻、汞、鉛、銅、鎘、鉈、硒和砷等。對于這些元素的測定，分析界專家提出多種分析方法，便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀無疑在野外分析、檢測速度等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。對這些元素的野外實地分析是獲取樣品真實信息和準確環(huán)境資料的基礎(chǔ)。

本項目的總體研究目標是擬研究一系列可適用于野外現(xiàn)場分析的快速、簡單、高效的樣品分離富集前處理技術(shù)與便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀聯(lián)用，致力于提高該儀器的分析性能從而推動該儀器走向現(xiàn)場快速分析，同時進一步加強新型分離富集技術(shù)及其與鎢絲電熱原子吸收光譜法聯(lián)用方面的理論和應(yīng)用研究。

1 實驗部分

1.1 儀器使用首次實現(xiàn)便攜式和商品化的鎢絲電熱原子吸收光譜儀（WFX-910，北京北分瑞利分析儀器有限公司）進行原子吸收信號測量。儀器以空心陰極燈（HCL）、鎢絲原子化器、電荷耦合檢測器（CCD）為主要部件，外形尺寸為610 mm（長）×230 mm（寬）×335 mm（高），重量為18 kg。見圖1。儀器體積小、重量輕、能耗低，既可通過市電運行，也可采用內(nèi)置鋰電池供電實現(xiàn)正常工作，可滿足野外無市電情況下使用。

分離富集操作及相關(guān)環(huán)節(jié)分別使用到了SB5200DT型超聲波清洗儀（寧波新芝生物科技股份有限公司），pHS-25型酸度計（上海虹益儀器儀表有限公司），80-2型離心機（江蘇金壇市億通電子有限公司），AL204型電子天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司），DZG-303A型純水制備儀（成都唐氏康寧科技發(fā)展有限公司）等實驗設(shè)備。

圖1 便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀（W-coil ET-AAS）示意圖和實物圖

1.2 試劑所有用到的試劑如無特別說明都是分析純。實驗用水為純水。鎘、銅、鉍、鎳、鉻、硒、鈷、鉛、銀等金屬元素的標準溶液均由濃度為1 000 mg∕L的儲備液（國家標準物質(zhì)中心，北京）用純水逐級稀釋得到。每日使用的低濃度標準溶液均為當(dāng)日配制。雙硫腙、吡咯烷二硫代氨基甲酸銨（APDC）等分別用作各個元素萃取過程的絡(luò)合劑（國藥集團化學(xué)試劑有限公司，上海）。其他試劑（如四氫呋喃、無水乙醇、甲醇、丙酮、乙酸乙酯、正辛醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等）均為分析純（國藥集團化學(xué)試劑有限公司，上海）。

1.3 萃取操作方法研究了快速協(xié)同濁點萃取技術(shù)（rapidly synergistic cloud point extraction，RS-CPE）、超聲輔助濁點萃取技術(shù)（ultrasound-assisted cloud point extraction，UA-CPE）、離子液體微萃取技術(shù)（ionic liquid based microextraction，ILME）、單液滴微萃取技術(shù)（single drop microextraction，SDME）、新型分散液液微萃取技術(shù)（超聲輔助分散液液微萃取技術(shù)ultrasound-assisted dispersive liquid-liquid microextraction，UA-DLLME；表面活性劑輔助分散液液微萃取技術(shù)surfactant-assisted dispersive liquid-liquid microextraction，SA-DLLME）等多種適合與此儀器聯(lián)用的快速溶劑微萃取新方法。

RS-CPE技術(shù)是在傳統(tǒng)濁點萃取技術(shù)基礎(chǔ)上建立的無需水浴加熱過程的常溫快速CPE技術(shù)。實驗操作程序如下：準確移取待測元素標準工作液置于10 mL具塞離心管中，然后加入適量絡(luò)合劑，充分搖蕩后調(diào)節(jié)酸度，加入萃取劑Triton X-114和濁點誘導(dǎo)劑，用純水定容至10 mL，振搖1 min。充分搖勻后，以3 000 r∕min的轉(zhuǎn)速離心5 min。待水相和有機相完全分離后，棄去水相，用注射器小心抽取有機相10 μL注入非水相CVG反應(yīng)器進行測定。

UA-CPE則是用超聲處理的方式輔助濁點萃取過程的完成，利用超聲的作用提高萃取效率。

ILME技術(shù)是采用離子液體作為萃取劑，取代了傳統(tǒng)的有機試劑，其萃取操作過程與傳統(tǒng)萃取相似，加入所有試劑定容后可采用手搖或者超聲輔助的方式完成離子液體的分散和萃取。

SDME技術(shù)是在專門設(shè)計的單液滴微萃取裝置內(nèi)完成的，通常取樣品溶液5 mL置于容量瓶內(nèi)，加入絡(luò)合劑，放入攪拌子，在磁力攪拌器上以適當(dāng)速度攪動溶液10 min，此時四氯化碳液滴（萃取劑）已經(jīng)由微量注射器通過卷邊聚四氟乙烯管（比直接在微量注射器針頭掛的液滴更大更穩(wěn)定）穩(wěn)定地懸掛在溶液中。待萃取完成，將液滴小心地抽回注射器內(nèi)并進行轉(zhuǎn)移、收集和測定。

SA-DLLME用表面活性劑Triton X-114代替了DLLME中傳統(tǒng)的有機分散劑。實驗操作程序如下：準確移取待測元素標準工作液置于10 mL具塞離心管中，然后加入適量絡(luò)合劑，充分搖蕩后調(diào)節(jié)酸度，加入適量Triton X-114，加入萃取劑，用純水定容至10 mL，充分振搖1 min。充分搖勻后，以3 000 r∕min的轉(zhuǎn)速離心5 min。待水相和有機相完全分離后，棄去水相，用注射器小心抽取有機相10 μL注入非水相CVG反應(yīng)器進行測定。

UA-DLLME用超聲處理代替了DLLME中傳統(tǒng)的分散劑，實現(xiàn)了更為高效和綠色的萃取過程。實驗操作程序如下：準確移取待測元素標準工作液置于10 mL具塞離心管中，然后加入適量絡(luò)合劑，充分搖蕩后調(diào)節(jié)酸度，加入萃取劑，用純水定容至10 mL，充分搖勻后超聲振蕩5 min，以3 000 r∕min的轉(zhuǎn)速離心5 min。待水相和有機相完全分離后，棄去水相，用注射器小心抽取有機相10 μL注入非水相CVG反應(yīng)器進行測定。

1.4 鎢絲電熱原子吸收光譜儀測定操作方法按照廠家說明書要求開機并做好準備，調(diào)節(jié)氬氣和氫氣流量作為鎢絲原子化器的保護氣通入石英原子化器罩內(nèi)，然后用微量注射器準確吸取10 μL樣品（萃取分析物后的有機相），由進樣孔將樣品注入鎢絲電熱原子化器。通過軟件控制執(zhí)行鎢絲電熱原子化器的升溫程序（類似石墨爐原子吸收），包括干燥、灰化、冷卻、原子化與凈化5個階段，通過對各階段不同電流值以及持續(xù)時間的設(shè)定實現(xiàn)鎢絲程序升溫過程。待測元素被原子化后由CCD檢測原子吸收信號。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器條件優(yōu)化實驗系統(tǒng)優(yōu)化了測定各個元素時鎢絲電熱原子吸收光譜儀的儀器條件，包括空心陰極燈電流、原子化器高度、氬氣流速、氫氣流速及原子化器升溫程序等條件，發(fā)現(xiàn)在測定不同元素時上述儀器條件有所區(qū)別。見表1。

表1 鎢絲電熱原子吸收光譜儀主要參數(shù)優(yōu)化

2.2 萃取實驗條件優(yōu)化目標元素從水相溶液轉(zhuǎn)移到有機相的過程通過上述幾種萃取方式完成，實現(xiàn)了目標元素的濃縮富集，提高了儀器測定該類元素的分析靈敏度。作為重要的實驗步驟，詳細考察了影響RS-CPE、UA-CPE、ILME、SDME、SA-DLLME、UA-DLLME萃取效率的各實驗條件以獲取最佳的分析性能，包括萃取劑的種類與用量、絡(luò)合劑濃度、表面活性劑的應(yīng)用、UA-DLLME中采用的超聲萃取時間、RS-CPE中濁點誘導(dǎo)劑的用量以及各個體系的pH等條件。

2.3 研究結(jié)果

2.3.1 快速濁點萃取技術(shù) 傳統(tǒng)濁點萃取（cloud point extraction，CPE）與鎢絲電熱原子吸收光譜儀（W-coil ET-AAS）的聯(lián)用已有研究，本小組也有相關(guān)研究基礎(chǔ)，但該方法需要水浴加熱，過程復(fù)雜且費時。本項目創(chuàng)新性地研究了RS-CPE技術(shù)，實現(xiàn)了常溫下的快速濁點萃取，無需加熱裝置，在誘導(dǎo)劑的作用下可以在1 min之內(nèi)完成CPE。相對目前絕大多數(shù)關(guān)于CPE的研究工作仍然采用加熱實現(xiàn)濁點萃取，實驗裝置和操作程序都得到簡化，方法簡單、快速，從而可與便攜式鎢絲電熱原子吸收儀器聯(lián)用，在現(xiàn)場開展前處理工作，實現(xiàn)野外現(xiàn)場快速、簡單分析測定，具有較好的創(chuàng)新性和實用性。此外還將其與火焰原子吸收光譜法以及分光光度法聯(lián)用，研究了其可行性和分析性能。火焰原子吸收光譜儀和分光光度計是應(yīng)用范圍很廣泛的兩種分析儀器，尤其在經(jīng)濟相對不發(fā)達和科研水平也較為落后的地區(qū)都有大量的使用，通過將RSCPE技術(shù)與之相結(jié)合可以極大地提高這類儀器的分析性能，實現(xiàn)相對復(fù)雜基體中的痕量乃至超痕量的金屬元素分析。本項目完成的與RS-CPE技術(shù)相關(guān)的研究工作分別發(fā)表于Microchemical Journal、Microchim Acta、Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy和Analytical Methods等雜志〔9-14〕。

2.3.2 新型分散液液微萃取技術(shù) 分散液液微萃?。╠ispersive liquid-liquid microextraction，DLLME）是近年發(fā)展起來的一種新型樣品前處理技術(shù)，具有操作簡單、成本低、富集倍數(shù)高、環(huán)境友好等優(yōu)點。作為新型微型化萃取技術(shù)，與具有微量進樣特點的分析儀器聯(lián)用是最有效的方式。便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀具備微量進樣的特點，此二者的聯(lián)用是具有創(chuàng)新性的研究工作。本研究中將DLLME技術(shù)進一步創(chuàng)新，研究了SA-DLLME和UA-DLLME與W-coil ET-AAS的聯(lián)用分析性能。相對于傳統(tǒng)的DLLME技術(shù)，表面活性劑和超聲波的使用取代了傳統(tǒng)的有機試劑分散劑，使得方法更加環(huán)境友好，萃取效果也有所提高。兩種DLLME技術(shù)與便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀的聯(lián)用非常方便，顯著提高了該儀器的靈敏度。前處理方法快速簡便，可以在現(xiàn)場快速完成。這兩種新型DLLME技術(shù)也應(yīng)用于火焰原子吸收光譜法和傳統(tǒng)的分光光度法分析中，通過新型DLLME技術(shù)提高了這兩類傳統(tǒng)分析儀器的分析性能。相關(guān)工作已經(jīng)在Analytical Methods、Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy以及International Journal of Environmental Analytical Chemistry等雜志發(fā)表〔15-20〕。

2.3.3 單液滴微萃取技術(shù) SDME采用一個微型液滴為萃取相從而大大減少了有機試劑的用量，克服了傳統(tǒng)液液萃取需要使用大量有機試劑的缺點，同時提高了富集倍數(shù)，成為一種簡單、快速、高效而且環(huán)境友好的分離富集方法。該方法能夠很好地與具有微量進樣特點的便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀聯(lián)用。根據(jù)儀器進樣體積設(shè)計單液滴萃取時的液滴大小，從而實現(xiàn)萃取完成后直接進樣分析測定。與傳統(tǒng)SDME偏小的液滴體積（1～5 μL）不同的是，W-coil ET-AAS的進樣體積一般在10～20 μL，因此設(shè)計了卷邊聚四氟乙烯管套在注射器針頭末端用于穩(wěn)定懸掛更大體積的液滴。在本項目中，將離子液體作為萃取劑開展了IL-SDME與W-coil ET-AAS的聯(lián)用研究，相關(guān)研究工作發(fā)表于Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy雜志〔21〕。

2.3.4 離子液體微萃取技術(shù) 離子液體輔助萃取在嚴格意義上屬于液-液萃取的范疇，不過目前離子液體作為取代傳統(tǒng)揮發(fā)性萃取劑的綠色試劑，已經(jīng)在液-液萃取∕微萃取的多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，相關(guān)工作可以概括為離子液體輔助萃取。目前，離子液體已經(jīng)應(yīng)用于如單液滴微萃取、中空纖維膜微萃取、分散液-液微萃取等多種萃取技術(shù)中，實現(xiàn)了該技術(shù)的綠色化，使它們成為真正環(huán)境友好的萃取方法。離子液體與新型萃取方法相結(jié)合在金屬離子萃取方面的研究工作目前還相對較少，由于早期較多的工作是針對有機物的萃取和測定，因此很多工作都是與色譜技術(shù)相聯(lián)用。離子液體、新型的微型化萃取技術(shù)與具有微量進樣特點、高選擇性和靈敏度的原子光譜分析方法的組合將會成為樣品中痕量金屬離子分析檢測的一種綠色、高效的方法。本項目中將離子液體應(yīng)用于如上述的SDME，開展了IL-SDME與W-coil ET-AAS的聯(lián)用研究，也開展了離子液體輔助的液相微萃取技術(shù)與W-coil ETAAS的聯(lián)用研究。相關(guān)研究工作發(fā)表于Analytical Methods、Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy雜志〔21-22〕。

2.3.5 編結(jié)反應(yīng)器流動注射在線分離富集技術(shù)由聚四氟乙烯管制成的編結(jié)反應(yīng)器（KR）在流動注射在線分離富集方法中的應(yīng)用有較多報道。痕量金屬離子通過流動注射裝置（FIA）在KR中形成絡(luò)合物或沉淀吸附在KR管壁上得到分離富集，洗脫后可與多種原子光譜分析法聯(lián)用進行測定。KR在FAAS、ICP-OES、ICP-MS、HG-AFS（氫化物發(fā)生原子熒光）等分析方法中得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。在本項目的研究工作中，通過自組裝的FIA裝置，創(chuàng)新性地首次將KR分離富集（共沉淀方式）與W-coil ET-AAS聯(lián)用，實現(xiàn)了KR-W-coil ET-AAS在線分離富集與測定。所建立方法具有簡單、環(huán)境友好、成本低廉、靈敏度高等優(yōu)點。該研究工作已經(jīng)發(fā)表于Microchemical Journal雜志〔23〕。

本項目系統(tǒng)地研究了一系列可適用于野外現(xiàn)場分析的快速、簡單、高效的樣品分離富集前處理技術(shù)與便攜式鎢絲電熱原子吸收光譜儀聯(lián)用，在一定程度上提高該儀器的分析性能，對于推動該儀器走向現(xiàn)場快速分析起到了較為積極的作用，同時通過這些研究工作也進一步加強了新型分離富集技術(shù)及其與鎢絲電熱原子吸收光譜法、火焰原子吸收光譜法乃至分光光度法聯(lián)用方面的理論和應(yīng)用研究。