固相萃取摻氧空氣-乙炔火焰原子吸收光譜法測定水和植物樣品中的痕量鎵

葉陸芳，宋小華，余代順，楊小慢，謝文根，吳少尉

(湖北民族大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 恩施 445000)

鎵及其化合物在冶金電子、航空航天、能源、通信、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。鎵在地殼中的平均含量為18μg/g[1]，而在生物圈植物和水體中含量更低，除了富鎵植物外，一般植物中的鎵含量在幾十個ng/g到幾百個ng/g，自然水體中鎵含量低于5ng/L。鎵的廣泛使用可以導致地下水含量提升到幾十個μg/L[2]。一些鎵化合物具有抗菌消炎和抑制人類腫瘤免疫活性[3]，人體內(nèi)的微量鎵可能來源于飲水、食物等。這些源頭中痕量鎵的準確測定為環(huán)境監(jiān)測評價、生物體內(nèi)鎵的生理生化作用機理研究提供了有力技術(shù)支持。簡便、快速、準確測定水、植物樣品中的痕量Ga是分析測試工作要解決的重要內(nèi)容。

常用的鎵檢測方法，已有電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)用于測定高純金屬[4]、地質(zhì)樣品[5-6]中的鎵；光度比色法測定地質(zhì)赤泥樣品中的鎵[7-9]；石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)測定土壤中的鎵[10-12]。電感耦合等離子體質(zhì)譜法[13](ICP-MS)具有多元素同時檢測能力，已報道應(yīng)用ICP-MS測定了燃料煤炭[14]、環(huán)境樣品中[15]鎵、銦、鍺三元素，同時測定食品中鎵、鍺、銅、鋅等31種元素[16]，測定地質(zhì)樣品中微量鎵[17-18]以及人尿中鎵抗癌藥物等[19]。比色法需要控制合適的酸堿度待絡(luò)合顯色穩(wěn)定后再測定，抗干擾較差，操作繁瑣。鎵雖然熔點較低,沸點卻很高，石墨爐AAS可以測定鎵含量在幾十個ng/mL以上的樣品，但均需要另外加入基體改進劑改善原子化效率[11]，不致于施加太高的原子化溫度，否則會大大縮短石墨管的使用壽命。若以常規(guī)空氣-乙炔火焰原子吸收光譜法(air-acetylene FAAS)直接測定[20]，特征靈敏度僅為2.3μg/mL(1%吸收)，Wu等[21]采用鎵元素雙線吸收法測量了摻氧空氣乙炔新型高溫火焰的溫度并研究其原子吸收光譜分析性能，測定鎵的特征靈敏度達0.3μg/mL(1%吸收)，但仍然較難直接進行痕量檢測。

采用適當?shù)姆蛛x富集技術(shù)來提高分析方法的靈敏度和選擇性是有效措施。前人研究了液相萃取[22-23]、固相萃取(SPE)[24-30]等樣品前處理技術(shù)，分離除去大量鋁、鈣、鎂等基體成分，同時使痕量鎵得以富集。但萃取分離富集鎵大多偏向在強酸性體系[22-27]中，如Amin等[26]使用2mol/L硝酸，并在分離體系[23-24]中使用了濃度高達5～6mol/L的鹽酸，在一定程度給操作帶來安全風險，還需耐酸實驗器皿，易污染，空白背景值高。故開發(fā)弱酸性條件下萃取分離富集、快速檢測痕量鎵聯(lián)用分析體系將給應(yīng)用帶來極大的便利。

本文實驗選擇AB8大孔吸附樹脂作模板載體，十六烷基三甲基溴化銨調(diào)節(jié)其表面極性，熱固化負載2-乙基己基磷酸(2-乙基己基)酯，制備鎵的萃取樹脂，應(yīng)用該樹脂對水體和植物樣品中的痕量鎵進行固相萃取分離預(yù)富集。通過優(yōu)化選擇固相萃取分離富集條件，設(shè)定摻氧空氣乙炔FAAS最佳測定參數(shù)，建立了痕量鎵的分離富集與簡便快速的分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器及工作參數(shù)

WFX-210型原子吸收光譜儀(北京北分瑞利分析儀器有限公司)。儀器工作參數(shù)為：Ga分析線287.4nm，光譜帶寬0.2nm，時間積分測量2.0s，燈電流3.0mA，觀測高度3mm，乙炔流量6.0L/min，氧氣流量3.5L/min，空氣流量6.5L/min。

HL-2型旋轉(zhuǎn)蠕動恒流泵(自制PTFE微柱，20mm×2.0mm i.d.)。恒流泵上柱流速1.0mL/min，洗脫流速0.40mL/min。內(nèi)徑1.0mm的PTFE連接管。PHSJ-3F酸度計。

1.2 標準溶液和主要試劑

Ga(Ⅲ)標準儲備溶液(1000μg/mL)：準確稱取0.1344g優(yōu)級純?nèi)趸売跓?，加?mL 50%的鹽酸，于水浴上加熱溶解，以5%鹽酸轉(zhuǎn)移定容于100.0mL容量瓶中，搖勻。

Ga(Ⅲ)標準工作液(1.0μg/mL)：吸取鎵的標準儲備液用1%鹽酸逐級稀釋制備。

2-乙基己基磷酸(2-乙基己基)酯(AR)、十六烷基三甲基溴化銨(分析純)、鹽酸為優(yōu)級純，超純水(Milli Q)。常規(guī)方法配制10g/L或1g/L干擾離子溶液；實驗前先在10%的硝酸中浸泡玻璃器皿至少24h，再分別用自來水和超純水沖洗干凈備用。

1.3 實驗樣品

澄清透明無異味的自來水樣(恩施市一水廠)在實驗室直接接??；黑色何首烏粉樣(購自當?shù)刂兴幍?；本地超市購買的落花生，用200μg/mL(以Ga計)的硝酸鎵溶液培養(yǎng)花生芽，待長至8～10cm白色芽苗后，曬干研磨成粹粉待測。

1.4 萃取樹脂及微柱制備

大孔吸附樹脂XDA-1B、LSA-10、HZ818、AB-8、D4006均有著較大的孔徑和比表面積，其中HZ818、D4006體現(xiàn)非極性，而XDA-1B、LSA-10、AB-8表現(xiàn)為弱極性。實驗選用5種60目大孔吸附樹脂作模板直接負載萃取劑2-乙基己基磷酸(2-乙基己基)酯，XDA-1B和AB-8兩者的負載量相當且均高于HZ818、D4006、LSA-10樹脂。鑒于AB-8的成本更加便宜，選擇AB-8樹脂作模板載體，其表面呈疏水弱極性，為了提高電負性萃取劑P507的負載量，選用既有合適疏水基團又帶有明顯陽離子基團的表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)來協(xié)同樹脂負載萃取劑。稱取3.0g已預(yù)處理[31]的大孔樹脂AB-8于燒杯中，加入15mL 0.5%(m/V)CTAB-乙醇溶液，在搖床中振蕩8h過濾，將樹脂轉(zhuǎn)移于瓷盤中，85℃下將改良樹脂烘干3h。取出冷至室溫后轉(zhuǎn)移至100mL錐形瓶中，加15mL 50%(m/V)的2-乙基己基磷酸(2-乙基己基)酯-石油醚溶液，搖床中振蕩吸附負載18h，過濾轉(zhuǎn)移干凈瓷盤中，85℃加熱烘干6h固化制備萃取樹脂。準確稱取兩份50mg萃取樹脂，分別裝入兩個PTFE微柱中，在柱兩端填充少許纖維棉，兩端螺帽接口旋緊后，將兩個微柱平行接入一臺旋轉(zhuǎn)蠕動恒流泵上待用。

1.5 分離富集步驟

先用少許超純水沖洗微柱，再用1.0mL pH 2.5的鹽酸-甘胺酸緩沖液調(diào)節(jié)萃取樹脂。將酸度已調(diào)節(jié)到pH 2.5的40.0mL樣品溶液均分兩份，在設(shè)定流速下，分別讓恒流泵以順逆時針兩方向同步泵入溶液，吸入兩個平行柱中進行分離富集，富集完成后，用兩份0.50mL 1.5mol/L鹽酸洗脫富集的鎵，合并收集洗脫液并用摻氧空氣乙炔FAAS檢測其中鎵的含量。

1.6 實際樣品處理和測定

直接在實驗室接取自來水220mL(pH 7.86)，加入25mL鹽酸-甘胺酸緩沖溶液，調(diào)節(jié)pH 2.5并定容到250.0mL。分取40.0 mL水樣依照1.5節(jié)分離富集步驟處理后，摻氧空氣乙炔FAAS測定自來水中的鎵含量。

準確稱取三份0.8000～1.0000g干何首烏生物粉平行樣于50mL瓷坩堝中, 在可調(diào)電爐上加熱炭化，當不冒煙后移入馬弗爐內(nèi)，升溫至550℃，灰化約3h，冷卻后取出，見所有堝底呈灰白色,分別加入5mL 10%硝酸超聲分散溶解灰分。用鹽酸-甘胺酸緩沖液調(diào)節(jié)pH，轉(zhuǎn)移并定容到50.0mL容量瓶中(pH 2.5)，搖勻靜置。分取40.0mL樣品溶液依照1.5節(jié)分離富集步驟處理后，測定何首烏中的鎵含量。

圖1 鎵固相萃取條件的選擇

準確平行稱取三份0.1000～0.2000g水培花生芽干粉樣于50mL瓷坩堝中，在可調(diào)電爐上加熱炭化，當不冒煙后移入馬弗爐內(nèi)，升溫至550℃，灰化約1h，冷卻后取出，見所有堝底無炭粒呈白色,分別加入5mL 10%硝酸超聲分散溶解灰分。用鹽酸-甘胺酸緩沖液調(diào)節(jié)pH，分別轉(zhuǎn)移定容到100.0mL容量瓶中(pH 2.5)，搖勻靜置。分取40.0mL樣品溶液依照1.5節(jié)分離富集步驟處理后，測定花生芽粉中的鎵含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 固相萃取條件的選擇

2.1.1pH的影響

待分離富集溶液的酸堿度(pH)是影響萃取效率的一個關(guān)鍵因素，決定著萃取率的高低。按1.5節(jié)步驟操作，保持上柱流速0.5mL/min，洗脫流速0.2mL/min時，實驗研究了pH值對Ga(Ⅲ)在固相萃取柱上回收率的影響。從圖1a看出，當pH值從 1到2.5時，Ga(Ⅲ)的保留逐漸增加；在pH 2.5時幾乎達到全部回收(回收率最大,達到99%)；pH>3后，回收率又開始下降，這可能在pH 2.5時萃取樹脂更易絡(luò)合Ga(Ⅲ)。本實驗選擇溶液pH 2.5作為萃取富集Ga(Ⅲ)的酸度條件。

2.1.2上柱流速的影響

溶液的上柱流速影響待測物在萃取樹脂上的吸附動力學行為。配制濃度為50.0ng/mL的Ga(Ⅲ)溶液(pH 2.5)，保持恒定洗脫流速0.2mL/min，研究上柱流速對Ga(Ⅲ)吸附行為的影響。結(jié)果如圖1b所示，當上柱流速從0.2mL/min逐漸增加到1.0mL/min時，Ga(Ⅲ)的總回收率基本不受影響，超過95%以上，上柱流速大于1.0mL/min時，回收率開始下降。本實驗選擇上柱流速為1.0mL/min。

2.1.3洗脫流速的影響

洗脫劑的流速對待測物回收率也有影響，洗脫流速太快，待測物不能完全被洗脫下來，從而影響回收率。配制濃度為50.0ng/mL的Ga(Ⅲ)樣品溶液(pH 2.5)，保持上柱流速為1.0mL/min時，用1.0mL 1.5mol/L 鹽酸考察洗脫流速對Ga(Ⅲ)洗脫效果的影響。結(jié)果如圖1c所示，當洗脫流速低于0.5mL/min時，Ga(Ⅲ)的回收率都高于95%；洗脫流速大于0.5mL/min時，回收率明顯下降。本實驗選擇0.5mL/min的洗脫流速。

2.1.4洗脫劑體積的影響

為了考察洗脫劑體積對Ga(Ⅲ)回收率的影響，實驗配制pH值為2.5，濃度為50.0ng/mL的Ga(Ⅲ)樣品溶液，上柱流速為1.0mL/min，上柱體積為20.0mL時。保持洗脫流速為0.5mL/min，考察不同體積的1.5mol/L 鹽酸洗脫劑對所保留的Ga(Ⅲ)的洗脫效果。結(jié)果表明，洗脫劑體積在0.2～0.7mL范圍內(nèi)時，都能夠定量回收Ga(Ⅲ)，回收率超過95%。綜合考慮到富集倍數(shù)和FAAS檢測進樣體積量的要求，選擇洗脫劑體積為0.5mL。

2.1.5洗脫劑濃度的影響

為了考察洗脫劑濃度對Ga(Ⅲ)回收率的影響，配制濃度為50.0ng/mL的Ga(Ⅲ)樣品溶液(pH 2.5)，維持上柱流速1.0mL/min，洗脫流速0.5mL/min，固定洗脫劑體積1.0mL?？疾觳煌瑵舛鹊柠}酸對所保留的Ga(Ⅲ)洗脫效果。結(jié)果如圖1d所示，鹽酸濃度在1.0～2.0mol/L范圍內(nèi)時，Ga(Ⅲ)的回收率在95%以上。本實驗選擇洗脫劑濃度為1.5mol/L。

2.1.6干擾離子的影響

為了考察常見共存離子對Ga(Ⅲ)分離富集及其測定的影響，在濃度為50ng/mL的Ga(Ⅲ)的溶液中，分別加入不同濃度的Al3+、Fe3+、Mn2+、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Pb2+、Cu2+和Zn2+等離子。在最佳的實驗條件下，考察它們對Ga(Ⅲ)信號強度的影響。當待測元素的信號測定誤差小于±5%時，認為所加入的干擾離子對待測物的分離及測定無影響，實驗結(jié)果表明以下共存離子的濃度量無干擾：Na+、K+(3.0mg/mL)；Mg2+、Ca2+(2.0mg/mL)；Cu2+和Fe3+、Al3+、Zn2+(1.0mg/mL)；Mn2+和Pb2+(0.5mg/mL)。

2.1.7萃取柱的穩(wěn)定性及其吸附容量

在每次分離富集完成后，依次用稀酸、純水、pH 2.5的緩沖溶液清洗平衡萃取柱，接著進行再次分離富集。實驗結(jié)果表明，當萃取柱重復(fù)使用次數(shù)超過60次時，對Ga(Ⅲ)的回收率仍然可達90%以上。在選定的最佳分離富集條件下，將濃度為20μg/mL的Ga(Ⅲ)溶液連續(xù)通過微柱，每1mL流出液收集為一個溜分，以摻氧空氣乙炔FAAS測定每一個溜分中Ga(Ⅲ)的濃度，以流出液溜分中Ga(Ⅲ)的濃度超過1.0μg/mL時作為始漏點(即上柱試液濃度的5%)，評估萃取柱對Ga(Ⅲ)的動態(tài)吸附容量為29.1mg/g。

2.2 摻氧空氣乙炔FAAS測定參數(shù)選擇

2.2.1氧氣、乙炔流量

鎵的吸收信號與O2、乙炔流量及其含量比有很大的關(guān)系。增大O2流量可以提高火焰的溫度, 有利于鎵原子化。但是O2流量過大,火焰的還原性氣氛減弱,會使鎵的信號有所降低，另外燃燒速度不宜過快，以防回火。在空氣流量為6.5L/min條件下,始終保持火焰微富燃,改變O2和乙炔流量進行優(yōu)化實驗選擇,當O2流量為3.5L/min,乙炔流量為6.0L/min時靈敏度最高。此時預(yù)混合氣中O2總含量為30%,O2與乙炔氣量比約為1∶1.25。

2.2.2火焰觀測高度

固定空氣流量為6.5L/min,O2流量為3.5L/min,乙炔流量為6.0L/min,試驗了火焰觀測高度對5μg/mL Ga 吸光度的影響。結(jié)果表明觀測高度為3mm時吸光度最大為0.096，故選定最佳觀測高度為3mm。

2.3 分析性能

試樣溶液與Ga(Ⅲ)濃度分別為0.00、10.0、20.0、40.0、80.0、100.0ng/mL的標準系列溶液萃取富集后，用標準曲線法校準。在選擇的最優(yōu)實驗條件下，對本方法的分析性能進行了評價。擬合曲線方程為A=0.0008ρ+0.0003，相關(guān)系數(shù)r=0.999。以1.5mol/L的鹽酸做空白溶液(內(nèi)含0.1%KCl消電離劑)，依據(jù)IUPAC定義，測定Ga的檢出限(3σ)為2.6ng/mL，相對標準偏差(RSD)為2.87%(ρ=25.0ng/mL,n=7)，理論富集倍數(shù)為40倍。將本方法與文獻所報道的關(guān)于固相萃取(SPE)分離測定鎵的分析性能對比，從表1中的數(shù)據(jù)來看，得到了較低的檢出限，這與后續(xù)采用摻氧空氣乙炔火焰原子吸收光譜法改善了測定靈敏度有關(guān)。若在吸附容量內(nèi)增加上柱溶液體積，富集倍數(shù)還可以增加，檢出限進一步降低。

表1本文與文獻報道固相萃取分析鎵的方法性能比較

Table 1 Comparison of the method with those reported in the literature for Ga(Ⅲ)

吸附劑方法富集倍數(shù)檢出限樣品文獻聚氨酯塑料SPE-ICP-MS-22ng/g稀土礦石[24]改性胺基硅膠SPE-FAAS2004.1ng/mL水,沉積物[25]AmberliteXAD-4樹脂SPE-UV-Vis5003.1ng/mL水,生物[26]聚氨酯泡沫體強酸陽離子交換纖維SPE-FAASSPE-ICP-AES40-6.0ng/mL3.9ng/mL鋁合金,尿液鋁土巖[27][28]離子印跡多壁碳納米管SPE-FAAS433.03ng/mL飛灰[29]磷酸三丁酯纖維棉SPE-ICP-AES565ng/mL地質(zhì)樣品[30]改性大孔樹脂SPE-摻氧空氣乙炔FAAS402.6ng/mL水,植物本研究

表2樣品測定分析結(jié)果(n=3)

Table 2 Analytical results for Ga(Ⅲ)in water solution and solid samples(n=3)

樣品樣品含量水樣(μg/L)植物(μg/g)平均值水樣(μg/L)植物(μg/g)加標量水樣(μg/L)測定值水樣(μg/L)回收率(%)ICP-MS法水樣(μg/L)植物(μg/g)自來水20.9,20.3,19.120.1152533.646.095.7102.019.3何首烏1.27,1.29,1.361.31---1.27花生芽61.3,61.9,60.561.2---62.3

注：標注“-”為植物固體樣未做加標回收實驗。

2.4 樣品分析

將本法分別用于自來水、中藥何首烏和水培蔬菜花生芽干粉中鎵的測定，平行三次測試結(jié)果見表2，液體試樣的加標回收率在95.7%～102.0%之間，各種樣品測定結(jié)果與ICP-MS測定較為一致。對于何首烏和花生芽消解后的樣品溶液，依照羅道成等[9]的方法。萃取富集-8-羥基喹啉顯色光度法測定其中Ga(Ⅲ)的含量，分別為1.23μg/g和60.4μg/g，與本法測定無明顯差異，推測消解后的樣品溶液中鎵基本是以無機三價態(tài)Ga(Ⅲ)存在。

3 結(jié)論

本文通過十六烷基三甲基溴化銨調(diào)節(jié)AB-8大孔吸附樹脂表面極性，負載2-乙基己基磷酸(2-乙基己基)酯制備鎵的萃取樹脂，對無機形態(tài)Ga(Ⅲ)進行固相萃取分離預(yù)富集前處理。優(yōu)化了O2-空氣-乙炔 FAAS測定鎵的參數(shù)，建立了固相萃取O2-空氣-乙炔 FAAS測定痕量鎵的方法。該方法成本低廉、簡便，拓寬了FAAS的使用范圍；回收率高，相較于偏強酸性萃取體系，富集樣品溶液的酸度降低，在pH 2.5時幾乎達到全部回收，分析操作應(yīng)用帶來了極大便利。但上柱吸附流速不高，這也部分限制了分析效率。