基于表面活性劑磁性固相萃取-原子吸收光譜法測(cè)定水中銅離子

龔愛(ài)琴，丁邦東，金黨琴，陸宏庚

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州225127)

銅是人體必需的微量元素之一，對(duì)血液、中樞神經(jīng)和免疫系統(tǒng)等有較大的影響。如果銅攝入過(guò)多會(huì)引起銅中毒，使人產(chǎn)生溶血等現(xiàn)象。環(huán)境水體作為食物鏈的主要環(huán)節(jié)，不可避免地要測(cè)定其中銅的含量，CJ/T 206－2005《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定銅的質(zhì)量濃度應(yīng)低于1.0 mg·L－1。

分析組成復(fù)雜、含量較低的樣品時(shí)常采用分離富集的方法以提高分析的靈敏度和選擇性。文獻(xiàn)[1]采用氮摻雜石墨烯分散固相萃取-火焰原子吸收光譜法測(cè)定水樣中銅的含量；文獻(xiàn)[2]采用濁點(diǎn)萃取-石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定環(huán)境水樣中痕量銅；文獻(xiàn)[3]利用聚多巴胺負(fù)載四氧化三鐵形成的核-殼性納米材料測(cè)定牛奶、蜂蜜等食品中微量銅；文獻(xiàn)[4]利用1，8-萘酰亞胺咪唑離子液體負(fù)載的碳納米微球吸附分離了海水、廢水、調(diào)味品中微量的銅和鉛。四氧化三鐵磁性固相萃取是一種液固微萃取技術(shù)，因?yàn)槭褂玫拇判暂腿┰诖盆F等外加磁場(chǎng)的幫助下可以方便快速地與萃取液分離，近幾年研究較多。為了改善磁性納米材料的吸附效果，常對(duì)四氧化三鐵材料表面進(jìn)行修飾。目前報(bào)道的修飾材料有表面活性劑、殼聚糖、離子液體等，一般這些材料修飾是通過(guò)化學(xué)合成的方法進(jìn)行的，過(guò)程比較繁瑣。為了減少材料合成過(guò)程，文獻(xiàn)[5]直接將四氧化三鐵磁性納米材料和十六烷基三甲基溴化銨溶液加入到樣品溶液中，利用十六烷基三甲基溴化銨在四氧化三鐵磁性納米材料表面形成的混合膠束體系成功萃取了環(huán)境水樣中的布洛芬；文獻(xiàn)[6]用類似方法結(jié)合使用四氧化三鐵和十二烷基硫酸鈉測(cè)定了尿液和血漿中的抗心臟衰竭藥。但用類似方法測(cè)定環(huán)境水樣中金屬離子含量的報(bào)道很少。

本工作將十二烷基硫酸鈉和四氧化三鐵磁性納米材料加入到含有銅離子的水溶液中，十二烷基硫酸鈉附著在四氧化三鐵磁性納米材料表面形成混合膠束而使四氧化三鐵磁性納米材料表面帶有負(fù)電荷。銅離子被抗壞血酸還原后與硫代米氏酮反應(yīng)生成帶有正電荷的配合物[7]，其通過(guò)靜電作用被吸附到四氧化三鐵磁性納米材料表面而與母液分離，采用原子吸收光譜法對(duì)吸附前后和洗脫前后的反應(yīng)溶液中銅離子含量進(jìn)行測(cè)定。本方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、靈敏度高，可用于實(shí)際水樣中銅離子含量的測(cè)定。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

DZF-6020型真空干燥箱；SHA-C 型恒溫振蕩儀；p H S-25型p H 計(jì)；Hitachi S-4800II型透射電鏡儀；ZEEnit 700型原子吸收分光光度計(jì)。

銅離子標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:1.00 g·L－1，稱取0.310 7 g氧化銅于燒杯中，用適量2 mol·L－1鹽酸溶液溶解后轉(zhuǎn)移至250 m L 容量瓶中，用水稀釋至刻度后搖勻。

銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液:100 mg·L－1，移取適量的1.00 g·L－1銅離子標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，用水稀釋而成。

硫代米氏酮(MTK)溶液:0.5 g·L－1，稱取0.05 g硫代米氏酮，用正丙醇溶解并稀釋至100.0 m L后避光保存。

十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液:5.0 g·L－1，稱取0.50 g 十二烷基硫酸鈉，用水溶解并稀釋至100.0 m L。

p H 3.0的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液:稱取4.1 g無(wú)水乙酸鈉用水溶解并稀釋至500.0 m L，用乙酸調(diào)節(jié)p H 為3.0。

抗壞血酸溶液:1.0 g·L－1，稱取0.10 g抗壞血酸，用水溶解并稀釋至100.0 m L，現(xiàn)用現(xiàn)配。

氧化銅、硫酸銅均為優(yōu)級(jí)純，其他試劑均為分析純，試驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 儀器工作條件

燈電流3.0 m A；測(cè)定波長(zhǎng)324.8 nm；峰寬1.2 nm；流量5 m L·min－1；燃助比1∶8；燃燒器高度6 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 四氧化三鐵的合成

按照文獻(xiàn)[8]，取250 m L 三口圓底燒瓶，依次加入1.202 6 g七水合硫酸亞鐵、1.416 7 g無(wú)水三氯化鐵，然后加入40 m L 經(jīng)過(guò)超聲后的水，通入氮?dú)?0 min，水浴加熱到90 ℃，緩慢加入5 m L氨水，在攪拌下加熱反應(yīng)1 h，期間根據(jù)需要通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，最后生成黑色渾濁液。

將上述液體冷卻至室溫，靜置后用磁鐵吸附分離，得到固體四氧化三鐵沉淀。用水清洗沉淀5～6次，傾去上清液后得黑色固體，于60 ℃真空干燥黑色固體12 h，研磨后使用。

1.3.2 磁性固相萃取方法

在10.0 m L離心管中，依次加入適量的銅標(biāo)準(zhǔn)溶液 或 水 樣、p H 3.0 的 乙 酸-乙 酸 鈉 緩 沖 溶 液2.0 m L、1.0 g·L－1抗壞血酸溶液1.0 m L、0.5 g·L－1MTK 溶液0.5 m L，搖勻后加入合成的四氧化三鐵20 mg、5.0 g·L－1SDS溶液1.0 m L，再用水稀釋至10.0 m L，搖勻。離心管在室溫下以400 r·min－1轉(zhuǎn)速振蕩5 min后取出，借助磁鐵分離，取上清液按儀器工作條件測(cè)定其中銅離子的殘留量，計(jì)算萃取率。

1.3.3 洗脫方法

在去除上清液后的四氧化三鐵中加入正丙醇，定容至2.0 m L，搖勻。在室溫下于振蕩器上振蕩10 min后，借助磁鐵分離，取上清液按儀器工作條件進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算洗脫率。

2 結(jié)果與討論

2.1 透射電鏡表征

用透射電鏡對(duì)合成的四氧化三鐵進(jìn)行表征，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1 可知:合成的四氧化三鐵的粒徑為15 nm 左右。合成的四氧化三鐵是磁性納米材料。

圖1 透射電鏡圖Fig.1 TEM image

2.2 磁性固相萃取條件的選擇

2.2.1 表面活性劑及其用量

試驗(yàn)考察了表面活性劑依次為SDS、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、環(huán)糊精(β-CD)等時(shí)對(duì)萃取率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):表面活性劑為SDBS時(shí)，萃取液渾濁，不能用于測(cè)定；表面活性劑為CTAB和β-CD 時(shí)，萃取率都很低；表面活性劑為SDS時(shí)，萃取率大于85.0%。表面未經(jīng)任何修飾的四氧化三鐵的等電點(diǎn)為6.5[9]，試驗(yàn)時(shí)萃取液的p H 為3.0，在此條件下四氧化三鐵表面帶正電荷，而SDS屬于陰離子表面活性劑，在此條件下離解出酸根陰離子，附著在四氧化三鐵表面形成混合膠束而使四氧化三鐵表面帶有負(fù)電荷[10]。銅離子被抗壞血酸還原后與MTK 反應(yīng)生成帶有正電荷的配合物，其可以被附著SDS的四氧化三鐵通過(guò)靜電作用吸附。試驗(yàn)選擇表面活性劑為SDS。

試驗(yàn)進(jìn)一步考察了5.0 g·L－1SDS溶液的用量對(duì)萃取率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 5.0 g·L－1 SDS溶液的用量對(duì)萃取率的影響Fig.2 Effect of dosage of 5.0 g·L－1 SDS solutionon extraction rate

由圖2可知:隨著5.0 g·L－1SDS溶液用量的增加，萃取率逐漸增加；當(dāng)5.0 g·L－1SDS溶液用量為1.0 m L時(shí)，萃取率最大；繼續(xù)增加5.0 g·L－1SDS溶液的用量，萃取率下降。這可能是因?yàn)殡S著5.0 g·L－1SDS溶液用量的增加，四氧化三鐵表面附著的SDS逐漸增加，四氧化三鐵表面形成的混合膠束也逐漸增加，從而提高了四氧化三鐵的吸附能力。當(dāng)5.0 g·L－1SDS溶液用量超過(guò)1.0 m L 時(shí)，SDS在四氧化三鐵表面的附著達(dá)到飽和，過(guò)量的SDS會(huì)在萃取液中形成膠束，銅離子被抗壞血酸還原后與MTK 反應(yīng)生成的配合物會(huì)部分溶解在萃取液膠束中從而影響萃取效果。試驗(yàn)選擇5.0 g·L－1SDS溶液的用量為1.0 m L。2.2.2 酸 度

萃取液的酸度在萃取中起關(guān)鍵作用，因?yàn)樗岫葧?huì)影響四氧化三鐵的表面電荷從而影響四氧化三鐵的吸附效果。試驗(yàn)考察了反應(yīng)溶液的p H 為2.5～6.0時(shí)對(duì)萃取率的影響。結(jié)果表明:p H 為2.5～3.5時(shí)，萃取率較高；繼續(xù)增大p H，萃取率逐漸下降。這可能是因?yàn)樗难趸F的等電點(diǎn)為6.5，隨著p H的增大，p H 越接近等電點(diǎn)，四氧化三鐵表面所帶的正電荷越少，吸附SDS的能力越弱，從而影響萃取率。試驗(yàn)選擇萃取液的p H 為3.0。

2.2.3 抗壞血酸和MTK 的用量

抗壞血酸可以將銅離子還原成Cu＋，Cu＋在p H 3.0的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液中可以與MTK 反應(yīng)生成1∶4的配合物[7]，該配合物可以被附著SDS的四氧化三鐵吸附。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)1.0 g·L－1抗壞血酸溶液的用量為1.0 m L 時(shí)，萃取率最大；繼續(xù)增加1.0 g·L－1抗壞血酸溶液的用量至3.0 m L時(shí)，萃取率基本不變。試驗(yàn)選擇1.0 g·L－1抗壞血酸溶液的用量為1.0 m L。

MTK 是測(cè)定金、鈀、鉑、銀、銅、汞的光度試劑。試驗(yàn)考察了0.5 g·L－1MTK 溶液的用量對(duì)萃取率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):0.5 g·L－1MTK 溶液的用量為0.5 m L時(shí)，萃取率達(dá)到最大。試驗(yàn)選擇0.5 g·L－1MTK 溶液的用量為0.5 m L。

2.2.4 四氧化三鐵的用量

與傳統(tǒng)的微型吸附劑相比，納米材料具有較高的比表面積，因此少量的納米材料吸附劑就可以獲得較高的吸附效果。試驗(yàn)考察了吸附劑四氧化三鐵(磁性納米材料)的用量為5～30 mg時(shí)對(duì)萃取率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)四氧化三鐵用量從5 mg增加到20 mg時(shí)，萃取率逐漸增加；四氧化三鐵用量為20 mg時(shí)，萃取率達(dá)到最大；繼續(xù)增加四氧化三鐵的用量，萃取率基本保持不變。試驗(yàn)選擇四氧化三鐵的用量為20 mg。

2.2.5 萃取時(shí)間和萃取溫度

試驗(yàn)考察了振蕩時(shí)間即萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):由于四氧化三鐵比表面積較大，生成的配合物被其吸附的速率很快。試驗(yàn)選擇萃取時(shí)間為5 min。

試驗(yàn)考察了萃取溫度為10～40 ℃時(shí)對(duì)萃取率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):萃取溫度對(duì)萃取率影響不大。試驗(yàn)選擇萃取溫度為室溫。

2.3 洗脫條件的選擇

2.3.1 洗脫劑

在表面活性劑存在下吸附在氧化物表面的物質(zhì)可以很方便地用有機(jī)溶劑洗脫[11-13]。試驗(yàn)考察了洗脫劑(用量約為2.0 m L)依次為甲醇、乙醇、正丙醇、0.1 mol·L－1鹽酸溶液、0.1 mol·L－1氫氧化鈉溶液時(shí)對(duì)洗脫率的影響。

結(jié)果表明:采用上述洗脫劑時(shí)，洗脫率依次為56.91%，78.79%，91.05%，35.22%，38.35%。試 驗(yàn)選擇洗脫劑為正丙醇。

2.3.2 洗脫時(shí)間與洗脫溫度

試驗(yàn)考察了洗脫時(shí)間為5～30 min時(shí)對(duì)洗脫率的影響。結(jié)果表明:隨著洗脫時(shí)間的延長(zhǎng)，洗脫率逐漸增加；洗脫時(shí)間為10～20 min時(shí)，洗脫率達(dá)到最大且基本不變；繼續(xù)延長(zhǎng)洗脫時(shí)間，洗脫率慢慢下降。試驗(yàn)選擇洗脫時(shí)間為10 min。

試驗(yàn)還考察了洗脫溫度為10～50 ℃時(shí)對(duì)洗脫率的影響。結(jié)果表明:隨著洗脫溫度的升高，洗脫率逐漸增加；洗脫溫度為15～30 ℃時(shí)，洗脫率達(dá)到最大且基本不變；繼續(xù)升高洗脫溫度，洗脫率慢慢下降。試驗(yàn)選擇洗脫溫度為室溫。

2.4 四氧化三鐵的重復(fù)使用

試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定萃取率和洗脫率考察了四氧化三鐵的重復(fù)使用次數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知:當(dāng)重復(fù)使用5次后，萃取率緩慢下降，洗脫率下降較快。試驗(yàn)中控制四氧化三鐵的重復(fù)使用次數(shù)為5次。

2.5 干擾試驗(yàn)

在含0.400 mg·L－1銅離子的10 m L萃取液中進(jìn)行干擾測(cè)定，當(dāng)相對(duì)誤差在±5% 以內(nèi)時(shí)，10 000倍的NO3－，5 000倍的K＋，2 000倍的Cl－、F－，1 500 倍 的Mg2＋、Ca2＋、Ba2＋、Co2＋、Mn2＋、Zn2＋、Pb2＋、Al3＋，200倍的Ni2＋、Cd2＋、Cr3＋對(duì)測(cè)定均無(wú)干擾。

表1 四氧化三鐵的重復(fù)使用次數(shù)對(duì)萃取率和洗脫率的影響Tab.1 Effect of the reuse time of Fe3 O4 on extraction efficiency and elution efficiency %

2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按試驗(yàn)方法對(duì)銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明:銅離子的質(zhì)量濃度在0.050～1.500 mg·L－1內(nèi)呈線性，線性回歸方程為y＝0.503 0 x＋0.018 5，相關(guān)系數(shù)為0.997 0。

根據(jù)3倍信噪比計(jì)算方法的檢出限(3S/N)，結(jié)果為21.5μg·L－1。因?yàn)樯铒嬘盟秀~離子質(zhì)量濃度要求低于1.0 mg·L－1，所以本方法檢出限可以滿足水體中銅離子含量測(cè)定的要求。

2.7 精密度

按試驗(yàn)方法對(duì)0.200，0.400，0.600 mg·L－1銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算萃取率和洗脫率的日內(nèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)和日間RSD，結(jié)果見(jiàn)表2。日內(nèi)精密度試驗(yàn)是1 d測(cè)定3個(gè)銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，日間精密度試驗(yàn)是連續(xù)3 d分別測(cè)定3個(gè)銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，平行測(cè)定6次。由表2可知:本方法的精密度較好，可以滿足日常分析要求。

表2 精密度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of test for precision %

2.8 樣品分析

按試驗(yàn)方法對(duì)校園水樣及大運(yùn)河水樣進(jìn)行分析，均未檢出銅離子，同時(shí)進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，平行測(cè)定3次，計(jì)算回收率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 樣品分析結(jié)果Tab.3 Analytical results of the samples

由表3可知:回收率為94.5%～104%，方法的準(zhǔn)確度較好。

本工作采用基于表面活性劑磁性固相萃取-原子吸收光譜法測(cè)定水中銅離子的含量，方法操作簡(jiǎn)單，滿足實(shí)際水樣中銅離子的測(cè)定需求。