富集-部分洗脫-固相光譜法快速測(cè)定水樣中痕量汞離子

朱 瑩， 李 龍， 江成德， 邊 麗， 楊仕駿， 倪晨杰， 杜一平

（1. 華東理工大學(xué)上海市功能性材料化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2. 上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司，上海 201108）

提高分析方法的靈敏度和選擇性一直都是新分析方法研發(fā)的重要目標(biāo)，固相萃?。⊿PE）是提高靈敏度、改善選擇性的有效途徑。本課題組基于SPE 操作后不經(jīng)洗脫而直接測(cè)定吸附材料上光譜的思路，發(fā)展了固相萃取光譜（SPES）技術(shù)[1]。該技術(shù)不僅操作簡(jiǎn)單，而且靈敏度顯著提高，已經(jīng)用于低含量的色素、重金屬、多環(huán)芳烴等組分的快速檢測(cè)[2-6]。應(yīng)用SPES 技術(shù)檢測(cè)重金屬時(shí)，先用顯色劑與金屬離子生成有色絡(luò)合物，再采用膜固相萃取將絡(luò)合物富集在小面積的膜上，最后在膜上測(cè)定漫反射光譜[2]。由于顯色劑通常都是有色的，而且也可以與其他金屬離子發(fā)生顯示反應(yīng)，因此上述方法一般不易解決干擾問(wèn)題。本文提出了富集-部分洗脫-固相光譜測(cè)定的解決方案，在一定程度上消除或補(bǔ)償了采用SPES 方法測(cè)定Hg2+時(shí)顯色劑的干擾問(wèn)題，同時(shí)使用掩蔽劑去除共存Cu2+、Cd2+的干擾，達(dá)到同時(shí)提高方法靈敏度和選擇性的目的。

汞及其化合物具有毒性強(qiáng)，且易在人體內(nèi)累積的特點(diǎn)[7]，對(duì)人的神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、腎臟等部位會(huì)造成很大程度的損害[8-9]，是世界各國(guó)長(zhǎng)期關(guān)注的一種重金屬。目前測(cè)定汞的常用方法有雙硫腙分光光度法[10]、原子吸收法[11-12]、原子熒光法[13-14]、電感耦合等離子體原子發(fā)射法[15]等。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2762—2017規(guī)定了礦泉水中汞的質(zhì)量濃度不得超過(guò)0.001 mg/L。常規(guī)雙硫腙分光光度法很難達(dá)到如此低的檢出限，同時(shí)，該方法需要進(jìn)行萃取洗脫，步驟繁瑣，抗干擾能力差。

本文采用SPES 技術(shù)大幅提高了水中汞離子檢測(cè)的靈敏度。用雙硫腙絡(luò)合水中汞離子，并富集到混合纖維素膜上，而后用堿洗除去膜上過(guò)量的雙硫腙，最后直接采集膜上固相光譜用于定量分析。本文方法設(shè)備簡(jiǎn)單、靈巧便攜、操作簡(jiǎn)便，而且靈敏度和選擇性都比較高，適用于水質(zhì)中汞離子的快速檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

固相萃取-固相光譜聯(lián)用儀器（本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)[4]）；PHS-25 型數(shù)字型精密酸度計(jì)(梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司)；超純水凈化系統(tǒng)（SARTORIUS arium 611DI 型，德國(guó)賽多利斯集團(tuán)）；AB104-N 電子天平（梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑和材料

混合纖維素膜A(孔徑0.22 μm，上海興亞凈化材料廠)，尼龍膜 (孔徑 0.22 μm，上海興亞凈化材料廠)，聚醚砜膜(孔徑0.22 μm，上海興亞凈化材料廠)，混合纖維素膜B(孔徑0.22 μm，天津津騰有限公司)，硝酸汞(純度98%，阿法埃莎化學(xué)有限公司)，濃硝酸(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，雙硫腙(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，丙酮(分析純，上海阿拉丁試劑有限公司)，氫氧化鈉(分析純，上海阿拉丁試劑有限公司)，乙二胺四乙酸（EDTA）二鈉(分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)，河水樣品（采自華東理工大學(xué)青春河）。

1.3 溶液的配制

100 mg/L Hg2+溶液：稱取 0.016 2 g Hg(NO3)2，用pH=2 的超純水（濃硝酸調(diào)節(jié)）定容至100 mL，逐級(jí)稀釋至所需濃度?，F(xiàn)配現(xiàn)用。

100 mg/L 雙硫腙溶液：稱取0.01 g 雙硫腙，用丙酮溶解并定容至100 mL。

6 mg/L 雙硫腙溶液：取6 mL100 mg/L 雙硫腙溶液，用丙酮定容至100 mL。

2 g/L 堿洗液：稱取2 g NaOH 溶于超純水中，加入2.5 g EDTA 二鈉，定容至1 L。

0.21 g/L EDTA 二鈉掩蔽溶液：稱取0.021 mg EDTA 二鈉溶于熱超純水，定容至100 mL。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中所用水均為超純水，所用玻璃儀器均先用洗衣粉清潔，再用10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硝酸浸泡15 min，然后用超純水沖洗3 次。

Hg2+可與絡(luò)合劑雙硫腙發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成橙色絡(luò)合物，但是由于加入的絡(luò)合劑雙硫腙是深綠色的，且過(guò)量，因此，將反應(yīng)后的溶液過(guò)濾富集到混合纖維素膜，然后直接向膜上滴加堿洗液，洗掉膜上剩余雙硫腙，膜上富集物顏色由深綠色變?yōu)槌壬?/p>

取30.0 mL 預(yù)先用濃硝酸調(diào)至pH=2 的樣品溶液，加入1 mL 質(zhì)量濃度為6 mg/L 的雙硫腙丙酮溶液，置于樣品架，反應(yīng)4 min。將混合纖維素膜放置在砂芯上，加置濾杯和溶劑輸入裝置。打開儀器操作軟件，開啟真空泵使真空度控制在0.06 MPa，負(fù)壓上樣。溶液經(jīng)由管道富集到微孔濾膜上，濾液流至收集瓶中。進(jìn)樣完成后，滴加2 mL 堿洗液。取出濾膜，熱風(fēng)干燥。干燥后的濾膜無(wú)需洗脫，直接在線采集濾膜上樣品點(diǎn)的可見光譜，取479.3 nm 處吸光度值進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.1.1 顯色反應(yīng)條件選擇 pH 是汞-雙硫腙絡(luò)合物形成的關(guān)鍵因素。絡(luò)合反應(yīng)為：Hg2++2H2L=Hg（HL）2+2H+（其中H2L 是雙硫腙）。低pH 容易引起絡(luò)合物Hg（HL）2的分解，而高pH 可能導(dǎo)致Hg2+的水解。實(shí)驗(yàn)考察了pH 為 1～6 范圍內(nèi)，pH 對(duì)溶液中形成 Hg-雙硫腙絡(luò)合物的影響。結(jié)果如圖1 所示，在pH=2 時(shí)，膜上汞-雙硫腙絡(luò)合物在最大吸收波長(zhǎng)處獲得最大吸光度，因此后續(xù)選擇pH=2 的溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

考察了2～25 min 時(shí)反應(yīng)時(shí)間對(duì)絡(luò)合物吸光度的影響，結(jié)果如圖2 所示。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為4 min時(shí)，絡(luò)合物的吸光度最大，且比較穩(wěn)定。隨著反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加，反應(yīng)生成的絡(luò)合物可能逐漸分解而導(dǎo)致絡(luò)合物的吸光度降低。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)時(shí)間為4 min。

圖 1 樣品溶液pH 值對(duì)汞-雙硫腙絡(luò)合物吸光度的影響Fig. 1 Effect of pH value on absorbance of Hg-dithizone complex

圖 2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)汞-雙硫腙絡(luò)合物吸光度的影響Fig. 2 Effect of reaction time on absorbance of Hg-dithizone complex

2.1.2 富集條件的選擇 用30 mL 質(zhì)量濃度為7 μg/L Hg2+溶液，考察了4 種常用微孔濾膜（混合纖維素膜A、混合纖維素膜B、尼龍膜、聚醚砜膜）富集汞-雙硫腙絡(luò)合物的性能。按實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行富集和光譜測(cè)定。結(jié)果顯示，混合纖維素膜A 的富集效果最佳，吸光度值最大。其他種類膜存在富集不均勻、易擴(kuò)散、沒(méi)有明顯富集效果、光譜信號(hào)弱等問(wèn)題，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇混合纖維素膜A 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

考察10～175 mL 范圍內(nèi)溶液體積對(duì)膜富集的效果。當(dāng) Hg2+溶液的質(zhì)量濃度為 7.0 μg/L、pH 為 2、真空度為0.06 MPa 時(shí)，按照1.4 節(jié)方法進(jìn)行富集，結(jié)果如圖3 所示，隨著樣品體積從10 mL 增加到100 mL，最大吸收波長(zhǎng)處絡(luò)合物的吸光度明顯增加；當(dāng)樣品體積從100 mL 增加到170 mL 時(shí)，絡(luò)合物的吸光度趨于平穩(wěn)。從富集時(shí)間、效率、穩(wěn)定性以及后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)曲線等方面考慮，選擇30 mL 的樣品體積進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖 3 樣品體積對(duì)汞-雙硫腙絡(luò)合物吸光度的影響Fig. 3 Effect of sample volume on absorbance of Hg-dithizone complex

在富集真空度為0.015～0.08 MPa 時(shí)，富集真空度的改變對(duì)富集效果影響不大。綜合考慮操作時(shí)間、富集效率、真空度穩(wěn)定性等因素后，最終選擇富集的真空度為 0.06 MPa。

2.1.3 洗脫條件的選擇 在確定溶液體積的前提下，絡(luò)合劑雙硫腙溶液的質(zhì)量濃度和堿洗溶液質(zhì)量濃度是優(yōu)化汞-雙硫腙膜富集的重要參數(shù)，因?yàn)閮煞N溶液的質(zhì)量濃度均會(huì)影響膜上絡(luò)合物的富集量，即影響膜上光譜的測(cè)定結(jié)果。加入1 mL 3.0～10.0 mg/L雙硫腙溶液并富集完成后，再滴加2 mL 0.4～4.0 g/L堿溶液以洗去過(guò)量雙硫腙，干燥后測(cè)定膜上光譜，考察堿和雙硫腙質(zhì)量濃度對(duì)汞-雙硫腙絡(luò)合物吸光度的影響，結(jié)果如圖4 所示。

圖 4 堿和雙硫腙質(zhì)量濃度對(duì)汞-雙硫腙絡(luò)合物吸光度的影響Fig. 4 Effect of mass concentration of alkaline and dithizone on absorbance of Hg-dithizone complex

由圖4 可得，加入1 mL 6 mg/L 雙硫腙溶液并完成富集后，滴加2 mL 2 g/L 堿溶液洗去過(guò)量雙硫腙條件下測(cè)得的膜的吸光度值最大。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇先加入1 mL 6 mg/L 雙硫腙溶液，富集完成后，再滴加2 mL 2.0 g/L 堿溶液以洗去過(guò)量雙硫腙。

汞-雙硫腙絡(luò)合物溶液富集到混合纖維素膜上，經(jīng)堿洗后測(cè)得的固相光譜見圖5。比較圖中雙硫腙溶液、汞-雙硫腙絡(luò)合物溶液（雙硫腙過(guò)量）和堿洗汞-雙硫腙絡(luò)合物的固相光譜可知，顯色反應(yīng)中過(guò)量的雙硫腙會(huì)對(duì)絡(luò)合物的光譜測(cè)定造成明顯干擾，通過(guò)堿洗的方式，可去除其干擾，絡(luò)合物的吸收峰在479.3 nm。因此后續(xù)選擇堿洗后的固相光譜進(jìn)行分析，分析波長(zhǎng)選擇479.3 nm。

圖 5 富集雙硫腙、汞-雙硫腙絡(luò)合物（堿洗/未堿洗）的膜固相光譜圖Fig. 5 Solid phase spectra of enriched dithizone、Hg-dithizone complex (alkaline washing/without alkaline washing)

2.2 分析性能的考察

圖 6 Hg2+質(zhì)量濃度與吸光度之間的關(guān)系Fig. 6 Relationship between Hg2+ mass concentration and absorbance of solution

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限 在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，探究了 Hg2+質(zhì)量濃度（0.5～50 μg/L）與吸光度的關(guān)系，結(jié)果如圖6 所示。在該質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，吸光度（y）與Hg2+質(zhì)量濃度（x）呈二次函數(shù)關(guān)系（y=-0.000 127x2+0.014 2x+0.092 9），相關(guān)系數(shù)R2=0.995。在較小質(zhì)量濃度（0.5～30 μg/L）范圍內(nèi)，它們呈良好的線性關(guān)系（y=0.010 7x+0.105），相關(guān)系數(shù) R2=0.993。利用 9 次空白樣品計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差（S），按3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差估算本實(shí)驗(yàn)方法的檢出限（3S/k，k 為線性標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率）為0.444 μg/L。該方法的檢出限低，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的雙硫腙分光光度法。

2.3 實(shí)際樣品的檢測(cè)

為了檢驗(yàn)所建立方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，本文將其用于河水和自來(lái)水樣品中Hg2+含量的測(cè)定。將河水樣品和自來(lái)水樣品用微孔尼龍濾膜過(guò)濾，然后使用固相前處理柱Ag 柱和H 柱處理[17-18]，濾液用于后續(xù)檢測(cè)。用電感耦合等離子體質(zhì)譜法以及本文方法對(duì)河水樣品進(jìn)行檢測(cè)，均未檢出Hg2+，為此在樣品中添加 10、15、20 μg/L 的 Hg2+進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 顯示，使用本方法測(cè)定的Hg2+在河水中的回收率（R）范圍是 97.6%～101.5%，5 次平行實(shí)驗(yàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）在3.84%～9.68%之間。Hg2+在自來(lái)水 中 的 R 范 圍 是 91.3%～108.0%， 5 次 平 行 實(shí) 驗(yàn)RSD 在2.06%～6.19%之間。與ICP-MS 檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，兩種檢測(cè)R 均在80%～110%之間，結(jié)果滿足日常分析要求，說(shuō)明本方法與ICP-MS 檢測(cè)結(jié)果基本一致，證明了本文提出的富集-部分洗脫-固相光譜法可用于河水、自來(lái)水水樣中Hg2+含量的檢測(cè)。

3 結(jié) 論

（1）采用SPES 技術(shù)可大幅提高水中Hg2+檢測(cè)的靈敏度。

（2）采用堿洗除去膜上過(guò)量的雙硫腙，在線采集膜上固相光譜用于定量分析。對(duì)于可能存在的干擾物，使用EDTA 二鈉掩蔽，提高了方法的選擇性。

（3）設(shè)備簡(jiǎn)單價(jià)廉、靈巧便攜、操作簡(jiǎn)便，適用于水質(zhì)中Hg2+的快速檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

表 1 所建立方法對(duì)河水和自來(lái)水樣品中Hg2+濃度的測(cè)定Table 1 Determination of Hg2+ concention in river and tap-water samples