金屬檢測中新型前處理技術(shù)研究進展及應(yīng)用

邢仕歌，賀木易，雍 煒，姚美伊，張 峰

(中國檢驗檢疫科學(xué)研究院 食品安全研究所，北京 100176)

金屬能夠通過污染食物進入人體, 在某些器官中累積造成慢性中毒[1-3]. 兒童時期接觸鉛會損害學(xué)習(xí)和識別能力，銅會誘發(fā)肝臟疾病、神經(jīng)退行性病變和其他疾病，鋅是人體必需的元素，但濃度過高會導(dǎo)致皮膚過敏、胃痙攣、惡心、嘔吐和貧血[4]. 因此，精準檢測環(huán)境和食品樣品中的金屬含量，對于減少污染和預(yù)防人體暴露至關(guān)重要.

質(zhì)譜和光譜法是評估環(huán)境中金屬組分的主要方法[5-9]，如火焰原子吸收光譜法(flame atomic absorption spectrometry，F(xiàn)AAS)、電熱原子吸收光譜法(electrothermal atomic absorption spectrometry，ET-AAS)、電感耦合等離子體光學(xué)發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES)和ICP質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS). 這類分析儀器可以有效識別痕量金屬，并且具有多組分分析能力以及檢出限低、產(chǎn)量高等優(yōu)點，但是復(fù)雜樣品檢測前多需要進行前處理以消除基質(zhì)干擾. 由于耗時且是樣品損失和污染的關(guān)鍵步驟之一，因此，預(yù)處理是全部分析流程中非常重要的一步. 復(fù)雜樣品基質(zhì)中的微量金屬可能存在污染生態(tài)系統(tǒng)和損害人類健康的潛在危險，傳統(tǒng)的液液萃取方式已經(jīng)被證實是一種理想的分離金屬離子方法，液液萃取還可以從工業(yè)廢料中回收金屬離子. 但是，這種以有機溶劑為基礎(chǔ)的萃取方法使用大量有毒、易燃、不穩(wěn)定的有機化合物，較為昂貴，環(huán)境不友好，因此迫切需要開發(fā)新型的金屬離子前處理技術(shù). 不同待測介質(zhì)中的金屬離子對其富集和預(yù)處理方法具有不同的要求，適宜的預(yù)處理方法對于提高分析的選擇性與靈敏度等有著重要的意義. 本文針對樣品狀態(tài)特點歸納整理其相應(yīng)分析新技術(shù).

1 液相新萃取技術(shù)

分散于液體中的離子是金屬最常見的存在狀態(tài)，為改進傳統(tǒng)液相物質(zhì)分析技術(shù)的不足，一系列新型液相金屬離子分析檢測技術(shù)被開發(fā)出來.

1. 1 濁點萃取(cloud phase extraction，CPE)

基于CPE的分離和濃縮是表面活性劑在分析化學(xué)中的重要應(yīng)用，為傳統(tǒng)的萃取體系提供了一種新的選擇. CPE是一種多功能的、簡單的濃縮方法，其基礎(chǔ)是在分析物樣品中加入一定濃度的表面活性劑溶液，在高于表面活性劑濁點溫度的條件下，將分析物轉(zhuǎn)移至膠束相，以實現(xiàn)分離[10-11]. 由于配合和膠束形成發(fā)生在單一相，因此CPE方法預(yù)富集因子高，萃取過程簡單、廉價、高效和低毒. 此外，通過使用少量的良性表面活性劑替代有毒溶劑，CPE顯示的環(huán)保特性符合綠色化學(xué)原則. 迄今為止，CPE偶聯(lián)各種光譜法可用于樣品中金屬離子的檢測[12-14]. 在熒光光譜法測定前應(yīng)用CPE，比昂貴、勞力密集的ET-AAS或ICP-OES更具有優(yōu)勢，具有簡單、高效和低成本的性能.

Tabrizi等[15]應(yīng)用CPE-熒光光譜聯(lián)用技術(shù)提取并檢測水及食品中的鋁和鋅. 在該研究中，鋁和鋅與8-羥基喹啉(8-hydroxyquinoline，8-HQ)在表面活性劑溶液中反應(yīng)生成疏水復(fù)合物，隨后包裹在表面活性劑膠束中. 該工作詳細研究了影響方法靈敏度和穩(wěn)定性的幾個試驗變量. 結(jié)果顯示：pH為6.2(Al2+，乙酸鹽緩沖液)和pH為9.0(Zn2+，四硼酸鈉+硼酸緩沖液)、6.62×105mol/L 8-HQ、0.12% TxitonX-114、3 500 r/5 min條件下，樣品回收率為95%～104%，Al2+和Zn2+檢測限分別為0.79、1.2 μg/L. 使用CPE-熒光光譜聯(lián)用法測量礦泉水、蘋果、西紅柿、土豆、酸奶、面包等樣品中的Al2+和Zn2+含量，與獨立的ET-AAS方法測定結(jié)果具有良好的一致性. 由此可見該方法檢測限低、一致性好，無溶劑且無需前處理就將兩種金屬離子從初始的基質(zhì)中萃取出來. 由于其通用性，也可用于環(huán)境、毒理學(xué)和醫(yī)學(xué)分析等各種樣品中鋁和鋅的監(jiān)測.

1. 2 離子液體(ionic liquids，ILs)

離子液體是指在室溫或接近室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的完全由陰陽離子所組成的鹽，也稱為低溫熔融鹽. 因為可用來解決特定的問題，如取代有毒和揮發(fā)性溶劑溶解大量材料，生產(chǎn)多相溶劑系統(tǒng)以提高分離效率或簡化分離[14, 16]，離子液體也被稱為“設(shè)計溶劑”. 因此，ILs在許多科學(xué)領(lǐng)域得到了應(yīng)用[17-18]：如作為化學(xué)反應(yīng)催化劑[19]、用于藥物輸送系統(tǒng)[20]、電鍍[21]、有害化合物廢水處置等[22]. ILs化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易燃，具有熱穩(wěn)定性，因此有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液液萃取中不穩(wěn)定有機溶劑. 此外，其在金屬離子的前處理和檢測中也應(yīng)用廣泛[23].

Werner 等[24]采用離子液體超聲輔助水相固化技術(shù)結(jié)合液相色譜紫外檢測，對天然水樣中Ni2+、Co2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+等金屬離子進行預(yù)濃縮和測定. 離子液體和金屬離子反應(yīng)后，通過離心分層，再進行冷凍的方式，將含有金屬離子配合物且比水輕的離子液相分離并溶解在少量甲醇中，然后進行液相色譜檢測. 在優(yōu)化條件下，5種元素的富集系數(shù)均高于200，回收率在97%～102%之間. 結(jié)果顯示，Ni2+、Co2+、Cd2+的檢測限為0.03 μg/L，Cu2+、Pb2+的檢測限為0.02 μg/L.

圖1 PIL膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)示意圖及吸附/解吸過程的機理[25](a) 采用PEGDA作為交聯(lián)劑, (b) PVI-IL-(Br)0.7(PF6)0.3膜的結(jié)構(gòu)示意圖, (c) 金屬離子吸收/解吸過程的機理及循環(huán)流程圖Fig. 1 Chemical structure and structural schematic diagram of PIL-based membranes and mechanism illumination of absorption/desorption process(a) PEGDA used as cross-linking agent, (b) structural schematic diagram of PVI-IL-(Br)0.7(PF6)0.3 membrane, (c) mechanism illumination of metal ion absorption/desorption process and recycle flow charts

在離子液體的基礎(chǔ)上，使用熒光離子對其改性成為目標特異性的離子液體(task-specific ionic liquids，TSILs)，是一種簡單有效的同時檢測并去除微量金屬離子的方法[26-27]. Jin等[27]設(shè)計了一種以羅丹明-內(nèi)酰胺為基礎(chǔ)的TSIL，實現(xiàn)了同時檢測和去除重金屬離子(如圖2所示)[27]. 羅丹明-內(nèi)酰胺作為模式親離子熒光團，表現(xiàn)出一種金屬離子觸發(fā)的“開啟”視覺，其熒光信號肉眼都可以很容易地分辨出來. 這種新型液-液萃取傳感系統(tǒng)具有較高的Hg2+去除率，同時可產(chǎn)生視覺顏色和熒光信號，實現(xiàn)無儀器檢測Hg2+. 通過將水-離子液相體積比提高到10∶1，雙功能傳感系統(tǒng)靈敏度明顯提高，對Hg2+的檢出限為800 pmol/L，萃取效率大于99%，經(jīng)乙二胺四乙酸(ethylenediamine- tetraacetic acid，EDTA)簡單處理后很容易再生. 研究人員使用該方法成功地對添加了河水樣品的Hg2+進行直接檢測和去除. 這種技術(shù)為水樣品中各種痕量金屬離子的高靈敏度檢測和去除提供了一個通用策略，并為環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了前景.

圖2 基于目標特異性的離子液體雙功能協(xié)同體系，提取痕量金屬離子并進行高靈敏度檢測的結(jié)構(gòu)、結(jié)合機制及原理圖[27]Fig. 2 Structure, binding mechanism and schematics of task-specific ionic liquids-based bifunctional system for removal and highly sensitive detection of HMIs via synergistic extraction effect

1. 3 超分子溶劑-分散液液微萃取(supramo- lecular solvent-dispersive liquid-liquid microextraction，SS-DLLME)

DLLME一般利用注射器將合適的萃取劑和分散劑混合物快速注入水相，使樣品在分散劑的作用下與極小體積的萃取劑液滴接觸，形成乳濁液，經(jīng)離心或破乳后將溶質(zhì)從水相中轉(zhuǎn)移到萃取劑中，從而實現(xiàn)了樣品目標組分富集，再通過色譜方法等進行分析 (如圖3所示) . 這種方式極大增加了萃取劑與溶質(zhì)的接觸面積，提高了反應(yīng)速率，使分析物迅速在萃取劑中富集，大大縮短了樣品前處理時間. 因其操作簡單，有機溶劑消耗少，近年來不斷被應(yīng)用于樣品預(yù)處理[28]. DLLME以其簡單、快速、低成本和高富集系數(shù)的優(yōu)點，在痕量金屬離子樣品前處理中廣泛應(yīng)用.

篩選低毒萃取劑是DLLME方法開發(fā)的關(guān)鍵所在，超分子溶劑獨特的性質(zhì)使之可作為綠色萃取劑替代毒性有機試劑用于DLLME中[29]. 超分子溶劑是兩親化合物，通過分子間有序的自組裝過程形成具有納米結(jié)構(gòu)的膠束聚集體，其表面活性劑的親水或疏水部分可能導(dǎo)致各種不同的相互作用，如氫鍵、離子鍵、π-陽離子相互作用、偶極力和誘導(dǎo)偶極相互作用，因此可以萃取出不同極性的化合物[30]. 此外，它們還能產(chǎn)生不同類型的聚集微觀結(jié)構(gòu)，如小泡、層狀或多層相、沉淀物和棒狀膠束，這些微結(jié)構(gòu)比單一表面活性劑具有更高的表面活性.

在溶液中加入陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(cetyltrimethylammonium bromide，CTAB)、陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate，SDS)和其它組分，經(jīng)過攪拌和離心，超分子溶劑就會從均質(zhì)溶液中分離，在原位形成超分子聚集體[31]. 這兩種帶電相反的表面活性劑可相互作用形成一個假的雙尾兩性離子表面活性劑[32]. Kahe等[33]利用該體系富集和檢測水、人體血液及頭發(fā)中痕量鉍. CTAB/SDS從復(fù)合物中提取Bi3+-二乙基二硫代氨基甲酸鹽配合物，提取物很容易移除并溶解在微量丙醇中，并進行后續(xù)的ET-AAS測量. 該方法充分利用了超分子團簇的性質(zhì)和水相分散劑溶劑的分散微萃取技術(shù)的優(yōu)點，Bi3+可以與分析物直接相互作用提高萃取效率，進而提高檢測的靈敏度.

圖3 分散液液微萃取示意圖(若萃取劑密度比水大，則萃取物在離心管底部; 若使用低密度萃取劑，則萃取物在離心管上部)Fig. 3 Schematic diagram of dispersive liquid-liquid microextraction(If the density of extractant is higher than that of water, it will be at the bottom of the tube, if a low-density extractant is used, it will be on the upper layer of the tube)

在最佳試驗條件下，校準曲線的線性范圍為3～6 μg/L, Bi3+的檢測限為0.16 μg/L (S/N=3). 樣品 Bi3+的質(zhì)量濃度為1、3 μg/L時，測定的相對標準偏差分別為5.1%和6.2%.

Yilmaz等[32]還利用該體系進行了食品中Pb2+的提取和檢測. 研究結(jié)果顯示，在10%鹽溶液、SDS的質(zhì)量分數(shù)為0.012%、CTAB的質(zhì)量分數(shù)為0.094%、pH為6的條件下，海水、番茄醬、米、小麥和豌豆三個不同濃度Pb2+的添加回收率均大于94.2%，說明該方法可以用于實際樣品的前處理. 將該方法處理的樣品用ET-AAS儀器檢測結(jié)果檢測限為0.047 μg/L，當(dāng)樣品中的質(zhì)量濃度為0.4、1.0 ng/L時，測定的相對標準偏差分別為6.5%和5.2%.

由于上述萃取過程只需要很低比例的丙酮去溶解CTAB/SDS復(fù)合物，所以萃取溶劑中的疏水和親水位點可以和各種極性分析物直接作用. 表面活性劑由于高含水量且不易揮發(fā)或易燃，因而非常安全. 由此可見，超分子溶劑萃取法是一種非常簡單、安全、快速和低成本的方法，可以用來從實際樣品中微萃取不同的有機和無機復(fù)合物.

2 非液相新型萃取技術(shù)

雖然大部分金屬是以液相中離子形式進行分析，但是科研人員也在不斷探索新的金屬離子前處理和分析的方法. 將金屬離子與配合劑或螯合劑作用，使金屬離子轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性的形態(tài)，或者生成電中性配合物進而在超臨界CO2流體中溶解進行分析，這些非液相新型萃取技術(shù)層出不窮.

2. 1 頂空固相微萃取技術(shù)(headspace-solid phase microextraction, HS-SPME)

HS-SPME通過加熱升溫使得樣本中的成分揮發(fā)出來，將涂有固定相的材料暴露在樣品上方，對樣品中揮發(fā)性甚至難揮發(fā)性物質(zhì)進行吸附富集. HS-SPME與光譜分析、質(zhì)譜分析方法結(jié)合多用于揮發(fā)性成分檢測，如食用香料[34]、蘋果汁中殺蟲劑[35]、肉中克倫特羅[36]等各種分析物[37]. 近年來，研究人員采用此類手段將一些金屬離子通過處理轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性化合物進行SPME分析，并取得了良好的結(jié)果.

Shahdousti等[38]采用聚吡咯(PPy)包覆纖維的HS-SPME來進行樣品中Se(IV)的萃取，Se(IV)在鹽酸中以亞硒酸的形式經(jīng)1,2-二氨基苯衍生后轉(zhuǎn)化成亞硒醚的形態(tài)，通過SPME,利用樣品頂空收集這種揮發(fā)性的有機金屬化合物并進行檢測. 試驗數(shù)據(jù)表明：在配體∶亞硒酸為80∶1、pH為2、NaCl離子強度為2.4、平衡時間30 min和60 ℃的試驗條件下，兩種不同濃度水平血清、礦泉水和井水中Se的回收率為97%～107%. IMS檢測后的標準曲線線性范圍為20～320 ng/mL，檢測限為12 ng/mL.

2. 2 超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction，SFE)

SFE將傳統(tǒng)的蒸餾和有機溶劑萃取結(jié)合一體，利用超臨界CO2優(yōu)良的溶解能力，將基質(zhì)與萃取物有效分離、提取和純化[39-41]. SFE最突出的優(yōu)點是它結(jié)合了氣體的高擴散率和液體的良好溶解度，因此能夠快速有效地從基質(zhì)中提取溶質(zhì)[42]. 與傳統(tǒng)溶劑萃取法相比，SFE幾乎不產(chǎn)生二次廢物且提取的產(chǎn)物易于回收，具有萃取溫度低、選擇性強、高效率、低能耗、無污染等特點[43].

超臨界CO2流體是一種非極性溶劑，一般情況下金屬成分很難溶解在其中. 因此，早期的研究者認為利用超臨界CO2流體處理土壤中的金屬離子是不可行的. 隨著研究的深入，試驗結(jié)果顯示加入合適的配合劑或螯合劑與金屬離子作用，將其轉(zhuǎn)換成電中性配合物，能夠促使這些物質(zhì)在超臨界CO2流體中溶解[44-45]，這些發(fā)現(xiàn)擴展了SFE在金屬分析中的應(yīng)用. 到目前為止，廣泛應(yīng)用的配體有二硫代氨基甲酸鹽、對二酮、有機磷劑和大環(huán)化合物等4類金屬螯合物，其在超臨界流體中的溶解度、穩(wěn)定性和化學(xué)結(jié)構(gòu)對萃取過程具有重要影響. 其中螯合劑和相應(yīng)金屬螯合劑的溶解度是影響SFE效率的關(guān)鍵因素[46]. 近年來，SFE作為一種新型的綠色萃取技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于各種金屬物質(zhì)的萃取[47-48].

Yan等[49]利用水楊酸配合劑在超臨界二氧化碳中萃取汞離子(如圖4所示). 該研究分別討論了配比、壓力、溫度、時間對萃取效率的影響. 得到了最佳的萃取條件：20 MPa、323 K、45 min和[Hg+]∶[SAL]∶[PFOSANEt4]=1∶200∶200時，最佳萃取條件下萃取效率達到 95.5%.

圖4 金屬離子萃取超臨界萃取裝置示意圖(1) CO2儲罐, (2) 高壓泵, (3) 高壓萃取反應(yīng)釜, (4) 壓力表, (5) 磁力攪拌器及恒溫水浴槽, (6) 收集瓶, (7) 高壓萃取反應(yīng)釜, (8) 支撐網(wǎng), (9) 濾紙Fig. 4 Schematic diagram of experimental setup for metal extraction in supercritical CO2(1) CO2 tank, (2) high-pressure pump, (3) high pressure extraction reactor, (4) pressure meter, (5) magnetic stirrer and thermostatic water cabinet, (6) collecting bottle, (7) high pressure extraction reactor, (8)supporting network, (9)filter paper

3 總結(jié)與展望

近年來，金屬污染問題日益受到關(guān)注，尤其是存在于日常生活中的金屬，一旦攝入含量超過臨界值，就會對人們的身體健康產(chǎn)生影響. 因此，采用科學(xué)有效技術(shù)檢測環(huán)境和食品樣品中的金屬含量，對于減少污染和預(yù)防人體暴露至關(guān)重要.

本綜述從兩個方面介紹了CPE、ILs、SS-DLLME等液相萃取新技術(shù)，HS-SPME、SFE非液相萃取新技術(shù)在環(huán)境和食品金屬處理和檢測中的應(yīng)用. 這些技術(shù)中CPE和ILs可實現(xiàn)多種金屬離子的同時萃取，有些技術(shù)如HS-SPME和SFE則關(guān)注于將傳統(tǒng)液相離子形態(tài)金屬離子轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性的形態(tài), TSILs則具有萃取和檢測金屬離子的雙功能. 以上技術(shù)均具有綠色、簡單、高效和低成本的特點，在環(huán)境、食品、醫(yī)學(xué)的金屬分析中具有良好的應(yīng)用前景.

總之，分析化學(xué)所面臨的最重要的挑戰(zhàn)之一是發(fā)展生態(tài)分析技術(shù)，也就是確保減少樣品、試劑、能量、廢物、風(fēng)險和有害物質(zhì)的數(shù)量. 發(fā)展新型的金屬分析技術(shù)，綠色快速、靈敏、高通量檢測各種復(fù)雜樣品的金屬將是未來金屬檢測的發(fā)展方向.