基于砷形態(tài)的分離/富集加深學(xué)生對(duì)“分布分?jǐn)?shù)”的理解

何蔓，陳貝貝，胡斌

武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢 430072

分析化學(xué)是化學(xué)專業(yè)本科生的四大基礎(chǔ)課之一，涵蓋的內(nèi)容非常廣泛。該課程的教學(xué)目的在于：要求學(xué)生掌握分析化學(xué)的基本理論，準(zhǔn)確樹立“量”的概念，了解定性、定量分析方法(包括化學(xué)分析和儀器分析)，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力。分析化學(xué)涉及的基本概念非常多，在講授課本知識(shí)的同時(shí)，教師可結(jié)合基本概念在生活、科研工作中的應(yīng)用實(shí)例，加深學(xué)生對(duì)其的理解和掌握。下面將以不同砷形態(tài)的“分布分?jǐn)?shù)”為例，闡述分析化學(xué)教學(xué)過程中理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐。

1 分析化學(xué)教學(xué)中的“分布分?jǐn)?shù)”

學(xué)生最初接觸“分布分?jǐn)?shù)”是在“酸堿滴定法”章節(jié)中：一元酸/堿或多元酸/堿在溶劑(通常為水溶液)中以不同形式存在，這些組分/型體的平衡濃度隨溶液中H+濃度的變化而變化。“分布分?jǐn)?shù)”被定義為“溶液中某酸堿組分的平衡濃度占其總濃度的分?jǐn)?shù)”[1]，通常采用代數(shù)法，基于一元酸/堿或多元酸/堿的解離平衡常數(shù)(pKa)和溶液的pH計(jì)算得到。除了計(jì)算之外，學(xué)生還應(yīng)該掌握依據(jù)酸/堿性物質(zhì)的pKa和溶液pH快速判斷其在溶液中存在形式的技巧。如，對(duì)于一元弱酸HA而言，其解離平衡常數(shù)為pKa，那么當(dāng)介質(zhì)的pH < pKa? 2時(shí)，HA的分布分?jǐn)?shù)接近100%，它主要以HA中性分子的形式存在；當(dāng)介質(zhì)的pH > pKa+ 2時(shí)，A?的分布分?jǐn)?shù)接近100%，它主要以A?陰離子的形式存在。

2 不同砷形態(tài)的分布分?jǐn)?shù)及其在砷形態(tài)分離/富集中的應(yīng)用

砷以多種存在形式廣泛分布于自然界中，表1列舉了五種重要砷形態(tài)的pKa信息。在環(huán)境水體中，砷的主要存在形式是三價(jià)砷As(III)和五價(jià)砷As(V)；在細(xì)菌、酵母等微生物的作用下，無機(jī)砷將轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)砷，通過食物鏈進(jìn)入到人體中。無機(jī)砷的毒性大于有機(jī)砷，被認(rèn)為是強(qiáng)毒性和致癌性化合物；因此，砷的形態(tài)分析已成為分析科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。目前，進(jìn)行砷形態(tài)分析最有效的手段是高效液相色譜(HPLC)-等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)聯(lián)用技術(shù)；此外，為了避免復(fù)雜基體干擾、提高方法對(duì)目標(biāo)砷形態(tài)的靈敏度，在砷形態(tài)分離檢測(cè)之前通常需要輔以合適的樣品前處理技術(shù)。需要強(qiáng)調(diào)的是，在針對(duì)目標(biāo)砷形態(tài)構(gòu)建分離和/或富集方法的過程中，其pKa和在不同pH介質(zhì)中的分布分?jǐn)?shù)是重要的參考信息。

表1 幾種重要砷形態(tài)的解離平衡常數(shù)(pKa) [2]

2.1 四種砷形態(tài)的色譜分離——以陰離子交換色譜為例

陰離子色譜柱是HPLC分離分析砷形態(tài)中最常用的色譜分離固定相，而流動(dòng)相的pH通常選擇為6左右；在此條件下，四種砷形態(tài)的色譜分離圖如圖1所示。

圖1 四種砷形態(tài)的色譜分離圖

基于各形態(tài)在pH = 6的分布分?jǐn)?shù)，我們可以推測(cè)它們的存在形式，并依此解釋它們的洗脫順序：

在pH = 6的介質(zhì)條件下，As(III)主要以不帶電荷的H3AsO3形式存在，在陰離子色譜柱上無保留；

DMA以HA和A?各占一半的形式存在，在陰離子色譜柱上有一定保留；

MMA完全以HA?的形式存在，在陰離子色譜柱上的保留強(qiáng)于DMA；

部分As(V)已經(jīng)以HA2?的形式存在，是這幾種形態(tài)中保留最強(qiáng)的，所以最后流出。

可以看出，這幾種砷的形態(tài)基于pKa的差異在色譜柱上實(shí)現(xiàn)了相互分離。

2.2 無機(jī)砷形態(tài)的非色譜分離——以氨基功能化硅膠材料為例

在介質(zhì)pH 2–9范圍內(nèi)，As(III)和As(V)在氨基改性硅膠上的吸附行為如圖2所示[4]。當(dāng)pH在3–9范圍內(nèi)時(shí)，該材料對(duì)As(V)的吸附率大于90%，而在pH為2–9時(shí)對(duì)As(III)基本不吸附?；诜植挤?jǐn)?shù)對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋如下：

圖2 As(III/V)在氨基改性硅膠吸附劑上的吸附行為(左)及其在pH 2–8范圍內(nèi)的分布分?jǐn)?shù)(右) [4]

在pH 2–9范圍內(nèi)，改性硅膠中的氨基被質(zhì)子化(帶正電荷)，而As(III)主要以H3AsO3的中性分子存在，所以吸附率很低；

當(dāng)pH > 3以后，As(V)主要以帶負(fù)電荷的H2AsO4?和HAsO42?形式存在，其與改性硅膠材料中質(zhì)子化氨基之間的靜電作用增強(qiáng)，吸附率增大。

因此，可以利用氨基功能化材料，在較寬pH范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無機(jī)砷形態(tài)As(III/V)的分離。

2.3 多種砷形態(tài)的同時(shí)富集——以混合模式吸附劑為例

由表1可以看出，六種砷形態(tài)性質(zhì)差別較大。在中性條件下，As(III)呈中性，As(V)和MMA帶負(fù)電，DMA和AsB呈兩性，AsC帶正電；很難找到單一功能化的萃取材料對(duì)它們實(shí)現(xiàn)同時(shí)吸附/富集。陳貝貝等[5]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在pH = 6條件下，含巰基功能團(tuán)的γ-巰丙基三甲氧基硅烷(γ-MPTS)在吸附材料中的加入明顯改善As(III)的吸附，部分磺化聚苯乙烯(PSP)的添加對(duì)AsC的吸附有明顯改善，而帶負(fù)電的As(V)、MMA以及兩性的DMA、AsB在氨基功能化涂層上均有恒定的吸附?；诖耍苽淞嘶讦?MPTS、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(AAPTS)和PSP的混合萃取材料，實(shí)現(xiàn)了六種砷形態(tài)的同時(shí)富集(圖3)。

圖3 pH 2–12范圍內(nèi)六種砷形態(tài)在混合模式吸附涂層上的保留行為[5]

對(duì)其可能的吸附機(jī)理進(jìn)行討論如下：

當(dāng)pH > 4之后，As(V)和MMA主要以陰離子形式存在，與質(zhì)子化的氨基產(chǎn)生靜電作用；當(dāng)pH >8后，氨基逐漸去質(zhì)子化，對(duì)As(V)和MMA的作用力逐漸降低。因此，As(V)和MMA在該材料上的最佳吸附pH范圍為5–8。

當(dāng)pH < 6時(shí)，DMA以中性分子形式存在，與涂層之間的主要作用力為疏水作用；當(dāng)pH > 6時(shí)，DMA主要以陰離子形式存在，與涂層之間存在靜電作用。

以兩性狀態(tài)存在的AsB，與涂覆材料之間存在靜電作用和疏水作用。

AsC在溶液中帶正電，與PSP上的磺酸基之間存在陽離子交換作用。

另外，As(III)在pH 3–9的范圍內(nèi)有穩(wěn)定的吸附主要基于其與γ-MPTS上巰基之間強(qiáng)親和作用。

3 討論及小結(jié)

酸性和堿性物質(zhì)的解離平衡常數(shù)及其在不同pH條件下的分布分?jǐn)?shù)信息，對(duì)于針對(duì)性地構(gòu)建分離/富集和分析方法有著重要的作用。在教學(xué)過程中，應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，加深他們對(duì)這一概念的理解和掌握；同時(shí)，教學(xué)要遵循由淺入深和反復(fù)提及的原則。具體而言：

(1) 在酸堿滴定章節(jié)的授課過程中，重點(diǎn)放在闡述分布分?jǐn)?shù)的定義、計(jì)算，以及基于此的不同類型溶液的pH的計(jì)算；不宜對(duì)分布分?jǐn)?shù)的應(yīng)用展開討論。

(2) 在后續(xù)章節(jié)，尋找合適契機(jī)插入，如“酸堿指示劑”部分，可根據(jù)特定指示劑的解離平衡常數(shù)，讓學(xué)生計(jì)算分布分?jǐn)?shù)，學(xué)會(huì)有目的地調(diào)節(jié)介質(zhì)pH，讓指示劑以預(yù)想的形式存在；在“分離和富集方法”部分，讓學(xué)生基于酸堿物質(zhì)的解離平衡常數(shù)和分布分?jǐn)?shù)，理解水相pH對(duì)兩相液液萃取的影響，以及構(gòu)建膜輔助三相液相萃取的基本原理；在儀器分析“液相色譜”部分，可以引導(dǎo)學(xué)生基于分布分?jǐn)?shù)，思考某種分離模式下不同物質(zhì)保留時(shí)間差異的根本原因。

(3) 在反復(fù)強(qiáng)化認(rèn)知的過程中，大部分學(xué)生對(duì)“分布分?jǐn)?shù)”這一概念會(huì)形成比較明晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)酸堿性物質(zhì)的解離平衡常數(shù)更敏感，有助于培養(yǎng)其快速捕獲信息、分析問題、解決問題的能力。

此外，常用教材上收錄的解離平衡常數(shù)信息有限，在教學(xué)和科研過程中，對(duì)特定分析物的分布分?jǐn)?shù)等相關(guān)參數(shù)，可以借助網(wǎng)絡(luò)軟件(如https://chemicalize.com/#/calculation)快速獲取。