超聲輔助濁點(diǎn)萃取-原子熒光光譜法測定水中痕量汞

劉景龍 韓 倩

(1.江蘇省南京環(huán)境監(jiān)測中心，南京 210003；2.安徽工業(yè)大學(xué) 分子工程與應(yīng)用化學(xué)研究所，安徽 馬鞍山 243000)

汞在自然界中不是一種豐富的化學(xué)元素，但由于其巨大的毒性，并且許多工業(yè)和農(nóng)業(yè)廣泛應(yīng)用，汞的測定在環(huán)境和毒理學(xué)研究中顯示出重要的意義[1-2]。其中飲用水是汞進(jìn)入人體的重要途徑之一，因此，對(duì)水中微量甚至痕量汞的測定變得尤為重要。由于非污染水體中的汞濃度非常低，因此需要有靈敏度很高的分析技術(shù)進(jìn)行測定，但是到目前為止，只有少數(shù)分析方法顯示出足夠的靈敏性，比如冷蒸氣原子吸收光譜(AAS)法[3]、冷蒸氣原子熒光光譜法[4]、氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法[5-7]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[8-9]、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法[10-11]等。雖然AAS能夠在靈敏度上滿足汞的測定要求，但是水蒸氣和揮發(fā)性有機(jī)物所產(chǎn)生的背景吸收干擾，幾乎是它的致命因素。ICP-MS由于其高昂的儀器費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用使得很多實(shí)驗(yàn)室望而卻步。原子熒光光譜法基于其對(duì)汞的高靈敏度、低檢出限、以及幾乎不存在干擾等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為國內(nèi)測定汞的主要分析方法[12-14]。

如果能夠采用一種高效、綠色、環(huán)保的預(yù)富集方式，將有可能使得汞的分析檢出濃度大大降低。濁點(diǎn)萃取(CPE)便是一種對(duì)多種分析物進(jìn)行預(yù)濃縮和分離的環(huán)保程序，特別是對(duì)于汞元素來說，整個(gè)萃取過程避免了汞的揮發(fā)損失，能夠具有高效的萃取效率。并且濁點(diǎn)萃取的過程不消耗或消耗最少的有毒有機(jī)溶劑，因此，它被稱為綠色萃取過程[15-17]。利用濁點(diǎn)萃取富集金屬離子，其中最為關(guān)鍵是絡(luò)合劑的選用，只有讓金屬離子形成穩(wěn)定的疏水型化合物，才能被表面活性劑高效地萃取。因此，在眾多的金屬絡(luò)合萃取劑中選擇合適的絡(luò)合劑至關(guān)重要，比如1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)[18]、2-(5-溴-2-吡啶偶氮)-5-(二乙氨基)苯酚(5-Br-padap)[19]、吡咯烷二硫代氨基甲酸銨(APDC)[20]、二乙基二硫代氨基甲酸鈉(DDTC)[21]、O，O-二乙基二硫代磷酸銨(DDTP)[22]、雙硫腙[23]、甲基綠-碘化鉀[20]、硫代米蚩酮(TMK)[24]等。

實(shí)驗(yàn)采用超聲輔助-濁點(diǎn)萃取的方式，篩選出硫代米蚩酮作為絡(luò)合劑，在超聲輔助條件下，采用非離子表面活性劑Triton X-114萃取水樣中的汞，然后對(duì)富集水樣進(jìn)行酸化和消泡處理后，利用原子熒光光譜儀進(jìn)行測定，建立檢出限更低和靈敏度更高的濁點(diǎn)萃取-原子熒光光譜法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

AFS-8520原子熒光光度計(jì)(北京海光儀器公司)。

儀器設(shè)定條件：載氣(氬氣)流量300 mL/min，屏蔽氣流量800 mL/min，負(fù)高壓270 V，燈電流20 mA，讀數(shù)方式為峰面積，讀數(shù)時(shí)間12 s。

P300H型超聲波清洗器(德國Elma公司)：超聲波頻率80 kHz，加熱溫度50 ℃。

TGL-16型高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)(湖南湘儀集團(tuán))：轉(zhuǎn)速3 000 r/min，離心溫度15 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

所有試劑純度均為分析純以上，并且在測試范圍內(nèi)空白未檢出。汞標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液濃度為100 mg/L(國家環(huán)境保護(hù)總局標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所研制)，臨用前由儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋至所需濃度。

硫代米蚩酮(C17H20N2S，上海麥克林生化科技有限公司)溶液：0.08 g硫代米蚩酮(分析純)溶于100 mL乙醇中。

Triton X-114溶液(5%)：5 mL Triton X-114溶于95 mL純水中。

消泡劑：磷酸三丁酯與乙醇1∶1(V/V)混合配制。

硼氫化鉀溶液(20 g/L)：5 g硼氫化鉀(優(yōu)級(jí)純)溶于250 mL的氫氧化鈉(優(yōu)級(jí)純)水溶液(5 g/L)中，臨用現(xiàn)配。

5%鹽酸溶液：200 mL鹽酸(優(yōu)級(jí)純)溶于3.8 L純水中。

1.3 濁點(diǎn)萃取步驟

取一定體積水樣或汞標(biāo)準(zhǔn)溶液于離心管中，依次加入0.5 mL 硫代米蚩酮溶液，1.5 mL Triton X-114表面活性劑溶液，1 mL伯瑞坦-羅賓森緩沖溶液(pH≈3)?；旌先芤涸?0 ℃超聲水浴中超聲處理5 min后濁化，然后在3 500 r/min的離心機(jī)中離心10 min。離心分層后的溶液在冰鹽浴中冷卻5 min，使得表面活性劑相變得凝固，然后用吸管小心移去上層水相(如圖1所示)。向表面活性劑相中加入400 μL消泡劑，然后用5%鹽酸溶液定容至5 mL，混勻待測。

圖1 濁點(diǎn)萃取流程圖Figure 1 Flowchart presentation of cloud point extraction.

1.4 樣品處理

自來水：將自來水龍頭放水20 min后，取水樣2 000 mL并立刻用0.45 μm濾膜過濾，用HCl調(diào)節(jié)pH值至3～4后保存。飲用水源地湖水：在水源地取樣口取樣1 000 mL，用HCl酸化保存至實(shí)驗(yàn)室，用0.45 μm濾膜過濾，并調(diào)節(jié)pH值至3～4待測。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取分離機(jī)理

為了充分利用表面活性劑膠束對(duì)金屬離子進(jìn)行有效提取，關(guān)鍵一步是利用配體化合物或者絡(luò)合劑上的孤對(duì)電子，去抵消金屬離子上的電荷，并與金屬離子相結(jié)合形成疏水性金屬絡(luò)合物。

2.1.1 螯合劑的選擇

通過對(duì)PAN、5-Br-padap、APDC、DDTC、DDTP、雙硫腙、甲基綠-碘化鉀、TMK七種絡(luò)合劑進(jìn)行初步篩選。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下雙硫腙、TMK、APDC具有較高的萃取效率，但是雙硫腙的試劑空白最高，APDC為無色溶液，相分離過程比較困難，因此放棄選用。

TMK易溶于熱醇和苯，不溶于水和石油醚。TMK對(duì)汞的顯色靈敏度很高，是因?yàn)樵谒嵝詶l件下TMK發(fā)生異構(gòu)現(xiàn)象，由酮式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橄┐际剑傻南┐际交衔飵в姓姾刹⒛軌蚝凸纬?∶1的配合物[24-25](如圖2所示)，因此實(shí)驗(yàn)中采用乙醇為溶劑配制TMK溶液，作為濁點(diǎn)萃取中的螯合劑。

圖2 硫代米蚩酮與汞離子作用機(jī)理Figure 2 Reaction mechanism of Thio-Michler′s ketone with mercury cation.

2.1.2 萃取過程

濁點(diǎn)萃取過程中，通常使用非離子型表面活性劑，將形成的疏水型化合物萃取到表面活性劑的膠束中，進(jìn)而離心分離(如圖1所示)。目前常見的有Triton X-100、Triton X-114等。其中Triton X-114的濁點(diǎn)溫度約為40～50 ℃，而Triton X-100的濁點(diǎn)溫度為100 ℃左右，雖然可以通過增加離子強(qiáng)度來降低濁點(diǎn)溫度，但是會(huì)引入新的試劑。因此，本文選用Triton X-114作為萃取劑。

2.2 pH值對(duì)濁點(diǎn)萃取效率的影響

在濁點(diǎn)萃取過程中，pH值對(duì)絡(luò)合物的形成及其化學(xué)穩(wěn)定性起著重要作用。鑒于TMK本身不與汞反應(yīng)，必須在酸性條件下發(fā)生異構(gòu)反應(yīng)生成烯醇式化合物才能與汞發(fā)生強(qiáng)烈結(jié)合，因此在pH值為2～9，考察了pH值對(duì)濁點(diǎn)萃取效率的影響。由圖3可以看出，pH值在2～4的范圍內(nèi)汞的熒光值達(dá)到較大的范圍，其中pH=3時(shí)熒光值最高。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選用pH=3為最佳條件進(jìn)行測試。

圖3 pH值對(duì)汞的原子熒光強(qiáng)度的影響Figure 3 Effect of pH on atomic fluorescence intensity of mercury.

2.3 TMK用量對(duì)濁點(diǎn)萃取效率的影響

實(shí)驗(yàn)中采用TMK的乙醇飽和溶液作為絡(luò)合劑，考察了TMK用量為0.2～1.5 mL對(duì)萃取效率的影響。在TMK用量為0.2～0.5 mL時(shí)，以1 mL 5%的Triton X-114為萃取劑，萃取完成后，上清液基本為無色；當(dāng)TMK用量大于0.5 mL時(shí)，TMK不能完全被萃取進(jìn)入表面活性劑相，上清液呈橙黃色。由圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，TMK的用量對(duì)萃取效率影響不大，0.5 mL的TMK足以結(jié)合溶液中的汞離子，且相對(duì)更好，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選用0.5 mL TMK的乙醇溶液為絡(luò)合劑。

圖4 TMK用量對(duì)汞的原子熒光強(qiáng)度的影響Figure 4 Effect of TMK quantity on atomic fluorescence intensity of mercury.

2.4 Triton X-114用量對(duì)濁點(diǎn)萃取效率的影響

以非表面活性劑Triton X-114為萃取劑，為降低萃取劑的黏度，以提高吸取過程中吸取量的準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)中采用體積分?jǐn)?shù)為5%的Triton X-114進(jìn)行萃取。最理想的實(shí)驗(yàn)條件是在Triton X-114較低的濃度下獲得最大的萃取效率，因?yàn)楦嗟谋砻婊钚詣┰黾恿烁患砻婊钚詣┫嗟捏w積，從而導(dǎo)致最終分析溶液黏度的增加，影響儀器分析中的穩(wěn)定性和精密度[20]。實(shí)驗(yàn)考察了萃取劑用量為0.2～1.5 mL對(duì)萃取效率的影響。由圖5結(jié)果可知，相對(duì)較多的Triton X-114用量可以提高萃取效率，但為了降低黏度，選用1.0 mL Triton X-114溶液為萃取劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5 Triton X-114對(duì)汞的原子熒光強(qiáng)度的影響Figure 5 Effect of Triton X-114 quantity on atomic fluorescence intensity of mercury.

2.5 濁點(diǎn)萃取的平衡條件

為了在最短的時(shí)間和較低的平衡溫度下完成萃取，實(shí)驗(yàn)中采用了超聲水浴的方式進(jìn)行萃取平衡，對(duì)比與單純的水浴加熱，超聲能夠使得絡(luò)合反應(yīng)完全，并且提高萃取的效率和精密度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純的水浴平衡，需要在50 ℃條件下，10 min左右完成萃取反應(yīng)；而在超聲條件下，5 min即可獲得較高的萃取效率。超聲輔助能夠加速濁點(diǎn)萃取過程，但不能降低濁點(diǎn)溫度。實(shí)驗(yàn)中嘗試了加入NaCl或者Na2SO4來增加離子強(qiáng)度，以降低濁點(diǎn)溫度，但會(huì)降低萃取效率。因此，選用超聲輔助-加熱萃取的方式完成萃取平衡過程。

2.6 共存離子的干擾

由文獻(xiàn)[25]可知，TMK在pH值約為3的溶液中對(duì)汞具有較好的選擇性，只有鈀和金能被結(jié)合產(chǎn)生干擾，而對(duì)砷、鋇、鉍、鎘、鈷、鉻(Ⅲ)、鐵、錳(Ⅱ)、鎳、鋨、銣、銻、錫、鍶、釷、鉈、鈾、鋅或鋯等金屬粒子沒有作用。鈀和金的干擾只取決于TMK濃度，大多數(shù)水樣中鈀和金的濃度通常很低，實(shí)驗(yàn)選用的TMK摩爾濃度是汞標(biāo)準(zhǔn)溶液的105倍，因此可以消除它們對(duì)汞提取和測定的干擾。

2.7 方法性能的討論

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，以檢出限、方法精密度和準(zhǔn)確度為特性指標(biāo)，考察了該方法對(duì)50 mL樣品的分析性能。在設(shè)定儀器條件下，采用原子熒光光譜儀以0、0.2、0.4、0.8、1.6和2.0 μg/L六個(gè)汞濃度的熒光值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并對(duì)富集萃取后的水樣進(jìn)行分析。上機(jī)分析之前，在樣品中加入400 μL磷酸三丁酯乙醇溶液為消泡劑，以消除大量氣泡對(duì)原子熒光光譜測定過程中的影響。

2.7.1 方法檢出限

鑒于空白實(shí)驗(yàn)中未檢測出汞，采用空白試樣加標(biāo)樣品進(jìn)行檢測限的測定。取2.0 μg/L的汞標(biāo)準(zhǔn)使用液0.5 mL于50 mL離心管中，調(diào)節(jié)pH值3左右并定容至刻度線，依此方法配制加標(biāo)濃度為0.020 μg/L的加標(biāo)樣品7份。按照濁點(diǎn)萃取程序，依次加入TMK溶液、Triton X-114溶液，經(jīng)過超聲輔助萃取和低溫冷卻，加入消泡劑后上機(jī)測定，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)HJ 168—2020的要求，以MDL=t(n-1，0.99)×S計(jì)算方法檢出限，得到本方法檢出限可以達(dá)到0.003 μg/L，能夠比現(xiàn)行原子熒光光譜法測定水中汞的檢出限0.04 μg/L低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表1 空白加標(biāo)樣品測定結(jié)果

2.7.2 方法精密度與準(zhǔn)確度

按照濁點(diǎn)萃取程序，對(duì)濃度為0.020、0.050、0.100 μg/L三個(gè)濃度的空白加標(biāo)樣品進(jìn)行富集預(yù)處理，然后利用原子熒光光譜儀進(jìn)行測試，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為8.6%、5.6%和4.2%，如表2所示。低濃度樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)更高，高濃度樣品的精密度更好，符合分析測試的規(guī)律，可以滿足測試方法對(duì)精密度的要求。從準(zhǔn)確度方面分析，以均值來計(jì)算空白樣品的加標(biāo)回收率，三個(gè)濃度的加標(biāo)回收率分別為85.0%、106%和91%，說明該方法具有很好的的準(zhǔn)確度。

表2 方法精密度與準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

2.7.3 實(shí)際樣品分析

為了考察該方法分析實(shí)際水樣中汞含量的適用性，通過對(duì)地表水和自來水兩種水樣的分析來評(píng)價(jià)。經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾并酸化的地表水和自來水，按照最優(yōu)濁點(diǎn)萃取條件進(jìn)行預(yù)富集，富集倍數(shù)為10。由于預(yù)富集處理，本方法對(duì)水中汞測定靈敏度明顯提高，能夠檢測出高于直接分析方法檢出限的汞含量。經(jīng)過平行測定6份地表水樣品，濃度分別為0.032、0.036、0.035、0.039、0.036和0.039 μg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.6%，具有良好的測試穩(wěn)定性。通過不同濃度水樣的加標(biāo)測試，地表水和自來水測定結(jié)果的加標(biāo)回收率分別92.5%～98.5%和88.5～101%，說明方法具有良好的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

利用綠色、環(huán)保、高效的超聲輔助濁點(diǎn)萃取的方法，結(jié)合硫代米蚩酮絡(luò)合劑對(duì)水樣中汞的良好選擇性和高度敏感性，實(shí)現(xiàn)了水樣中汞的濃縮和預(yù)富集。在消泡劑的存在下，利用原子熒光光譜儀對(duì)制備的水樣進(jìn)行分析測定。研究結(jié)果表明，該方法的檢出限能夠低于現(xiàn)行水質(zhì)分析標(biāo)準(zhǔn)，并且具有較為滿意的精密度和良好的加標(biāo)回收率，能夠?qū)崿F(xiàn)水中的痕量分析。該方法具有很好的應(yīng)用前景和通用性，可以作為原子熒光光譜法測定水樣中汞的補(bǔ)充方法，滿足超低含汞濃度水樣的分析和監(jiān)測。