超聲和微波輔助提取—?dú)浠锇l(fā)生—電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定地質(zhì)樣品中的鉛

祝瑋，葉海陽

（安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，安徽 合肥 230000）

由于鉛元素的高毒性及其對人體健康和安全的影響，因此，在食品、工業(yè)、環(huán)境、臨床或生物樣品中測定鉛含量尤為重要。由于鉛在食品或生物樣品中的含量通常很低，需要在測量前通過各種預(yù)濃縮方法以實(shí)現(xiàn)鉛的富集[1-2]。目前已經(jīng)提出了分散液-液微萃?。―LLE）、濁點(diǎn)萃?。–PE）、共沉淀或固相萃?。⊿PE）以及不改性石墨烯納米片、離子印跡聚合物等方法[3-6]。然而上述方法或多或少都存在一定的局限性。

由于預(yù)濃縮步驟是可取的，因此生成氫化鉛是從復(fù)雜基質(zhì)中分離鉛的非常成功的方法。電感耦合等離子體光發(fā)射光譜法（ICP-OES）或電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）允許直接定量測定痕量鉛[7]。四氫硼酸鈉（NaBH4）在酸性介質(zhì)中將氫化物形成元素（如As、Bi、Sb、Se、Sn和Pb）還原為揮發(fā)性氫化物，與常規(guī)霧化樣品溶液（2～3 個(gè)數(shù)量級）相比，顯著提高了檢測性能[8-10]。HG-ICP-OES可以用于土壤、水系沉積物、生物材料、食品飲料、地下水中的鉛含量測定。

在鉛的測定中，固體樣品通常通過濕法酸消解程序分解。樣品在通過加熱促進(jìn)的開放容器系統(tǒng)中或在加壓的封閉容器微波輔助系統(tǒng)中，在濃縮的侵蝕性試劑（如單獨(dú)的HNO3及其混合物，包括HNO3/H2O2、HNO3/H2O2/HCl、HNO3-H2O2/HF、HNO3/HF/HClO4/HCl 或王水）的存在下進(jìn)行濕消化[11-13]。在微波消解后，采用敞開電熱板加熱酸消解將所得消化物蒸發(fā)至干，用低濃度HNO3或HCl溶解蒸干物并稀釋至適當(dāng)體積。

盡管這種樣品制備方法非常有效，但較為耗時(shí)，且需要使用昂貴的設(shè)備或復(fù)雜的程序。因此，能夠減少或避免濕法酸消解方法導(dǎo)致的不利影響的替代方法近年來引起了研究者的關(guān)注[14]。在通過直流等離子體原子發(fā)射檢測的流動(dòng)注射HG測定鉛的過程中，通過超聲混合將樣品溶解在稀釋的王水或HCl 中，以制備漿料，然后通過HG-ICP-OES進(jìn)行軸向觀察。

本研究旨在開發(fā)一種使用HG-ICP-OES 測定富鈣材料中鉛的簡單樣品制備方法。優(yōu)化了用稀釋酸進(jìn)行微波輔助提?。∕AE）和/或超聲輔助提取（USE）及氫化物生成條件。將該法用于干擾物存在下測定痕量鉛，評估其對干擾的敏感性。研究了單一物質(zhì)及其混合物造成的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試樣

分析了三個(gè)不同的白云石樣品（編號為1、2、3）。使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07132和GBW 07134來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)使用的試劑均為分析純。1 000 μg/mL 的Pb單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液來自壇墨質(zhì)檢有限公司。上述單標(biāo)溶液通過適當(dāng)步驟逐級稀釋成標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（100 μg /mL）和標(biāo)準(zhǔn)工作溶液（0～2.50 μg/mL）。為了研究外來金屬離子和絡(luò)合劑的干擾作用，使用了作為硝酸鹽和螯合EDTA[作為乙二胺四乙酸二鈉鹽二水合物]的Cu（II）、Fe（III）、Mn（II）、Zn（II）和Mg（II）以及Ca（II）。使用離子型SDS[十二烷基硫酸鈉]、CTAB[十六烷基三甲基溴化銨]、DDAB[十二烷基三甲基銨]和非離子型（Triton X-100）表面活性劑來檢查添加劑對氫化鉛生成的影響。通過將足量的這些試劑溶解在水中制備表面活性劑溶液。將適量的粉狀NaBH4溶解在0.15%（m/v）NaOH 中，制備1.5%（m/v）還原劑溶液，并在使用前過濾。通過將固體試劑（POCh）溶解在水中制備用作Pb（II）至Pb（IV）的氧化劑的3.0%（m/v）的K3[Fe（CN）6]溶液。使用1 mol/L HCl、HNO3和CH3COOH提取樣品。在所有實(shí)驗(yàn)中使用實(shí)驗(yàn)室自制的去離子水（18.3 MΩ/cm）。在超聲波浴中用10%（v/v）硝酸清洗玻璃器皿和塑料管，并用去離子水沖洗若干次。

1.3 樣品制備

在測定白云石樣品中的鉛之前，使用稀釋的HCl、HNO3和CH3COOH 進(jìn)行微波輔助和超聲輔助提取。對于USE，稱取約0.5 g 樣品到30 mL 聚丙烯（PP）離心管中，用25 mL、1 mol/L酸處理，并在60℃的超聲浴中超聲45 min。過濾通過離心（12 000 r/min，10 min）獲得的上清液，并將其保持在4℃直至分析。在MAE 的情況下，用1 mol/L 酸（25 mL）處理約0.5 g 樣品，并以350 W 的最大功率進(jìn)行微波加熱15 min。冷卻后，過濾殘余溶液并在測量前冷藏。樣品一式三份。對于每組提取的樣品，以相同的方式制備程序空白。

1.4 氫化鉛生成

氫化鉛（PbH4）是在一個(gè)連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中生成的，該系統(tǒng)在氣-液相分離配置中工作，直接耦合到ICP-OES光譜儀。該系統(tǒng)由一個(gè)改進(jìn)的旋風(fēng)噴霧室（用作相分離器）、一個(gè)平行的Burgener 型氣動(dòng)噴霧器和帶有輸送管的蠕動(dòng)泵組成。在所應(yīng)用的歧管中，樣品和氧化試劑（K3[Fe（CN）6]）溶液同時(shí)以兩個(gè)單獨(dú)的流泵送到第一個(gè)Y形接頭。接下來，樣品溶液在第二個(gè)Y結(jié)中與酸流混合，然后在第三個(gè)Y接頭與進(jìn)入的NaBH4溶液混合。最后，將反應(yīng)混合物通過反應(yīng)盤管（內(nèi)徑0.5 mm）引入腔室底部的特殊空腔。除其他氣態(tài)副產(chǎn)物外，形成的氫化鉛被載氣Ar流掃過，通過噴霧器氣體入口引入，并輸送至等離子炬。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，控制室中反應(yīng)后液體的液位并將其保持在恒定水平。

1.5 檢測儀器

使用ICP-OES 進(jìn)行分析測試。使用高頻超聲水浴加熱樣品。使用高壓微波消解系統(tǒng)用于MAE 樣品提取。使用高速離心機(jī)加速液相與固體顆粒的分離。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫化鉛制備工藝的優(yōu)化

2.1.1 K3[Fe（CN）6]濃度的影響

由于在氧化劑存在下，氫化鉛（PbH4）僅從Pb（IV）氧化態(tài)有效生成，因此首先建立了Pb（II）定量預(yù)氧化為Pb（III）的條件。為此，測試了幾種試劑，包括K3[Fe（CN）6]、H2O2和K2Cr2O7。正如預(yù)期的那樣，與K3[Fe（CN）6]存在下獲得的結(jié)果相比，Pb（II）與H2O2和K2Cr2O7的氧化較弱。然而，在通過HG-ICP-OES 測定沉積物和地衣中的鉛時(shí)，使用了0.7%的K2Cr2O7。在我們的實(shí)驗(yàn)中，K3[Fe（CN）6]被發(fā)現(xiàn)是最佳培養(yǎng)基，并被選擇用于進(jìn)一步研究。接下來，評估K3[Fe（CN）6]濃度在0.5%～3.0%（m/v）范圍內(nèi)對Pb 響應(yīng)的影響。研究在固定濃度的HCl和NaBH4（分別為0.05 mol/L和2.0%（m/v））下進(jìn)行。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高達(dá)1.5%（m/v）K3[Fe（CN）6]時(shí)，導(dǎo)線的強(qiáng)度幾乎恒定，在3.0%（m/v）的濃度下，進(jìn)一步增加至30%。因此，以3.0%（m/v）K3[Fe（CN）6]為最佳。這與K3[Fe（CN）6]濃度在1%～3%范圍內(nèi)的其他工作一致。

2.1.2 NaBH4濃度的影響

NaBH4的濃度是最重要的參數(shù)之一，特別是當(dāng)HG與ICP 耦合時(shí)。到目前為止，使用的氫化鉛生成值為0.2%～5%。本文研究了NaBH4濃度在0.5%～2.5%（m/v）范圍內(nèi)對Pb 響應(yīng)的影響。用于穩(wěn)定NaBH4的NaOH濃度（%（m/v））保持為相應(yīng)還原劑溶液的10 倍。Pb 信號增加到1.5%（m/v）NaBH4。高于此濃度，Pb 排放幾乎恒定（SD 不確定度的差異）。此外，高于1.5%（m/v）的NaBH4濃度使等離子體不穩(wěn)定，這可能是由于產(chǎn)生的氫氣量過多，導(dǎo)致空白上升。因此，有利的NaBH4濃度為1.5%（m/v）。

2.1.3 酸類型和濃度的影響

在0.01～1.0 mol/L范圍內(nèi)，研究了兩種無機(jī)酸（HCl和HNO3）和有機(jī)酸（CH3COOH）對氫化鉛生成的影響，結(jié)果如圖1 所示。觀察到Pb 信號快速增長至0.3 mol/L達(dá)到峰值，隨后隨著濃度增加開始系統(tǒng)性降低，當(dāng)酸濃度為1.0 mol/L 時(shí)，上述三種酸的Pb 信號值降低至300以下。此外，最大Pb 響應(yīng)幾乎相同，與所用酸種類無關(guān)。對于CH3COOH，在0.3 mol/L 的濃度下獲得的最高的Pb 響應(yīng)信號大小以及與酸濃度的變化都接近于在HCl和HNO3中獲得的值。這表明乙酸也適用于PbH4的有效生成。

圖1 K3[Fe（CN）6]（3%）和NaBH4（1.5%）的濃度下酸濃度對鉛信號的影響

總之，HCl、HNO3和CH3COOH是測定鉛的合適反應(yīng)介質(zhì)，然而，PbH4的生成僅發(fā)生在較低濃度的酸度范圍內(nèi)，因此，為了測定白云石中的鉛，最終樣品溶液由0.3 mol/L的HCl、HNO3或CH3COOH組成。

2.1.4 試劑流速和反應(yīng)盤管長度的影響

測試了試劑（即樣品、氧化劑、酸和還原劑）流速的影響以及反應(yīng)線圈長度對PbH4生成過程中Pb 信號的影響。發(fā)現(xiàn)流速從0.8 mL/min增加至1.2 mL/min時(shí)，Pb響應(yīng)信號值增長了26%，但是當(dāng)流速超過1.0 mL/min時(shí)，測量的重復(fù)性變差。這種現(xiàn)象可能是由于H2的大量產(chǎn)生，導(dǎo)致等離子體的不穩(wěn)定。因此，在隨后的研究中使用了1.0 mL/min 的試劑流速。在測試反應(yīng)線圈長度（5～25 cm）的情況下，反應(yīng)線圈越短，則觀察到響應(yīng)值越大。反應(yīng)線圈長度的增加使Pb 信號降低了約25%～30%。

總之，通過HG-ICP-OES測定Pb的最佳條件如下：1.5%（m/v）NaBH4、3.0%（m/v）K3[Fe（CN）6]、0.3 mol/L HCl、HNO3或CH3COOH（在樣品溶液中）、1.0 mL/min 試劑流速和5.0 cm反應(yīng)盤管長度。

2.2 干擾研究

研究了Cu、Fe、Mn和Zn等元素對PbH4生成的干擾效應(yīng)，因?yàn)檫^渡金屬在還原條件下被認(rèn)為是嚴(yán)重的干擾成分。干擾效應(yīng)表示為相對強(qiáng)度，即存在伴生元素的溶液的Pb 強(qiáng)度與不存在共存元素的溶液在相同Pb 濃度下的Pb 強(qiáng)度之比。檢查了單一元素及其混合物的存在。外來金屬的濃度與鉛的濃度相等（1∶1）或高出10倍（10∶1）。研究了優(yōu)化HG 條件下HCl、HNO3和CH3COOH反應(yīng)介質(zhì)中的干擾情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 在固定的HCl、HNO3和CH3COOH濃度（0.3 mol/L）下，通過HG-ICP-OES測定Pb時(shí)的基質(zhì)效應(yīng)

據(jù)觀察，Pb 受干擾的程度取決于酸性介質(zhì)。對于HCl，抑制效應(yīng)變化如下：Zn（II）≤Mn（II）≤Fe（III）≤Cu（II），并隨著金屬濃度的增加而增加。Cu（II）是最嚴(yán)重的干擾元素，導(dǎo)致Pb 信號降低了80%。Fe（III）的干擾程度低于Cu（II）（減少30%～45%），而Mn（II）和Zn（II）的存在使Pb 信號降低了20%～30%。在HNO3介質(zhì)中也發(fā)現(xiàn)了類似的行為。如果使用CH3COOH，只有Cu（II）顯著降低了Pb信號（80%）。對于Mn（II）和Fe（III），干擾效應(yīng)較小，從4%（Fe）到16%（Mn）不等。另一方面，乙酸中的Zn（II）增強(qiáng)了Pb信號（10%）。在大部分金屬存在的情況下，Pb 響應(yīng)總是降低，乙酸的響應(yīng)更明顯。由此得出，在HG 條件（酸性介質(zhì)）下，所有類型的金屬可能會(huì)對PbH4的生成產(chǎn)生綜合影響，但這不容易預(yù)測和評估。在相同濃度的干擾物與鉛（1∶1比例）下，鉛信號降低了10%～25%，而對于過量的干擾物（10∶1比例），鉛響應(yīng)降低了50%～60%。

與Cu（II）類似，EDTA 影響鉛烷的形成（圖2）。樣品中存在的0.05 mol/L EDTA會(huì)對Pb信號產(chǎn)生抑制，這是由于形成了對還原條件不起反應(yīng)的穩(wěn)定絡(luò)合物[15]。由于白云石是堿金屬和堿土金屬（主要是Ca）含量高的材料，這會(huì)影響ICP激發(fā)條件，此外還研究了Ca、K和Na混合物對Pb氫化物生成的干擾，結(jié)果如圖2所示，無論干擾物的水平如何，干擾物的存在都會(huì)使Pb信號降低。

2.3 分析特性

在優(yōu)化的HG條件下，檢查了Pb的分析優(yōu)值，即Pb信號的增強(qiáng)因子（EF）、確定系數(shù)（R2）、檢測限（LOD）和測量精度。

為濃度在0～2.5 μg/mL范圍內(nèi)的Pb溶液建立了校準(zhǔn)曲線。EF 因子是指氫化物發(fā)生（HG）和氣動(dòng)霧化（PN）方法獲得的校準(zhǔn)曲線斜率之間的比率。LOD計(jì)算的是濃度（μg/L），相當(dāng)于10 次空白執(zhí)行測量的標(biāo)準(zhǔn)差（3×SD）的三倍（3σ標(biāo)準(zhǔn)）。精密度表示為0.10 μg/mL Pb水平下Pb 信號的五次重復(fù)測量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（%RSD），結(jié)果列于表1中。

表1 Pb的分析優(yōu)值

建立了高達(dá)2.5 μg/mL 的Pb 的線性校準(zhǔn)曲線，具有高相關(guān)系數(shù)（R2＞0.99）。RSD 不超過5%（2.2%～3.9%之間）。對于水性標(biāo)準(zhǔn)溶液，LOD 平均值在2.3～5.6 μg /L 之間，具體取決于所用的酸，并且最好使用乙酸作為反應(yīng)介質(zhì)。與使用硝酸或鹽酸時(shí)評估的LOD相比，各自的LOD 約低兩倍，與使用常規(guī)樣品霧化（PN）通過ICP-OES（83 ng/mL）測量Pb 時(shí)估計(jì)的值相比，LOD 低近40 倍。酸之間LOD 的差異主要由試劑空白值引起。

與PN相比，HG方法的靈敏度提高了大約兩個(gè)數(shù)量級?？紤]到先前的干擾研究，通過標(biāo)準(zhǔn)加入法（表1）驗(yàn)證了用稀釋酸提取的樣品基質(zhì)成分可能產(chǎn)生的干擾效應(yīng)。在該程序中，將選定的白云石樣品加入已知量的Pb（1 μg/mL和2 μg/mL），并根據(jù)提取程序和HG測量進(jìn)行分析?？梢钥闯?，樣品基質(zhì)可能會(huì)影響Pb 的測定。對Pb 靈敏度的干擾效應(yīng)取決于反應(yīng)介質(zhì)，并按以下順序降低：CH3COOH＞HCl＞HNO3。標(biāo)準(zhǔn)加入物的校準(zhǔn)曲線斜率比使用簡單水標(biāo)準(zhǔn)溶液的外部校準(zhǔn)曲線的斜率低約50%。在無機(jī)酸（HCl、HNO3）的條件下，可以實(shí)現(xiàn)對基質(zhì)效應(yīng)更好的耐受范圍。因此，考慮到基質(zhì)效應(yīng)，白云石樣品的LOD 在3.4～6.8 μg /L 之間變化。這些結(jié)果清楚地表明，對于白云石樣品的提取，根據(jù)外部標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)分析所得提取物是不夠的，應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)添加作為對真實(shí)樣品的校準(zhǔn)策略。

2.4 優(yōu)化程序的驗(yàn)證與應(yīng)用

通過對CRM 的分析和回收率測試，驗(yàn)證了所開發(fā)的Pb 方法的準(zhǔn)確性。由于鉛烷的生成依賴于酸度，為了避免用濃縮試劑完全消化樣品，在樣品制備階段使用1 mol/L酸提?。║SE和MAE）（見樣品制備部分）。然后將所得樣品上清液稀釋至最終0.3 mol/L 酸濃度（HG反應(yīng)的最佳酸度）。應(yīng)該指出的是，超聲波和微波系統(tǒng)的加熱對鉛的提取略有影響。此外，由于超聲波浴在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室都可用，更易于處理，并且每次處理樣品的效率比微波系統(tǒng)更高，因此在這項(xiàng)工作中，首選超聲波浸出法。所有這些結(jié)果列于表2中?？梢钥闯觯瑯?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定濃度與認(rèn)證值非常一致。根據(jù)t 檢驗(yàn)（95%置信水平），結(jié)果之間的差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上不顯著。

表2 經(jīng)超聲波（USE）和微波輔助（MAE）提取后，通過HG-ICP-OES獲得的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)中的Pb濃度（μg·g-1）

此外，在分析之前，通過在白云石樣品中加入兩個(gè)濃度水平（1 μg/mL 和2 μg/mL）的鉛進(jìn)行回收實(shí)驗(yàn)，所獲得的回收率非常高，在91.9%～104%（1 μg/mL）和102%～114%（2 μg/mL）。這表明研究的所有稀酸（HCl、HNO3和CH3COOH）都是HG-ICP-OES 測定白云石樣品中鉛的合適試劑。它們可同時(shí)用于樣品提?。◤臉悠坊|(zhì)中釋放出Pb）和鉛烷生成過程中的進(jìn)一步反應(yīng)介質(zhì)（適當(dāng)稀釋后）。

將開發(fā)的方法應(yīng)用于白云石的分析，結(jié)果匯總在表3 中。Pb 含量在7～180 μg/g 的范圍內(nèi)，實(shí)際上與所用的酸無關(guān)。應(yīng)注意的是，由于白云石和CRM 中的鈣含量非常高（mg/g水平），因此可以在不使用HG程序的情況下將其提取物直接引入ICP，但必須至少稀釋25 倍。結(jié)果，這種稀釋溶液中的鉛濃度太低，根本無法通過常規(guī)的樣品霧化進(jìn)行測量。這意味著，在通過ICP-OES測定之前，建議的固體-液體萃取法和HG 法足以從富鈣樣品中分離鉛。

表3 用HCl、HNO3 和CH3COOH 超聲輔助萃取后，通過HGICP-OES獲得的受檢白云石（樣品1～3）中Pb的濃度（μg·g-1）

3 結(jié)論

本文提出用稀釋的無機(jī)酸（HCl、HNO3）或有機(jī)酸（CH3COOH）進(jìn)行微波（MAE）和超聲輔助（USE）萃取的方法，然后采用優(yōu)化的氫化物發(fā)生法，結(jié)合ICP-OES 測定富鈣材料（如白云石）中的鉛。所開發(fā)的方法證明了通過HG-ICP-OES 可靠測定環(huán)境或工業(yè)影響的富鈣樣品中鉛的適用性。

與常規(guī)樣品氣動(dòng)霧化（PN）的應(yīng)用相比，通過HGICP-OES 測量Pb 的樣品引入在Pb 的可檢測性和Ca 引起的干擾最小化方面顯著提高。氫化鉛的生成效率很大程度上取決于還原條件，酸濃度是影響PbH4生成的關(guān)鍵因素。發(fā)現(xiàn)低濃度硝酸、鹽酸和乙酸是NaBH4分解以及從真實(shí)樣品中提取Pb的有利介質(zhì)。與所用的酸無關(guān)，獲得了類似的Pb水溶液HG分析性能。由于樣品基質(zhì)的影響，在分析白云石時(shí)發(fā)現(xiàn)所用酸的類型很重要?；|(zhì)成分對Pb 測定有影響，因此建議采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行分析。在測試的三種酸中，HCl似乎給出了最令人滿意的結(jié)果，即對基質(zhì)效應(yīng)的耐受性（Pb 響應(yīng)降低30%）、檢測限（原始樣品中的＜5 μg/L）和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜7%，顯示出提取分析的足夠精度。USE 和MAE 提取都是安全和簡單的，減少了樣品處理和試劑消耗，并消除了鉛的損失或樣品的污染，因此，它們可以代替基于濕消化的傳統(tǒng)樣品處理。