浊点萃取技术在重金属分析中的应用

浊点萃取技术在重金属分析中的应用 摘要：浊点萃取(CPE)技术是近年来出现的一种新型的溶质分离和富集技术，因其具有环境友好、分离效率高、富集因子大、操作简便和易于与仪器联用等优点，而被广泛应用。本文简述了浊点萃取技术的原理、操作流程和表面活性剂的类型及性质，介绍了浊点萃取的影响因素，详细阐述了浊点萃取技术在重金属分析中的应用以及与各种仪器的联用。关键词：浊点萃取；重金属；分析；应用随着工业的发展，环境污染越来越严重，让我们的生活受到了极大的威胁。在众多污染中，重金属污染对我们身心的伤害尤为严重。1956年日本水俣病事件，就是由汞对海洋环境污染造成的公害。还有2012年8月陕西凤翔血铅超标事件，截至目前已导致了851名儿童血铅超标，严重影响了这些儿童的生长发育，给他们的身心造成了极大的伤害。诸如此类重金属污染事件，严重威胁着人们的身心健康。为此，我们需要找出一种有效的测量环境中重金属含量的技术。然而，由于环境污染物种类繁多、组成复杂、含量极低，且存在基体干扰1，直接用仪器难以检测或检测效果不好，因此，需要借助分离富集的手段来提高分析方法的灵敏度和选择性。由于传统的样品分离方法劳动强度大、操作步骤多、时间周期长、重复性差、富集倍数低, 不适合痕量污染物的预处理。另外大量有机溶剂的使用不但对操作人员的健康有害, 而且造成环境污染1。因此, 各种溶剂用量少、绿色环保的样品制备与预处理技术得到了迅速的发展。而浊点萃取技术就是这样的一种分离富集技术。浊点萃取( cloud point extraction，CPE ) 技术是近年来提出的一种新型的液-液萃取技术, 是将表面活性剂应用于分析化学领域的一种重要而实用的技术。它是以中性表面活性剂胶束水溶液的溶解性和浊点现象为基础,通过改变实验参数如溶液的pH值、离子强度、温度等引发相分离, 将数十或数百毫升试样中疏水性痕量成分转移到数百微升的表面活性剂浓缩相的一种新颖的分离富集技术2。与传统的萃取技术相比，浊点萃取技术具有绿色环保、萃取效率高、富集因子大、操作简便、安全、经济、易于与仪器联用等优点1-3,因而在各个领域被广泛应用。本文主要介绍浊点萃取技术在重金属分析中的应用。1 浊点萃取的原理浊点萃取主要是运用表面活性剂的两个重要功能增溶作用和浊点现象4。增溶作用是表面活性剂在水溶液中浓度达到临界胶束浓度(水溶液中的表面活性剂产生胶束的最小浓度，Critical Micelle Concentration，CMC)而形成胶束后，能使不溶或微溶于水的化合物结合到胶束上而溶解度显著增大，形成澄清透明溶液的现象。所形成的增溶体系是热力学稳定体系。所谓浊点(CP)现象, 是指在一定的温度范围内，表面活性剂易溶于水成为澄清的溶液，而当温度升高(或降低)一定程度时，溶解度反而减小，会在水溶液中出现浑浊、析出、分层的现象。溶液由透明变为浑浊时的温度称为浊点。表面活性剂分子通常由疏水基和亲水基两部分组成。溶液中的疏水性物质与表面活性剂的疏水基团结合, 经放置或者离心分离形成两相：一相是被萃取进入表面活性剂, 形成量少(一般为100-200L)且富含被萃取物的表面活性剂相； 另一相是亲水性物质留在水相中, 形成量大且表面活性剂胶束含量为临界胶束含量的水相。再经两相分离, 就可将样品中的物质分离出来5。2 表面活性剂的类型及性质表面活性剂可分为非离子型表面活性剂和离子型表面活性剂5-8。对于非离子型表面活性剂，体系的温度加热到浊点温度以上时，会产生浊点分离现象，浊点温度以上为单相。由于非离子型表面活性剂在水中的临界胶束浓度较低，易形成胶束，且可以通过与不同长度和功能的基团相结合改变它的性质，是浊点萃取技术使用最早、应用最广泛的表面活性剂。而对于离子型表面活性剂，体系的温度则要降低到浊点温度以下时才产生浊点分离现象，浊点温度以上为单相，这与非离子型表面活性剂正好相反。离子型的表面活性剂由于其临界胶束浓度较高，浊点分相后的水相表面活性剂浓度较高，富集倍数及分离效率不高，很少单独用于浊点萃取。表1列出了浊点萃取中常用的表面活性剂的名称、结构、浊点温度以及临界胶束浓度3,9。表1 浊点萃取中常用的表面活性剂表面活性剂名称临界胶束浓度浊点温度化学类别名商品系列名Ccmc/(mmol/L)t/聚氧乙烯脂肪醇Brij 300.02-0.0627Brij 350.06100Brij 560.000664-69对叔辛基苯基聚己二醇醚Triton X-1000.17-0.3064-65Triton X-1140.20-0.3522-25正烷基苯基聚己二醇醚Ponpe-7.50.085520Ponpe-100.07-0.08562-65IgepalCO-71070-72IgepalCA-62022IgepalCO-63054IgepalCO-62126两性离子表面活性剂C14APS12C16APS20C12PPS9DC8PO41C10AESO477C8APSO432C9APSO44.565C10APSO488C8-lecithin453 金属离子的浊点萃取过程 金属分析中的浊点萃取技术的操作步骤比较简单, 即先将样品经过适当的处理，得到样品溶液，再用适当的缓冲溶液调至所需的pH，然后在样品溶液中加入适量的络合剂和表面活性剂, 样品溶液中的金属离子就会与络合剂结合生成络合物, 加入适当的添加剂, 在水浴中加热至浊点,再趁热离心分离, 冷却后去除水相, 将表面活性剂相进行适当的稀释, 就可直接测定3-5,。图1是该过程的图解8：图1 金属离子的浊点萃取过程图解加入络合剂和表面活性剂，调节pH到所需值后，加热 离心分离，分相 弃去水相，得表面活性剂相金属离子 表面活性剂胶束 络合物 表面活性剂相 水相4 影响浊点萃取的因素为达到满意的定量分离、高富集率及分析测定, 浊点萃取的实验条件应进行优化。考察浊点萃取过程常用下列参数: 萃取率( E )、浓缩因子( Cf )、相体积比( )和分配系数( D)4,12。影响浊点萃取的因素很多3,4,7,9,12-13, 现归纳如下：4.1 表面活性剂的种类和浓度浊点温度与表面活性剂分子结构和浓度相关。当表面活性剂中疏水链长度相同时，亲水链长度增加，浊点温度升高，待测物的D、Cf和下降；相反，亲水链长相同时，疏水链长度增加，浊点温度下降，待测物的E提高，但分配系数D和相体积比有所降低。增大表面活性剂的浓度可提高E，随之增大，而Cf和D同时减小。为了提高Cf，可以降低表面活性剂的浓度。但若表面活性剂浓度太低，则分层后胶束相体积太小，不利于萃取后两相分离，影响方法的准确性和重现性。因此应当选择合适的表面活性剂和适宜的浓度。4.2 络合剂的选择络合剂应对待测元素有较高的生成常数,且尽量不与共存离子络合。4.3 溶液的pH值pH值对浊点萃取的影响要视表面活性剂及被萃取物的性质而定。对非离子型表面活性剂影响不大，而离子型表面活性剂，其影响却十分显著。对于金属离子萃取，需要合适的络合剂与金属离子形成疏水型的络合物，然后萃取到表面活性剂相，pH值影响络合物的形成，进而影响萃取率。4.4 平衡温度与时间平衡温度和时间对浊点萃取的影响要视表面活性剂及被萃取物的结构而定。使用非离子表面活性剂时，提高平衡温度则萃取率增加。一般要达到较好的萃取率，平衡温度至少要比表面活性剂的浊点温度高出15-20。延长平衡时间会提高萃取率，但过长的平衡时间对于E无明显影响，通常在30min左右就具有较好的萃取率。4.5 离子强度离子强度的改变对萃取率E、分配系数D和相体积比无明显影响，但一些惰性盐的加入可以改变表面活性剂的浊点温度，使水相密度加大，便于两相分离。4.6 离心时间离心时间并不影响萃取率，但可以促进两相分离.对于浊点温度较高的体系，室温下较长时间离心有可能引起相分离逆转，反而会降低萃取 效 率。一般而言，比较推荐的离心时间为5-10min。4.7 添加剂添加剂可以改变表面活性剂的浊点温度，引发表面活性剂水溶液的相分离。5 浊点萃取技术在重金属分析中的应用 作为痕量元素分离富集的手段，浊点萃取技术被广泛地运用在重金属分析中。通过表面活性剂对环境样品中痕量重金属离子进行分离和预富集，再与分子光谱法、原子吸收光谱法（AAS）、原子荧光光谱法（AFS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、毛细管电泳（CE）和色谱技术（HPLC和GC）、流动注射技术等联用1,3,5,8,12-13，实现了环境样品中痕量重金属离子的准确测定。5.1 浊点萃取-分子光谱法该法又可分为浊点萃取-分光光度法、浊点萃取-分子发光分析法和浊点萃取-荧光光谱法。5.1.1 浊点萃取-分光光度法（CPE-UV/VIS）分光光度法具有分析速度快、精密度高、准确度好以及仪器设备便宜等优点，一直是仪器分析的重要检测手段之一。但是该方法的干扰因素较多，对样品前处理的要求比较高。现在将浊点萃取技术与其联用，使问题得到了解决。联用的实例见表2：表2 浊点萃取用于分光光度发的实例测定元素络合剂表面活性剂检测范围检出限文献g/mLg/LCdABTTTriton X-1140-0.3614CdNPBPDTTriton X-1140-0.2515Zn双硫腙Triton X-1140.2-1.00.0502116Zn双硫腙Triton X-1000.2-1.20.52117Ni()NPDMTTTriton X-1140-0.1418CoPANSDS0.0167-0.08332.8719FeKSCNTriton X-1001.0-102020Cu异亮氨酸Triton X-1000.01-1521MoPFTriton X-1140.02-0.141222AuTMBTriton X-1140-0.5235.1.2浊点萃取-分子发光分析法/荧光光谱法分子发光分析法和荧光光谱法的灵敏度比紫外可见分光光度法要高, 且表面活性剂形成的胶束微环境可以对处于激发态的荧光物质起到保护作用而提高荧光强度。但二者与浊点萃取技术的联用还不是很多，这里就不多介绍了。5.2 浊点萃取-原子吸收光谱法原子吸收光谱法（AAS）是基于物质所产生的原子蒸气对特定的谱线的吸收作用来进行定量分析的一种分析方法。原子吸收光谱法具有快速、灵敏、准确、选择性好、干扰少和操作简便等优点。根据试样原子化方式的不同，该法又可分为浊点萃取-火焰原子吸收光谱法、浊点萃取-石墨炉原子吸收光谱法、浊点萃取-悬浮体进样电热原子吸收光谱法和浊点萃取-冷蒸气原子吸收光谱法。5.2.1 浊点萃取-火焰原子吸收光谱法（CPE-FAAS）该方法是浊点萃取与仪器联用的一种最为常用的方法，这是由于经浊点萃取后的表面活性剂相稀释液易于引入火焰原子吸收光谱。在CPE-FAAS 法中, 为了降低表面活性剂相的黏度, 需用一定体积含稀酸的甲醇溶液稀释表面活性剂相。而表面活性剂和甲醇等有机溶剂的引入对FAAS测定有以下作用：在试液雾化时,适量的表面活性剂和有机溶剂的存在能够减小雾滴尺寸, 提高雾化效率, 同时增加样品原子化的效率。表3列出了浊点萃取和火焰原子吸收光谱法联用的实例。测定元素络合剂表面活性剂检出限富集倍数文献g/LAg双硫腙Triton X-1140.564324CoTANTriton X-1140.245725Ni0.4465CdTANTriton X-1140.09957.726Cu0.2764.3Pb1.155.6Zn0.09563.7Cd双硫腙Triton X-1140.315227Ni1.239Ni()镁试剂Triton X-1142.71728Mn()2.919Fe中性红Triton X-1140.79829Cu0.369Pb（）PANTriton X-1145.273030Pb()1-PTSCTriton X-1143.422531Co()125Cu()0.6725CuDDTCTriton X-1140.82832CrBNPADBTriton X-1145.9185.2.2 浊点萃取-石墨炉原子吸收光谱法（CPE-GFAAS）浊点萃取-石墨炉原子吸收光谱法在重金属分析中应用得也比较广泛。在石墨炉原子吸收光谱分析中, 有机溶剂和表面活性剂的存在可以改善试样溶液和石墨管的接触性能, 促进液滴在石墨管壁上的分散, 从而提高原子化速度和效率。表4列出了浊点萃取和石墨炉原子吸收光谱法联用的实例。测定元素络合剂表面活性剂检出限富集倍数文献g/LPtDDTCTriton X-1140.22933CrPANTriton X-1140.0283.634CoPANTriton X-1000.00310035Cd8-羟基喹啉Triton X-1000.0251736CdPANTriton X-1000.00595037NiPAR SDS和Triton X-1000.52038PbAPDCTriton X-1000.0110-100395.2.3 浊点萃取-悬浮体进样电热原子吸收光谱法（CPE-ETAAS）CPE与 ETAAS的联用技术正在发展之中。CPE与 ETAAS联用不存在大的困难，而灵敏度比CPE-FAAS方法提高2-3个数量级。表5列出了CPE与 ETAAS联用的实例。测定元素络合剂表面活性剂检出限富集倍数文献g/LSb()，Sb()APDCTriton X-1140.0240Se(),Se()DABTriton X-1140.002510041Cr 8-羟基喹啉Triton X-1000.02350425.2.4 浊点萃取-冷蒸气原子吸收光谱法（CPE-CVAAS）该方法应用得不是很多，这里就不多介绍了。5.3 浊点萃取-原子吸收光谱法原子荧光光谱法是以原子在辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。但所用仪器与原子吸收光谱法相近，具有检出限较低、灵敏度高、干扰较少，能实现多元素同时测定，仪器简单、价廉等优点。5.4 浊点萃取-电感耦合等离子体质谱法/发射光谱法（CPE-ICP-MS/OES）电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）具有灵敏度高、检出限低、线性动态范围宽和可以进行多元素同时测定及同位素分析等优点，是一种具有广阔前景的痕量（超痕量）无机多元素分析技术。将CPE与ICP-MS/OES联用，进一步提高了该方法的灵敏度和检测范围。表6列出了CPE与ICP-MS/OES联用的实例。测定元素络合剂表面活性剂检测方法检出限文献g/LMo8-羟基喹啉Triton X-100ICP-MS0.843Ru,Rh,Pd,DDTPTriton X-114ETV-ICP-MS0.7,3.0,6.0,44Pt,Au0.6,0.8Dy5-Br-PADAPPonpe-7.5FI-ICP-OES3045Gd5-Br-PADAPPonpe-7.5FI-ICP-OES4046V5-Br-PADAPPonpe-5.0FI-ICP-OES1647Hg5-Br-PADAPPonpe-5.0FI-CV-ICP-OES448Cr, Cu8-羟基喹啉Triton X-100ICP-OES1.29,1.3149BI()8-羟基喹啉Triton X-114TCP-OES0.12505.5 浊点萃取与其他检测方法联用的应用其他检测方法主要有高效液相色谱法、毛细管电泳等。Tang51等成功地将铬形态的浊点萃取富集手段应用到HPLC的分离。另外Tang等52以PAN为螯合剂，Triton X- 114作为表面活性剂同时浊点萃取Cu()和 Co(),经CE分离后以光电二极管阵列检测器检测, 二种离子可达基线分离。6 浊点萃技术目前尚存在的问题(1) 其理论上的研究还不完善，如表面活性剂产生浊点现象的原因还不十分清楚，非离子表面活性剂的相分离理论至今也尚无定论。(2) 浊点萃取技术与其它分析仪器联用的研究有待深入，如与高效液相色谱(HPLC)、毛细管电泳(CE)的联用技术8。7 展望浊点萃取技术是分离和富集痕量重金属离子的有效方法，是一种有发展前景的环境友好的分离富集技术，已在各个分析领域得到广泛应用。但该方法的理论还不是很完善，需要进一步研究。另外，浊点萃取技术在重金属分析中的应用主要局限于实验室，与自然界中实际环境条件并不相同，因此，将该技术推广到监测现场，是浊点萃取技术在环境监测中发展的重要方向。参考文献：1 吴敏,高玉时,陆俊贤,葛庆联,蒲俊华.浊点萃取技术在环境污染物检测中的应用. 监测分析, 2012,1:70-742 何静林. 浊点萃取技术在环境样品分析中的应用.四川化工,2010,3:15-193 梁沛,李静. 浊点萃取技术在金属离子分离和富集以及形态分析中应用的进展. 理化检验- 化学分册,2006,42(7):582-5874 高舸. 浊点萃取技术在卫生检验痕量金属元素分析中的应用. 中国卫生检验,2011,21(1):254-2575 王坚刚,林建原.浊点萃取技的应用.广东微量元素科学,2009,16(3)：17-216 张桂平,秦炜,戴猷元. 浊点萃取及其应用.中国科技论文在线，2007，12：1-67 周锦兰,俞开潮.浊点萃取技术及其在食品工业中的应用.食品科学,2003,24(4)：164-1688 黄晖,陈培珍. 浊点萃取技术在痕量金属离子测定中的应用.三高等专科学校学报,2004,21(4):66-719 高守红,范国荣,吴玉田.浊点萃取法在生物医药中的应用.中国医药工业杂志,2005,36(7):428-43310 周凌云,黄坚,宁左云,蔡玲,李春香. 浊点萃取-FAAS法测定化妆品中六价铬. 广州化工,2011,39(2):1-1011 董树国.浊点萃取-分光光度法测定茶叶中的痕量锌.光谱实验室,2011,28(6):3125-312812 张慧,许晓菁,杨一青,沈之芹,沙鸥.浊点萃取技术及其应用研究进展.化工进展，2012,31,441-44713 陈建国,金献忠,陈少鸿.浊点萃取在金属离子测定中的应用进展.检验检疫学刊,2009,19(3)14 王慕华,郑云法，张晓燕，张春牛. 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