正交设计优化浊点萃取-石墨炉原子吸收光谱法测定环境水样中痕量Cd(Ⅱ)

李 姗, 王 梅, 杨冰仪, 古嘉平

(广东药学院公共卫生学院，广东省分子流行病学重点实验室，广东广州 510310)

镉是一种主要的环境污染物，在生物体内的半衰期长达10～30年[1]，它具有强致癌、致畸性和致突变的作用。美国毒物管理委员会已将其列为第6位危害人类健康的有毒物质[2]。由于环境水样中Cd(Ⅱ)含量较低，基体复杂，直接测定痕量或者超痕量Cd(Ⅱ)较困难，因此测定前需对其进行分离和富集。浊点萃取法(Cloud Point Extraction,CPE)作为一种有效的分离富集方法，因具有试剂消耗量小、富集倍数大、操作简便和不使用挥发性的有机溶剂等优点，已广泛应用于痕量金属元素的分离富集[3，4]。

目前，CPE已与分光光度法[5]、原子吸收光谱法[6]和电感耦合等离子发射光谱技术[7]结合用于痕量Cd(Ⅱ)的测定。采用的表面活性剂主要是Triton X-114[8]、Triton X-100[9]和PONPE 7.5[10]，而使用Triton X-45尚未见报道。表面活性剂Triton X-45相较于以上表面活性剂具有更低浊点温度及疏水性强[11]，更易于实现表面活性剂相与水相分离。此外，对于浊点萃取条件的优化，文献报道的主要采用单因素实验，未考虑到其它因素对结果的影响。本文以8-羟基喹啉为螯合剂、Triton X-45为表面活性剂，采用L27(313)正交表进行正交试验优化浊点萃取条件，并与石墨炉原子吸收(Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry，GFAAS)检测技术联用，建立了测定水样中痕量Cd(Ⅱ)的新方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

Z-2000型原子吸收分光光度计(日本，日立公司)，配纵向加热石墨炉原子化器，纵向交流塞曼效应背景校正器，自动进样器。DK-600型三用恒温水箱(上海精密实验设备有限公司)；Anke KA-1000型台式离心机；pHS-3C精密酸度计(上海虹益仪器仪表有限公司)；SZ-97自动三重水蒸馏器(上海亚荣生化仪器厂)。

Cd(Ⅱ)系列标准溶液由浓度为1 000 mg/L Cd(Ⅱ)标准储备溶液(核工业北京化工冶金研究所)逐级稀释得到；1%8-羟基喹啉乙醇溶液；5%Triton X-45水溶液；含1%HNO3的甲醇；pH=9.0的硼酸钠缓冲溶液；10 g/L NH4H2PO4溶液。试剂均为分析纯，实验用水为三次蒸馏水。实验所用器皿均用5%HNO3浸泡24 h后使用。

1.2 仪器工作条件

GFAAS的工作条件为：Cd(Ⅱ)的测定波长228.8 nm，灯电流7.5 mA，光谱通带宽度1.3 nm，进样量20 μL，基体改进剂NH4H2PO4溶液进样5 μL，以峰高定量。石墨炉升温程序见表1。

表1 石墨炉升温程序

1.3 实验方法

1.3.1浊点萃取步骤准确移取0.50 mL 2.00 μg/L Cd(Ⅱ)标准溶液(或6 mL样品溶液)于10 mL离心管中，依次加入5%Triton X-45溶液0.4 mL，1%8-羟基喹啉溶液0.2 mL，2.0 mL 硼酸钠缓冲液，用三次蒸馏水定容至10 mL。拧紧离心管盖子，摇匀，置于40 ℃恒温水浴中加热15 min后，取出，立即趁热置于离心机中以3 500 r/min离心10 min。取出，置于冰水浴中冷却10 min，使富集相变成粘滞的液相，弃去水相后加入0.3 mL含1%HNO3的甲醇降低富集相粘度后，按仪器工作条件进行测定。

1.3.2样品测定自来水和河水样品用0.45 μm孔径的滤膜过滤后，调节pH为中性，按优化浊点萃取条件萃取后，以优化的GFAAS条件测定。

2 结果与讨论

2.1 正交试验优化萃取条件

为考察缓冲溶液pH、8-羟基喹啉的用量、Triton X-45的浓度、水浴温度和水浴时间五个因素对Cd(Ⅱ) 萃取率的影响，根据单因素实验结果，引入L27(313)正交表进行正交试验。正交试验设计各因素和水平见表2，正交实验结果见表3。

表2 浊点萃取的因素与水平

表3 L27(313)正交试验处理组合与结果统计

(续表3)

No.ABABABCACACeDeeEeAbsorbance713331113332220.2551813332221113330.2120913333332221110.23981021231231231230.20291121232312312310.27171221233123123120.15201322311232313120.21541422312313121230.16491522313121232310.22461623121233122310.21581723122311233120.25661823123122311230.30371931321321321320.16922031322132132130.10722131323213213210.15212232131322133210.13082332132133211320.18852432133211322130.22102533211323212130.14912633212131323210.20712733213212131320.1360k10.22190.18170.22190.18170.18510.22190.18170.16160.1894k20.22300.20610.22300.22610.21070.22300.22610.20740.2086k30.16230.21950.16230.21950.21150.16230.21940.23840.2094R0.06070.03780.06070.04440.02640.03780.04440.04780.0202

Note:e represents the empty columns.

通过SAS9.0软件进行方差分析，结果表明：各因子和交互作用的主次顺序为：水浴温度>pH>8-羟基喹啉浓度>Triton X-45浓度>pH与8-羟基喹啉浓度的交互作用>水浴时间(p<0.05)，而pH与Triton X-45浓度的交互作用，差异不显著(p>0.05)。因此，根据表3的极差分析， A2B3C3D3最合适，由于E因素E2和E3与E1差异显著，而E2与E3差异并不显著，出于节省分析时间和能源的考虑，选择E2。A与B因素的交互作用，在A2B3的条件下，浊点萃取Cd(Ⅱ)的吸光度最大，最佳条件与极差分析结果相同。

综上所述，采用8-羟基喹啉与Triton X-45体系对Cd(Ⅱ)进行浊点萃取，最优条件为A2B3C3D3E2，即pH=9.0、8-羟基喹啉浓度为0.02%、Triton X-45浓度为0.20%，水浴温度40 ℃，水浴时间15 min。

2.2 共存离子的干扰

考察了常见的金属离子对测定Cd(Ⅱ)的干扰。结果表明，当相对误差为±5%时，对0.1 μg/L的Cd(Ⅱ)， 5 000倍的K+、Na+，2 000倍的Mg2+，1 000倍的Ca2+、Al3+，500倍的Fe3+、Zn2+，20倍的Pb2+对测定没有影响，可见方法具有较强的抗干扰能力。

2.3 工作曲线和线性范围、检出限、精密度

在优化条件下，绘制了工作曲线，结果表明Cd(Ⅱ)的浓度(c)在0.05～0.50 μg/L范围内与吸光度(A)呈线性，工作曲线方程为：A=0.9014c(μg/L)+0.0211，相关系数r=0.9994，富集倍数为18.4。以平行萃取Cd(Ⅱ)空白溶液测定吸光度的3倍标准偏差除以工作曲线的斜率(3S/K)定义检出限，其检出限为1.7 ng/L。对浓度为2.00 μg/L的Cd(Ⅱ)标准溶液平行富集6次后测定，相对标准偏差为0.54%。

2.4 样品测定及回收率实验

以所建立的CPE-GFAAS方法测定了广州市自来水和某两条河涌水样中Cd(Ⅱ)的含量，并进行加标回收率实验，结果见表4。加标回收率为96.2%～101.5%，结果满意。

表4 河水水样分析及加标回收率(n=3)

2.5 目前浊点萃取与原子吸收联用技术的比较

表5列出了近年来浊点萃取与原子吸收光谱联用测定Cd(Ⅱ)的方法，其中未见Triton X-45 的报道，从表中可以明显发现Triton X-45浊点温度低的优势。此外，本方法相对其它方法，检出限(LOD)较低，并且在相同富集体积的情况下，具有较高的富集倍数。

表5 已报道方法与本分析方法的比较

TAN:1-(2-thiazolylazo)-2-naphthol； APDC:Ammonium pyrolidine dithiocarbamate；PMBP:1-phenyl-3-methyl-4-benzoyl-5-pyrazolone ；5-Br-PADAP:2-(5-Bromo-2-pyridylazo)-5-(diethylamino)phenol；DDTP:ammonium O,Odiethyl dithiophosphate.

3 结论

Triton X-45作为表面活性剂具有较低的浊点温度，利用其萃取 8-羟基喹啉与Cd(Ⅱ)生成的螯合物，分相后的表面活性剂富集相中加入含1%HNO3的甲醇稀释后可直接进行测定。采用正交试验的方法优化实验条件，根据实验结果，可以更加客观严谨地判断各因素对萃取率影响的大小，从而指导优化方案的选择，对于8-羟基喹啉作螯合剂，Triton X-45作浊点萃取剂萃取其他痕量金属离子也有指导的意义。该方法用于测定水样中痕量Cd(Ⅱ)是可行的，获得的结果满意。