氨基化有机-无机杂化整体柱分离富集环境水中五价砷

赵灵瑜，胡忻，陈逸珺，练鸿振，*

(1. 生命分析化学国家重点实验室，南京大学化学化工学院，江苏 南京 210023；2. 南京大学现代分析中心，江苏 南京 210093)

·监测技术·

氨基化有机-无机杂化整体柱分离富集环境水中五价砷

赵灵瑜1，胡忻2，陈逸珺2，练鸿振1，2*

(1. 生命分析化学国家重点实验室，南京大学化学化工学院，江苏 南京 210023；2. 南京大学现代分析中心，江苏 南京 210093)

将四乙氧基硅烷(TEOS)和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷(AEAPTES)作为共聚前体，采用在毛细管内原位聚合的方式制备得到氨基功能化的有机-无机杂化整体柱，将其作为针式固相微萃取(SPME)介质，建立了现场分离富集环境水中As(V)的SPME方法，优化了有机-无机杂化整体柱富集As(V)的实验条件，并研究了整体柱对As(V)的吸附/洗脱性能和富集能力，实现了环境水样中As(V)的高效、快速、高选择性检测。

有机-无机杂化整体柱；电感耦合等离子质谱；五价砷；固相微萃取

在环境及生物体中，元素的生物活性、可利用性以及毒性与其存在的化学形态有着密切的联系，因此元素形态分析受到越来越广泛的关注。砷是一种常见的对人体有害的毒性元素[1]，长期生活在含砷的水体环境中会引发多方面的疾病，如皮肤、肺部、肝脏癌症甚至基因变异等，砷已经被列为一级致癌物质[2-5]。环境水体中砷主要以2种无机砷形态存在，分别为As(Ⅲ)和As(V)，其中As(Ⅲ)毒性较强，As(V)毒性相对较弱[1，6-7]。因此，研发能够快速分离、富集、检测水体中不同形态砷的方法非常必要。

固相微萃取(SPME)是利用涂敷在一小段毛细管上的固定相进行萃取的一种简单、无溶剂化、体积小的样品前处理技术，已成功应用于痕量元素及其形态的分析领域[8-9]。而有机-无机杂化整体柱作为新兴的整体柱材料[10]，将有机聚合物整体柱和硅胶整体柱两者结合，具有制备简单、机械强度高、溶剂耐受强等优点[11]，常用作SPME材料。

现利用四乙氧基硅烷(TEOS)和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷(AEAPTES)作为共聚前体，合成含氨基的有机-无机杂化整体柱作为SPME材料[11-12]，与ICP-MS联用检测水中As(V)。分别考察了As(Ⅲ)的干扰、pH值、流速、进样体积等因素对As(V)吸附效果的影响，建立一种能够现场分离富集水中As(V)的针式SPME方法。

1 实验部分

1.1 实验仪器

ELAN 9000型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)(Perkin Elmer公司，美国)。Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)(Hitachi集团，日本)。Nicolet-6700型傅立叶变换红外分光光度计(FT-IR)(Madison公司，美国)。SevenMulti型pH计(Mettle-Toledo公司，瑞士)。

1.2 实验试剂

十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，98%)购于日本TCI会社；AEAPTES为分析纯，购于奥然科技有限公司；TEOS为分析纯，购于Alfa Aesar公司；去离子水(18.2 MΩ·cm)来自Milli-Q纯水系统(Millipore公司，美国)；其他所有试剂均为分析纯。

1 000.0 mg/L的As(Ⅲ)和As(V)储备液分别由Na3AsO3和As2O5(Johnson Matthey公司，英国)在去离子水中溶解得到，4 ℃保存，备用。其他低浓度标准溶液于实验当天稀释得到。

1.3 有机-无机杂化毛细管整体柱的制备

用于制备整体柱的石英毛细管内径为530 μm，外径为690 μm，购于永年锐沣色谱器件有限公司。

氨基化有机-无机杂化整体柱的制备方法参照文献[11]，并做了适当的修改。

(1)毛细管活化。依次用1.0 mol/L氢氧化钠溶液冲洗毛细管2 h，去离子水冲洗0.5 h，1.0 mol/L盐酸冲洗2 h，然后用去离子水冲至中性，再用甲醇冲洗0.5 h，在160 ℃下氮气吹干，备用。

(2)有机-无机杂化整体柱原位合成。称取44.4 mg CTAB于1.5 mL离心管中，加入450 μL无水乙醇和150 μL去离子水，涡旋至CTAB完全溶解。然后快速移取320 μL TEOS和80 μL AEAPTES至离心管中，室温下涡旋30 s，在0 ℃冰水浴中超声30 s后，将混合液通入已活化好的毛细管中。将毛细管两端用硅橡胶封口后，置于40 ℃烘箱中反应20 h。

(3)整体柱清洗。反应结束后，用硝酸/乙醇(V/V=1/200)充分洗涤毛细管，除去未反应的共聚前体硅烷试剂和模板剂CTAB，最后用去离子水冲洗至中性，待用。

1.4 样品采集

自来水取自南京大学鼓楼校区科学楼，雪水取自2016年1月南京大学仙林校区，长江水取自长江南京段。水样可现场处理，或带回实验室4 ℃保存备用。

1.5 水样中As(V)的分离富集与检测

截取5 cm制备的杂化整体柱，代替金属针头置于医用注射器的端口。将一定体积经0.45 μm乙酸纤维素膜过滤的水样以指定的流速通过去离子水活化好的整体柱，使水样中的As(V)被充分吸附，流出液可用于测定水样中As(Ⅲ)。整体柱经超纯水洗涤后，通入少许空气排净柱内残留液。用指定体积的洗脱液洗脱，洗脱液中的As(V)用ICP-MS测定。

1.6 ICP-MS仪器工作条件

进样系统由小型气旋雾化室和一个微型同心雾化器构成。优化后的ICP-MS工作条件见表1。

表1 ICP-MS工作参数

2 结果与讨论

2.1 杂化整体柱的表征

杂化整体柱的形貌如图1(a)所示。

通过SEM图像可见，整体柱中整体材料与毛细管内壁贴合紧密，保证了整体柱能够承受较高的压力和较大的流速；且材料结构均一，存在大孔孔隙，使得整体柱材料能够拥有较高的萃取效率，同时渗透性良好。

为保证AEAPTES成功地结合在整体骨架上，通过FT-IR以及元素分析对材料进行了表征。由图1(b)可见，整体柱材料中有较高含量的氮元素。同时，FT-IR图谱中，位于2 929 cm-1的C-H峰、1647 cm-1的N-H峰、1 473 cm-1的C-N峰以及3 400 cm-1附近的-NH2宽峰可以证明材料中存在氨基官能团，进一步说明AEAPTES成功掺杂在杂化整体柱骨架中。

图1 有机-无机杂化整体柱的表征结果

2.2 整体柱吸附水中As(V)条件优化

2.2.1 pH值及洗脱液选择

图2 杂化整体柱对不同pH值砷溶液的吸附效果

2.2.2 样品流速

样品流速也会影响As(V)在整体柱上的保留行为，流速过高水样通过整体柱的时间过短，萃取不完全，流速过低则会使上样所需时间过长，分析效率较低。现考察了流速对As(V)吸附效果的影响，结果见图3。

图3 流速对氨基杂化整体柱吸附As(V)的影响

由图3可见，流速由50 μL/min到300 μL/min，对整体柱吸附As(V)的效率无明显变化，吸附率>95%。而当流速超过300 μL/min，柱子所承受的压力较大，内部结构容易遭受破坏。考虑到柱材料的稳定性以及实验效率等因素，最终选取 150 μL/min作为样品溶液的流速以及洗脱流速。

2.2.3 进样体积和洗脱体积

进样体积和洗脱体积从一定程度上影响水样的富集倍数。为考察As(V)浓度较低时进样体积对吸附率的影响，将As(V)质量为200 ng的不同体积(1，2，5和10 mL)的As(V)溶液分别通过长度为5 cm的氨基杂化整体柱。结果表明样品进样体积在1～10 mL范围内，整体柱对As(V)的吸附率无明显变化，均>95%。而当通入样品体积继续增大时，整体柱开始出现断裂现象，柱结构遭到一定程度的破坏。因此进样体积确定为10 mL。

为了考察洗脱液体积对洗脱效果的影响，分别用200，500 μL和1 mL洗脱液进行洗脱。结果表明3种体积的洗脱液洗脱效果无明显差异，洗脱率均>95%。而ICP-MS检测所需液体体积最少为200 μL，因此选择洗脱液体积为200 μL。

2.3 整体柱的分析性能

2.3.1 吸附容量

吸附容量是整体柱性能的一个衡量标准，良好的吸附容量表示整体柱的性能较好。现将不同体积的pH值为5.0、质量浓度为200 μg/L的As(V)溶液分别通过长度为5 cm的氨基杂化整体柱，收集的流出液用ICP-MS测定。结果显示，连续通入12 mL样品后，整体柱对As(V)的吸附率仍然无明显变化，始终>99%。说明5 cm长的氨基杂化整体柱对As(V)的吸附容量至少为2.4 μg(见图4)。在实际水体中，As(V)的含量较少，多数质量浓度低于1 μg/L，故氨基杂化整体柱的吸附容量足够满足实际水样的测定需求。

图4 氨基杂化整体柱对As(V)溶液吸附效果

2.3.2 可复用性

重复利用率是考察整体柱性能好坏以及分离富集方法是否合理的重要指标之一。在优化好的实验条件下，使用同一根整体柱进行重复实验。结果表明，在保持整体柱形态结构完整，吸附率和回收率均>90%的前提下，氨基杂化整体柱至少可以重复使用5次。

2.4 实际样品检测

为验证方法的准确性及实用性，利用所建立的杂化整体柱检测As(V)的SPME-ICP-MS方法对饮用水和天然水体中的As(V)进行检测，包括自来水，雪水及长江水。结果如表2所示，As(V)的加标回收率为82.2%～121.3%。在所采集到的水样中，均只检测到极微量的As(V)。

表2 实际样品中As(V)的检测结果(n=3)

3 结语

利用自制的氨基化有机-无机杂化整体柱，建立了一种现场快速富集天然水样中As(V)的方法，加标回收率范围为82.2%～121.3%。氨基功能化能够特异性识别As(V)，不需要通过昂贵的HPLC-ICP-MS对砷元素形态进行拆分即可排除As(Ⅲ)的干扰，保证了As(V)浓度测定的准确性，操作简单、价格低廉，大大地降低了检测成本。此方法对环境水样中低浓度的As(V)检测有良好的灵敏度、准确度和精密度。所建立的SPME-ICP-MS方法适用于环境水中As(V)的测定。

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Separation and Preconcentration of As(V) in Environmental Waters by Aminated Organic-inorganic Hybrid Monolithic Column

ZHAO Ling-yu1， HU Xin2， CHEN Yi-jun2， LIAN Hong-zhen1，2*

(1.StateKeyLaboratoryofAnalyticalChemistryforLifeScience，SchoolofChemistryandChemicalEngineering，NanjingUniversity，Nanjing，Jiangsu210023，China； 2.CenterofMaterialsAnalysis，NanjingUniversity，Nanjing，Jiangsu210093，China)

Amino functionalized organic-inorganic hybrid monolithic column was prepared in situ in capillary using tetraethyl orthosilicate (TEOS) and N-(β-aminoethyl)-γ-aminopropyltriethoxysilane (AEAPTES) as copolymer precursors. The monolithic column was employed as the in-syringe extraction medium for solid phase micro extraction (SPME) to specifically adsorb As(V). We established a SPME method for separation and preconcentration of As(V) in environmental waters on site. We optimized the experimental conditions for enrichment of As(V) and studied the adsorption and elution capabilities of organic-inorganic hybrid monolithic column for As(V). Finally， it was realized to detect As(V) in environmental waters efficiently， fast and selectively.

Aminated organic-inorganic hybrid monolithic column； Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)； As(V)； Solid phase micro extraction (SPME)

2016-10-17；

2016-11-11

国家自然科学基金资助项目(21275069；21577057)；江苏省环境监测科研基金资助项目(1409)

赵灵瑜(1991—)，女，博士在读，从事环境生物样品中元素形态分析方面研究。

*通讯作者：练鸿振 Email:hzlian@nju.edu.cn.

O658

B

1674-6732(2017)01-0021-04