离子液体微萃取－硝酸反萃取结合电感耦合等离子体质谱法用于铬元素的形态分析

冉丽敏，刘 曙，杨 勇，沈康俊，林 苗＊

（1.东华大学 化学化工与生物工程学院，上海201620；2.上海出入境检验检疫局 工业品与原材料检测技术中心，上海200135）

铬主要以金属铬、Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）［1］等3种形式出现在自然界中，其中适量的Cr（Ⅲ）在皮肤表面可与蛋白质结合形成稳定的铬合物［1－2］，从而不易引起铬疮和皮炎等疾病，而Cr（Ⅵ）危害最大且具有致癌作用。欧盟健康和环境风险科学委员会（SCHER）也降低了Cr（Ⅵ）在玩具中的迁移限量，GB／T 18885－2009《生态纺织品技术要求》和国际生态纺织品标准OEKO－TEX Standard 100－2010均规定了Cr（Ⅵ）的限量；地表水环境国家标准GB 3838－2002也对Cr（Ⅵ）做出了限量要求；欧盟并提议降低包括Cr（Ⅵ）在内的金属迁移限量或将下调21～25倍。届时，众多的企业将面临着更为严格的Cr（Ⅵ）限量要求。众多研究及标准表明［1－5］，元素铬的总浓度已不能准确给出元素化学性质、生物活性以及毒性等信息，因此元素形态分析的研究就显得十分重要。

目前直接用于元素形态分析的方法多采用仪器联机分析法，主要有高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）、毛细管电泳（CE）、离子色谱（IC）等分离设备和电感耦合等离子体质谱（ICP－MS）、原子荧光光谱（AFS）、原子吸收光谱（AAS）等元素检测仪器联用［3－5］。但由于仪器联用分析成本高、分析过程受其他因素的影响而受到限制，目前测定Cr（Ⅵ）的国家标准方法为二苯碳酰二肼分光光度法［6］，文献［7］曾用共振光散射法测定Cr（Ⅲ），但因干扰大、灵敏度不高而受到限制。同时，当样品中待测物含量很低且总量难以测定时，分离并测定不同的形态将更加困难。因此，在检测前对样品进行预处理［8－9］，从而定量地对元素形态进行分析显得更具有实际意义。

离子液体作为一种备受关注的液液微萃取溶剂［10－15］，因和螯合剂组成的萃取体系具有良好的分离富集作用［15－16］，正在逐步代替挥发性有机溶剂。文献［17－18］将萃取相直接用于检测，并且文献［17］将离子液体用于Cr（Ⅵ）的研究。而离子液体无法回收，从而使得溶剂对环境造成未知的毒性和交叉污染［19］，因此寻求既能分离富集不同形态的铬、降低成本又可避免未知毒性的前处理方法是目前离子液体用于元素形态分析的热点之一。本工作采用离子液体 1－己基－3 甲基咪唑六氟磷酸盐（［C6MIM］［PF6］）和 二 乙 基 二 硫 代 氨 基 甲 酸 钠（DDTC）组成萃取体系，结合稀硝酸反萃取，建立了液液微萃取－稀硝酸反萃取的分离富集手段，采用电感耦合等离子体质谱（ICP－MS）外标法测定硝酸相中不同形态铬的含量。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Thermo X Series 2型电感耦合等离子体质谱仪；AB204－N型电子分析天平；KQ－100E型超声波清洗器；80－2型离心机。

Cr（Ⅵ）、Cr（Ⅲ）标准储备溶液：1.000g·L－1，分别用水溶解重铬酸钾、九水合硝酸铬配制而成，使用时，用硝酸（3＋97）溶液逐级稀释至所需质量浓度。

DDTC 溶 液：30g·L－1，称 取 0.750 0g DDTC，用水溶解，并定容至25mL容量瓶中。

乙酸－乙酸钠缓冲溶液（pH 3～6）、乙酸铵缓冲溶液（pH 7）、NH3·H2O－NH4Cl缓冲溶液（pH 8～10）。

［C6MIM］［PF6］、DDTC、重铬酸钾、九水合硝酸铬、硝酸均为分析纯，试验用水为超纯水。

所用玻璃仪器均经硝酸（1＋9）溶液浸泡过夜后用水清洗，备用。

1.2 仪器工作条件

雾化气流量0.8mL，功率1.3kW，模拟电压1.85kV，总电压3.2kV，扫描方式为跳峰，质量通道数为3，数据收集时间10ms。

1.3 试验方法

移取采集到的水样200mL，加入硝酸（3＋97）溶液0.1mL酸解15min，用0.45μm水系过滤头过滤。

移取处理后的水样5mL于15mL离心管中，依次加入pH 5的乙酸－乙酸钠缓冲溶液1mL，30g·L－1的 DDTC 溶液 0.5mL，离 子液体（［C6MIM］［PF6］）100μL，手 动 振 荡 1min，于30℃下超声15min，冷却10min，以4 000r·min－1转速离心5min，将上层液移去。向下层有机相中加入2mol·L－1硝酸溶液2mL，手动振荡1min，超声15min，冷却10min，以4 000r·min－1转速离心5min，将上层液转移至10mL容量瓶中，用硝酸（3＋97）溶液定容，经ICP－MS测定Cr（Ⅵ）。

移取酸解处理后的水样5mL于10mL容量瓶中，用硝酸（3＋97）溶液定容，经ICP－MS测定总铬。由总铬减去Cr（Ⅵ）量得Cr（Ⅲ）量。

2 结果与讨论

2.1 前处理方法及萃取条件的优化

2.1.1 酸度

酸度是影响螯合剂萃取的一个重要因素，这是因为酸度会影响配体表面的反应性能、溶剂的电负性、离子价态和金属离子在水相中的溶解程度，因而探究酸度对萃取体系的影响具有一定的重要性［15－16］。

在不同的酸度下，不同价态的铬与螯合剂DDTC形成稳定螯合物的能力具有一定的差异，从而可能导致螯合剂与一种价态的铬形成稳定螯合物，而与另一种价态的铬无法形成螯合物，继而使得不同价态的铬得以分离。因此，以Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）的回收率为衡量指标，考察pH在3～10内对其萃取效果的影响，结果见图1。

图1 pH对Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）萃取效果的影响Fig.1 Effect of pH on extraction efficiency of Cr（Ⅵ）and Cr（Ⅲ）

由图1可知：当pH为5时，Cr（Ⅵ）的萃取率可达98%，而Cr（Ⅲ）几乎不被萃取；当pH为7时，Cr（Ⅵ）和Cr（Ⅲ）的萃取率均可达93%。这可能是因为酸性条件下，Cr（Ⅵ）与DDTC能够形成更稳定的螯合物，并且随着pH的增大，有利于铬的螯合和萃取；pH为7后，随着碱性的增大，会引起被萃取铬离子的水解，从而萃取率骤然下降。因此选用pH 5进行萃取Cr（Ⅵ）的后续试验。

2.1.2 螯合剂质量浓度

液液微萃取过程，随着萃取时间的延长，金属离子在水相中的含量也随之降低，当含量不再变化时，即此萃取已经达到平衡［15－16］。为了获得萃取平衡时螯合剂DDTC的用量，考察了DDTC的质量浓度在5～50g·L－1内对萃取率的影响。结果表明：随着螯合剂质量浓度的增大，萃取率逐渐增大；当DDTC的质量浓度达到30g·L－1时，萃取率可达到100%；随后在30～50g·L－1内，再增大螯合剂质量浓度，萃取率基本趋于稳定，即萃取达到平衡。因此试验选择DDTC的质量浓度为30g·L－1。

2.1.3 温度

温度直接影响着液液微萃取的效率，这是因为温度会影响溶剂离子液体的黏度、溶解性能以及传质效率，同时影响配合物的形成以及萃取率。随着温度的增大，萃取率会逐渐增大，但当温度大于某个值时，萃取率可能会继续增大或降低。试验考察了20～60℃温度范围对Cr（Ⅵ）萃取效果的影响，见图2。

由图2可知：随着温度的升高，在20～35℃内，萃取率逐渐增大；在30～35℃之间达到最大；35℃之后有逐渐降低的趋势。这是因为温度的升高，加剧了溶液中粒子之间的相互运动，有利于螯合物的形成，并且有助于螯合物转移到有机相中；温度到达一定值，萃取率达到最大，继续升高温度，则不利于分析物进入有机相中，从而降低了分析物的分配系数和萃取效率。因此，试验选择30℃为萃取温度。

2.1.4 超声时间

液相微萃取过程中，不同金属的萃取时间不尽相同，有的可在短短几分钟内达到萃取平衡，有的则需要几小时甚至几天。而超声波辅助萃取可大大缩短萃取时间［15］，试验考察了超声时间对Cr（Ⅵ）萃取效率的影响。结果表明：超声5min后，萃取率已达90%以上，5～15min之间，萃取率迅速增大，这可能是由于随着萃取时间的延长，水相中螯合物的含量较小，离子的水化增大；15min以后，萃取率均可达到99%左右，表明萃取过程基本达到平衡。因此，试验选择超声时间为15min。

2.1.5 反萃取剂硝酸浓度

图2 温度对Cr（Ⅵ）萃取效果的影响Fig.2 Effect of temperature on extraction efficiency of Cr（Ⅵ）

常用的反萃取剂主要有无机酸，如 H2SO4、HNO3、HCl，以及无机碱，如 NaOH、NH3·H2O、Na2CO3等。试验选用常见的硝酸作为反萃取剂，探究硝酸浓度在0.5～5mol·L－1内对Cr（Ⅵ）萃取效果的影响，见图3。

图3 硝酸的浓度对Cr（Ⅵ）萃取效果的影响Fig.3 Effect of nitric acid concentration on extraction efficiency of Cr（Ⅵ）

由图3可知：随着反萃取剂硝酸浓度的增大，萃取逐渐趋于平衡，当硝酸的浓度为2mol·L－1时，萃取率达到最大，为97%。硝酸浓度在1～8mol·L－1时疏水性离子液体基本不溶于水，但当硝酸浓度超过8mol·L－1时，疏水性离子液体会转化成亲水性离子液体。因此，试验选用2mol·L－1硝酸溶液。

2.1.6 盐度

在液液微萃取中，水相中盐的存在或其含量改变可以影响分析物在水相中的含量或分布，进而影响分析物在萃取相中的分配。试验考察了添加质量浓度为0～350g·L－1的NaCl对Cr（Ⅵ）萃取的影响。结果表明：该萃取体系的萃取率在98%左右，基本不受外加盐度影响，这可能是因为添加的缓冲溶液已增大了水相中盐的含量或离子强度。因此，试验无需额外添加盐类物质。

2.2 离子液体的循环利用

试验将反萃取过后的离子液体相经过水多次洗涤，适量二氯甲烷溶解并旋转蒸发，所得到的离子液体循环再利用。结果表明：离子液体可有效重复使用4次，用于Cr（Ⅵ）的富集，回收率在95%左右；试验过程中，萃取率随着离子液体体积的减少先平衡一段时间，随后降低，这是因为离子液体在一定体积范围内，螯合物易进入有机相中，随着离子液体在水相中的损失，螯合物进入有机相的量减少，萃取效率便有所降低。因此，离子液体在循环利用方面仍存在问题，为避免或减少离子液体在使用中的损失仍需要进一步的探究。

2.3 干扰离子的影响

水环境中常见的离子有 Na＋、K＋、Mg2＋、Ca2＋、NO3－、Cl－ 等，根据文献［15－16］可知 Pb2＋、Cd2＋等重金属离子会与螯合剂DDTC形成螯合物，即与铬形成竞争，从而影响到该体系在实际水样中对铬离子的萃取，因此需要进行干扰试验。按照优化后的试验条件，考察一些常见共存离子的干扰情况。以相对误差±5%为标准，超过±5%即认定共存离子［18］对研究体系存在干扰。

结果表明：环境水样中比较常见的高含量的Na＋、K＋、Mg2＋、Ca2＋、NO3－、Cl－ 等，对Cr（Ⅵ）的萃取基本不干扰，最大允许倍数为1 000；Pb2＋、Cd2＋、Hg2＋的干扰较大，最大允许倍数是25，这是因为此类离子易与DDTC形成螯合物。

2.4 标准曲线与检出限

在仪器工作条件下，以硝酸（3＋97）溶液作为空白，分别测定Cr（Ⅵ）与总铬的标准溶液系列，以信号强度为纵坐标，对应质量浓度（μg·L－1）为横坐标绘制标准曲线。Cr（Ⅵ）与Cr（Ⅲ）的质量浓度均在80μg·L－1以内呈线性，所得Cr（Ⅵ）和总铬线性回归方程分别为y＝1 408 x＋2 526，y＝1 397 x＋2 475，相关系数分别为0.999 8，0.999 9。

按照国际理论和化学联合会（IUPAC）对检出限（DL）的定义，对空白溶液平行测定11次，根据公式DL＝3s／k（s为测得强度的标准偏差；k为分析校准曲线的低浓度范围内的斜率）计算得到Cr（Ⅵ）与总铬的检出限分别为0.061，0.034μg·L－1。

2.5 精密度与回收试验

对自来水和湖水样品的进行加标回收试验，添加水平为30，50μg·L－1Cr（Ⅵ），平行测定6次，所得结果见表1。

表1 精密度与回收试验结果（n＝6）Tab.1 Results of tests for precision and recovery（n＝6）

由表1可知：湖水中Cr（Ⅵ）的含量高于自来水中Cr（Ⅵ）的含量，均低于地表水环境国家标准GB 3838－2002的限量，加标回收率在96.4%～105%之间，测定值的相对标准偏差（RSD）均小于6.0%，回收试验结果符合定量分析要求。

2.6 实际水样分析

将本工作中建立的方法用于分析实际水样，结果见表2。

表2 实际样品分析结果Tab.2 Analytical results of practical samples μg·L－1

由表2可知：水样中总铬的质量浓度不高于10.89μg·L－1，Cr（Ⅵ）的 质 量 浓 度 不 高 于2.93μg·L－1，自来水中铬的含量低于湖水，符合地表水环境国家标准GB 3838－2002的限定。

本工作建立了以二乙基二硫代氨基甲酸钠作为螯合剂、离子液体［C6MIM］［PF6］为萃取剂，硝酸反萃取用于铬元素的形态分析。前处理分离富集方法结合ICP－MS，通过萃取条件的优化，达到了分离不同价态铬的目的；并将其应用于实际水样中痕量铬的测定，实际水样中铬含量符合国家标准GB 3838－2002的限定，同时，离子液体经纯化处理可有效继续使用。与文献［6－7，17］中的方法相比，该方法具有操作简便、精密度高、检出限低、环境友好等优点，可为元素形态分析的研究提供一定的依据。

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