富集-部分洗脱-固相光谱法快速测定水样中痕量汞离子

2020-12-23江成德杨仕骏倪晨杰杜一平

华东理工大学学报(自然科学版) 2020年6期

朱莹，李龙，江成德，边丽，杨仕骏，倪晨杰，杜一平

（1. 华东理工大学上海市功能性材料化学重点实验室，上海 200237；2. 上海屹尧仪器科技发展有限公司，上海 201108）

提高分析方法的灵敏度和选择性一直都是新分析方法研发的重要目标，固相萃取（SPE）是提高灵敏度、改善选择性的有效途径。本课题组基于SPE 操作后不经洗脱而直接测定吸附材料上光谱的思路，发展了固相萃取光谱（SPES）技术[1]。该技术不仅操作简单，而且灵敏度显著提高，已经用于低含量的色素、重金属、多环芳烃等组分的快速检测[2-6]。应用SPES 技术检测重金属时，先用显色剂与金属离子生成有色络合物，再采用膜固相萃取将络合物富集在小面积的膜上，最后在膜上测定漫反射光谱[2]。由于显色剂通常都是有色的，而且也可以与其他金属离子发生显示反应，因此上述方法一般不易解决干扰问题。本文提出了富集-部分洗脱-固相光谱测定的解决方案，在一定程度上消除或补偿了采用SPES 方法测定Hg2+时显色剂的干扰问题，同时使用掩蔽剂去除共存Cu2+、Cd2+的干扰，达到同时提高方法灵敏度和选择性的目的。

汞及其化合物具有毒性强，且易在人体内累积的特点[7]，对人的神经系统、肝脏、肾脏等部位会造成很大程度的损害[8-9]，是世界各国长期关注的一种重金属。目前测定汞的常用方法有双硫腙分光光度法[10]、原子吸收法[11-12]、原子荧光法[13-14]、电感耦合等离子体原子发射法[15]等。国家标准GB2762—2017规定了矿泉水中汞的质量浓度不得超过0.001 mg/L。常规双硫腙分光光度法很难达到如此低的检出限，同时，该方法需要进行萃取洗脱，步骤繁琐，抗干扰能力差。

本文采用SPES 技术大幅提高了水中汞离子检测的灵敏度。用双硫腙络合水中汞离子，并富集到混合纤维素膜上，而后用碱洗除去膜上过量的双硫腙，最后直接采集膜上固相光谱用于定量分析。本文方法设备简单、灵巧便携、操作简便，而且灵敏度和选择性都比较高，适用于水质中汞离子的快速检测和现场检测。

1 实验部分

1.1 实验仪器

固相萃取-固相光谱联用仪器（本实验室研发[4]）；PHS-25 型数字型精密酸度计(梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司)；超纯水净化系统（SARTORIUS arium 611DI 型，德国赛多利斯集团）；AB104-N 电子天平（梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司）。

1.2 实验试剂和材料

混合纤维素膜A(孔径0.22 μm，上海兴亚净化材料厂)，尼龙膜 (孔径 0.22 μm，上海兴亚净化材料厂)，聚醚砜膜(孔径0.22 μm，上海兴亚净化材料厂)，混合纤维素膜B(孔径0.22 μm，天津津腾有限公司)，硝酸汞(纯度98%，阿法埃莎化学有限公司)，浓硝酸(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，双硫腙(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，丙酮(分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司)，氢氧化钠(分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司)，乙二胺四乙酸（EDTA）二钠(分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司)，河水样品（采自华东理工大学青春河）。

1.3 溶液的配制

100 mg/L Hg2+溶液：称取 0.016 2 g Hg(NO3)2，用pH=2 的超纯水（浓硝酸调节）定容至100 mL，逐级稀释至所需浓度。现配现用。

100 mg/L 双硫腙溶液：称取0.01 g 双硫腙，用丙酮溶解并定容至100 mL。

6 mg/L 双硫腙溶液：取6 mL100 mg/L 双硫腙溶液，用丙酮定容至100 mL。

2 g/L 碱洗液：称取2 g NaOH 溶于超纯水中，加入2.5 g EDTA 二钠，定容至1 L。

0.21 g/L EDTA 二钠掩蔽溶液：称取0.021 mg EDTA 二钠溶于热超纯水，定容至100 mL。

1.4 实验方法

实验中所用水均为超纯水，所用玻璃仪器均先用洗衣粉清洁，再用10%（质量分数）的硝酸浸泡15 min，然后用超纯水冲洗3 次。

Hg2+可与络合剂双硫腙发生络合反应生成橙色络合物，但是由于加入的络合剂双硫腙是深绿色的，且过量，因此，将反应后的溶液过滤富集到混合纤维素膜，然后直接向膜上滴加碱洗液，洗掉膜上剩余双硫腙，膜上富集物颜色由深绿色变为橙色。

取30.0 mL 预先用浓硝酸调至pH=2 的样品溶液，加入1 mL 质量浓度为6 mg/L 的双硫腙丙酮溶液，置于样品架，反应4 min。将混合纤维素膜放置在砂芯上，加置滤杯和溶剂输入装置。打开仪器操作软件，开启真空泵使真空度控制在0.06 MPa，负压上样。溶液经由管道富集到微孔滤膜上，滤液流至收集瓶中。进样完成后，滴加2 mL 碱洗液。取出滤膜，热风干燥。干燥后的滤膜无需洗脱，直接在线采集滤膜上样品点的可见光谱，取479.3 nm 处吸光度值进行定量分析。

2 结果与讨论

2.1 实验条件优化

2.1.1 显色反应条件选择 pH 是汞-双硫腙络合物形成的关键因素。络合反应为：Hg2++2H2L=Hg（HL）2+2H+（其中H2L 是双硫腙）。低pH 容易引起络合物Hg（HL）2的分解，而高pH 可能导致Hg2+的水解。实验考察了pH 为 1～6 范围内，pH 对溶液中形成 Hg-双硫腙络合物的影响。结果如图1 所示，在pH=2 时，膜上汞-双硫腙络合物在最大吸收波长处获得最大吸光度，因此后续选择pH=2 的溶液进行实验。

考察了2～25 min 时反应时间对络合物吸光度的影响，结果如图2 所示。当反应时间为4 min时，络合物的吸光度最大，且比较稳定。随着反应时间继续增加，反应生成的络合物可能逐渐分解而导致络合物的吸光度降低。因此，后续实验选择反应时间为4 min。

图 1 样品溶液pH 值对汞-双硫腙络合物吸光度的影响Fig. 1 Effect of pH value on absorbance of Hg-dithizone complex

图 2 反应时间对汞-双硫腙络合物吸光度的影响Fig. 2 Effect of reaction time on absorbance of Hg-dithizone complex

2.1.2 富集条件的选择用30 mL 质量浓度为7 μg/L Hg2+溶液，考察了4 种常用微孔滤膜（混合纤维素膜A、混合纤维素膜B、尼龙膜、聚醚砜膜）富集汞-双硫腙络合物的性能。按实验方法进行富集和光谱测定。结果显示，混合纤维素膜A 的富集效果最佳，吸光度值最大。其他种类膜存在富集不均匀、易扩散、没有明显富集效果、光谱信号弱等问题，故后续实验中选择混合纤维素膜A 进行实验。

考察10～175 mL 范围内溶液体积对膜富集的效果。当 Hg2+溶液的质量浓度为 7.0 μg/L、pH 为 2、真空度为0.06 MPa 时，按照1.4 节方法进行富集，结果如图3 所示，随着样品体积从10 mL 增加到100 mL，最大吸收波长处络合物的吸光度明显增加；当样品体积从100 mL 增加到170 mL 时，络合物的吸光度趋于平稳。从富集时间、效率、稳定性以及后续标准曲线等方面考虑，选择30 mL 的样品体积进行后续实验。

图 3 样品体积对汞-双硫腙络合物吸光度的影响Fig. 3 Effect of sample volume on absorbance of Hg-dithizone complex

在富集真空度为0.015～0.08 MPa 时，富集真空度的改变对富集效果影响不大。综合考虑操作时间、富集效率、真空度稳定性等因素后，最终选择富集的真空度为 0.06 MPa。

2.1.3 洗脱条件的选择在确定溶液体积的前提下，络合剂双硫腙溶液的质量浓度和碱洗溶液质量浓度是优化汞-双硫腙膜富集的重要参数，因为两种溶液的质量浓度均会影响膜上络合物的富集量，即影响膜上光谱的测定结果。加入1 mL 3.0～10.0 mg/L双硫腙溶液并富集完成后，再滴加2 mL 0.4～4.0 g/L碱溶液以洗去过量双硫腙，干燥后测定膜上光谱，考察碱和双硫腙质量浓度对汞-双硫腙络合物吸光度的影响，结果如图4 所示。

图 4 碱和双硫腙质量浓度对汞-双硫腙络合物吸光度的影响Fig. 4 Effect of mass concentration of alkaline and dithizone on absorbance of Hg-dithizone complex

由图4 可得，加入1 mL 6 mg/L 双硫腙溶液并完成富集后，滴加2 mL 2 g/L 碱溶液洗去过量双硫腙条件下测得的膜的吸光度值最大。因此，后续实验选择先加入1 mL 6 mg/L 双硫腙溶液，富集完成后，再滴加2 mL 2.0 g/L 碱溶液以洗去过量双硫腙。

汞-双硫腙络合物溶液富集到混合纤维素膜上，经碱洗后测得的固相光谱见图5。比较图中双硫腙溶液、汞-双硫腙络合物溶液（双硫腙过量）和碱洗汞-双硫腙络合物的固相光谱可知，显色反应中过量的双硫腙会对络合物的光谱测定造成明显干扰，通过碱洗的方式，可去除其干扰，络合物的吸收峰在479.3 nm。因此后续选择碱洗后的固相光谱进行分析，分析波长选择479.3 nm。

图 5 富集双硫腙、汞-双硫腙络合物（碱洗/未碱洗）的膜固相光谱图Fig. 5 Solid phase spectra of enriched dithizone、Hg-dithizone complex (alkaline washing/without alkaline washing)

2.2 分析性能的考察

图 6 Hg2+质量浓度与吸光度之间的关系Fig. 6 Relationship between Hg2+ mass concentration and absorbance of solution

2.2.1 标准曲线和检出限在最佳实验条件下，探究了 Hg2+质量浓度（0.5～50 μg/L）与吸光度的关系，结果如图6 所示。在该质量浓度范围内，吸光度（y）与Hg2+质量浓度（x）呈二次函数关系（y=-0.000 127x2+0.014 2x+0.092 9），相关系数R2=0.995。在较小质量浓度（0.5～30 μg/L）范围内，它们呈良好的线性关系（y=0.010 7x+0.105），相关系数 R2=0.993。利用 9 次空白样品计算其标准偏差（S），按3 倍标准偏差估算本实验方法的检出限（3S/k，k 为线性标准曲线斜率）为0.444 μg/L。该方法的检出限低，明显优于传统的双硫腙分光光度法。

2.3 实际样品的检测

为了检验所建立方法的准确性和实用性，本文将其用于河水和自来水样品中Hg2+含量的测定。将河水样品和自来水样品用微孔尼龙滤膜过滤，然后使用固相前处理柱Ag 柱和H 柱处理[17-18]，滤液用于后续检测。用电感耦合等离子体质谱法以及本文方法对河水样品进行检测，均未检出Hg2+，为此在样品中添加 10、15、20 μg/L 的 Hg2+进行加标回收实验，结果见表1。

表1 显示，使用本方法测定的Hg2+在河水中的回收率（R）范围是 97.6%～101.5%，5 次平行实验相对标准偏差（RSD）在3.84%～9.68%之间。Hg2+在自来水中的 R 范围是 91.3%～108.0%， 5 次平行实验RSD 在2.06%～6.19%之间。与ICP-MS 检测结果进行对比分析，两种检测R 均在80%～110%之间，结果满足日常分析要求，说明本方法与ICP-MS 检测结果基本一致，证明了本文提出的富集-部分洗脱-固相光谱法可用于河水、自来水水样中Hg2+含量的检测。