金属检测中新型前处理技术研究进展及应用

邢仕歌，贺木易，雍 炜，姚美伊，张 峰

(中国检验检疫科学研究院 食品安全研究所，北京 100176)

金属能够通过污染食物进入人体, 在某些器官中累积造成慢性中毒[1-3]. 儿童时期接触铅会损害学习和识别能力，铜会诱发肝脏疾病、神经退行性病变和其他疾病，锌是人体必需的元素，但浓度过高会导致皮肤过敏、胃痉挛、恶心、呕吐和贫血[4]. 因此，精准检测环境和食品样品中的金属含量，对于减少污染和预防人体暴露至关重要.

质谱和光谱法是评估环境中金属组分的主要方法[5-9]，如火焰原子吸收光谱法(flame atomic absorption spectrometry，FAAS)、电热原子吸收光谱法(electrothermal atomic absorption spectrometry，ET-AAS)、电感耦合等离子体光学发射光谱法(inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES)和ICP质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS). 这类分析仪器可以有效识别痕量金属，并且具有多组分分析能力以及检出限低、产量高等优点，但是复杂样品检测前多需要进行前处理以消除基质干扰. 由于耗时且是样品损失和污染的关键步骤之一，因此，预处理是全部分析流程中非常重要的一步. 复杂样品基质中的微量金属可能存在污染生态系统和损害人类健康的潜在危险，传统的液液萃取方式已经被证实是一种理想的分离金属离子方法，液液萃取还可以从工业废料中回收金属离子. 但是，这种以有机溶剂为基础的萃取方法使用大量有毒、易燃、不稳定的有机化合物，较为昂贵，环境不友好，因此迫切需要开发新型的金属离子前处理技术. 不同待测介质中的金属离子对其富集和预处理方法具有不同的要求，适宜的预处理方法对于提高分析的选择性与灵敏度等有着重要的意义. 本文针对样品状态特点归纳整理其相应分析新技术.

1 液相新萃取技术

分散于液体中的离子是金属最常见的存在状态，为改进传统液相物质分析技术的不足，一系列新型液相金属离子分析检测技术被开发出来.

1. 1 浊点萃取(cloud phase extraction，CPE)

基于CPE的分离和浓缩是表面活性剂在分析化学中的重要应用，为传统的萃取体系提供了一种新的选择. CPE是一种多功能的、简单的浓缩方法，其基础是在分析物样品中加入一定浓度的表面活性剂溶液，在高于表面活性剂浊点温度的条件下，将分析物转移至胶束相，以实现分离[10-11]. 由于配合和胶束形成发生在单一相，因此CPE方法预富集因子高，萃取过程简单、廉价、高效和低毒. 此外，通过使用少量的良性表面活性剂替代有毒溶剂，CPE显示的环保特性符合绿色化学原则. 迄今为止，CPE偶联各种光谱法可用于样品中金属离子的检测[12-14]. 在荧光光谱法测定前应用CPE，比昂贵、劳力密集的ET-AAS或ICP-OES更具有优势，具有简单、高效和低成本的性能.

Tabrizi等[15]应用CPE-荧光光谱联用技术提取并检测水及食品中的铝和锌. 在该研究中，铝和锌与8-羟基喹啉(8-hydroxyquinoline，8-HQ)在表面活性剂溶液中反应生成疏水复合物，随后包裹在表面活性剂胶束中. 该工作详细研究了影响方法灵敏度和稳定性的几个试验变量. 结果显示：pH为6.2(Al2+，乙酸盐缓冲液)和pH为9.0(Zn2+，四硼酸钠+硼酸缓冲液)、6.62×105mol/L 8-HQ、0.12% TxitonX-114、3 500 r/5 min条件下，样品回收率为95%～104%，Al2+和Zn2+检测限分别为0.79、1.2 μg/L. 使用CPE-荧光光谱联用法测量矿泉水、苹果、西红柿、土豆、酸奶、面包等样品中的Al2+和Zn2+含量，与独立的ET-AAS方法测定结果具有良好的一致性. 由此可见该方法检测限低、一致性好，无溶剂且无需前处理就将两种金属离子从初始的基质中萃取出来. 由于其通用性，也可用于环境、毒理学和医学分析等各种样品中铝和锌的监测.

1. 2 离子液体(ionic liquids，ILs)

离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的完全由阴阳离子所组成的盐，也称为低温熔融盐. 因为可用来解决特定的问题，如取代有毒和挥发性溶剂溶解大量材料，生产多相溶剂系统以提高分离效率或简化分离[14, 16]，离子液体也被称为“设计溶剂”. 因此，ILs在许多科学领域得到了应用[17-18]：如作为化学反应催化剂[19]、用于药物输送系统[20]、电镀[21]、有害化合物废水处置等[22]. ILs化学性质稳定，不易燃，具有热稳定性，因此有望代替传统的液液萃取中不稳定有机溶剂. 此外，其在金属离子的前处理和检测中也应用广泛[23].

Werner 等[24]采用离子液体超声辅助水相固化技术结合液相色谱紫外检测，对天然水样中Ni2+、Co2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+等金属离子进行预浓缩和测定. 离子液体和金属离子反应后，通过离心分层，再进行冷冻的方式，将含有金属离子配合物且比水轻的离子液相分离并溶解在少量甲醇中，然后进行液相色谱检测. 在优化条件下，5种元素的富集系数均高于200，回收率在97%～102%之间. 结果显示，Ni2+、Co2+、Cd2+的检测限为0.03 μg/L，Cu2+、Pb2+的检测限为0.02 μg/L.

图1 PIL膜的化学结构、结构示意图及吸附/解吸过程的机理[25](a) 采用PEGDA作为交联剂, (b) PVI-IL-(Br)0.7(PF6)0.3膜的结构示意图, (c) 金属离子吸收/解吸过程的机理及循环流程图Fig. 1 Chemical structure and structural schematic diagram of PIL-based membranes and mechanism illumination of absorption/desorption process(a) PEGDA used as cross-linking agent, (b) structural schematic diagram of PVI-IL-(Br)0.7(PF6)0.3 membrane, (c) mechanism illumination of metal ion absorption/desorption process and recycle flow charts

在离子液体的基础上，使用荧光离子对其改性成为目标特异性的离子液体(task-specific ionic liquids，TSILs)，是一种简单有效的同时检测并去除微量金属离子的方法[26-27]. Jin等[27]设计了一种以罗丹明-内酰胺为基础的TSIL，实现了同时检测和去除重金属离子(如图2所示)[27]. 罗丹明-内酰胺作为模式亲离子荧光团，表现出一种金属离子触发的“开启”视觉，其荧光信号肉眼都可以很容易地分辨出来. 这种新型液-液萃取传感系统具有较高的Hg2+去除率，同时可产生视觉颜色和荧光信号，实现无仪器检测Hg2+. 通过将水-离子液相体积比提高到10∶1，双功能传感系统灵敏度明显提高，对Hg2+的检出限为800 pmol/L，萃取效率大于99%，经乙二胺四乙酸(ethylenediamine- tetraacetic acid，EDTA)简单处理后很容易再生. 研究人员使用该方法成功地对添加了河水样品的Hg2+进行直接检测和去除. 这种技术为水样品中各种痕量金属离子的高灵敏度检测和去除提供了一个通用策略，并为环境和生物医学应用提供了前景.

图2 基于目标特异性的离子液体双功能协同体系，提取痕量金属离子并进行高灵敏度检测的结构、结合机制及原理图[27]Fig. 2 Structure, binding mechanism and schematics of task-specific ionic liquids-based bifunctional system for removal and highly sensitive detection of HMIs via synergistic extraction effect

1. 3 超分子溶剂-分散液液微萃取(supramo- lecular solvent-dispersive liquid-liquid microextraction，SS-DLLME)

DLLME一般利用注射器将合适的萃取剂和分散剂混合物快速注入水相，使样品在分散剂的作用下与极小体积的萃取剂液滴接触，形成乳浊液，经离心或破乳后将溶质从水相中转移到萃取剂中，从而实现了样品目标组分富集，再通过色谱方法等进行分析 (如图3所示) . 这种方式极大增加了萃取剂与溶质的接触面积，提高了反应速率，使分析物迅速在萃取剂中富集，大大缩短了样品前处理时间. 因其操作简单，有机溶剂消耗少，近年来不断被应用于样品预处理[28]. DLLME以其简单、快速、低成本和高富集系数的优点，在痕量金属离子样品前处理中广泛应用.

筛选低毒萃取剂是DLLME方法开发的关键所在，超分子溶剂独特的性质使之可作为绿色萃取剂替代毒性有机试剂用于DLLME中[29]. 超分子溶剂是两亲化合物，通过分子间有序的自组装过程形成具有纳米结构的胶束聚集体，其表面活性剂的亲水或疏水部分可能导致各种不同的相互作用，如氢键、离子键、π-阳离子相互作用、偶极力和诱导偶极相互作用，因此可以萃取出不同极性的化合物[30]. 此外，它们还能产生不同类型的聚集微观结构，如小泡、层状或多层相、沉淀物和棒状胶束，这些微结构比单一表面活性剂具有更高的表面活性.

在溶液中加入阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(cetyltrimethylammonium bromide，CTAB)、阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate，SDS)和其它组分，经过搅拌和离心，超分子溶剂就会从均质溶液中分离，在原位形成超分子聚集体[31]. 这两种带电相反的表面活性剂可相互作用形成一个假的双尾两性离子表面活性剂[32]. Kahe等[33]利用该体系富集和检测水、人体血液及头发中痕量铋. CTAB/SDS从复合物中提取Bi3+-二乙基二硫代氨基甲酸盐配合物，提取物很容易移除并溶解在微量丙醇中，并进行后续的ET-AAS测量. 该方法充分利用了超分子团簇的性质和水相分散剂溶剂的分散微萃取技术的优点，Bi3+可以与分析物直接相互作用提高萃取效率，进而提高检测的灵敏度.

图3 分散液液微萃取示意图(若萃取剂密度比水大，则萃取物在离心管底部; 若使用低密度萃取剂，则萃取物在离心管上部)Fig. 3 Schematic diagram of dispersive liquid-liquid microextraction(If the density of extractant is higher than that of water, it will be at the bottom of the tube, if a low-density extractant is used, it will be on the upper layer of the tube)

在最佳试验条件下，校准曲线的线性范围为3～6 μg/L, Bi3+的检测限为0.16 μg/L (S/N=3). 样品 Bi3+的质量浓度为1、3 μg/L时，测定的相对标准偏差分别为5.1%和6.2%.

Yilmaz等[32]还利用该体系进行了食品中Pb2+的提取和检测. 研究结果显示，在10%盐溶液、SDS的质量分数为0.012%、CTAB的质量分数为0.094%、pH为6的条件下，海水、番茄酱、米、小麦和豌豆三个不同浓度Pb2+的添加回收率均大于94.2%，说明该方法可以用于实际样品的前处理. 将该方法处理的样品用ET-AAS仪器检测结果检测限为0.047 μg/L，当样品中的质量浓度为0.4、1.0 ng/L时，测定的相对标准偏差分别为6.5%和5.2%.

由于上述萃取过程只需要很低比例的丙酮去溶解CTAB/SDS复合物，所以萃取溶剂中的疏水和亲水位点可以和各种极性分析物直接作用. 表面活性剂由于高含水量且不易挥发或易燃，因而非常安全. 由此可见，超分子溶剂萃取法是一种非常简单、安全、快速和低成本的方法，可以用来从实际样品中微萃取不同的有机和无机复合物.

2 非液相新型萃取技术

虽然大部分金属是以液相中离子形式进行分析，但是科研人员也在不断探索新的金属离子前处理和分析的方法. 将金属离子与配合剂或螯合剂作用，使金属离子转化成挥发性的形态，或者生成电中性配合物进而在超临界CO2流体中溶解进行分析，这些非液相新型萃取技术层出不穷.

2. 1 顶空固相微萃取技术(headspace-solid phase microextraction, HS-SPME)

HS-SPME通过加热升温使得样本中的成分挥发出来，将涂有固定相的材料暴露在样品上方，对样品中挥发性甚至难挥发性物质进行吸附富集. HS-SPME与光谱分析、质谱分析方法结合多用于挥发性成分检测，如食用香料[34]、苹果汁中杀虫剂[35]、肉中克伦特罗[36]等各种分析物[37]. 近年来，研究人员采用此类手段将一些金属离子通过处理转变为挥发性化合物进行SPME分析，并取得了良好的结果.

Shahdousti等[38]采用聚吡咯(PPy)包覆纤维的HS-SPME来进行样品中Se(IV)的萃取，Se(IV)在盐酸中以亚硒酸的形式经1,2-二氨基苯衍生后转化成亚硒醚的形态，通过SPME,利用样品顶空收集这种挥发性的有机金属化合物并进行检测. 试验数据表明：在配体∶亚硒酸为80∶1、pH为2、NaCl离子强度为2.4、平衡时间30 min和60 ℃的试验条件下，两种不同浓度水平血清、矿泉水和井水中Se的回收率为97%～107%. IMS检测后的标准曲线线性范围为20～320 ng/mL，检测限为12 ng/mL.

2. 2 超临界流体萃取(supercritical fluid extraction，SFE)

SFE将传统的蒸馏和有机溶剂萃取结合一体，利用超临界CO2优良的溶解能力，将基质与萃取物有效分离、提取和纯化[39-41]. SFE最突出的优点是它结合了气体的高扩散率和液体的良好溶解度，因此能够快速有效地从基质中提取溶质[42]. 与传统溶剂萃取法相比，SFE几乎不产生二次废物且提取的产物易于回收，具有萃取温度低、选择性强、高效率、低能耗、无污染等特点[43].

超临界CO2流体是一种非极性溶剂，一般情况下金属成分很难溶解在其中. 因此，早期的研究者认为利用超临界CO2流体处理土壤中的金属离子是不可行的. 随着研究的深入，试验结果显示加入合适的配合剂或螯合剂与金属离子作用，将其转换成电中性配合物，能够促使这些物质在超临界CO2流体中溶解[44-45]，这些发现扩展了SFE在金属分析中的应用. 到目前为止，广泛应用的配体有二硫代氨基甲酸盐、对二酮、有机磷剂和大环化合物等4类金属螯合物，其在超临界流体中的溶解度、稳定性和化学结构对萃取过程具有重要影响. 其中螯合剂和相应金属螯合剂的溶解度是影响SFE效率的关键因素[46]. 近年来，SFE作为一种新型的绿色萃取技术，已广泛应用于各种金属物质的萃取[47-48].

Yan等[49]利用水杨酸配合剂在超临界二氧化碳中萃取汞离子(如图4所示). 该研究分别讨论了配比、压力、温度、时间对萃取效率的影响. 得到了最佳的萃取条件：20 MPa、323 K、45 min和[Hg+]∶[SAL]∶[PFOSANEt4]=1∶200∶200时，最佳萃取条件下萃取效率达到 95.5%.

图4 金属离子萃取超临界萃取装置示意图(1) CO2储罐, (2) 高压泵, (3) 高压萃取反应釜, (4) 压力表, (5) 磁力搅拌器及恒温水浴槽, (6) 收集瓶, (7) 高压萃取反应釜, (8) 支撑网, (9) 滤纸Fig. 4 Schematic diagram of experimental setup for metal extraction in supercritical CO2(1) CO2 tank, (2) high-pressure pump, (3) high pressure extraction reactor, (4) pressure meter, (5) magnetic stirrer and thermostatic water cabinet, (6) collecting bottle, (7) high pressure extraction reactor, (8)supporting network, (9)filter paper

3 总结与展望

近年来，金属污染问题日益受到关注，尤其是存在于日常生活中的金属，一旦摄入含量超过临界值，就会对人们的身体健康产生影响. 因此，采用科学有效技术检测环境和食品样品中的金属含量，对于减少污染和预防人体暴露至关重要.

本综述从两个方面介绍了CPE、ILs、SS-DLLME等液相萃取新技术，HS-SPME、SFE非液相萃取新技术在环境和食品金属处理和检测中的应用. 这些技术中CPE和ILs可实现多种金属离子的同时萃取，有些技术如HS-SPME和SFE则关注于将传统液相离子形态金属离子转化为挥发性的形态, TSILs则具有萃取和检测金属离子的双功能. 以上技术均具有绿色、简单、高效和低成本的特点，在环境、食品、医学的金属分析中具有良好的应用前景.

总之，分析化学所面临的最重要的挑战之一是发展生态分析技术，也就是确保减少样品、试剂、能量、废物、风险和有害物质的数量. 发展新型的金属分析技术，绿色快速、灵敏、高通量检测各种复杂样品的金属将是未来金属检测的发展方向.