聚合物整体柱微萃取与氟化电热蒸发电感耦合等离子体质谱法联用测定海水中的痕量钒和铬

殷 俊， 陈贝贝， 何 蔓*， 冯钰锜， 胡 斌

(武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉 430072)

环境中V和Cr的污染在很大程度上要归因于钢铁和印染工业的高速发展，以及防腐剂的应用和石油的燃烧。海水中的V和Cr会通过生物链转移到海产品中，进而对人类造成危害。因此，准确测定海水中痕量V和Cr具有重要的意义。

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)具有灵敏度高、质谱相对简单、动态线性范围宽、分析速度快、多元素及同位素分析能力等优点，是目前痕量元素检测最理想的分析技术之一，被广泛用于生物、环境、地质等试样中的痕量/超痕量元素分析[1]。然而，在采用ICP-MS测定复杂基体样品中的痕量V和Cr时，通常会因基体效应和多原子离子质谱干扰而给准确测定带来极大困难[2]。尽管动态反应池技术[3]的引入以及高分辨率质谱[4]的应用在某种程度上缓解了这个问题，但高昂的价格和复杂的仪器使得这些技术在常规分析中鲜有应用。通常在分析基体复杂的海水样品时，人们更多的是采用样品前处理技术[5 - 7]，通过分离步骤除去大量的高盐基体，并对待测元素实现一定程度的富集，从而消除在ICP-MS测定中的基体效应和质谱干扰。在诸多的样品前处理技术中，固相萃取技术应用最为广泛。Komjarova等[5]对液-液萃取、固相萃取和共沉淀三种技术应用于海水中痕量元素的分离预富集进行了比较研究，发现固相萃取方法具有更高的富集倍数和更小的样品消耗，而且简便、快速、易于操作。将固相萃取与ICP-MS联用分析海水中的痕量元素时，固相吸附材料的性能起到了决定性的作用，而通常使用的树脂材料在吸附性能上还不能完全满足海水分析的需要。为了能够最大限度地除去海水中含量丰富的Cl、Na等基体元素，降低其可能带来的质谱干扰和基体效应，发展具有良好选择性和吸附性能的新型固相萃取材料势在必行。

整体柱材料[8 - 10]最初在多种色谱方法，如气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)以及毛细管电色谱(CEC)中得到了广泛的应用，近年来在样品前处理方面也获得了分析工作者的青睐。聚合物整体柱微萃取(PMME)[11]是一种新型的样品前处理技术，同时具有聚合物整体柱多孔易制、传质性能好、生物适应性好、耐酸碱的优点，而且萃取装置简便易得，操作方便。冯钰锜课题组将PMME分别与毛细管电泳(CE)、HPLC和LC-MS联用，成功应用于人尿样中的多种药物残留分析，以及食品和毒品等分析领域[12 - 15]，显示出巨大的应用潜力。

进样技术的发展对于提高ICP-MS的分析性能具有很重要的作用，在以常规的溶液雾化作为ICP-MS的进样方式分析海水样品时，存在着非常严重的质谱干扰和基体效应。与常规的溶液雾化技术相比，电热蒸发(ETV)[16,17]的突出优点表现在：(1)进样效率高(～80%)，方法的检出限得到显著改善；(2)试样的蒸发和激发(电离)过程分步进行，有利于实验参数的优化和降低基体产生的干扰；(3)耗样量少，微克级或微升级；(4)利用化学改进剂可进一步提高方法的灵敏度与选择性。自从1983年Gray和Date[18]成功将这种微量高效的ETV进样技术与具有高灵敏度特征的ICP-MS联用之后，ETV-ICP-MS技术在各领域都得到了广泛的应用。本研究将新型的PMME样品前处理技术与高灵敏度的氟化电热蒸发(FETV)-ICP-MS联用，详细探讨PMME体系中相关实验参数对海水样品中V和Cr分离富集的影响，并确定最优的微萃取条件；对基体效应和多原子离子质谱干扰进行了考察，在此基础上，建立一种PMME与FETV-ICP-MS联用测定海水样品中痕量V和Cr的新方法。

1 实验部分

1.1 仪器装置

Mettler Toledo 320-S pH计(Mettler Toledo(上海)仪器有限公司)用于调节pH值。WZB-50型微量注射泵(长沙维科特科技公司)。WF-4C型石墨炉(北京第二光学仪器厂)稍加改装后用作电热蒸发器。石墨炉与ICP-MS(Agilent 7500a)用改进的接口连接，详见文献报道[19]。在石墨炉和ICP炬管之间接一个同轴双层玻璃管，引入辅助载气，用于维持形成的ICP中心通道。连接ETV与ICP炬管的聚乙烯塑料管(内径6 mm)总长约70 cm。ICP-MS仪器主要操作参数及石墨炉升温程序见表1。

表1 仪器和操作参数Table 1 Equipment and operating parameters

1.2 标准溶液与试剂

V和Cr的标准储备溶液(1 g·L-1)分别由相应的高纯化合物按常规法配制而得，经稀释配成含待测元素的混合储备溶液，然后再逐级稀释成合适浓度的标准工作溶液。60%聚四氟乙烯(PTFE)悬浮液(上海有机化学研究所)经稀释与试样以一定比例混合后用作化学改进剂。海水标准物质(GBW(E)080040)由国家海洋局第二海洋研究所提供。所用HNO3为优级纯(上海试剂总厂)，经亚沸蒸馏所得。其它试剂均为分析纯。超纯水(18.2 MΩ,Milli-QTMSystem)用于全部实验。

1.3 样品处理

海水试样分别采集于深圳、大连以及黄海，并用0.45 μm的滤膜过滤后用浓HNO3酸化，于4 ℃下储存备用。PMME装置如图1所示，将塑胶针头上的金属针尖换成毛细管聚合物整体柱，并与1 mL的塑料注射器相连。

图1 聚合物整体柱微萃取装置图Fig.1 Scheme of the PMME

本实验所用的毛细管聚合物整体柱为聚(丙烯酰胺-乙烯基吡啶-N,N′-亚甲基二丙烯酰胺)整体柱，该柱是采用热原位聚合方法，以丙烯酰胺和4-乙烯基吡啶为功能单体，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，二甲基亚砜和十二烷醇为致孔剂，偶氮二异丁腈为引发剂，在熔融石英毛细管(20 cm×0.53 mm i.d.,河北省永年锐沣色谱器件有限公司)中制得，详细合成及制作见文献方法[20]。PMME步骤如下：(1)预平衡，用注射器吸取0.05 mL缓冲溶液，以0.1 mL·min-1的流速通过萃取柱；(2)萃取，吸取1.0 mL样品溶液，以0.1 mL·min-1的流速通过萃取柱；(3)冲洗，吸取0.05 mL超纯水，以0.1 mL·min-1的流速通过萃取柱；(4)洗脱，吸取0.05 mL高纯1.0 mol·L-1HNO3，以0.1 mL·min-1的流速通过萃取柱。收集洗脱液之后，加入0.05 mL的12%PTFE悬浮液。在每次使用前，样品需要超声20 min以保证分散均匀。

1.4 分析步骤

取10 μL试样溶液加入石墨炉后，按表1所列的参数启动石墨炉升温程序。在干燥步骤开始时，进样孔敞开以除去溶剂；在蒸发阶段前几秒，用一石墨锥塞入进样孔，使蒸发的试样随石墨炉载气及辅助载气一起进入等离子体，分析物信号由ICP-MS检测。

2 结果与讨论

2.1 PMME参数的优化

2.1.1 pH值的影响为了考察试样pH值对待测元素吸附的影响，将相同浓度(各2 ng·mL-1)的混合金属离子溶液用稀HAc和NH3·H2O调节到不同的pH值，各取2 mL按实验方法操作，考察了不同pH值下各待测元素在聚合物整体柱上的吸附率，实验结果如图2所示。从图中可以看出，各待测元素在pH>4时均可被定量吸附。故本实验选择吸附介质溶液的酸度为pH=5.0。

图2 pH对V和Cr在聚合物整体柱上吸附行为的影响Fig.2 Effect of pH value on the adsorption of V,and Cr on polymer monolith column

2.1.2 萃取流速的优化恒定萃取样品体积为1 mL，考察了流速为0.05～0.15 mL·min-1时待测元素的萃取效率。在此流速范围内，待测元素都能被定量吸附，且流速对其萃取效率影响极小。但聚合物整体柱的柱压会随着流速的增大而迅速升高。综合考虑分析速度和萃取效率两个因素，本实验选择萃取流速为0.1 mL·min-1。

2.1.3 样品体积的优化在选择的萃取流速下，考察了样品体积在0.2～1.0 mL时对待测元素吸附率的影响。实验结果显示，当样品体积增大至1.0 mL时待测元素仍能被定量吸附，表明了聚合物整体柱对于待测元素有较强的吸附能力。本实验选择样品体积为1.0 mL。

2.1.4 洗脱剂的选择由图2可以看出，当pH<2时，各待测元素在聚合物整体柱上的吸附率很低，因此可以用较高浓度的酸将所吸附的待测元素从聚合物整体柱上洗脱下来。在本实验中，0.05 mL的1 mol·L-1HNO3便能够将待测物定量洗脱。

2.1.5 洗脱流速的优化采用0.05 mL的1 mol·L-1HNO3作为洗脱剂，考察了流速为0.05～0.15 mL·min-1时对待测元素回收率的影响。结果发现，此流速范围内V与Cr均可被定量洗脱。本实验选择洗脱流速为0.1 mL·min-1。

2.1.6 整体柱的吸附容量和再生性对于微型化的固相萃取方法而言，固相萃取材料的吸附容量和再生性能是非常重要的参数。本文将10 mL 50 μg·L-1的标准溶液通过聚合物整体柱，分批收集流出液进入ICP-MS检测，以流出液中待测元素含量超过5%作为始漏点，考察了聚合物整体柱对V和Cr的吸附容量，结果分别为2.05 μg·m-1和3.18 μg·m-1。在优化的PMME参数下，还考察了材料的再生性能，结果表明聚合物整体柱重复使用30次之后，其吸附性能仍然保持稳定，无明显变化。

表2是经过优化之后所使用的PMME参数，在此条件下方法富集倍数为20倍，单次分析耗时12 min。

表2 优化的聚合物整体柱微萃取参数Table 2 Optimized PMME parameters

2.2 电热蒸发参数的优化

在本课题组之前的工作中[21]，PTFE被成功应用于人血清样品中多种难熔元素的ETV-ICP-MS直接测定，其结果证实了PTFE作为难熔元素的化学改进剂，可以有效改善其蒸发行为，降低蒸发温度，消除记忆效应。本文详细考察了灰化温度和蒸发温度对V和Cr信号强度的影响，结果如图3所示。本实验中，选择灰化温度为500 ℃，蒸发温度为2 500 ℃。

图3 电热蒸发中灰化温度和蒸发温度对V和Cr信号强度的影响Fig.3 Effect of pyrolysis and vaporization temperature on the signal intensities of V and Cr

2.3 共存离子的干扰

在海水中，含量最丰富的常量元素包括Cl、Na、Mg、Ca、K和Br等。表3中详细列出了ICP-MS测定V和Cr时常见的多原子离子干扰，可以看出在测定海水中的痕量V和Cr时，最严重的质谱干扰来自于海水基体中大量的Cl。而其它常量元素的存在可能会在ICP-MS中产生基体效应，影响待测元素的准确测定。因此，能否有效地除去海水中的这些基体元素，从而避免可能产生的质谱干扰和基体效应，是PMME能否应用于海水样品分析的关键所在。

表3 待测同位素及可能的多原子离子干扰[2]Table 3 Isotopes of interest and most abundant polyatomic interferences[2]

在浓度为2 μg·L-1的V和Cr的溶液中，分别加入不同浓度的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Br-和Cl-等海水中的常量元素，考察他们对V和Cr信号强度的影响。实验结果表明，当K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Br-和Cl-的浓度分别为20、20、0.8、1.6、1.2和30 g·L-1时，待测元素的回收率为95%～105%。可以看出，本方法具有良好的抗干扰性能，可除去海水中大量的Cl等基体元素，消除了相应的质谱干扰和基体效应，适合于测定海水中的痕量金属元素。

2.4 分析性能

在优化的实验条件下，对方法的分析性能进行了评价。按照IUPAC的定义，检出限以3倍空白的标准偏差(3σ)计算。本方法的富集倍数为20倍，单次分析耗时为12 min;V和Cr的检出限分别为0.4 ng·L-1和1.6 ng·L-1;相对标准偏差(RSD)分别为9.7%和10.3%(c=0.05 ng·mL-1，n=5)。

表4将本方法和相关文献报道进行了对比，可以看出，在经过PMME分离预富集之后，发展的方法具有非常高的灵敏度和抗干扰能力，可以应用于基体复杂的海水样品中痕量元素V和Cr的分析。

表4 本方法与文献报道的方法分析性能比较Table 4 A comparison of analytical performance with literatures

2.5 样品分析

以本方法对海水标准物质(GBW(E)080040)以及3种实际海水样品进行了分析，结果分别列于表5和表6。另外，还对3种实际海水样品进行了标准加入回收实验，各待测元素的回收率均在90%～111%之间，方法可用于海水中痕量V和Cr的准确测定。

表5 标准物质(GBW(E)080040)中V和Cr的分析结果Table 5 Analytical results of V and Cr in certified materials of (GBW(E) 080040)

表6 海水样品中V和Cr的分析结果(n=3)Table 6 Analytical results of V and Cr in seawater samples(n=3)

3 结论

本文采用新型的聚合物整体柱微萃取作为样品前处理方法，成功实现了对海水样品中痕量/超痕量元素V和Cr的分离富集，除去了海水中大量的盐基体，消除了大量盐基体带来的潜在的质谱干扰，并与ETV-ICP-MS技术联用，以PTFE为化学改进剂，成功的测定了海水中易受质谱干扰的元素V和Cr的含量。实验结果表明，聚(丙烯酰胺-乙烯基吡啶-N,N′-亚甲基二丙烯酰胺)整体柱吸附效率高，吸附容量大，抗干扰能力强，再生性能好，可对基体复杂的海水样品进行有效的分离预富集，是一种优良的新型吸附材料。