氮川三乙酸的样品前处理和检测方法研究进展

程嘉雯，马继平，田 永

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266500)

氮川三乙酸(nitrilotriacetic acid, NTA)，又名氨基三乙酸，其结构式如图1所示.NTA作为一种经济、高效的金属配合剂[1-4]，被大量用于工业水处理过程中，配合重金属离子，降低水中重金属离子的浓度[5].同时，NTA与重金属离子形成的配合物适于生物富集去除[6-11]，因此NTA不仅在水处理过程中被广泛应用，并且在土壤修复行业中也得到了大量应用[12-15].此外，NTA亦被用于电镀、金属提取、洗涤等行业中[16-20].

图1 氮川三乙酸(NTA)结构式

由于NTA的广泛使用和肆意排放，NTA已在食品添加剂[21-22]、洗涤用品[23]、环境水体[24-26]、生活污水[27]、饮用水[28]中被大量检出.例如，在化工研磨液中，NTA的检出质量浓度甚至高达48.60～63.60 g/L[29].由于NTA具备较高的毒性，直接进入人体后，会造成人体肝脏、肾脏、膀胱及其它器官的损伤[30-33].此外，因为NTA与重金属形成的配合物容易被生物富集，因而可能导致农产品重金属污染的加剧[34].由于重金属和放射性核素可与NTA形成配合物，会促进重金属和放射性核素的溶解，进而可加剧重金属和放射性核素向地下水迁移和扩散[35].

当前，中国、美国、欧盟等相继颁布了有关NTA的使用和排放标准，例如：欧盟2003/31/EC[36]、2003/200/EC[37]、2005/342/EC[38]、新西兰EC-01-16[39]、澳大利亚GECA MDDv4.0i-2013[40]、美国GS-41[41]等.中国《洗涤类产品 环保产品认证技术要求》(CSC/T 2224—2006)[42]、《环境标志产品技术要求 家用洗涤剂》(HJ 458—2009)[43]中均严禁在洗涤剂中将NTA及其盐类作为原料.为执行NTA相关限量标准，监控NTA的生产、使用和排放情况，以及评估环境中NTA的分布水平，十分必要对实际环境样品中NTA的含量进行灵敏分析.然而，NTA在环境中的浓度较低(属于微量甚至痕量级)，并且基质复杂、干扰严重，难以直接使用仪器进行分析.因此，目前NTA的分析过程一般包括前处理和仪器检测两个步骤.据此，本文简要综述了近年来NTA分析的前处理和仪器检测方法研究进展.

1 前处理方法

1.1 固相萃取法

NTA的前处理方法中，固相萃取法最为常用，并且较多采用商品化阴离子交换柱进行NTA的固相萃取(如图2所示).为测定洗涤用品中NTA的浓度，夏泽敏等[44]直接利用水溶解洗涤用品中的NTA，经过硝酸铜衍生化处理后，使用Oasis MAX阴离子交换柱(500 mg，6 mL，美国Waters公司)进行分离富集，洗脱液为甲酸∶甲醇∶水(体积比为10∶50∶40)的混合溶液，洗脱液利用高效液相色谱进行检测.该法准确性和精密度高，可以应用于实际洗涤用品中NTA的测定.郭项雨等[19]同样利用水溶解洗涤用品中的NTA，样品溶液通过尼龙滤膜过滤后加入至OnGuardII RP固相萃取柱(2.5 mL，美国Dionex公司)中，最后洗脱液进入离子色谱检测.使用该方法对市售的液体和固体洗涤用品中的NTA进行测定，其中3份洗涤用品中检测出NTA，其质量分数为0.55%～12.50%.Geschke等[18]将200 mL水体样品通过SAX阴离子交换柱(500 mg，3 mL，美国Baker公司)后，使用2 mL、pH值为3的甲酸溶液进行洗脱，结合高效液相色谱法检测.通过对大体积样品中NTA的富集分析，该法灵敏度高且能够对河水中NTA进行测定.当前，固相萃取技术分离富集NTA发展较为成熟并且应用广泛，但是萃取柱易堵塞、无法重复利用的问题仍有待解决[45].此外，性质稳定、比表面积大、吸附效率高、可重复利用的新型材料(如：碳纳米管[46-47]、石墨烯[46, 48]、金属有机骨架[49-52]和共价有机骨架材料[53-56]等)及其功能改进材料仍未见应用于NTA的分离富集，因此开发和应用新型固相萃取材料将可能是解决当前NTA固相萃取问题的有效途径.

图2 NTA的固相萃取示意图

1.2 螯合萃取法

螯合萃取法是NTA分析中另一种常用的前处理技术.因为NTA与金属配合常数较高(如表1所列)，在样品前处理的过程中，可以利用其配合能力差异实现NTA的分离富集(NTA与金属的配合机理如图3所示).Afghan等[23]开发了金属铋配合-示波极谱检测NTA浓度的方法.由于示波极谱法中铋与NTA的配合物[Bi-NTA]较为稳定(logKBi-NTA=17.5)，因此向pH值为2的电解液中加入铋离子溶液，使样品中的NTA与混合电解液生成[Bi-NTA]，在极谱电解池中检测[Bi-NTA]浓度，可实现湖水、海水、污水和洗涤剂中NTA的分析，且在检测的洗涤剂中发现NTA的质量分数可达0.1%～12.7%.魏峰等[22]将含有NTA的样品与1%的硫酸铜溶液混合，形成的[Cu-NTA]进入高效液相色谱分析.使用此方法可检测食品添加剂乙二胺四乙酸铁钠中的NTA.由于样品中含有大量的Fe3+，基质干扰严重，所以利用标准加入法对NTA进行定量.Randt等[57]利用NTA与Fe3+发生配合反应形成[Fe-NTA]配合物，使用紫外检测器检测，实现废水中NTA的分析.因为Pd2+与NTA配合常数较高，所以Nette等[58]在样品中加入过量的Pd2+溶液，形成稳定的强负电配合物[Pd-NTA]-，再利用离子色谱分离，电感耦合等离子体质谱检测.该方法可以对自来水中痕量级(ng/L)的NTA进行测定.螯合萃取法的操作简便、快速，但需要加入过量的金属溶液与NTA螯合，分析结果易受到NTA与金属配合能力的影响以及其他金属离子的干扰，并且分析产生的废液可能造成重金属污染.

表1 NTA与二价、三价金属离子的稳定常数(25 ℃，0.1 mol/L离子强度)[3,59-60]

图3 NTA与金属离子配合机理示意图[3]

2 仪器分析方法

目前，针对NTA的仪器检测方法有气相色谱法/气相色谱-质谱法、液相色谱法、离子色谱法、电感耦合等离子体质谱法及示波极谱法等(如表2所列).

表2 NTA的检测方法及分析性能

2.1 气相色谱法/气相色谱-质谱法

NTA作为有机酸，需要对其进行酯化，使其具备挥发性，才能利用气相色谱/气相色谱-质谱测定.2003年英国颁布的标准EN ISO 16588: 2003+A1:2005[62]用于检测洗涤用品中的NTA.该标准规定使用乙酰氯/正丁醇混合物将NTA酯化为正丁酯，结合气相色谱-质谱检测，方法线性范围可达5～100 μg/L.Randt等[57]使用配备Hewlett-Packard毛细管柱(12 m×0.2 mm)的气相色谱-质谱实现了NTA分析.该方法将酯化试剂更换为比正丁醇更易挥发的异丙醇，检测NTA衍生物的荷质比为230、146和88，获得方法的LOD达到1 μg/L.Stolzberg等[61]直接使用配备OV-17毛细管柱的气相色谱实现了环境水体中的NTA分析.利用双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺试剂进行衍生，当NTA的活性氢被三甲基甲硅烷基取代时，取代物的挥发性和热稳定性趋于增加，能够利用气相色谱实现NTA的分析.本方法所得线性范围为1～100 μg/mL.尽管NTA分析的标准方法推荐使用气相色谱-质谱分析，并且能够获得较高的检测灵敏度，但是利用气相色谱-质谱分析NTA必须对NTA酯化衍生，不仅衍生效率影响分析的准确度，而且操作繁琐，不利于NTA的高效快速分析.

2.2 液相色谱法

NTA在紫外-可见波长处的光吸收系数较小，直接利用液相色谱-紫外可见光谱分析灵敏度较低.可利用NTA与金属离子形成配合物以增强紫外吸收，提高液相色谱-紫外可见光谱分析的灵敏度.NTA与金属离子形成的配合物可利用离子对反相色谱进行分离分析.魏峰等[22]使用配备C8色谱柱(4.6 mm×150 mm, 5 μm)的高效液相色谱实现了食品添加剂中的NTA含量测定.流动相是甲醇与四丁基氢氧化铵水溶液，流动相pH值为7.3，紫外检测波长为244 nm.使用Cu2+与NTA进行衍生，可利用标准加入法实现食品添加剂乙二胺四乙酸铁钠中NTA的检测，回收率达到94.3%～100.4%，LOD为20 mg/kg，RSD为2.3%.夏泽敏等[44]考察了不同色谱柱对NTA金属配合物的分离效果，发现Waters XBridge C18色谱柱对NTA的分离效果最好.该方法使用Waters XBridge C18柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm)，流动相为甲醇/四丁基氢氧化铵混合溶液(体积比为20∶80，pH值为7.5)，二极管阵列的检测波长为244 nm，衍生化试剂为硝酸铜溶液.该法分析NTA的线性范围为0.5～100.0 mg/L，线性相关系数(r2)为0.999 9，LOD和定量限(limit of quantitation, LOQ)分别为10和25 mg/kg.将该法应用于洗涤用品中NTA的检测，加标回收率为89.8%～99.7%，RSD为1.11%～4.03%.Geschke等[18]将纯净的NTA样品注入高效液相色谱中检测.色谱柱为RP8柱(4 mm×250 mm)搭配预柱(4 mm×4 mm)作为保护柱，流动相由0.02 mol/L浓硫酸、0.4 mol/L硫酸铁氨溶液(作为衍生化试剂)、0.01 mol/L乙二醇、10 mol/L氢氧化钾溶液和0.004 mol/L四丁基氢氧化铵溶液组成，流动相的pH值在1.8～2.0之间，检测波长258 nm.该法分析NTA的线性范围为0.2～10.0 μg/L，r2为0.992 6，LOD为0.019 μg/L，RSD为6%～11%.将该法应用于河水中NTA的检测，方法加标回收率为92%～128%.使用液相色谱检测NTA时，一般需要在流动相中加入季铵盐类化合物，并且需要对NTA进行配合衍生，每次试验完成后，需要使用大量的甲醇-酸溶液冲洗色谱柱，避免柱堵塞.当前，液相色谱分析NTA的灵敏度仍然较低，但尚未有利用液相色谱-质谱联用提高NTA分析灵敏度的方法报道，因此发展液相色谱-质谱联用分析NTA将是该领域的重要研究内容.

2.3 离子色谱法

NTA易溶于水，并且以离子形式存在于水溶液中，因此利用离子色谱分析NTA更为合理.郭项雨等[19]使用配备IonPac AS11阴离子交换柱(4 mm×250 mm)的离子色谱实现了洗涤用品中NTA的分析.该方法使用AG11保护柱(4 mm×50 mm)，电导检测器的抑制电流为78 mA，流动相是氢氧化钾溶液.该方法检测NTA的线性范围为0.02～10.00 μg/mL，r2为0.999 8，LOQ为20 mg/kg.将该法应用在洗涤用品中，方法加标回收率为89.3%～115.1%，RSD为1.9%～6.7%.冯顺卿等[29]利用配备IonPac AS11色谱柱的离子色谱实现了工厂研磨液中的NTA的分析.该方法同样利用AG11柱(4 mm×50 mm)为保护柱，电导检测器的抑制电流是50 mA，以20 mmol/L的氢氧化钠溶液为流动相.该法检测NTA的线性范围为0.2～30.0 mg/L，r2为0.999 1，LOD为0.02 mg/L.将该法应用于研磨液中NTA的测定，方法加标回收率为98.6%，RSD为1.2%.刘蓓蕾等[21]利用离子色谱实现了食品添加剂乙二胺四乙酸二钠中NTA的分析.该方法采用的分析柱是AS11-HC离子交换柱(4 mm×250 mm)，AG11-HC(4 mm×50 mm)保护柱，电导检测器的抑制电流是149 mA，流动相为氢氧化钾溶液，进样量为50 μL.该法检测NTA的线性范围为0.5～10.0 μg/mL，r2为0.999 9，LOD为0.1 μg/mL.该法的加标回收率为95.3%～98.6%，RSD为1.0%～3.5%.在此试验中发现，标准溶液与样品溶液中NTA的出峰时间不一致，导致这一现象的原因可能是日常检测所用的色谱柱中存在金属离子残留，样品中的乙二胺四乙酸根离子与金属离子配合，将色谱柱中残留的金属离子带出，进而影响了色谱分离.因此，应用本方法需在每次试验前，使用乙二胺四乙酸二钠标液冲洗色谱柱，以保证分离效果.目前，离子色谱分离NTA的效果较好，无需衍生，但是离子色谱分析NTA的检测灵敏度相对于气相色谱-质谱法较差.所以利用离子色谱与质谱联用将是改善离子色谱分析灵敏度的有效途径[63-65].

2.4 电感耦合等离子体质谱法

基于NTA与金属的配合作用可形成配合物[Me-NTA]的特点，可以通过电感耦合等离子体质谱测定金属元素的形式，对NTA进行间接定量.Nette等[58]利用Pd2+与NTA发生配合作用，形成的[Pd-NTA]-通过离子色谱分离后进入电感耦合等离子体质谱进行分析检测(如图4所示).离子色谱的流动相是硝酸铵(pH值为2.6)，色谱柱为自制的Metrohm 820分析柱(4 mm×250 mm)，色谱柱填料为烷基三甲基铵离子.该法检测NTA取得了较好的分析性能，其中LOD达到31 ng/kg，线性范围在0.1～4.0 μg/kg，RSD为6.7%.将该法应用于自来水中NTA的检测，方法加标回收率为57%.在该方法中，离子色谱分离过程中NTA与金属形成的配合物的稳定性直接决定了分离和分析效果，应该选择与NTA形成稳定常数较高的Pd2+进行配合分析.此外，流动相的pH值对NTA金属配合物分离度影响较大，需要准确控制流动相的pH值(pH值为2.6)才能使分离效果达到最佳.离子色谱与电感耦合等离子体质谱联用的方法灵敏度高、稳定性好，但是本方法中电感耦合等离子体质谱的购置和使用成本较高，限制了本方法的广泛使用.

图4 电感耦合等离子体质谱法测定NTA过程示意图[58]

2.5 极谱法

利用极谱法测定NTA，同样是基于NTA与金属可形成配合物[Me-NTA]的特点，可以通过测定金属的形式，对NTA进行间接定量[66-67].Afghan等[23]研究发现铋与NTA的配合物在pH值为2时较稳定，在此条件下用示波极谱法检测铋元素，间接测定NTA.该法完全自动化，不需要过多的手动操作(如：稀释溶液、添加试剂/电解质、调整pH值等)，该法检测NTA的线性范围为0.05～0.25 mg/L，LOD为10 μg/L，RSD为1.3%.将该法应用于湖水、海水、污水和洗涤剂中NTA的检测，加标回收率在80%～105%之间.极谱法分析复杂基质环境样品中痕量和超痕量的NTA仍存在一定困难，仍需研究提升极谱法测定NTA的灵敏度和抗干扰能力.

3 结论

当前，针对复杂基质中NTA的分析，仍十分有必要采取合适的样品前处理技术.通过分离干扰组分、预富集NTA，改善现有NTA分析仪器灵敏度较低、基质干扰严重等问题.在适于NTA分析的前处理方法中，固相萃取法是当前最主要的处理方式.但是，必须要注意固相萃取柱易堵塞、无法重复使用、富集效率仍需提高等问题.此外，螯合萃取法是固相萃取方法的重要补充.螯合萃取法无柱堵塞问题，但使用过量金属，易导致金属离子污染和干扰问题.目前，NTA的仪器分析方法主要包括：高效液相色谱法、离子色谱法和气相色谱-质谱法等.液相色谱和气相色谱分析NTA时均需要衍生，然而衍生步骤繁琐，分析效率受到制约，同时需要保证衍生效率，避免引入分析误差.离子色谱分析NTA的操作相对简便，实用性强，但是离子色谱自身的检测灵敏度较低，不适于痕量NTA的分析.利用离子色谱与电感耦合等离子体质谱联用保证了NTA的分离效果，同时有效提高了离子色谱分析的灵敏度，可以实现超痕量NTA的分析.但是该方法同样需要将NTA与金属配合衍生，并且电感耦合等离子体质谱的购置和使用成本较高，限制了本方法的广泛使用.目前，液相色谱-质谱联用和直接质谱法测定NTA的分析方法仍未见报道.因此，开发快速、简便的质谱分析方法，以及开发新型的样品前处理材料和技术，提高现有仪器分析方法的耐受基质干扰能力和灵敏度，将是NTA分析和环境研究的内容.