海水痕量金属元素分析中前处理技术的研究进展

胡建坤 ,韩双来 ,卢水淼 ,游明华 ,曹衍龙

(1.浙江大学 机械工程学院,杭州 310000;2.聚光科技(杭州)股份有限公司,杭州 310000;3.谱育(厦门)科技有限公司,厦门 361000)

海水中的痕量金属元素主要有铁、锰、铝、铜、汞、锌、铬、镉、铅、镍、钴等[1],它们是海水体系的重要组成部分,在海洋生态系统中发挥着不可或缺的作用,是生物细胞中多种酶及氧化还原蛋白的关键组成因子,调控着海洋浮游植物的光合作用、呼吸作用和固氮过程,影响着海洋生物的生长繁殖、生命活动和海洋氮、碳的生物地球化学循环[2-4]。但是,一些金属元素含量过高时会抑制生物的代谢生长,甚至在生物体内积累,产生毒害作用,并通过食物链及食物网的传递进而危害人类健康。因此,准确测定海水中的痕量金属元素,有助于监测、评估海洋环境质量,保障海洋生态系统与人类健康,对研究痕量金属元素的地球化学循环,深入了解海洋生态系统具有重要意义[5]。

海水中的痕量金属元素一般在μg·L-1甚至ng·L-1级别,海水盐度在35‰左右,其中常量元素主要有11种(氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、氟),约占化学元素总含量的99.8%～99.9%,直接分析海水时将对仪器信号产生严重干扰,并且可能堵塞分析仪器。因此,海水中痕量金属元素的分析方法和检测仪器必须具备足够高的灵敏度,同时能够克服海水高盐基体的干扰。

当前国内外广泛使用的检测方法主要有电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)、原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)和阳极溶出伏安法(ASV)等,其中ICP-MS灵敏度高、线性范围宽,可同时分析多种元素,是测定海水中痕量金属元素的首选方法[6]。但ICP-MS直接分析海水样品时存在许多问题:大量的盐类物质会在炬管、样品锥、截取锥及离子透镜上沉积,影响仪器的稳定性;易电离的钠、钾、钙等碱土金属元素会引入多原子离子干扰[7-8],抑制待测元素的电离,影响测定的准确度等。因此,测定海水中的痕量金属元素时,需要进行适当的前处理,以降低海水的基体效应。本工作综述了常用的海水痕量金属元素的前处理技术,包括螯合-溶剂萃取法、共沉淀法、稀释-直接进样法、氩气在线稀释法和基于螯合树脂的固相萃取法等,并对该领域未来的发展趋势进行了展望。

1 螯合-溶剂萃取法

海水中离子态的痕量金属元素无法直接通过有机溶剂萃取分离,需要先将水样酸度调至一定范围内,再用螯合剂与金属离子形成弱极性螯合物,用萃取剂将其与海水基体分离。BRULAND等[9]以吡咯烷二硫代氨基甲酸铵(APDC)和二乙基二硫代氨基甲酸二乙铵(DDDC)为螯合剂,在pH 4条件下,使其与海水中的铜、镉、锌、镍形成螯合物,然后以三氯甲烷为萃取剂,将这4种金属螯合物从海水基体中分离出来,再用硝酸将有机相中的待测金属元素反萃取至水相,最后用石墨炉原子吸收光谱法测定。该方法对铜、镉、锌、镍的富集倍数可达200倍,检出限为0.2～10 ng·L-1。通过加入特定的螯合剂和萃取剂,还能选择性地富集特定金属元素。ZHANG等[10]在海水中加入荧光镓,用正己醇萃取铝-荧光镓络合物,最后用荧光分光光度计测定铝的含量。

螯合-溶剂萃取法对多种金属元素均可达到较好的富集效果,GB 17378.4-2007《海洋监测规范第4部分:海水分析》将螯合-溶剂萃取-石墨炉原子吸收光谱法列为仲裁方法。在pH 5～6条件下,用APDC和二乙氨基二硫代甲酸钠(DDTC)螯合海水中的铜、铅和镉,经甲基异丁酮(MIBK)-环己烷混合液萃取分离后,再用石墨炉原子吸收光谱法测定相应元素的吸光度。但是,螯合-溶剂萃取法需要人工重复操作,耗时费力,不利于处理大批量样品,并且使用了三氯甲烷等毒性较大的有机溶剂,容易引入污染,危害分析者健康,不利于环境保护。

此外,目标物经螯合-溶剂萃取后,仍存在于有机溶剂中,若使用ICP-MS检测,有机溶剂带来的质谱和非质谱干扰严重影响检测结果的准确度,未完全燃烧的碳会沉积在样品锥上,降低仪器的灵敏度和稳定性。因此,使用ICP-MS检测时,必须将目标物反萃取至水相,加大了操作的复杂性。

2 共沉淀法

共沉淀法是经典的分离和富集方法之一,具有操作简单、富集倍数高等优点[11]。常用的富集海水痕量金属元素的共沉淀体系有载体离子-APDC/DDTC共沉淀体系[12-16]、氧化剂-APDC共沉淀体系[17-19]和Mg(OH)2共沉淀体系[20-26]。

APDC是常用的金属螯合剂,可与多种金属螯合生成螯合物;当某种金属元素含量较高时,螯合物会形成胶体或沉淀。基于此,在海水样品中加入过量的某种金属离子作为载体离子,再加入APDC,形成载体离子-APDC沉淀,其他金属进而被共沉淀富集。以Co2＋为载体离子的Co2＋-APDC共沉淀体系最早被用于分离富集海水中的铜、铁、镍、镉等。林杰等[27]在海水样品中加入Co2＋和APDC,形成的Co2＋-APDC沉淀将铜、镍、镉等痕量金属元素共沉淀富集至沉淀相,分离沉淀后,用少量硝酸溶解,得到浓缩液,最后用石墨炉原子吸收光谱法检测,该方法对上述3种痕量金属元素的检出限分别为79,41,4.8 ng·L-1。ELÇI等[13]用DDTC替 代APDC,与Co2＋形成沉淀,实现了共沉淀富集海水中的铜、铁、铅、锰、锌、镉、镍、铋和铬,经过滤和硝酸溶解后,用火焰原子吸收光谱仪检测,所得检出限为4～64μg·L-1。

采用载体离子的共沉淀体系虽然能得到较高的富集倍数,但载体离子既不能引入污染又要避免干扰。陈瑛娜等[17]用H2O2氧化APDC,建立了无需载体离子的H2O2-APDC共沉淀分离-石墨炉原子吸收光谱法,成功用于测定海水中铅、铜、镍、铬的含量,检出限为0.20～0.31μg·L-1。

在痕量分析中,加入的试剂越少,引入污染的风险就越低。上述两种共沉淀体系均至少要加入3种试剂,且最终得到的浓缩液中存在APDC及其衍生物等,增加了污染的风险,不宜用ICP-MS检测。WU等[26]在海水中加入一定量的氨水,使海水中大量的Mg2＋生成Mg(OH)2沉淀,提出了Mg(OH)2共沉淀-同位素稀释-高分辨率ICP-MS测定海水中铅、铜和镉等超痕量金属元素的方法,铅、铜、镉的检出限分别为0.27,2.5,0.56 ng·L-1。该方法操作简单,只需加入氨水产生Mg(OH)2沉淀,离心分离出沉淀物后,用少量硝酸溶解,溶解液可直接用ICP-MS检测。分别通过等压平衡吸收和亚沸蒸馏对试验所用的氨水和硝酸进行纯化,成本低、污染小,铅、铜、镉的空白值分别仅为0.13,1.7,0.67 ng·L-1。采用类似方法测定大洋海水中的痕量铁,检出限为2.8～3.4 ng·L-1[24]。在此基础上,WU还发展了双重共沉淀技术,富集倍数高达500倍,测定海水中铁的检出限低至约0.11 ng·L-1[23],几乎满足所有大洋海水中痕量铁的检测需求,成功地应用于国际“痕量元素和同位素海洋生物地球化学(GEOTRACES)”研究项目中多种痕量金属元素的测定[28]。

但是,Mg(OH)2共沉淀体系对多种痕量金属元素的富集效率不理想[11,29-30],可能是由于某些金属元素与过量氨水形成溶解态的氨络合物,不易被吸附或包裹至Mg(OH)2沉淀中[21]。为提高Mg(OH)2共沉淀体系的富集效率,ARSLAN等[21]采用质子惰性的碱——三乙胺代替氨水,加入海水中生成Mg(OH)2沉淀,实现了同时富集海水中16种痕量金属元素和18种稀土元素,所得检出限为0.01～72 ng·L-1。

3 稀释-直接进样法

用ICP-MS检测时一般要求海水样品的含盐量不超过0.2%。理论上,将海水样品稀释10～20倍即可将其盐度降低至仪器可耐受范围内。尽管样品稀释后降低了基体效应,但仍然存在大量的多原子离子干扰(表1)[7]。随着现代仪器分析技术的进步和分析方法的改进,ICP-MS的灵敏度和消除干扰的能力也快速提升,特别是碰撞-反应池技术的出现,有效降低了多原子离子干扰,从而实现海水样品稀释后直接用ICP-MS检测[31-34]。

表1 ICP-MS中的多原子离子干扰Tab.1 Polyatomic ion interference in ICP-MS

碰撞-反应池技术是在ICP-MS的离子透镜中充入He、H2或NH3等气体,使之与多原子离子发生碰撞反应,从而降低多原子离子的干扰。荆淼等[7]将大洋海水稀释10倍后,采用八极杆碰撞-反应池技术,以He和H2为碰撞-反应气,结合高效的屏蔽炬技术,采用标准加入法定量,成功地测定了北极海水样品中钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、钼、镉、铅和铀等痕量元素。卢水淼等[35]用国产的Expec 7000型电感耦合等离子体质谱仪,以He为碰撞气,结合动能甄别技术,测定海水中铬、锌、铜、镉和铅的含量。该方法极大地降低了高盐基体的多原子离子干扰,稀释10倍的标准海水的测定结果与参考值无显著性差异,铬、锌、铜、镉、铅的检出限分别 为0.209,0.093,0.063,0.004,0.024μg·L-1。

与其他方法相比,稀释-直接进样法所用样品量更少,操作更简单,除了超纯硝酸外,无需其他试剂,有效降低了空白值,避免试剂引入的污染。该方法已被列入我国海洋行业标准HY/T 147.1-2013《海洋监测技术规程 第1部分:海水》中,适合大洋及近岸海域海水的监测,也适用于河口、入海排污口及其邻近海域水体的监测。然而,铁、锌、铅等痕量金属元素在大洋海水中的浓度水平极低,稀释10倍后浓度更低,更易受污染[7],并且仍存在海水基体的影响,检测信号会漂移而影响准确度,因此还需采用适当的富集分离方法[36]。

4 氩气在线稀释法

氩气在线稀释法是在ICP-MS的雾化室和炬管之间通入一路稀释气,并在线加入内标,通过改变稀释气流量的大小来控制进样量,在合适的灵敏度下,避免了样品基体的影响,进一步提高了ICP-MS的稳定性和对高盐基体的耐受能力[37-39]。杨红霞等[37]通过在氩气中加入异丙醇,提出了氩气稀释-ICP-MS分析海水中痕量元素的方法,该方法对铝、钒、铬、铜等23种元素的加标回收率为80%～103%;在饱和氯化钠溶液中加入上述待测元素后直接进样分析,各待测元素在5 h内的测定值的相对标准偏差(RSD)为1.2%～4.7%。李鹰等[38]应用该技术并在线加入2.5%(体积分数)甲醇溶液,测定了饱和氯化钠溶液中总砷的含量,检出限为0.092μg·L-1。

采用氩气在线稀释技术可以实现海水样品的直接进样,无需预先稀释,有利于大量样品的快速测定。但是该技术目前在海水中的应用研究较少,仪器条件有待细致深入的测试研究才能达到稳定性和灵敏度俱佳的状态,对操作者的技术水平要求较高。

5 基于螯合树脂的固相萃取法

基于螯合树脂的固相萃取法操作简单、富集效率高、易于实现自动化,一直是海水痕量金属元素分析的研究热点[40-43]。常用于富集海水中痕量金属元素的商品化树脂主要有3种类型,分别是亚氨基二乙酸(IDA)型、次氮基三乙酸(NTA)型以及乙二胺三乙酸和亚氨基二乙酸(EDTriA&IDA)复合型。

IDA型树脂包括Bio-Rad Chelex-100、Toyopearl AF-Chelate 650M[44-45]和Dionex Metpac CC-1[46-47]。早在20世纪60年代,海洋化学家们便应用Bio-Rad Chelex-100树脂富集分离海水中的痕量金属元素[48-49];之后有学者继续深入研究了该树脂的物理化学性能,有效提升了其对痕量金属元素的富集效率[50-52]。但该树脂体积会随溶液酸度的变化而变化,不利于在线自动化应用,且其对钙、镁元素的保留能力较强,在一定程度上会影响富集后的检测[53]。Dionex Metpac CC-1和Toyopearl AF-Chelate 650M树脂不存在体积变化的问题,能有效地将痕量金属元素从海水基体中富集分离出来[54-57],其中Dionex Metpac CC-1树脂已经被明确写入美国环保署的海水分析标准方法中[58]。

NTA型树脂主要是Qiagen公司的NTA Superflow树脂。LEE等[59]用该树脂富集大洋海水中的铜、镉、铅和铁,只需1.3～1.5 mL水样和100～2 400颗树脂,铜、镉、铅、铁的检出限分别为7.6,0.67,0.10,3.9 ng·L-1。IDA型和NTA型树脂在低pH条件下仍能定量富集Fe3＋,测定时无需加入缓冲液[60-61]。这两种类型树脂对不同元素的富集效率受溶液酸度影响较大,因此无法通过一次富集来分析所有待测元素。例如,MASSADEH等[44]在分析大洋海水中的锰、铁、钴、镍、铜、锌、镉和铅时,发现锰和钴的最佳富集条件与其他元素不一样,需要重新调节溶液酸度,另外富集分离这两个元素。

EDTri A&IDA复合型树脂近年来才被用于海水痕量金属元素分析,主要来自日本的NOBIAS Chelate PA1树脂[62]。该树脂在亲水性的甲基丙烯酸酯聚合物上键合了乙二胺三乙酸和亚氨基二乙酸两种功能基团,而乙二胺三乙酸是类似乙二胺四乙酸(EDTA)的功能基团,可与金属离子形成5个配位键,对大部分过渡金属元素和稀土元素有良好的富集效率[63]。试验表明,NOBIAS Chelate PA1树脂在pH 6条件下,可以一次性从海水样品中富集分离铝、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镉、铅等9种金属元素,对碱土金属元素的去除率达99.9%[64]。基于此,已有商品化的海水痕量金属元素前处理分析仪问世,并得到了广泛应用[65-66]。

随着稳定、可靠螯合树脂的应用,基于螯合树脂的固相萃取技术在海水痕量金属元素分析中表现出显著优势:对多种金属元素具有稳定的富集效率;操作简单,所用试剂无毒,且不影响后续检测;易与流动分析等自动化在线分析技术结合,可使整个分析处理过程均在封闭的管路系统中进行,减少人为操作带来的污染和误差;可以实现自动在线固相萃取和ICP-MS等检测设备联用,有利于减少样品和试剂的消耗量,获得更高的灵敏度[67]。

当前,已有相关研究使用自动化设备对海水进行前处理:一类是采用传统的流动注射法,配合电化学法、分光光度法等检测手段;另一类是采用注射泵及多通道阀,结合固相萃取前处理技术。表2归纳了一些采用自动化前处理设备的试验结果。

表2 自动化前处理设备的试验结果Tab.2 Results of tests with automatic pretreatment instrument

6 结语与展望

简单化、快速化和自动化是海水痕量金属元素前处理技术未来的发展方向。螯合-溶剂萃取法和共沉淀法虽然具有富集倍数高的优点,但是两者均涉及液液分离和固液分离等相对复杂的操作,不利于发展成自动化仪器。稀释-直接进样法和氩气在线稀释法虽然灵敏度较差,但是操作简单、分析快速,适合在河口、近岸等痕量金属元素含量较大的区域开展高时空分辨率监测。目前国产的电感耦合等离子体质谱仪已经实现了氩气在线稀释的功能,可达到与进口仪器相当的性能,具有更优越的性价比和更简单的操作[38-39],有利于ICP-MS的普及和开展河口、近岸区域海水中痕量金属元素的监测。基于螯合树脂的固相萃取法具有富集倍数高、无基体干扰和易于自动化等优点,适用于较洁净的近岸海水以及大洋海水中痕量金属元素的分析。国外已有商品化的全自动痕量金属元素前处理仪,但是仪器比较复杂,需要用到特殊定制的泵和阀,不利于仪器的使用和维护。国内已有不少研究者开发了各种类型的自动-在线海水痕量金属元素分析仪[68-70,75],但是仅限于开发者自己实验室使用,未见批量应用。此外,固相萃取法中最核心的螯合树脂几乎都是进口产品,国内尚未见适合海水痕量金属元素分析的树脂,亟需相关的树脂合成研究以及全面的性能测试评估。

除了测定含量,海水痕量金属元素分析的另一个需求是形态分析,不同形态金属元素的生物利用性和毒性存在显著差异,因此在开发痕量金属元素前处理仪时,应综合考虑金属形态分析的需求。