新型基質(zhì)固相萃取重金屬離子分析及殘留關(guān)聯(lián)性

郭 明，武曉鵬，孫東海，周建鐘，張 華

（浙江農(nóng)林大學(xué) 理學(xué)院，浙江 臨安 311300）

重金屬污染具有多源性、隱蔽性、污染后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，重金屬殘留對(duì)人類健康造成危害而不易被人們察覺[1-3]，因而成為環(huán)境污染研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前，重金屬污染呈上升趨勢(shì)[4]，林果產(chǎn)品等涉林食品中的重金屬殘留問題也逐漸顯現(xiàn)，重金屬殘留分析檢測(cè)受到充分重視，投入大量資金和人力來開發(fā)和應(yīng)用重金屬殘留含量分析新技術(shù)，其中，樣品前處理是關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)前常用的樣品前處理技術(shù)如萃取、層析、蒸餾等[5]方法較為成熟，但存在操作繁瑣、處理周期長(zhǎng)、重復(fù)性差、使用大量有機(jī)溶劑造成環(huán)境二次污染等缺點(diǎn)。因此，研究成本低、操作簡(jiǎn)便、高效率、高選擇性的樣品分離/分析技術(shù)，已成為當(dāng)今重金屬殘留含量分析檢測(cè)的前沿課題[6]?；|(zhì)固相萃取（matrix solid-phase dispersion，MSPD）技術(shù)是近年迅速發(fā)展起來的一種固液分離萃取樣品新技術(shù)，其將吸附材料直接與待測(cè)樣品混合研磨后作為吸附基質(zhì)裝柱，再通過溶劑洗脫、濃縮等完成樣品預(yù)處理[7-8]。該方法處理樣品具有靈活、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好等特點(diǎn)，在環(huán)境、食品、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展[10-14]。MSPD技術(shù)中，填料基質(zhì)是關(guān)鍵，目前常用的有反相十八烷基鍵合硅膠、活性炭、樹脂等，發(fā)展新型功能基質(zhì)是MSPD技術(shù)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[15]，同時(shí)，不同柱管型式影響分離效能是另一個(gè)考慮的重點(diǎn)[16]。山核桃Carya cathayensis為中國(guó)特產(chǎn)樹種[17-18]，也是浙江杭州地區(qū)特色食用品（主要分布在天目山區(qū)）。山核桃具有解毒、消腫之功效，臨床多用于腳痔、皮膚癬癥等[19]；山核桃葉中含有大量生物活性物質(zhì)[20]，如酚類、植物甾醇、萜類、多糖、有機(jī)酸、蒽醌類、強(qiáng)心苷、三萜類化合物等，極具藥用價(jià)值。山核桃的食用、藥用價(jià)值與其品質(zhì)密切相關(guān)，當(dāng)前，人們密切關(guān)注山核桃中的污染物，尤其是重金屬離子含量對(duì)其品質(zhì)的影響。由于山核桃具有硬實(shí)堅(jiān)果的特點(diǎn)，其內(nèi)含污染物通過經(jīng)典分析較為繁瑣，尤其是樣品的前處理過程。人們?cè)噲D建立山核桃中污染物的快捷分析方法，其中樣品預(yù)處理技術(shù)及前期預(yù)示山核桃污染物方法是重要研究方向。目前，利用MSPD分離并檢測(cè)山核桃重金屬離子的研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器、試劑與材料

原子吸收分光光度計(jì)（AA6800G，日本島津）；固相萃取小柱（中國(guó)上海月旭材料科技）。

石英砂、殼聚糖、草酸、氫氧化鈉、硝酸均為分析純（中國(guó)華東醫(yī)藥股份有限公司）；鈉基膨潤(rùn)土（過0.076mm篩，購(gòu)于中國(guó)浙江省臨安城北膨潤(rùn)土有限公司）。山核桃葉及果實(shí)于8月初采集于臨安天目山。選取海拔50 m，同一水平上長(zhǎng)勢(shì)、健康程度、所處環(huán)境等條件基本一致的優(yōu)質(zhì)果樹作為樣本點(diǎn)，采用S形方式采樣，采集健康無病蟲害的樹葉及果實(shí)樣品。采集的山核桃葉及果實(shí)經(jīng)蒸餾水、去離子水洗凈、干燥后，混勻放入研缽中并加入石英砂進(jìn)行鮮樣研磨，過60目網(wǎng)篩后置于樣品瓶中備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 膨潤(rùn)土改性 稱取1.0 g殼聚糖，攪拌條件下緩慢加入20.0 mL體積分?jǐn)?shù)為10%草酸溶液，加熱至50℃，充分混勻，得到淡黃色黏滯性溶膠。加入30.0 mL去離子水稀釋，50℃攪拌30 min，緩慢加入8.0 g鈉基膨潤(rùn)土，繼續(xù)攪拌2 h。加入適量1.0 mol·L-1氫氧化鈉（NaOH），攪拌1 h后用去離子水洗至中性，得到蓬松的絮狀顆粒膨潤(rùn)土，抽濾微干后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 接續(xù)式基質(zhì)固相萃取柱管設(shè)計(jì)與制作 接續(xù)式基質(zhì)固相萃取柱為本實(shí)驗(yàn)室專利產(chǎn)品（專利授權(quán)號(hào)：ZL 201020243703.4）。該設(shè)計(jì)萃取柱管可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行接續(xù)以增加柱效，也可通過調(diào)節(jié)柱徑及填料高度以增加柱效，既考慮了降低萃取劑消耗成本，又增加了裝柱填實(shí)的便捷性，提高了通用性。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液吸附、洗脫效果測(cè)試 40.0 mL 0.3 mol·L-1的標(biāo)準(zhǔn)鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）組混合溶液，緩慢通過裝有新型吸附基質(zhì)材料的吸附柱管，去離子水淋柱，收集流出液，定容至100.0 mL，測(cè)定金屬離子濃度（原子吸收分光光度法，AAS），計(jì)算吸附百分率。然后用40.0 mL 0.2 mol·L-1的硝酸（HNO3）溶液充分淋洗解吸，再用去離子水淋洗，收集全部流出液，定容至100.0 mL，測(cè)定金屬離子濃度（AAS），計(jì)算洗脫百分率。

1.2.4 山核桃葉中鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）組的分離、富集 準(zhǔn)確稱取1.0 g山核桃葉片放入研缽中，加入一定配比的新型吸附基質(zhì)功能材料進(jìn)行研磨，控制研磨時(shí)間為10 min，待混合基質(zhì)研磨至細(xì)小顆粒狀時(shí)，進(jìn)行干法裝柱，再以硝酸溶液進(jìn)行洗脫提取，并對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行分析、檢測(cè)。本研究采用正交試驗(yàn)確定新型MSPD提取重金屬離子組的最佳反應(yīng)（單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果此處不詳細(xì)列出）條件，影響因素考慮原料配比、洗脫劑濃度與洗脫劑用量，選定3因素3水平均勻設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，L9（34）因素水平表見表1。

1.2.5 線性關(guān)系分析及鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）組含量測(cè)定 準(zhǔn)確稱取0.0393 g硫酸銅（CuSO4·5H2O），0.0495 g 硝酸鎳（NiNO3·6H2O）于 100.0 mL 容量瓶， 配置 100.0 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）溶液，稀釋10倍配置成10.0 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)重金屬離子溶液，分別量取0.0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0mL標(biāo)準(zhǔn)液于100.0 mL容量瓶中，定容，采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，繪制重金屬離子濃度—吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線。將1.2.4中新型基質(zhì)固相萃取柱分離的洗脫液轉(zhuǎn)入100.0 mL容量瓶中，定容，按上述方法測(cè)定吸光度，并對(duì)含量進(jìn)行計(jì)算分析，獲得新型基質(zhì)固相萃取柱最佳工藝條件。

表1 正交因子水平表[L9（34）]Table1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.6 山核桃果實(shí)重金屬離子組殘留含量關(guān)聯(lián)分析 用1.2.5中得出的新型基質(zhì)固相萃取柱最佳工藝條件按1.2.4節(jié)方法同樣處理山核桃果實(shí)，所得流出液定容后采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，計(jì)算鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）組殘留含量，并進(jìn)行山核桃葉與果實(shí)中重金屬離子的殘留關(guān)聯(lián)性分析。

1.2.7 新型基質(zhì)固相萃取柱的實(shí)用可信度驗(yàn)證 分別采用新型基質(zhì)固相萃取柱和經(jīng)典消解方法對(duì)鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）重金屬離子組含量進(jìn)行AAS吸光度測(cè)定，所得結(jié)果取平均值，以平均值簡(jiǎn)潔比較方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，從而驗(yàn)證新型基質(zhì)固相萃取柱的實(shí)用性及可信度。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬離子標(biāo)準(zhǔn)曲線制作及線性關(guān)系分析

配制成不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）組溶液，測(cè)定吸光度，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示，所得線性回歸方程列于表2。

由圖1及表2可見：各標(biāo)準(zhǔn)曲線方程線性良好，可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程線性計(jì)算鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）組的質(zhì)量濃度。

2.2 新型基質(zhì)固相萃取柱吸附效率及洗脫效果測(cè)試

鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）組標(biāo)準(zhǔn)混合溶液以定速過柱，硝酸溶液洗脫后收集流出液，采用AAS方法測(cè)定吸光度，換算得出重金屬離子的量，進(jìn)而分別求出吸附效率及洗脫率，結(jié)果見表3。

圖1 鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure1 Standard curve of Ni2+and Cu2+heavy metal ions solution

表2 鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）標(biāo)準(zhǔn)溶液線性回歸方程Table2 Linear regression equation of Ni2+and Cu2+standard solution

表3 新型基質(zhì)固相萃取柱處理鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）標(biāo)準(zhǔn)溶液吸附與洗脫率結(jié)果Table3 Absorption and elution rate of the new matrix solid-phase extraction column for Ni2+and Cu2+solution

由表3可見鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）溶液經(jīng)新型基質(zhì)固相萃取柱提取、富集后吸附率均大于90%，經(jīng)硝酸溶液洗脫，2種重金屬離子洗脫率也達(dá)到70%以上，由此可得新型吸附基質(zhì)功能材料對(duì)于鎳離子（Ni2+），銅離子（Cu2+）等具有良好的吸附效果，洗脫也很方便，分離重金屬離子的可行性良好。

2.3 新型基質(zhì)固相萃取柱提取重金屬離子的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮原料配比、洗脫劑濃度與洗脫劑用量影響因素，將AAS測(cè)定新型基質(zhì)固相萃取柱提取山核桃葉中重金屬離子的實(shí)際量作為指標(biāo)，按1.2.4節(jié)進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)，結(jié)果如表4～5。

表4 鎳離子（Ni2+）實(shí)驗(yàn)的 L9（34）正交表和分析結(jié)果Table4 L9（34） orthogonal table of Ni ion experiment and analysis results

從表4中可以看出：①k3＞k2＞k1；②k3＞k2＞k1；③k1＞k2＞k3。因此，山核桃葉片中重金屬鎳離子（Ni2+）提取、富集最佳工藝條件為A3B3C1，即原料配比=1∶5；洗脫劑濃度=0.4 mol·L-1；洗脫劑用量=30.0 mL。極差分析結(jié)果表明，3因素中影響順序?yàn)樵吓浔龋鞠疵搫舛龋鞠疵搫┯昧俊?/p>

從表5中可以看出：①k3＞k2＞k1；②k3＞k2＞k1；③k1＞k3＞k2。因此，山核桃葉中重金屬銅離子（Cu2+）提取、富集最佳工藝條件為A3B3C1，即原料配比=1∶5；洗脫劑濃度=0.4 mol·L-1；洗脫劑用量=30.0 mL。極差分析結(jié)果表明，3因素中影響順序?yàn)樵吓浔龋鞠疵搫舛龋鞠疵搫┯昧俊?/p>

2.4 山核桃果實(shí)重金屬離子組殘留含量關(guān)聯(lián)分析

采用新型基質(zhì)固相萃取柱并選用最佳工藝條件處理山核桃果實(shí)，原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，計(jì)算鎳離子（Ni2+），銅離子（Cu2+）組殘留量。同時(shí)，進(jìn)行山核桃葉片及果實(shí)中重金屬離子殘留關(guān)聯(lián)性分析，結(jié)果見表6及圖2。

表5 銅離子（Cu2+）實(shí)驗(yàn)的L9（34）正交表和分析結(jié)果Table5 The L9（34） orthogonal table of Cu2+ion experiment and analysis results

表6 山核桃果實(shí)中重金屬鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）的殘留含量及關(guān)聯(lián)性分析Table6 Residual content of Ni2+，Cu2+ions in the pecan fruit and the analysis of correlation

由圖2可知：山核桃果實(shí)中鎳離子（Ni2+）量占山核桃葉片中鎳離子（Ni2+）量的2.9%；山核桃果實(shí)中銅離子（Cu2+）的量占核桃葉片中銅離子（Cu2+）的量的3.7%；同時(shí)，分別將取自不同樣點(diǎn)山核桃葉片與果實(shí)的鎳離子（Ni2+），銅離子（Cu2+）殘留量做組相關(guān)分析，由表6方程可見：山核桃果實(shí)中鎳離子（Ni2+），銅離子（Cu2+）量與葉中鎳離子（Ni2+）， 銅離子（Cu2+）量的相關(guān)系數(shù) r分別為 0.8856和0.8453。由此可知：鎳離子（Ni2+），銅離子（Cu2+）可能隨著莖葉的傳導(dǎo)作用進(jìn)入果實(shí)，在果實(shí)中逐漸積累，存在一定的殘留關(guān)聯(lián)性。

2.5 新型基質(zhì)固相萃取柱實(shí)用、可信度驗(yàn)證

采用經(jīng)典方法對(duì)鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）組進(jìn)行吸光度測(cè)定，分別稱取0.3003，0.3006，0.3008 g葉子及0.3001，0.3004，0.3006 g果實(shí)進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，樣本為小樣本，取平均值計(jì)算。同時(shí)，結(jié)合2.3節(jié)采用新型基質(zhì)固相萃取柱最佳工藝條件測(cè)鎳離子（Ni2+）和銅離子（Cu2+）實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比并驗(yàn)證新型基質(zhì)固相萃取柱分析重金屬離子的可信度，具體結(jié)果見表7。

圖2 山核桃葉及果實(shí)中重金屬離子組殘留量關(guān)聯(lián)分析Figure2 Relation analysis of residual content of heavy metal ion group in Carya cathayensis leaves and fruits

表7 經(jīng)典方法和新型基質(zhì)固相萃取柱分析方法所測(cè)重金屬離子對(duì)比Table7 Comparision with content of heavy metal ion between the classic method and MSPD method

由表7中數(shù)據(jù)比較分析可知：新型基質(zhì)固相萃取柱所測(cè)得的葉片組和果實(shí)組中鎳離子（Ni2+）分別為經(jīng)典方法所得的91.1%和77.8%；新型基質(zhì)固相萃取柱所測(cè)得的葉片組和果實(shí)組中銅離子（Cu2+）分別為經(jīng)典方法所得的89.1%和76.9%。與文獻(xiàn)報(bào)道固相萃取方法用于藥物分析、環(huán)境農(nóng)藥殘留檢測(cè)等結(jié)果比較，效率較高[21-22]，說明新型基質(zhì)固相萃取柱分析重金屬離子的可信度較好，可作為快速有效的測(cè)定模式。本工作制備的新型MSPD處理重金屬離子的機(jī)制可能是綜合作用機(jī)制（正相吸附、反相吸附、離子交換等），也可能包含新的作用機(jī)制，這是一個(gè)復(fù)雜且需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的工作，有待于后續(xù)開展深入的研究工作。

3 結(jié)論

本研究通過改性吸附基質(zhì)功能材料碳18（C18）和活性炭等常規(guī)吸附基質(zhì)，設(shè)計(jì)高效分離柱管，進(jìn)而制備新型基質(zhì)固相萃取柱。根據(jù)植物葉子成分與果實(shí)成分存在一定的量效關(guān)系原理，選取山核桃葉為前期指示物，通過新型基質(zhì)固相萃取柱預(yù)處理制樣，考察新型基質(zhì)固相萃取柱提取重金屬離子組的功效性能，進(jìn)而開展對(duì)山核桃果實(shí)重金屬離子殘留關(guān)聯(lián)性研究，同時(shí)利用經(jīng)典方法對(duì)新型基質(zhì)固相萃取柱制樣及分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，建立起區(qū)域特色產(chǎn)品-山核桃重金屬的新穎分析技術(shù)體系。從所得結(jié)果來看，本研究提出的前期指示物預(yù)測(cè)、監(jiān)控重金屬為一種有效方法，相關(guān)研究目前尚無報(bào)道。本研究所得結(jié)果在基質(zhì)固相萃取技術(shù)與其他方法應(yīng)用于林果等產(chǎn)品中重金屬離子殘留研究的分析比較前提下，可為基質(zhì)固相萃取技術(shù)分析其他林果等食用產(chǎn)品中的重金屬離子殘留研究提供有益參考，對(duì)于更好地利用山核桃資源，也具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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