聚合物整體柱微萃取與氟化電熱蒸發電感耦合等離子體質譜法聯用測定海水中的痕量釩和鉻

殷 俊， 陳貝貝， 何 蔓*， 馮鈺锜， 胡 斌

(武漢大學化學與分子科學學院，湖北武漢 430072)

環境中V和Cr的污染在很大程度上要歸因于鋼鐵和印染工業的高速發展，以及防腐劑的應用和石油的燃燒。海水中的V和Cr會通過生物鏈轉移到海產品中，進而對人類造成危害。因此，準確測定海水中痕量V和Cr具有重要的意義。

電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)具有靈敏度高、質譜相對簡單、動態線性范圍寬、分析速度快、多元素及同位素分析能力等優點，是目前痕量元素檢測最理想的分析技術之一，被廣泛用于生物、環境、地質等試樣中的痕量/超痕量元素分析[1]。然而，在采用ICP-MS測定復雜基體樣品中的痕量V和Cr時，通常會因基體效應和多原子離子質譜干擾而給準確測定帶來極大困難[2]。盡管動態反應池技術[3]的引入以及高分辨率質譜[4]的應用在某種程度上緩解了這個問題，但高昂的價格和復雜的儀器使得這些技術在常規分析中鮮有應用。通常在分析基體復雜的海水樣品時，人們更多的是采用樣品前處理技術[5 - 7]，通過分離步驟除去大量的高鹽基體，并對待測元素實現一定程度的富集，從而消除在ICP-MS測定中的基體效應和質譜干擾。在諸多的樣品前處理技術中，固相萃取技術應用最為廣泛。Komjarova等[5]對液-液萃取、固相萃取和共沉淀三種技術應用于海水中痕量元素的分離預富集進行了比較研究，發現固相萃取方法具有更高的富集倍數和更小的樣品消耗，而且簡便、快速、易于操作。將固相萃取與ICP-MS聯用分析海水中的痕量元素時，固相吸附材料的性能起到了決定性的作用，而通常使用的樹脂材料在吸附性能上還不能完全滿足海水分析的需要。為了能夠最大限度地除去海水中含量豐富的Cl、Na等基體元素，降低其可能帶來的質譜干擾和基體效應，發展具有良好選擇性和吸附性能的新型固相萃取材料勢在必行。

整體柱材料[8 - 10]最初在多種色譜方法，如氣相色譜(GC)、高效液相色譜(HPLC)以及毛細管電色譜(CEC)中得到了廣泛的應用，近年來在樣品前處理方面也獲得了分析工作者的青睞。聚合物整體柱微萃取(PMME)[11]是一種新型的樣品前處理技術，同時具有聚合物整體柱多孔易制、傳質性能好、生物適應性好、耐酸堿的優點，而且萃取裝置簡便易得，操作方便。馮鈺锜課題組將PMME分別與毛細管電泳(CE)、HPLC和LC-MS聯用，成功應用于人尿樣中的多種藥物殘留分析，以及食品和毒品等分析領域[12 - 15]，顯示出巨大的應用潛力。

進樣技術的發展對于提高ICP-MS的分析性能具有很重要的作用，在以常規的溶液霧化作為ICP-MS的進樣方式分析海水樣品時，存在著非常嚴重的質譜干擾和基體效應。與常規的溶液霧化技術相比，電熱蒸發(ETV)[16,17]的突出優點表現在：(1)進樣效率高(～80%)，方法的檢出限得到顯著改善；(2)試樣的蒸發和激發(電離)過程分步進行，有利于實驗參數的優化和降低基體產生的干擾；(3)耗樣量少，微克級或微升級；(4)利用化學改進劑可進一步提高方法的靈敏度與選擇性。自從1983年Gray和Date[18]成功將這種微量高效的ETV進樣技術與具有高靈敏度特征的ICP-MS聯用之后，ETV-ICP-MS技術在各領域都得到了廣泛的應用。本研究將新型的PMME樣品前處理技術與高靈敏度的氟化電熱蒸發(FETV)-ICP-MS聯用，詳細探討PMME體系中相關實驗參數對海水樣品中V和Cr分離富集的影響，并確定最優的微萃取條件；對基體效應和多原子離子質譜干擾進行了考察，在此基礎上，建立一種PMME與FETV-ICP-MS聯用測定海水樣品中痕量V和Cr的新方法。

1 實驗部分

1.1 儀器裝置

Mettler Toledo 320-S pH計(Mettler Toledo(上海)儀器有限公司)用于調節pH值。WZB-50型微量注射泵(長沙維科特科技公司)。WF-4C型石墨爐(北京第二光學儀器廠)稍加改裝后用作電熱蒸發器。石墨爐與ICP-MS(Agilent 7500a)用改進的接口連接，詳見文獻報道[19]。在石墨爐和ICP炬管之間接一個同軸雙層玻璃管，引入輔助載氣，用于維持形成的ICP中心通道。連接ETV與ICP炬管的聚乙烯塑料管(內徑6 mm)總長約70 cm。ICP-MS儀器主要操作參數及石墨爐升溫程序見表1。

表1 儀器和操作參數Table 1 Equipment and operating parameters

1.2 標準溶液與試劑

V和Cr的標準儲備溶液(1 g·L-1)分別由相應的高純化合物按常規法配制而得，經稀釋配成含待測元素的混合儲備溶液，然后再逐級稀釋成合適濃度的標準工作溶液。60%聚四氟乙烯(PTFE)懸浮液(上海有機化學研究所)經稀釋與試樣以一定比例混合后用作化學改進劑。海水標準物質(GBW(E)080040)由國家海洋局第二海洋研究所提供。所用HNO3為優級純(上海試劑總廠)，經亞沸蒸餾所得。其它試劑均為分析純。超純水(18.2 MΩ,Milli-QTMSystem)用于全部實驗。

1.3 樣品處理

海水試樣分別采集于深圳、大連以及黃海，并用0.45 μm的濾膜過濾后用濃HNO3酸化，于4 ℃下儲存備用。PMME裝置如圖1所示，將塑膠針頭上的金屬針尖換成毛細管聚合物整體柱，并與1 mL的塑料注射器相連。

圖1 聚合物整體柱微萃取裝置圖Fig.1 Scheme of the PMME

本實驗所用的毛細管聚合物整體柱為聚(丙烯酰胺-乙烯基吡啶-N,N′-亞甲基二丙烯酰胺)整體柱，該柱是采用熱原位聚合方法，以丙烯酰胺和4-乙烯基吡啶為功能單體，N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，二甲基亞砜和十二烷醇為致孔劑，偶氮二異丁腈為引發劑，在熔融石英毛細管(20 cm×0.53 mm i.d.,河北省永年銳灃色譜器件有限公司)中制得，詳細合成及制作見文獻方法[20]。PMME步驟如下：(1)預平衡，用注射器吸取0.05 mL緩沖溶液，以0.1 mL·min-1的流速通過萃取柱；(2)萃取，吸取1.0 mL樣品溶液，以0.1 mL·min-1的流速通過萃取柱；(3)沖洗，吸取0.05 mL超純水，以0.1 mL·min-1的流速通過萃取柱；(4)洗脫，吸取0.05 mL高純1.0 mol·L-1HNO3，以0.1 mL·min-1的流速通過萃取柱。收集洗脫液之后，加入0.05 mL的12%PTFE懸浮液。在每次使用前，樣品需要超聲20 min以保證分散均勻。

1.4 分析步驟

取10 μL試樣溶液加入石墨爐后，按表1所列的參數啟動石墨爐升溫程序。在干燥步驟開始時，進樣孔敞開以除去溶劑；在蒸發階段前幾秒，用一石墨錐塞入進樣孔，使蒸發的試樣隨石墨爐載氣及輔助載氣一起進入等離子體，分析物信號由ICP-MS檢測。

2 結果與討論

2.1 PMME參數的優化

2.1.1 pH值的影響為了考察試樣pH值對待測元素吸附的影響，將相同濃度(各2 ng·mL-1)的混合金屬離子溶液用稀HAc和NH3·H2O調節到不同的pH值，各取2 mL按實驗方法操作，考察了不同pH值下各待測元素在聚合物整體柱上的吸附率，實驗結果如圖2所示。從圖中可以看出，各待測元素在pH>4時均可被定量吸附。故本實驗選擇吸附介質溶液的酸度為pH=5.0。

圖2 pH對V和Cr在聚合物整體柱上吸附行為的影響Fig.2 Effect of pH value on the adsorption of V,and Cr on polymer monolith column

2.1.2 萃取流速的優化恒定萃取樣品體積為1 mL，考察了流速為0.05～0.15 mL·min-1時待測元素的萃取效率。在此流速范圍內，待測元素都能被定量吸附，且流速對其萃取效率影響極小。但聚合物整體柱的柱壓會隨著流速的增大而迅速升高。綜合考慮分析速度和萃取效率兩個因素，本實驗選擇萃取流速為0.1 mL·min-1。

2.1.3 樣品體積的優化在選擇的萃取流速下，考察了樣品體積在0.2～1.0 mL時對待測元素吸附率的影響。實驗結果顯示，當樣品體積增大至1.0 mL時待測元素仍能被定量吸附，表明了聚合物整體柱對于待測元素有較強的吸附能力。本實驗選擇樣品體積為1.0 mL。

2.1.4 洗脫劑的選擇由圖2可以看出，當pH<2時，各待測元素在聚合物整體柱上的吸附率很低，因此可以用較高濃度的酸將所吸附的待測元素從聚合物整體柱上洗脫下來。在本實驗中，0.05 mL的1 mol·L-1HNO3便能夠將待測物定量洗脫。

2.1.5 洗脫流速的優化采用0.05 mL的1 mol·L-1HNO3作為洗脫劑，考察了流速為0.05～0.15 mL·min-1時對待測元素回收率的影響。結果發現，此流速范圍內V與Cr均可被定量洗脫。本實驗選擇洗脫流速為0.1 mL·min-1。

2.1.6 整體柱的吸附容量和再生性對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參數。本文將10 mL 50 μg·L-1的標準溶液通過聚合物整體柱，分批收集流出液進入ICP-MS檢測，以流出液中待測元素含量超過5%作為始漏點，考察了聚合物整體柱對V和Cr的吸附容量，結果分別為2.05 μg·m-1和3.18 μg·m-1。在優化的PMME參數下，還考察了材料的再生性能，結果表明聚合物整體柱重復使用30次之后，其吸附性能仍然保持穩定，無明顯變化。

表2是經過優化之后所使用的PMME參數，在此條件下方法富集倍數為20倍，單次分析耗時12 min。

表2 優化的聚合物整體柱微萃取參數Table 2 Optimized PMME parameters

2.2 電熱蒸發參數的優化

在本課題組之前的工作中[21]，PTFE被成功應用于人血清樣品中多種難熔元素的ETV-ICP-MS直接測定，其結果證實了PTFE作為難熔元素的化學改進劑，可以有效改善其蒸發行為，降低蒸發溫度，消除記憶效應。本文詳細考察了灰化溫度和蒸發溫度對V和Cr信號強度的影響，結果如圖3所示。本實驗中，選擇灰化溫度為500 ℃，蒸發溫度為2 500 ℃。

圖3 電熱蒸發中灰化溫度和蒸發溫度對V和Cr信號強度的影響Fig.3 Effect of pyrolysis and vaporization temperature on the signal intensities of V and Cr

2.3 共存離子的干擾

在海水中，含量最豐富的常量元素包括Cl、Na、Mg、Ca、K和Br等。表3中詳細列出了ICP-MS測定V和Cr時常見的多原子離子干擾，可以看出在測定海水中的痕量V和Cr時，最嚴重的質譜干擾來自于海水基體中大量的Cl。而其它常量元素的存在可能會在ICP-MS中產生基體效應，影響待測元素的準確測定。因此，能否有效地除去海水中的這些基體元素，從而避免可能產生的質譜干擾和基體效應，是PMME能否應用于海水樣品分析的關鍵所在。

表3 待測同位素及可能的多原子離子干擾[2]Table 3 Isotopes of interest and most abundant polyatomic interferences[2]

在濃度為2 μg·L-1的V和Cr的溶液中，分別加入不同濃度的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Br-和Cl-等海水中的常量元素，考察他們對V和Cr信號強度的影響。實驗結果表明，當K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Br-和Cl-的濃度分別為20、20、0.8、1.6、1.2和30 g·L-1時，待測元素的回收率為95%～105%。可以看出，本方法具有良好的抗干擾性能，可除去海水中大量的Cl等基體元素，消除了相應的質譜干擾和基體效應，適合于測定海水中的痕量金屬元素。

2.4 分析性能

在優化的實驗條件下，對方法的分析性能進行了評價。按照IUPAC的定義，檢出限以3倍空白的標準偏差(3σ)計算。本方法的富集倍數為20倍，單次分析耗時為12 min;V和Cr的檢出限分別為0.4 ng·L-1和1.6 ng·L-1;相對標準偏差(RSD)分別為9.7%和10.3%(c=0.05 ng·mL-1，n=5)。

表4將本方法和相關文獻報道進行了對比，可以看出，在經過PMME分離預富集之后，發展的方法具有非常高的靈敏度和抗干擾能力，可以應用于基體復雜的海水樣品中痕量元素V和Cr的分析。

表4 本方法與文獻報道的方法分析性能比較Table 4 A comparison of analytical performance with literatures

2.5 樣品分析

以本方法對海水標準物質(GBW(E)080040)以及3種實際海水樣品進行了分析，結果分別列于表5和表6。另外，還對3種實際海水樣品進行了標準加入回收實驗，各待測元素的回收率均在90%～111%之間，方法可用于海水中痕量V和Cr的準確測定。

表5 標準物質(GBW(E)080040)中V和Cr的分析結果Table 5 Analytical results of V and Cr in certified materials of (GBW(E) 080040)

表6 海水樣品中V和Cr的分析結果(n=3)Table 6 Analytical results of V and Cr in seawater samples(n=3)

3 結論

本文采用新型的聚合物整體柱微萃取作為樣品前處理方法，成功實現了對海水樣品中痕量/超痕量元素V和Cr的分離富集，除去了海水中大量的鹽基體，消除了大量鹽基體帶來的潛在的質譜干擾，并與ETV-ICP-MS技術聯用，以PTFE為化學改進劑，成功的測定了海水中易受質譜干擾的元素V和Cr的含量。實驗結果表明，聚(丙烯酰胺-乙烯基吡啶-N,N′-亞甲基二丙烯酰胺)整體柱吸附效率高，吸附容量大，抗干擾能力強，再生性能好，可對基體復雜的海水樣品進行有效的分離預富集，是一種優良的新型吸附材料。