基于鐵基-金屬有機骨架材料萃取釩的分析新方法

摘 要： 文章建立基于鐵基-金屬有機骨架材料NH2-MIL-101（Fe） 萃取，電感耦合等離子體（ICP-MS）質譜的環境水體中釩（V）分析新方法。文章將NH2-MIL-101（Fe） 加入樣品溶液中，超聲使其均勻分散，利用材料的吸附位點萃取釩。反應1 min 后，在真空過濾器的輔助下回收固體材料，加入3 mL 的消解液（20% H2O2 和1.5% HNO3，v/v）。在90 ℃ 的條件下加熱20 min 消解該材料，去離子水定容后上機測定。文章詳細考察萃取V 的影響因素，包括pH、吸附時間、吸附劑濃度、樣品初始體積和元素初始濃度等。通過吸附動力學模型及吸附等溫線模型證明NH2-MIL-101（Fe） 對V 主要以化學吸附為主，物理吸附為輔，吸附方式為多層吸附，對V 的最大吸附量為76.9 mg/g。隨后，文章考察影響吸附劑消解的因素，包括HNO3 和H2O2 的濃度、消解溫度及消解時間。在選擇的實驗條件下，計算出該方法測定V 的檢出限為0.8 ng/L。該研究所建立的方法不僅可提高分析的靈敏度，還可有效消除共存基體的干擾。與傳統的分析方法相比，該方法具有操作簡單和成本低廉等優點，并且已成功應用于環境水樣（湖水、河水和海水）中V 的測定。

關鍵詞： 釩; 固相萃取; 金屬有機骨架材料; 電感耦合等離子體質譜

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）01–0075–08

0 引 言

釩（V）是過渡金屬元素，廣泛分布在自然界中[1]。美國環境保護局（USEPA）將V 列為與鉛、砷和汞一類的具有潛在毒性的元素[2-3]。環境中的V污染主要與工業活動有關，特別是煤的燃燒和石油的使用[4-5]。這些工業活動將V 釋放到空氣中，通過大氣循環進入環境水體，增加了水體污染的可能性。因此，準確測定環境水體中V 的含量對評估其環境污染狀況有積極的幫助。此外，V 在環境水體中的氧化還原與周圍的環境密切相關[6]。研究V的地球化學循環，可以為進一步了解地球的形成、演化和發展提供科學依據。

電感耦合等離子體質譜儀（inductively coupledplasma mass spectrometry，ICP-MS）是元素微量/痕量分析中應用最廣的分析方法，具有靈敏度高，檢出限低和線性范圍寬等優點[7-9]。但是，環境水樣中V 的濃度通常較低，一些環境樣品基體復雜，易干擾目標分析物的準確測定。以海水為例，樣品基體鹽分較高。用ICP-MS 直接測定，會導致鹽沉積，從而影響分析的精密度[10]。此外，樣品基體中易電離的鉀、鈣、鈉、鎂等元素會抑制V 的電離，影響分析的準確度[11]。通過稀釋樣品溶液可以在一定程度上減少基質干擾。但樣品稀釋后，儀器的分析靈敏度有時難以滿足實際分析的要求。因此，在分析基體復雜的樣品時，常需要將樣品分離富集后方能上機測定。常用的分離富集方法有共沉淀[12]、液液萃取[13] 和固相萃取[14] 等。與共沉淀和液相萃取相比，固相萃取具有簡單、快速、成本低廉和有機溶劑使用量少等優點。目前，固相萃取的吸附材料不斷發展，例如樹脂[15]、碳基材料[16]（碳納米管、活性炭、納米纖維）、聚合物材料[17]（殼聚糖、聚丙烯腈、離子印跡聚合物、聚丙烯）等，使萃取效率和選擇性更好。材料可去除環境水樣中的基體干擾，實現V 的分離富集。金屬有機骨架（metal-organic frameworks，MOFs）是一種由有機配體通過配位作用與金屬離子形成的材料[18]。MOFs 材料因具有可調節的孔道結構、表面官能團多樣性、孔隙率高、比表面積大等特點備受關注。其中，以鐵（Fe）作為中心點位的MOFs 材料可避免使用鈷、鉻等金屬而被廣泛應用[19]。

本文建立了基于Fe 基MOFs 材料的固相萃取、ICP-MS 測定的環境水樣中V 測定新方法。該方法將NH2-MIL-101（Fe） 加入樣品溶液中，超聲使其均勻分散，利用材料的吸附位點迅速萃取V，在真空過濾器的輔助下回收固相材料。材料消解后，用去離子水定容后上機測定。并且本文考察了萃取V的影響因素、吸附動力學及等溫線、共存離子的干擾情況和方法的分析性能，并將該方法應用于河水、湖水和海水中痕量V 的分析檢測。與傳統分析方法相比，該方法具有操作簡單、迅速和成本低廉等優點，并有效解決了基體效應對分析結果影響的問題。

1 實驗部分

1.1 儀器設備

使用pH 儀（PHS-320，成都，方舟科技）測定溶液pH 值。超聲波清洗器購置于昆山超聲儀器公司。真空泵購置于浙江飛越機電有限公司。實驗使用的檢測儀器是美國Perkin Elmer 公司的ELAN DRCTM-e型ICP-MS。其工作參數如表1 所示。

1.2 試劑與樣品

本工作中使用的試劑均為分析純級及以上。實驗用水均為去離子水。六水三氯化鐵、2-氨基對苯二甲酸、偏釩酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鉀、氯化鈉、氯化鎂、無水氯化鈣、硫酸鉀、硫酸錳、硫酸銅、硫酸鎳、七水硫酸鈷等試劑購置于阿拉丁試劑公司（上海，阿拉丁試劑公司）。硝酸、N，N-二甲基甲酰胺、過氧化氫和乙醇購買自于科龍化工試劑公司（成都，科龍化工試劑公司）。