申?yáng)|方， 周方欽， 王 珍

(環(huán)境友好化學(xué)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭大學(xué)化學(xué)學(xué)院，湖南湘潭 411105)

鎘是一種很重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于冶金、塑料、電子等行業(yè)，但鎘又是一種毒性很強(qiáng)的重金屬元素，對(duì)環(huán)境和人體健康會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害[1]。人們通過(guò)食物鏈攝取的微量鎘會(huì)在體內(nèi)慢慢累積，直至引起鎘中毒。鎘在骨骼中可取代其中的鈣，使骨骼嚴(yán)重軟化并損害人體組織中其它器官[2]，因而對(duì)食物尤其是對(duì)大米中痕量鎘的檢測(cè)就顯得格外重要。但痕量Cd2+的檢測(cè)往往受一般儀器檢測(cè)靈敏度的限制和其他共存離子的干擾，故在測(cè)定前需要預(yù)富集和分離。目前，對(duì)痕量Cd2+進(jìn)行分離富集的方法主要有共沉淀法[3]、離子交換法[4]、膜分離法[5]和濁點(diǎn)萃取法[6]等。

磁芯殼聚糖吸附劑對(duì)金屬離子具有很大的吸附能力[7，8]，為了提高其對(duì)重金屬離子的吸附容量，對(duì)殼聚糖表面進(jìn)行修飾可增加新的具有較高分離能力的官能團(tuán)[9]，如乙二胺、硫脲、硫代尿素等。本文采用油/水乳化交聯(lián)技術(shù)合成磁芯-殼聚糖，再用硫脲對(duì)其表面進(jìn)行修飾，合成了具有良好吸附性能的有機(jī)-無(wú)機(jī)磁性復(fù)合材料磁芯-硫脲殼聚糖，并以自制磁芯-硫脲殼聚糖作為固定相填充到自制的微柱中，采用流動(dòng)注射在線分離富集與火焰原子吸收光譜法聯(lián)用技術(shù)[10]，對(duì)大米中痕量鎘進(jìn)行測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AA6000型原子吸收分光光度計(jì)(上海天美科學(xué)儀器公司)；鎘空心陰極燈(北京有色金屬研究總院)。儀器工作條件：波長(zhǎng)228.80 nm，狹縫寬度0.2 nm，燈電流10 mA，乙炔流量2.0 L/min，空氣流量7.5 L/min，燃燒器高度7.5 mm。SHA-C型超級(jí)恒溫振蕩器(常州國(guó)華國(guó)器有限公司)。pHS-3D型精密酸度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器公司)。202-1型電熱恒溫干燥箱(天津泰斯特儀器有限公司。LZ-2000型流動(dòng)注射儀(沈陽(yáng)肇發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器研究所)。JEM-6360LV型掃描電鏡儀(日本,電子牛津能譜公司)。FTIR-1710型傅立葉變換紅外光譜儀(美國(guó),PE公司)。

Cd2+標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液(1 g/L)：稱(chēng)取1.000 g金屬鎘于250 mL燒杯中，加入50 mL HCl (1+1)和幾滴濃HNO3，加熱溶解，冷卻后移入1 000 mL容量瓶中，定容搖勻，使用時(shí)用水稀釋到所需濃度。殼聚糖(脫乙酰度>90%，濟(jì)南海得貝公司)，硫脲(廣州化學(xué)試劑廠)，環(huán)氯丙烷(湖南江虹試劑有限公司)，戊二醛(50%，成都市科龍化工試劑廠)，正硅酸乙酯(TEOS,廣東汕頭市西隴化工廠)，NaH2PO4-Na2HPO4(pH=7.0)。以上試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次石英蒸餾水。

1.2 磁芯-硫脲殼聚糖的制備

1.2.1磁性Fe3O4/SiO2微球的制備稱(chēng)取5.0 g自制的 Fe3O4(采用化學(xué)共沉淀法[11]制備)溶于50 mL 0.1 mol/L HCl中，超聲10 min 后進(jìn)行磁分離，產(chǎn)物用水洗滌后分散到100 mL 乙醇和40 mL水的混合溶液中，繼續(xù)滴加20 mL 濃氨水和6 mL TEOS，在30 ℃油浴下攪拌6 h，過(guò)濾分離，固相依次用乙醇、水洗滌后，于60 ℃下真空干燥4 h。制成磁性 Fe3O4/SiO2微球，備用。

1.2.2硫脲殼聚糖的制備將10 mL 環(huán)氧氯丙烷溶于100 mL 丙酮中，加入5.0 g 殼聚糖混合，混合物在30 ℃下攪拌反應(yīng)24 h，再加入5.0 g 硫脲，混合物于60 ℃下攪拌反應(yīng)6 h，加入10.0 g 硫脲及1 mol/L NaOH溶液50 mL，混勻后于60 ℃下攪拌4 h。過(guò)濾分離，固相產(chǎn)物依次用丙酮、水、甲醇洗滌，在60 ℃真空干燥1 h。制成硫脲殼聚糖，備用。

1.2.3磁芯-硫脲殼聚糖的制備稱(chēng)取3.0 g 硫脲殼聚糖溶解于180 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%乙酸溶液中，加入1.2 g Fe3O4/SiO2于500 mL 圓底燒瓶中，超聲分散30 min。加入130 mL 液體石蠟和2 mL Span 80，用30 mL 25% 氨水調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液pH為8.0～9.0。加入25 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50% 的戊二醛，混合液在60 ℃油浴中攪拌反應(yīng)2 h，過(guò)濾分離，固體產(chǎn)物依次用石油醚、乙醇、水洗滌至中性后，于60 ℃真空干燥2 h，制成黑色粉末磁芯-硫脲殼聚糖，置于玻璃瓶中備用。具體的合成路線見(jiàn)圖1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

稱(chēng)取10 mg吸附材料裝入自制的微柱中，按圖2所示將微柱連接到流路中，設(shè)置好工作參數(shù)并激活泵，用稀氨水和HCl調(diào)節(jié)試液的pH至7.0左右，加入5 mL pH=7.0 的NaH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液，按表1操作程序完成對(duì)Cd2+的吸附、洗脫及測(cè)定。具體操作步驟是：首先，將閥位轉(zhuǎn)至進(jìn)樣(圖2a)，用水以流速3.9 mL/min 洗滌微柱60 s，以充分洗滌泵中殘留物；其次，對(duì)pH=7.0的Cd2+試液，以流速3.9 mL/min 進(jìn)行采樣，對(duì)Cd2+進(jìn)行吸附，富集時(shí)間為120 s；然后，將閥位切換到洗脫(圖2b)，用水調(diào)節(jié)基線；最后，用0.5 mol/L HNO3-0.1 mol/L硫脲為洗脫液，以流速3.6 mL/min對(duì)微柱進(jìn)行洗脫，洗脫液直接進(jìn)入火焰原子吸收(FAAS)的霧化器，記錄吸光度，計(jì)算試液中Cd2+的含量。

圖1 磁芯-硫脲殼聚糖的形成原理圖Fig.1 Schematic depiction of the formation of magnetic core thiourea-chitosan

圖2 流動(dòng)注射儀程序圖Fig.2 Schematic diagram of flow injection instrumentB：blank solution.S:cadmium solution.C:micro column.D:deionized water.E:eluent.P1,P2:peristaltic pump.W:waste.FAAS:flame atomic absorption spectrophotometer.

表1 流動(dòng)注射儀操作程序

2 結(jié)果與討論

2.1 磁芯-硫脲殼聚糖材料的表征

對(duì)合成的磁芯-硫脲殼聚糖進(jìn)行掃描電鏡(SEM)(圖3)、紅外(IR)光譜(圖4)和磁性表征(圖5)。由圖3可知，磁芯-硫脲殼聚糖具有材質(zhì)疏松、管狀孔徑大、分布均勻、比表面積大等特點(diǎn)。如圖4所示，在578 cm-1處的吸收峰是Fe-O的特征吸收峰；在1 101 cm-1處的吸收峰是由于Si-O的伸縮振動(dòng)所致，在1 568 cm-1處的吸收峰是硫脲中的C-N的特征吸收峰；而1 377、1 645 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰分別對(duì)應(yīng)殼聚糖分子中C-N的伸縮振動(dòng)和N-H的彎曲振動(dòng)；2 854 和2 904 cm-1處的強(qiáng)吸收峰是由于殼聚糖分子中的C-H伸縮振動(dòng)所致；3 388 cm-1處出現(xiàn)的強(qiáng)吸收峰是由于殼聚糖的O-H和N-H伸縮振動(dòng)所致。以上結(jié)果表明，制備的材料為磁芯-硫脲殼聚糖。為了驗(yàn)證磁芯-硫脲殼聚糖是否具有磁性，將磁芯-硫脲殼聚糖分散于水溶液中，在外磁場(chǎng)的作用下觀察溶液狀態(tài)。圖5a和圖5b分別為磁芯-硫脲殼聚糖分散于水溶液和在外磁場(chǎng)作用下的溶液狀態(tài)，由圖5可知，燒杯中黑色懸浮液的磁芯-硫脲殼聚糖移向磁鐵方向的一邊，溶液變?yōu)槌吻?圖5b)，表明該物質(zhì)具有磁性。

圖3 磁芯-硫脲殼聚糖的掃描電鏡(SEM)圖Fig.3 SEM image of magnetic core thiourea-chitosan

圖4 磁芯-硫脲殼聚糖的紅外(IR)光譜圖Fig.4 IR spectrum of magnetic core thiourea-chitosan

圖5 分散于水溶液(a)和在外磁場(chǎng)作用下(b)的溶液狀態(tài)Fig.5 Images of the maganetic composites suspended in water (a) and separated by a magnet(b)

2.2 酸度對(duì)Cd2+吸附率的影響

將一系列不同pH值的1.0 μg/mL的Cd2+試液，按照1.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法，以相同的采樣流速和采樣時(shí)間(小于最佳采樣時(shí)間)進(jìn)行采樣，根據(jù)吸附后吸光度測(cè)定值，計(jì)算吸附率，結(jié)果如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，pH為7.0時(shí)，微柱對(duì)Cd2+的吸附效果最好。故本實(shí)驗(yàn)選擇最佳pH=7.0為吸附酸度。

2.3 采樣速率對(duì)Cd2+吸附率的影響

采樣速率直接影響Cd2+與微柱內(nèi)吸附材料的接觸時(shí)間，從而影響其吸附效果。因此，在pH=7.0 條件下，改變泵的轉(zhuǎn)速，在不同的采樣速率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)采樣速率在2.6～4.0 mL/min之間時(shí)Cd2+能被磁芯-硫脲殼聚糖完全吸附，當(dāng)采樣速率大于4.0 mL/min 時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)絕對(duì)進(jìn)樣量大，Cd2+在微柱上的保留效率會(huì)降低。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)最后選定采樣速率為3.9 mL/min。

圖6 酸度對(duì)吸附率的影響Fig.6 Effect of pH on adsorption rate

圖7 采樣速率對(duì)吸附率的影響Fig.7 Effect of sampling rates on adsorption rate

2.4 采樣時(shí)間對(duì)吸附率的影響

將已調(diào)節(jié)好pH=7.0 的1.0 μg/mL Cd2+試液，以3.9 mL/min的流速通過(guò)裝有吸附材料的微柱，并設(shè)置采樣時(shí)間從30 s開(kāi)始，依次增加10 s到160 s，按實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著采樣時(shí)間的加長(zhǎng)，測(cè)定信號(hào)不斷變大，當(dāng)時(shí)間達(dá)到120 s時(shí)，測(cè)定信號(hào)達(dá)到最大值且不再變化，此時(shí)微柱的吸附達(dá)到平衡，故選擇采樣時(shí)間為120 s。

2.5 洗脫劑的選擇

在相同采樣速率和采樣時(shí)間的條件下，分別考察不同濃度的乙酸、EDTA、HNO3、HCl、HNO3-硫脲等洗脫劑對(duì)Cd2+洗脫性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)洗脫劑為HNO3-硫脲時(shí)，瞬時(shí)信號(hào)峰值(吸光度)最大、沒(méi)有拖尾峰且洗脫時(shí)間最短，同時(shí)隨硫脲濃度的增大吸光度增大；但硫脲濃度太大時(shí)，燃燒器易結(jié)垢，影響最終測(cè)定的結(jié)果。因此，在不降低洗脫效果的情況下，本文選擇0.5 mol/L HNO3-0.1 mol/L硫脲混合溶液作為洗脫劑。

2.6 洗脫速率和時(shí)間的選擇

在最佳吸附條件下，改變泵的轉(zhuǎn)速，使洗脫液在同一條件下以不同的流速對(duì)微柱中所吸附的Cd2+進(jìn)行洗脫，根據(jù)流出曲線考察洗脫劑流速對(duì)洗脫效果的影響(圖略)。當(dāng)流速為3.6 mL/min時(shí)，瞬時(shí)信號(hào)峰值(吸光度)最大，故實(shí)驗(yàn)選擇3.6 mL/min作為最佳洗脫速率。同時(shí)考察洗脫時(shí)間的影響，結(jié)果表明，當(dāng)洗脫時(shí)間為50 s時(shí)，微柱內(nèi)吸附的Cd2+可完全被洗脫。

2.7 共存離子的影響

2.8 微柱的重復(fù)使用性能考察

為了考察以磁芯-硫脲殼聚糖為吸附材料自制微柱的重復(fù)使用性，在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，連續(xù)對(duì)裝有吸附材料的微柱不斷地進(jìn)行在線吸附-解吸實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，微柱在重復(fù)使用9次后，Cd2+回收率仍在98%以上，吸附性能基本不受影響，說(shuō)明該微柱至少可重復(fù)使用9 次以上。

2.9 分析特性

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，按1.3節(jié)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同濃度的Cd2+試液進(jìn)行測(cè)定，得到測(cè)定Cd2+的線性范圍為0.02～1.20 μg/mL，線性回歸方程為：A=0.9718c(μg/mL)+0.2456，相關(guān)系數(shù)r=0.9922，檢出限(3σ)為 2.5 ng/mL 。對(duì) 1.0 μg/mL 的Cd2+平行測(cè)定7 次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.79%。

3 實(shí)際樣品分析

準(zhǔn)確稱(chēng)取從市面上購(gòu)買(mǎi)的大米樣品5.0 g，置于25 mL瓷坩堝中，并在其表面覆蓋一層薄薄的NaHCO3，然后將坩堝放入馬弗爐中于600 ℃下灼燒1 h，冷卻至室溫后，用10 mL 0.5 mol/L HCl溶解，過(guò)濾，將濾液轉(zhuǎn)入25 mL 容量瓶中，用水定容。按照實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定大米中Cd2+的含量，同時(shí)做加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 大米中鎘的測(cè)定及加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)(n=5)

4 結(jié)論

本文使用自行合成的磁芯-硫脲殼聚糖吸附材料，可顯著提高痕量重金屬鎘的分離富集能力。與傳統(tǒng)的固相萃取方法相比，采用流動(dòng)注射與火焰原子吸收聯(lián)用技術(shù)，可提高分析速度，減少樣品消耗。該方法成本低、簡(jiǎn)單、快速、選擇性好和精確度高。