程嘉雯，馬繼平，田 永

(青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，山東 青島 266500)

氮川三乙酸(nitrilotriacetic acid, NTA)，又名氨基三乙酸，其結構式如圖1所示.NTA作為一種經濟、高效的金屬配合劑[1-4]，被大量用于工業(yè)水處理過程中，配合重金屬離子，降低水中重金屬離子的濃度[5].同時，NTA與重金屬離子形成的配合物適于生物富集去除[6-11]，因此NTA不僅在水處理過程中被廣泛應用，并且在土壤修復行業(yè)中也得到了大量應用[12-15].此外，NTA亦被用于電鍍、金屬提取、洗滌等行業(yè)中[16-20].

圖1 氮川三乙酸(NTA)結構式

由于NTA的廣泛使用和肆意排放，NTA已在食品添加劑[21-22]、洗滌用品[23]、環(huán)境水體[24-26]、生活污水[27]、飲用水[28]中被大量檢出.例如，在化工研磨液中，NTA的檢出質量濃度甚至高達48.60～63.60 g/L[29].由于NTA具備較高的毒性，直接進入人體后，會造成人體肝臟、腎臟、膀胱及其它器官的損傷[30-33].此外，因為NTA與重金屬形成的配合物容易被生物富集，因而可能導致農產品重金屬污染的加劇[34].由于重金屬和放射性核素可與NTA形成配合物，會促進重金屬和放射性核素的溶解，進而可加劇重金屬和放射性核素向地下水遷移和擴散[35].

當前，中國、美國、歐盟等相繼頒布了有關NTA的使用和排放標準，例如：歐盟2003/31/EC[36]、2003/200/EC[37]、2005/342/EC[38]、新西蘭EC-01-16[39]、澳大利亞GECA MDDv4.0i-2013[40]、美國GS-41[41]等.中國《洗滌類產品 環(huán)保產品認證技術要求》(CSC/T 2224—2006)[42]、《環(huán)境標志產品技術要求 家用洗滌劑》(HJ 458—2009)[43]中均嚴禁在洗滌劑中將NTA及其鹽類作為原料.為執(zhí)行NTA相關限量標準，監(jiān)控NTA的生產、使用和排放情況，以及評估環(huán)境中NTA的分布水平，十分必要對實際環(huán)境樣品中NTA的含量進行靈敏分析.然而，NTA在環(huán)境中的濃度較低(屬于微量甚至痕量級)，并且基質復雜、干擾嚴重，難以直接使用儀器進行分析.因此，目前NTA的分析過程一般包括前處理和儀器檢測兩個步驟.據(jù)此，本文簡要綜述了近年來NTA分析的前處理和儀器檢測方法研究進展.

1 前處理方法

1.1 固相萃取法

NTA的前處理方法中，固相萃取法最為常用，并且較多采用商品化陰離子交換柱進行NTA的固相萃取(如圖2所示).為測定洗滌用品中NTA的濃度，夏澤敏等[44]直接利用水溶解洗滌用品中的NTA，經過硝酸銅衍生化處理后，使用Oasis MAX陰離子交換柱(500 mg，6 mL，美國Waters公司)進行分離富集，洗脫液為甲酸∶甲醇∶水(體積比為10∶50∶40)的混合溶液，洗脫液利用高效液相色譜進行檢測.該法準確性和精密度高，可以應用于實際洗滌用品中NTA的測定.郭項雨等[19]同樣利用水溶解洗滌用品中的NTA，樣品溶液通過尼龍濾膜過濾后加入至OnGuardII RP固相萃取柱(2.5 mL，美國Dionex公司)中，最后洗脫液進入離子色譜檢測.使用該方法對市售的液體和固體洗滌用品中的NTA進行測定，其中3份洗滌用品中檢測出NTA，其質量分數(shù)為0.55%～12.50%.Geschke等[18]將200 mL水體樣品通過SAX陰離子交換柱(500 mg，3 mL，美國Baker公司)后，使用2 mL、pH值為3的甲酸溶液進行洗脫，結合高效液相色譜法檢測.通過對大體積樣品中NTA的富集分析，該法靈敏度高且能夠對河水中NTA進行測定.當前，固相萃取技術分離富集NTA發(fā)展較為成熟并且應用廣泛，但是萃取柱易堵塞、無法重復利用的問題仍有待解決[45].此外，性質穩(wěn)定、比表面積大、吸附效率高、可重復利用的新型材料(如：碳納米管[46-47]、石墨烯[46, 48]、金屬有機骨架[49-52]和共價有機骨架材料[53-56]等)及其功能改進材料仍未見應用于NTA的分離富集，因此開發(fā)和應用新型固相萃取材料將可能是解決當前NTA固相萃取問題的有效途徑.

圖2 NTA的固相萃取示意圖

1.2 螯合萃取法

螯合萃取法是NTA分析中另一種常用的前處理技術.因為NTA與金屬配合常數(shù)較高(如表1所列)，在樣品前處理的過程中，可以利用其配合能力差異實現(xiàn)NTA的分離富集(NTA與金屬的配合機理如圖3所示).Afghan等[23]開發(fā)了金屬鉍配合-示波極譜檢測NTA濃度的方法.由于示波極譜法中鉍與NTA的配合物[Bi-NTA]較為穩(wěn)定(logKBi-NTA=17.5)，因此向pH值為2的電解液中加入鉍離子溶液，使樣品中的NTA與混合電解液生成[Bi-NTA]，在極譜電解池中檢測[Bi-NTA]濃度，可實現(xiàn)湖水、海水、污水和洗滌劑中NTA的分析，且在檢測的洗滌劑中發(fā)現(xiàn)NTA的質量分數(shù)可達0.1%～12.7%.魏峰等[22]將含有NTA的樣品與1%的硫酸銅溶液混合，形成的[Cu-NTA]進入高效液相色譜分析.使用此方法可檢測食品添加劑乙二胺四乙酸鐵鈉中的NTA.由于樣品中含有大量的Fe3+，基質干擾嚴重，所以利用標準加入法對NTA進行定量.Randt等[57]利用NTA與Fe3+發(fā)生配合反應形成[Fe-NTA]配合物，使用紫外檢測器檢測，實現(xiàn)廢水中NTA的分析.因為Pd2+與NTA配合常數(shù)較高，所以Nette等[58]在樣品中加入過量的Pd2+溶液，形成穩(wěn)定的強負電配合物[Pd-NTA]-，再利用離子色譜分離，電感耦合等離子體質譜檢測.該方法可以對自來水中痕量級(ng/L)的NTA進行測定.螯合萃取法的操作簡便、快速，但需要加入過量的金屬溶液與NTA螯合，分析結果易受到NTA與金屬配合能力的影響以及其他金屬離子的干擾，并且分析產生的廢液可能造成重金屬污染.

表1 NTA與二價、三價金屬離子的穩(wěn)定常數(shù)(25 ℃，0.1 mol/L離子強度)[3,59-60]

圖3 NTA與金屬離子配合機理示意圖[3]

2 儀器分析方法

目前，針對NTA的儀器檢測方法有氣相色譜法/氣相色譜-質譜法、液相色譜法、離子色譜法、電感耦合等離子體質譜法及示波極譜法等(如表2所列).

表2 NTA的檢測方法及分析性能

2.1 氣相色譜法/氣相色譜-質譜法

NTA作為有機酸，需要對其進行酯化，使其具備揮發(fā)性，才能利用氣相色譜/氣相色譜-質譜測定.2003年英國頒布的標準EN ISO 16588: 2003+A1:2005[62]用于檢測洗滌用品中的NTA.該標準規(guī)定使用乙酰氯/正丁醇混合物將NTA酯化為正丁酯，結合氣相色譜-質譜檢測，方法線性范圍可達5～100 μg/L.Randt等[57]使用配備Hewlett-Packard毛細管柱(12 m×0.2 mm)的氣相色譜-質譜實現(xiàn)了NTA分析.該方法將酯化試劑更換為比正丁醇更易揮發(fā)的異丙醇，檢測NTA衍生物的荷質比為230、146和88，獲得方法的LOD達到1 μg/L.Stolzberg等[61]直接使用配備OV-17毛細管柱的氣相色譜實現(xiàn)了環(huán)境水體中的NTA分析.利用雙(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺試劑進行衍生，當NTA的活性氫被三甲基甲硅烷基取代時，取代物的揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性趨于增加，能夠利用氣相色譜實現(xiàn)NTA的分析.本方法所得線性范圍為1～100 μg/mL.盡管NTA分析的標準方法推薦使用氣相色譜-質譜分析，并且能夠獲得較高的檢測靈敏度，但是利用氣相色譜-質譜分析NTA必須對NTA酯化衍生，不僅衍生效率影響分析的準確度，而且操作繁瑣，不利于NTA的高效快速分析.

2.2 液相色譜法

NTA在紫外-可見波長處的光吸收系數(shù)較小，直接利用液相色譜-紫外可見光譜分析靈敏度較低.可利用NTA與金屬離子形成配合物以增強紫外吸收，提高液相色譜-紫外可見光譜分析的靈敏度.NTA與金屬離子形成的配合物可利用離子對反相色譜進行分離分析.魏峰等[22]使用配備C8色譜柱(4.6 mm×150 mm, 5 μm)的高效液相色譜實現(xiàn)了食品添加劑中的NTA含量測定.流動相是甲醇與四丁基氫氧化銨水溶液，流動相pH值為7.3，紫外檢測波長為244 nm.使用Cu2+與NTA進行衍生，可利用標準加入法實現(xiàn)食品添加劑乙二胺四乙酸鐵鈉中NTA的檢測，回收率達到94.3%～100.4%，LOD為20 mg/kg，RSD為2.3%.夏澤敏等[44]考察了不同色譜柱對NTA金屬配合物的分離效果，發(fā)現(xiàn)Waters XBridge C18色譜柱對NTA的分離效果最好.該方法使用Waters XBridge C18柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm)，流動相為甲醇/四丁基氫氧化銨混合溶液(體積比為20∶80，pH值為7.5)，二極管陣列的檢測波長為244 nm，衍生化試劑為硝酸銅溶液.該法分析NTA的線性范圍為0.5～100.0 mg/L，線性相關系數(shù)(r2)為0.999 9，LOD和定量限(limit of quantitation, LOQ)分別為10和25 mg/kg.將該法應用于洗滌用品中NTA的檢測，加標回收率為89.8%～99.7%，RSD為1.11%～4.03%.Geschke等[18]將純凈的NTA樣品注入高效液相色譜中檢測.色譜柱為RP8柱(4 mm×250 mm)搭配預柱(4 mm×4 mm)作為保護柱，流動相由0.02 mol/L濃硫酸、0.4 mol/L硫酸鐵氨溶液(作為衍生化試劑)、0.01 mol/L乙二醇、10 mol/L氫氧化鉀溶液和0.004 mol/L四丁基氫氧化銨溶液組成，流動相的pH值在1.8～2.0之間，檢測波長258 nm.該法分析NTA的線性范圍為0.2～10.0 μg/L，r2為0.992 6，LOD為0.019 μg/L，RSD為6%～11%.將該法應用于河水中NTA的檢測，方法加標回收率為92%～128%.使用液相色譜檢測NTA時，一般需要在流動相中加入季銨鹽類化合物，并且需要對NTA進行配合衍生，每次試驗完成后，需要使用大量的甲醇-酸溶液沖洗色譜柱，避免柱堵塞.當前，液相色譜分析NTA的靈敏度仍然較低，但尚未有利用液相色譜-質譜聯(lián)用提高NTA分析靈敏度的方法報道，因此發(fā)展液相色譜-質譜聯(lián)用分析NTA將是該領域的重要研究內容.

2.3 離子色譜法

NTA易溶于水，并且以離子形式存在于水溶液中，因此利用離子色譜分析NTA更為合理.郭項雨等[19]使用配備IonPac AS11陰離子交換柱(4 mm×250 mm)的離子色譜實現(xiàn)了洗滌用品中NTA的分析.該方法使用AG11保護柱(4 mm×50 mm)，電導檢測器的抑制電流為78 mA，流動相是氫氧化鉀溶液.該方法檢測NTA的線性范圍為0.02～10.00 μg/mL，r2為0.999 8，LOQ為20 mg/kg.將該法應用在洗滌用品中，方法加標回收率為89.3%～115.1%，RSD為1.9%～6.7%.馮順卿等[29]利用配備IonPac AS11色譜柱的離子色譜實現(xiàn)了工廠研磨液中的NTA的分析.該方法同樣利用AG11柱(4 mm×50 mm)為保護柱，電導檢測器的抑制電流是50 mA，以20 mmol/L的氫氧化鈉溶液為流動相.該法檢測NTA的線性范圍為0.2～30.0 mg/L，r2為0.999 1，LOD為0.02 mg/L.將該法應用于研磨液中NTA的測定，方法加標回收率為98.6%，RSD為1.2%.劉蓓蕾等[21]利用離子色譜實現(xiàn)了食品添加劑乙二胺四乙酸二鈉中NTA的分析.該方法采用的分析柱是AS11-HC離子交換柱(4 mm×250 mm)，AG11-HC(4 mm×50 mm)保護柱，電導檢測器的抑制電流是149 mA，流動相為氫氧化鉀溶液，進樣量為50 μL.該法檢測NTA的線性范圍為0.5～10.0 μg/mL，r2為0.999 9，LOD為0.1 μg/mL.該法的加標回收率為95.3%～98.6%，RSD為1.0%～3.5%.在此試驗中發(fā)現(xiàn)，標準溶液與樣品溶液中NTA的出峰時間不一致，導致這一現(xiàn)象的原因可能是日常檢測所用的色譜柱中存在金屬離子殘留，樣品中的乙二胺四乙酸根離子與金屬離子配合，將色譜柱中殘留的金屬離子帶出，進而影響了色譜分離.因此，應用本方法需在每次試驗前，使用乙二胺四乙酸二鈉標液沖洗色譜柱，以保證分離效果.目前，離子色譜分離NTA的效果較好，無需衍生，但是離子色譜分析NTA的檢測靈敏度相對于氣相色譜-質譜法較差.所以利用離子色譜與質譜聯(lián)用將是改善離子色譜分析靈敏度的有效途徑[63-65].

2.4 電感耦合等離子體質譜法

基于NTA與金屬的配合作用可形成配合物[Me-NTA]的特點，可以通過電感耦合等離子體質譜測定金屬元素的形式，對NTA進行間接定量.Nette等[58]利用Pd2+與NTA發(fā)生配合作用，形成的[Pd-NTA]-通過離子色譜分離后進入電感耦合等離子體質譜進行分析檢測(如圖4所示).離子色譜的流動相是硝酸銨(pH值為2.6)，色譜柱為自制的Metrohm 820分析柱(4 mm×250 mm)，色譜柱填料為烷基三甲基銨離子.該法檢測NTA取得了較好的分析性能，其中LOD達到31 ng/kg，線性范圍在0.1～4.0 μg/kg，RSD為6.7%.將該法應用于自來水中NTA的檢測，方法加標回收率為57%.在該方法中，離子色譜分離過程中NTA與金屬形成的配合物的穩(wěn)定性直接決定了分離和分析效果，應該選擇與NTA形成穩(wěn)定常數(shù)較高的Pd2+進行配合分析.此外，流動相的pH值對NTA金屬配合物分離度影響較大，需要準確控制流動相的pH值(pH值為2.6)才能使分離效果達到最佳.離子色譜與電感耦合等離子體質譜聯(lián)用的方法靈敏度高、穩(wěn)定性好，但是本方法中電感耦合等離子體質譜的購置和使用成本較高，限制了本方法的廣泛使用.

圖4 電感耦合等離子體質譜法測定NTA過程示意圖[58]

2.5 極譜法

利用極譜法測定NTA，同樣是基于NTA與金屬可形成配合物[Me-NTA]的特點，可以通過測定金屬的形式，對NTA進行間接定量[66-67].Afghan等[23]研究發(fā)現(xiàn)鉍與NTA的配合物在pH值為2時較穩(wěn)定，在此條件下用示波極譜法檢測鉍元素，間接測定NTA.該法完全自動化，不需要過多的手動操作(如：稀釋溶液、添加試劑/電解質、調整pH值等)，該法檢測NTA的線性范圍為0.05～0.25 mg/L，LOD為10 μg/L，RSD為1.3%.將該法應用于湖水、海水、污水和洗滌劑中NTA的檢測，加標回收率在80%～105%之間.極譜法分析復雜基質環(huán)境樣品中痕量和超痕量的NTA仍存在一定困難，仍需研究提升極譜法測定NTA的靈敏度和抗干擾能力.

3 結論

當前，針對復雜基質中NTA的分析，仍十分有必要采取合適的樣品前處理技術.通過分離干擾組分、預富集NTA，改善現(xiàn)有NTA分析儀器靈敏度較低、基質干擾嚴重等問題.在適于NTA分析的前處理方法中，固相萃取法是當前最主要的處理方式.但是，必須要注意固相萃取柱易堵塞、無法重復使用、富集效率仍需提高等問題.此外，螯合萃取法是固相萃取方法的重要補充.螯合萃取法無柱堵塞問題，但使用過量金屬，易導致金屬離子污染和干擾問題.目前，NTA的儀器分析方法主要包括：高效液相色譜法、離子色譜法和氣相色譜-質譜法等.液相色譜和氣相色譜分析NTA時均需要衍生，然而衍生步驟繁瑣，分析效率受到制約，同時需要保證衍生效率，避免引入分析誤差.離子色譜分析NTA的操作相對簡便，實用性強，但是離子色譜自身的檢測靈敏度較低，不適于痕量NTA的分析.利用離子色譜與電感耦合等離子體質譜聯(lián)用保證了NTA的分離效果，同時有效提高了離子色譜分析的靈敏度，可以實現(xiàn)超痕量NTA的分析.但是該方法同樣需要將NTA與金屬配合衍生，并且電感耦合等離子體質譜的購置和使用成本較高，限制了本方法的廣泛使用.目前，液相色譜-質譜聯(lián)用和直接質譜法測定NTA的分析方法仍未見報道.因此，開發(fā)快速、簡便的質譜分析方法，以及開發(fā)新型的樣品前處理材料和技術，提高現(xiàn)有儀器分析方法的耐受基質干擾能力和靈敏度，將是NTA分析和環(huán)境研究的內容.