齊國(guó)敏

(福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

重金屬離子具有較強(qiáng)的生物毒害作用，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類具有嚴(yán)重潛在危害，開(kāi)展重金屬離子檢測(cè)是水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的重要要求[1]. 目前重金屬測(cè)定方法主要包括原子吸收[2]、電化學(xué)[3]、電感耦合等離子體-質(zhì)譜[4]、分光光度[5-6]等. 其中分光光度法操作簡(jiǎn)單快速、儀器設(shè)備要求低、重現(xiàn)性好，普遍用于基層實(shí)驗(yàn)室的金屬離子定量分析； 然而，多種金屬離子共存時(shí)，不同金屬反應(yīng)物的光譜會(huì)發(fā)生重疊而難以直接分辨識(shí)別[7-8]，往往需要引入大型色譜分離或其他儀器進(jìn)行組分分離，常規(guī)分光光度法的直接應(yīng)用難以同時(shí)測(cè)定多組分金屬離子.

化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)采用數(shù)學(xué)方法分辨光譜，無(wú)需化學(xué)或物理分離可以直接測(cè)定混合多組分[9]. 研究人員采用偏最小二乘-紫外可見(jiàn)光度法、或?qū)⒄恍盘?hào)校正、小波包變換法和偏最小二乘法相結(jié)合，同時(shí)測(cè)定了Fe (III)等金屬多組分, 或基于NMF-PLS實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤重金屬含量反演模型[10-12]. 化學(xué)計(jì)量學(xué)-可見(jiàn)光譜聯(lián)用技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多組分同時(shí)測(cè)定. 但是紫外可見(jiàn)光譜法測(cè)定金屬離子的靈敏度不高，如何高靈敏地同時(shí)檢出多組分，有待進(jìn)一步完善.

本研究提出一種簡(jiǎn)易的快速萃取和光譜同時(shí)識(shí)別模式. 將手控注射式固相柱萃取、可見(jiàn)光譜和計(jì)量分析相結(jié)合，以Pb(II)、Cd(II)和Cu(II) 離子為例，開(kāi)展巰基葡聚糖凝膠微柱手控注射萃??； 以4-(2-吡啶偶氮)間苯二酚(PAR)為指示劑測(cè)量金屬的吸收光譜，結(jié)合偏最小二乘方法進(jìn)行多組分計(jì)量分析和同時(shí)測(cè)定. 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行柱萃取參數(shù)優(yōu)化，研究不同組分的相關(guān)系數(shù)、模型主成分?jǐn)?shù)優(yōu)化和準(zhǔn)確性預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水中Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)多組分同時(shí)測(cè)定，并與經(jīng)典的原子吸收法比較. 本研究有助于為痕量重金屬離子的多組分同時(shí)測(cè)定提供技術(shù)支持.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-2450型，日本島津公司)； 精密酸度計(jì)(PHS-3C型，上海大普儀器有限公司)； 原子吸收分光光度計(jì)(TAS-986型，北京普析通用有限公司)； 注射式萃取柱為實(shí)驗(yàn)室自制.

硝酸鉛(分析純(AR))購(gòu)自上?；瘜W(xué)試劑公司； 硫酸銅(AR)、氯化鎘(AR)購(gòu)自上海勤工化工廠； 甲醛溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%)、冰醋酸(AR)、4-(2-吡啶偶氮)間苯二酚(質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%)購(gòu)自天津市福晨化學(xué)試劑廠； 葡聚糖凝膠Sephadex G-15(AR)購(gòu)自上海澤葉生物科技有限公司)； 實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水.

1.2 吸附劑合成及手控萃取裝置制備

參照文獻(xiàn)[13]合成巰基葡聚糖凝膠(SDG)： 在圓底燒瓶中分別加入10 mL硫代乙醇酸和四氫呋喃，調(diào)節(jié)為弱酸性； 加入10.0 g 葡聚糖凝膠Sephadex G-15，40 ℃下反應(yīng)48 h，產(chǎn)物用二次蒸餾水多次洗滌、無(wú)水乙醇抽濾； 所得產(chǎn)物35 ℃干燥備用.

注射式萃取裝置由3個(gè)部分組成： 一次性注射器、接口和萃取柱. 將上述合成的巰基葡聚糖凝膠(SDG)裝入4 mm×75 mm 長(zhǎng)度聚乙烯微柱，通過(guò)接口與注射器連接，兩端各裝上中央多孔篩板的墊片，以15 mL·min-1速度進(jìn)行樣品的萃取富集.

1.3 光譜相關(guān)系數(shù)R和預(yù)報(bào)殘差平方和(PRESS)計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，不同組分光譜相關(guān)系數(shù)R和預(yù)報(bào)殘差平方和(predicted residual sum of squares, PRESS)計(jì)算公式如下：

C(i,j)=E{[X(i, :)-E(X(i, :))]×[X(j, :)-E(X(j, :))]}

其中：C是一個(gè)[i,j]的協(xié)方差矩陣，i,j都是列向量；E是期望值；X(i,:)，X(j,:)為i,j組分的光譜值.

1.4 樣品分析

待測(cè)樣品采用手控注射萃取方法進(jìn)行富集. 調(diào)整待測(cè)液的pH值，采用一次性注射器吸取待測(cè)液，15 mL·min-1流速進(jìn)行注射，重復(fù)上述操作進(jìn)行富集(視樣品溶液體積而定). 采用少量二次水洗滌沒(méi)有被吸附的金屬離子，以相同流速用5 mL 2.0 mol·L-1硝酸溶液洗脫，適當(dāng)濃度的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值并定容至6 mL. 將標(biāo)準(zhǔn)金屬離子溶液、PAR指示劑和硼酸緩沖溶液混合顯色，在460～700 nm區(qū)間進(jìn)行譜圖掃描，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入所建的數(shù)學(xué)模型中, 采用Matlab分析軟件(R2008a型，美國(guó)MathWorks公司)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)混合物中各組分特征譜學(xué)分辨和含量同時(shí)測(cè)定.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 手控注射萃取參數(shù)

在金屬離子(Pb(II)、Cd(II) 和Cu(II)) 質(zhì)量濃度均為0.40 μg·mL-1，洗脫溶液為 5.0 mL 2.0 mol·L-1硝酸溶液的條件下，采用裝有SDG吸附劑的萃取柱對(duì)Pb、Cd和Cu進(jìn)行手控注射萃取，如圖1(a)所示，在溶液pH>3.50時(shí)，Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)離子有效吸附在SDG上(三者回收率均可以達(dá)到90%以上)； 考察Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)在固相萃取柱的洗脫條件，如圖1(b)所示，保持Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)質(zhì)量濃度為0.40 μg·mL-1，進(jìn)樣溶液體積200～800 mL時(shí)，Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)均能得到有效的吸附，當(dāng)進(jìn)樣體積大于800 mL時(shí)，Cd離子回收率發(fā)生下降，主要是由于Cd離子水溶性較大，較低濃度樣品大體積富集處理時(shí)可能發(fā)生Cd離子流失，導(dǎo)致萃取效率降低； 圖1(c)、(d)表明，隨著硝酸溶液濃度的增大，H+與SDG柱上金屬離子的離子交換作用增強(qiáng)，洗脫作用增強(qiáng)，當(dāng)采用5.0 mL 2.0 mol·L-1硝酸溶液，Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)離子可以被有效地洗脫，三者回收率分別為97.5%、95.0%和96.1%. 通過(guò)以上參數(shù)優(yōu)化，手控注射SDG柱可以實(shí)現(xiàn)Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)的快速萃取和富集.

(a) 樣品溶液pH值的影響

(b) 樣品溶液體積的影響

(c) HNO3濃度的影響

(d) HNO3體積的影響

2.2 光譜多元校正分析2.2.1 可見(jiàn)光譜加和性

多金屬離子體系與PAR反應(yīng)后的吸收光譜是由多個(gè)單一金屬離子-PAR絡(luò)合物的吸收光譜疊加而成，混合光譜代數(shù)和理論上A′ =A1+A2+…+An. 如圖2(a)所示，Cd(II)、Cu(II)和Pb(II)離子與PAR顯色反應(yīng)，生成物的可見(jiàn)光吸收特征峰分別為490、508和527 nm(曲線1～3)，三組分光譜的加和值A(chǔ)′與混合光譜(曲線4)吸光度A的差值在450～565 nm區(qū)間隨著吸收光譜波長(zhǎng)的增大而降低(見(jiàn)圖2(b))，并在565 nm波長(zhǎng)處兩者數(shù)值最為接近； 在560～680 nm以后兩者偏差急劇增大. 當(dāng)(A-A′)/A<±10%，混合光譜測(cè)定值和代數(shù)和差值在10%范圍內(nèi)，混合光譜在波長(zhǎng)480～600 nm之間的吸光度與代數(shù)加和值一致性良好.

(a) 金屬離子吸收光譜

(b) 不同波長(zhǎng)區(qū)間吸光度加和性變化曲線

2.2.2組分相關(guān)性分析

為減小混合體系中不同組分間的干擾，考察溶液pH值為3.5～9.0時(shí)不同組分在480～600 nm波段的吸收光譜，進(jìn)行相關(guān)系數(shù)測(cè)算和相似度評(píng)價(jià). 如圖3所示，在pH=8.0條件下，混合體系中任意兩組分之間的相關(guān)系數(shù)R(A, B)、R(A, C)和R(B, C)達(dá)到理想值，該條件下Cd(II)、Cu(II)和Pb(II)三者之間任意兩組分間的相關(guān)系數(shù)小，光譜吸收峰差異性大、特征性明顯，有利于預(yù)測(cè)模型的建立和準(zhǔn)確識(shí)別.

2.2.3PLS模型建立及主成分?jǐn)?shù)優(yōu)化

基于偏最小二乘法PLS，采用正交表L25(53) 建立Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)離子三組分分析模型，Pb(II)、Cd(II) 和Cu(II)3個(gè)組分分別在0.5～2.0、0.1～1.0和0.1～0.8 μg·mL-1區(qū)間選取5個(gè)質(zhì)量濃度水平，在480～600 nm波長(zhǎng)段對(duì)25組混合樣進(jìn)行光譜掃描和數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行PLS計(jì)算. 采用預(yù)報(bào)殘差平方和PRESS對(duì)主成分?jǐn)?shù)進(jìn)行優(yōu)化，如圖4所示. 當(dāng)主成分?jǐn)?shù)為3時(shí)，Pb(II)、Cd(II) 和Cu(II)組分的PRESS趨于平穩(wěn)，多金屬混合物PLS分析模型的主成分?jǐn)?shù)選擇為3.

圖3 不同pH條件下的各組分之間的相關(guān)性系數(shù)Fig.3 Correlation coefficients between two components under different pH conditions

圖4 預(yù)報(bào)殘差平方和PRESS隨主成分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.4 Variation curve for PRESS with principal component numbers

2.2.4模型預(yù)測(cè)性能和穩(wěn)定性

應(yīng)用所建立的PLS模型對(duì)Pb(II)、Cd(II) 和Cu(II)混合樣品進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)際測(cè)算值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)誤差RE，結(jié)果列于表1. Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)的濃度預(yù)測(cè)誤差范圍分別為： -3.1%～7.1%、-7.8%～3.6%、-2.4%～11.2%，PLS模型預(yù)測(cè)性能良好.

為檢驗(yàn)Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)的PLS模型穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)100次的模擬計(jì)算運(yùn)算，所建立的模型對(duì)Pb、Cd和Cu三組分預(yù)測(cè)穩(wěn)定性良好，Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)的質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)誤差范圍在-4.2%～3.1%、-7.7%～5.1%和-5.1%～14.3%.

表1 模型預(yù)測(cè)性能的一次運(yùn)算分析

2.2.4離子干擾分析

2.3 分析應(yīng)用

在最優(yōu)條件下，通過(guò)手控注射柱萃取、酸溶液進(jìn)行洗脫和PLS分析測(cè)定，Pb、Cd、Cu的線性質(zhì)量濃度范圍分別為0.50～20.00、0.10～5.00和0.10～3.00 μg·mL-1，線性系數(shù)R2分別為0.999 2、0.999 2及0.997 5，Pb、Cd和Cu的理論最低檢測(cè)限LOD (3倍的空白溶液測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差除以校正曲線斜率, 即3σ/k，再除以溶液的富集因子133) 分別達(dá)到0.6、0.2、0.2 ng·mL-1.

實(shí)驗(yàn)開(kāi)展樣品分析，通過(guò)在空白溶液中加入Pb、Cd和Cu金屬離子制備模擬樣品，Pb、Cd和Cu的質(zhì)量濃度25～55、15～25和30～40 ng·mL-1，經(jīng)手控注射萃取富集后，分別采用PLS與經(jīng)典的火焰原子吸收FAAS方法進(jìn)行分析，結(jié)果列于表2. 與FAAS技術(shù)比較，Pb、Cd和Cu的PLS測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差(RE)在-8.2%～1.8%，-2.0%～-12.9%和-1.5%～8.4%. 為進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的適用性，采用PLS測(cè)定方法對(duì)兩種排水口水樣進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果列于表3. 富集后水樣中Pb、Cd和Cu組分均能得到良好的檢測(cè)，檢測(cè)回收率為82.5%～112.5%，結(jié)果良好.

表2 模擬水樣中Pb、Cd和Cu組分的PLS與FAAS方法分析對(duì)比

表3 水樣中Pb、Cd和Cu的測(cè)定分析

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水中痕量重金屬多組分快速同時(shí)測(cè)定的需求，本研究基于簡(jiǎn)易的手控注射萃取和偏最小二乘方法PLS光譜分辨技術(shù)，建立快速萃取-可見(jiàn)光譜多元校正分析，實(shí)現(xiàn)痕量Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)離子的同時(shí)測(cè)定. 在最佳條件下，Pb(II)、Cd(II)和Cu(II)離子可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)定，理論最低檢出限分別可達(dá)0.6、0.2和0.2 ng·mL-1； 水樣中痕量Pb、Cd和Cu富集后可以采用所建立的PLS模型有效識(shí)別，與FAAS法比較，測(cè)定結(jié)果偏差在-8.2%～1.8%，-2.0%～-12.9%和-1.5%～8.4%，水樣富集后Pb、Cd和Cu組分檢測(cè)回收率為82.5%～112.5%，結(jié)果良好.