趙靈瑜，胡忻，陳逸珺，練鴻振，*

(1. 生命分析化學國家重點實驗室，南京大學化學化工學院，江蘇 南京 210023；2. 南京大學現(xiàn)代分析中心，江蘇 南京 210093)

·監(jiān)測技術·

氨基化有機-無機雜化整體柱分離富集環(huán)境水中五價砷

趙靈瑜1，胡忻2，陳逸珺2，練鴻振1，2*

(1. 生命分析化學國家重點實驗室，南京大學化學化工學院，江蘇 南京 210023；2. 南京大學現(xiàn)代分析中心，江蘇 南京 210093)

將四乙氧基硅烷(TEOS)和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷(AEAPTES)作為共聚前體，采用在毛細管內(nèi)原位聚合的方式制備得到氨基功能化的有機-無機雜化整體柱，將其作為針式固相微萃取(SPME)介質(zhì)，建立了現(xiàn)場分離富集環(huán)境水中As(V)的SPME方法，優(yōu)化了有機-無機雜化整體柱富集As(V)的實驗條件，并研究了整體柱對As(V)的吸附/洗脫性能和富集能力，實現(xiàn)了環(huán)境水樣中As(V)的高效、快速、高選擇性檢測。

有機-無機雜化整體柱；電感耦合等離子質(zhì)譜；五價砷；固相微萃取

在環(huán)境及生物體中，元素的生物活性、可利用性以及毒性與其存在的化學形態(tài)有著密切的聯(lián)系，因此元素形態(tài)分析受到越來越廣泛的關注。砷是一種常見的對人體有害的毒性元素[1]，長期生活在含砷的水體環(huán)境中會引發(fā)多方面的疾病，如皮膚、肺部、肝臟癌癥甚至基因變異等，砷已經(jīng)被列為一級致癌物質(zhì)[2-5]。環(huán)境水體中砷主要以2種無機砷形態(tài)存在，分別為As(Ⅲ)和As(V)，其中As(Ⅲ)毒性較強，As(V)毒性相對較弱[1，6-7]。因此，研發(fā)能夠快速分離、富集、檢測水體中不同形態(tài)砷的方法非常必要。

固相微萃取(SPME)是利用涂敷在一小段毛細管上的固定相進行萃取的一種簡單、無溶劑化、體積小的樣品前處理技術，已成功應用于痕量元素及其形態(tài)的分析領域[8-9]。而有機-無機雜化整體柱作為新興的整體柱材料[10]，將有機聚合物整體柱和硅膠整體柱兩者結合，具有制備簡單、機械強度高、溶劑耐受強等優(yōu)點[11]，常用作SPME材料。

現(xiàn)利用四乙氧基硅烷(TEOS)和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷(AEAPTES)作為共聚前體，合成含氨基的有機-無機雜化整體柱作為SPME材料[11-12]，與ICP-MS聯(lián)用檢測水中As(V)。分別考察了As(Ⅲ)的干擾、pH值、流速、進樣體積等因素對As(V)吸附效果的影響，建立一種能夠現(xiàn)場分離富集水中As(V)的針式SPME方法。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

ELAN 9000型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)(Perkin Elmer公司，美國)。Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)(Hitachi集團，日本)。Nicolet-6700型傅立葉變換紅外分光光度計(FT-IR)(Madison公司，美國)。SevenMulti型pH計(Mettle-Toledo公司，瑞士)。

1.2 實驗試劑

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，98%)購于日本TCI會社；AEAPTES為分析純，購于奧然科技有限公司；TEOS為分析純，購于Alfa Aesar公司；去離子水(18.2 MΩ·cm)來自Milli-Q純水系統(tǒng)(Millipore公司，美國)；其他所有試劑均為分析純。

1 000.0 mg/L的As(Ⅲ)和As(V)儲備液分別由Na3AsO3和As2O5(Johnson Matthey公司，英國)在去離子水中溶解得到，4 ℃保存，備用。其他低濃度標準溶液于實驗當天稀釋得到。

1.3 有機-無機雜化毛細管整體柱的制備

用于制備整體柱的石英毛細管內(nèi)徑為530 μm，外徑為690 μm，購于永年銳灃色譜器件有限公司。

氨基化有機-無機雜化整體柱的制備方法參照文獻[11]，并做了適當?shù)男薷摹?/p>

(1)毛細管活化。依次用1.0 mol/L氫氧化鈉溶液沖洗毛細管2 h，去離子水沖洗0.5 h，1.0 mol/L鹽酸沖洗2 h，然后用去離子水沖至中性，再用甲醇沖洗0.5 h，在160 ℃下氮氣吹干，備用。

(2)有機-無機雜化整體柱原位合成。稱取44.4 mg CTAB于1.5 mL離心管中，加入450 μL無水乙醇和150 μL去離子水，渦旋至CTAB完全溶解。然后快速移取320 μL TEOS和80 μL AEAPTES至離心管中，室溫下渦旋30 s，在0 ℃冰水浴中超聲30 s后，將混合液通入已活化好的毛細管中。將毛細管兩端用硅橡膠封口后，置于40 ℃烘箱中反應20 h。

(3)整體柱清洗。反應結束后，用硝酸/乙醇(V/V=1/200)充分洗滌毛細管，除去未反應的共聚前體硅烷試劑和模板劑CTAB，最后用去離子水沖洗至中性，待用。

1.4 樣品采集

自來水取自南京大學鼓樓校區(qū)科學樓，雪水取自2016年1月南京大學仙林校區(qū)，長江水取自長江南京段。水樣可現(xiàn)場處理，或帶回實驗室4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.5 水樣中As(V)的分離富集與檢測

截取5 cm制備的雜化整體柱，代替金屬針頭置于醫(yī)用注射器的端口。將一定體積經(jīng)0.45 μm乙酸纖維素膜過濾的水樣以指定的流速通過去離子水活化好的整體柱，使水樣中的As(V)被充分吸附，流出液可用于測定水樣中As(Ⅲ)。整體柱經(jīng)超純水洗滌后，通入少許空氣排凈柱內(nèi)殘留液。用指定體積的洗脫液洗脫，洗脫液中的As(V)用ICP-MS測定。

1.6 ICP-MS儀器工作條件

進樣系統(tǒng)由小型氣旋霧化室和一個微型同心霧化器構成。優(yōu)化后的ICP-MS工作條件見表1。

表1 ICP-MS工作參數(shù)

2 結果與討論

2.1 雜化整體柱的表征

雜化整體柱的形貌如圖1(a)所示。

通過SEM圖像可見，整體柱中整體材料與毛細管內(nèi)壁貼合緊密，保證了整體柱能夠承受較高的壓力和較大的流速；且材料結構均一，存在大孔孔隙，使得整體柱材料能夠擁有較高的萃取效率，同時滲透性良好。

為保證AEAPTES成功地結合在整體骨架上，通過FT-IR以及元素分析對材料進行了表征。由圖1(b)可見，整體柱材料中有較高含量的氮元素。同時，F(xiàn)T-IR圖譜中，位于2 929 cm-1的C-H峰、1647 cm-1的N-H峰、1 473 cm-1的C-N峰以及3 400 cm-1附近的-NH2寬峰可以證明材料中存在氨基官能團，進一步說明AEAPTES成功摻雜在雜化整體柱骨架中。

圖1 有機-無機雜化整體柱的表征結果

2.2 整體柱吸附水中As(V)條件優(yōu)化

2.2.1 pH值及洗脫液選擇

圖2 雜化整體柱對不同pH值砷溶液的吸附效果

2.2.2 樣品流速

樣品流速也會影響As(V)在整體柱上的保留行為，流速過高水樣通過整體柱的時間過短，萃取不完全，流速過低則會使上樣所需時間過長，分析效率較低?，F(xiàn)考察了流速對As(V)吸附效果的影響，結果見圖3。

圖3 流速對氨基雜化整體柱吸附As(V)的影響

由圖3可見，流速由50 μL/min到300 μL/min，對整體柱吸附As(V)的效率無明顯變化，吸附率>95%。而當流速超過300 μL/min，柱子所承受的壓力較大，內(nèi)部結構容易遭受破壞。考慮到柱材料的穩(wěn)定性以及實驗效率等因素，最終選取 150 μL/min作為樣品溶液的流速以及洗脫流速。

2.2.3 進樣體積和洗脫體積

進樣體積和洗脫體積從一定程度上影響水樣的富集倍數(shù)。為考察As(V)濃度較低時進樣體積對吸附率的影響，將As(V)質(zhì)量為200 ng的不同體積(1，2，5和10 mL)的As(V)溶液分別通過長度為5 cm的氨基雜化整體柱。結果表明樣品進樣體積在1～10 mL范圍內(nèi)，整體柱對As(V)的吸附率無明顯變化，均>95%。而當通入樣品體積繼續(xù)增大時，整體柱開始出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，柱結構遭到一定程度的破壞。因此進樣體積確定為10 mL。

為了考察洗脫液體積對洗脫效果的影響，分別用200，500 μL和1 mL洗脫液進行洗脫。結果表明3種體積的洗脫液洗脫效果無明顯差異，洗脫率均>95%。而ICP-MS檢測所需液體體積最少為200 μL，因此選擇洗脫液體積為200 μL。

2.3 整體柱的分析性能

2.3.1 吸附容量

吸附容量是整體柱性能的一個衡量標準，良好的吸附容量表示整體柱的性能較好。現(xiàn)將不同體積的pH值為5.0、質(zhì)量濃度為200 μg/L的As(V)溶液分別通過長度為5 cm的氨基雜化整體柱，收集的流出液用ICP-MS測定。結果顯示，連續(xù)通入12 mL樣品后，整體柱對As(V)的吸附率仍然無明顯變化，始終>99%。說明5 cm長的氨基雜化整體柱對As(V)的吸附容量至少為2.4 μg(見圖4)。在實際水體中，As(V)的含量較少，多數(shù)質(zhì)量濃度低于1 μg/L，故氨基雜化整體柱的吸附容量足夠滿足實際水樣的測定需求。

圖4 氨基雜化整體柱對As(V)溶液吸附效果

2.3.2 可復用性

重復利用率是考察整體柱性能好壞以及分離富集方法是否合理的重要指標之一。在優(yōu)化好的實驗條件下，使用同一根整體柱進行重復實驗。結果表明，在保持整體柱形態(tài)結構完整，吸附率和回收率均>90%的前提下，氨基雜化整體柱至少可以重復使用5次。

2.4 實際樣品檢測

為驗證方法的準確性及實用性，利用所建立的雜化整體柱檢測As(V)的SPME-ICP-MS方法對飲用水和天然水體中的As(V)進行檢測，包括自來水，雪水及長江水。結果如表2所示，As(V)的加標回收率為82.2%～121.3%。在所采集到的水樣中，均只檢測到極微量的As(V)。

表2 實際樣品中As(V)的檢測結果(n=3)

3 結語

利用自制的氨基化有機-無機雜化整體柱，建立了一種現(xiàn)場快速富集天然水樣中As(V)的方法，加標回收率范圍為82.2%～121.3%。氨基功能化能夠特異性識別As(V)，不需要通過昂貴的HPLC-ICP-MS對砷元素形態(tài)進行拆分即可排除As(Ⅲ)的干擾，保證了As(V)濃度測定的準確性，操作簡單、價格低廉，大大地降低了檢測成本。此方法對環(huán)境水樣中低濃度的As(V)檢測有良好的靈敏度、準確度和精密度。所建立的SPME-ICP-MS方法適用于環(huán)境水中As(V)的測定。

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Separation and Preconcentration of As(V) in Environmental Waters by Aminated Organic-inorganic Hybrid Monolithic Column

ZHAO Ling-yu1， HU Xin2， CHEN Yi-jun2， LIAN Hong-zhen1，2*

(1.StateKeyLaboratoryofAnalyticalChemistryforLifeScience，SchoolofChemistryandChemicalEngineering，NanjingUniversity，Nanjing，Jiangsu210023，China； 2.CenterofMaterialsAnalysis，NanjingUniversity，Nanjing，Jiangsu210093，China)

Amino functionalized organic-inorganic hybrid monolithic column was prepared in situ in capillary using tetraethyl orthosilicate (TEOS) and N-(β-aminoethyl)-γ-aminopropyltriethoxysilane (AEAPTES) as copolymer precursors. The monolithic column was employed as the in-syringe extraction medium for solid phase micro extraction (SPME) to specifically adsorb As(V). We established a SPME method for separation and preconcentration of As(V) in environmental waters on site. We optimized the experimental conditions for enrichment of As(V) and studied the adsorption and elution capabilities of organic-inorganic hybrid monolithic column for As(V). Finally， it was realized to detect As(V) in environmental waters efficiently， fast and selectively.

Aminated organic-inorganic hybrid monolithic column； Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)； As(V)； Solid phase micro extraction (SPME)

2016-10-17；

2016-11-11

國家自然科學基金資助項目(21275069；21577057)；江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金資助項目(1409)

趙靈瑜(1991—)，女，博士在讀，從事環(huán)境生物樣品中元素形態(tài)分析方面研究。

*通訊作者：練鴻振 Email:hzlian@nju.edu.cn.

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B

1674-6732(2017)01-0021-04