磁性石墨烯固相萃取/原子吸收法測定環境水樣中的痕量銅

苑 鶴，王衛娜，吳秋華，王 春，王 志

(河北農業大學 理學院 生物無機化學重點實驗室，河北 保定 071001)

銅+元素廣泛存在于水和土壤中，是機體蛋白質和酶的重要組成部分，為人體健康不可缺少的特殊微量營養元素之一。體內缺乏銅會導致造血功能下降，膽固醇升高，酶活性下降，產生冠心病等疾病的可能性也會增加［1］。然而過量銅元素的吸收會抑制人體內許多酶的活性，使細胞膜受到嚴重損傷［2］，可能引起急性銅中毒、腹瀉、失眠、脫發、皮膚病、老年癡呆等，因此工業污染造成的水體銅污染可能給人體帶來傷害。目前，最常用的測定痕量銅離子的方法為原子吸收光譜法。但污染水中重金屬離子的含量一般很低，火焰原子吸收光譜法的靈敏度往往難以實現對水中痕量Cu2+的直接測定，一般需要通過樣品前處理過程來分離和富集目標分析物并除去基質中的干擾。目前許多樣品前處理技術已被用于富集和濃縮不同樣品中的痕量銅，其中最常使用的兩種前處理方法是固相萃取(SPE)和液相萃取(LPE)［3－5］法。SPE由于使用較少量的有機溶劑而被認為優于LPE［6］。然而，SPE操作較為繁瑣、費時并相對昂貴。為了克服這些缺點，近年來一種SPE的新模式即磁性固相萃取(MSPE)被提出［7］。與傳統的SPE相比，MSPE使用的吸附劑具有磁性，磁性吸附劑可以方便地在外加磁場作用下進行導向或分離，而不需要額外的離心或過濾程序。所以該方法具有操作簡單、快速、富集效率高、對環境友好等優點。因此MSPE被廣泛應用于各種領域［8－9］，同時磁性納米材料的研究也成為目前研究的一個熱點領域，其中的磁性碳材料更以其強的吸附能力而頗受關注。

石墨烯是一種新型的碳納米材料，于2004年由Geim和Novoselov等發現［10］。它是一種以sp2雜化連接的單原子層構成的新型二維平面納米材料，具有很大的表面積、良好的導電性能和機械特性，其基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，是目前最理想的二維納米材料。與其他形式的碳材料相比，石墨烯顯示出許多優點，例如比表面積很大、耐高溫、化學穩定性好、機械強度高和生產成本低等［11］。近年來，有關石墨烯的研究報道不斷增加，目前的研究熱點主要集中在石墨烯的物理性質，特別是電子結構和電學性質等方面，關于石墨烯的化學研究及應用還較少涉及。由于石墨烯結構中含有離域的π電子體系，可以和苯環形成強的π－π作用力，這就預示著它可能是一種對含苯環物質具有較強吸附作用的潛在吸附劑，但其在分析化學方面的應用研究目前報道較少［6，11］。本實驗將新興的石墨烯材料與磁性納米技術相結合，使用化學沉淀法合成了磁性石墨烯納米材料，將其作為固相吸附劑用以富集環境水樣中的痕量銅并與原子吸收法聯用進行測定，結果表明，該方法操作簡便、靈敏、具有較好的重現性。本研究為測定痕量銅提供了一種MSPE新方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

WYX－9003A原子吸收分光光度計及銅元素空心陰極燈(沈陽儀通分析儀器有限公司);SK－1快速混勻器、SHA－C水浴恒溫振蕩器、SZ－93型雙蒸水機(上海亞榮生化儀器廠)和KQ–2200 DE超聲波儀(昆山超聲波儀器有限公司)。

石墨粉(博愛欣化學試劑有限公司);硫酸銅(優級純，天津市北聯精細化學品開發有限公司);1-(2-吡咯偶氮)-2-萘酚(PAN)、氫氧化鈉、無水乙醇、硝酸、丙酮、乙腈(分析純，北京化學試劑有限公司);水為二次蒸餾水。

礦泉水購自保定超市，自來水采自本實驗室，湖水采自保定競秀公園。所有的溶劑和水樣在分析前先過0.45 μm濾膜，除去顆粒物。用硫酸銅溶解配制銅儲備液，質量濃度為10 mg/L。

1.2 G－Fe3O4的制備

按本實驗室［12］和文獻［13－15］報道的方法合成制備石墨烯。采用Fe2+、Fe3+(摩爾比為1∶2)和石墨烯在堿性溶液中共沉淀的方法制備磁性石墨烯納米粒子:在三口瓶中依次加入200 mL水、0.5 g石墨烯、1.7 g(4.33 mmol)(NH4)2Fe(SO4)·6H2O和2.51 g(8.66 mmol)NH4Fe(SO4)2·12H2O，在50℃、通N2的條件下超聲(200 W，40 kHz)10 min，然后逐滴加入10 mL 8.0 mol/L的NH4OH溶液，混合溶液的最終pH值應在11.0～12.0之間。加完后在50℃下攪拌反應60 min。反應完成后，用磁鐵將G－Fe3O4從溶液中分離出來并棄去上層溶液，分別經水、乙醇沖洗，真空干燥后備用。

1.3 MSPE程序

稱取15 mg G－Fe3O4于500 mL錐形瓶中，準確加入200 mL樣品溶液、0.3 mL PAN－乙醇溶液，置于振蕩器上振蕩萃取20 min。萃取結束后，用磁鐵將磁性石墨烯聚集到錐形瓶底部，棄去大部分上清液，將剩余溶液和磁性石墨烯轉移至10 mL玻璃離心管中，用磁鐵將石墨烯聚集到離心管壁上后倒掉所有溶液，加入2 mL 1.0 mol/L NaOH溶液渦旋30 s進行洗脫，所得溶液用濃HCl溶液調至pH 4.0，然后進樣進行火焰原子吸收分光光度計測定。

1.4 條件優化過程

使用WYX－9003A原子吸收分光光度計及銅元素空心陰極燈測定銅離子的含量，原子吸收條件為:波長324.7 nm，燈電流3 mA，乙炔流量1.2 L/min，空氣流量5.0 L/min。

用200 mL銅離子濃度為50 μg/L的水溶液進行優化實驗。通過在15 mg吸附劑中加入0.1～0.7 mL的PAN來選擇絡合劑用量;通過考察在pH 5.0～9.0范圍內吸收信號的變化情況選擇最優pH值;考察了萃取時間在5～60 min范圍內對萃取效率的影響;最后對解吸劑及其濃度進行優化。每種條件實驗重復3次取其平均值用作優化評價。

圖1 PAN體積對銅離子吸光度的影響Fig.1 Effect of PAN volume on absorption of copper

2 結果與討論

2.1 絡合劑與吸附劑用量的關系

在固定其他實驗條件的情況下，研究了向含有15 mg吸附劑的溶液中加入不同體積PAN(濃度為1.0×10－3mol/L)時對銅離子吸光度的影響，結果如圖1所示。由圖可知，當PAN用量達到0.3 mL后，吸光度出現平臺，在用量大于0.5 mL后吸光度開始下降。這可能是由于PAN加入量低時導致其用量不足，而當PAN加入量過大時，部分PAN與PAN的銅離子螯合物間在石墨烯磁性納米粒子上產生競爭性吸附而使得PAN的銅離子螯合物吸附率下降，從而導致PAN用量大于0.5 mL后吸光度下降。本實驗選擇加入0.3 mL的PAN－乙醇溶液。

圖2 pH值對銅離子吸光度的影響Fig.2 Effect of pH value on absorption of copper

2.2 pH值的影響

溶液的酸度直接影響金屬離子與配位劑形成配合物的穩定性。當pH值過低時，形成的配合物不穩定;而pH值過高時，銅離子極易水解，影響萃取效率。實驗用稀氫氧化鈉和HNO3溶液調節溶液的pH值，考察了pH值在5.0～9.0范圍內吸收信號的變化情況，結果如圖2所示。當pH值為7.0時回收率達到最高值，因此，選擇溶液的最佳pH值為7.0。

圖3 NaOH濃度對銅離子吸光度的影響Fig.3 Effect of concentration of NaOH on absorption of copper

2.3 萃取時間的選擇

在萃取過程中，萃取時間是影響萃取效率的重要因素。在MSPE過程中，萃取時間是指在樣品溶液中加入吸附劑后于振蕩器上振蕩的時間。為使銅離子與PAN的螯合反應以及PAN的銅離子螯合物與G－Fe3O4吸附反應完全，實驗考察了萃取時間為5～60 min時對萃取效率的影響。結果顯示，當萃取時間大于20 min后，萃取效率基本不再變化。因此最終選擇最佳萃取時間為20 min。

2.4 解吸劑的選擇

實驗考察了甲醇、乙醇、丙酮及NaOH水溶液的解吸能力，結果表明NaOH溶液的解吸效果最好，因此實驗選擇NaOH水溶液為解吸劑。進一步考察了不同濃度的NaOH對分析物的洗脫能力。分別用2 mL 0.25、0.5、0.75、1.0、1.25 mol/L的NaOH進行渦旋解吸，用濃鹽酸將pH值調至4.0，直接進入火焰原子吸收分光光度計進行測定。結果如圖3所示，NaOH濃度過低時，洗脫效果差，在NaOH濃度達到1.0 mol/L時洗脫效果最佳。因此選擇加入濃度為1.0 mol/L的NaOH進行洗脫。因原子吸收進樣量大約需2 mL，實驗表明2 mL 1.0 mol/L的NaOH已可將大部分待測物解吸下來(＞80%)，繼續加大解吸劑的體積，回收率并無明顯提高。因此最終選擇加入2 mL 1.0 mol/L的NaOH溶液進行解吸。

2.5 干擾離子的影響

在優化實驗條件下，向20 μg/L Cu2+的溶液中加入幾種常見的離子，考察了其對Cu2+萃取效率的影響，相對誤差不超過±10%時各離子的最大允許量為1 500倍的K+、Na+、F－;1 000倍的Cl－和，100倍的、，50倍的 Hg2+、Mn2+，30倍的 Fe3+、Mg2+、Ca2+，20倍的 Al3+、Zn2+。而在實際樣品中，上述共存離子的含量遠遠低于最大允許存在量［16］。

2.6 方法評價

在最佳實驗條件下，按上述實驗方法操作，以吸光度A為縱坐標、以銅離子濃度ρ為橫坐標繪制銅離子的工作曲線。結果顯示銅離子在0.50～100 μg/L范圍內與吸光度間呈良好的線性關系，回歸方程為:A=0.004 7 ρ(μg/L)+0.000 8，相關系數為0.998 1。富集倍數為最終解吸液中銅的絡合物濃度與最初銅離子加標濃度的比值，通過計算得到本方法的富集倍數為80.4倍。方法的檢出限(S/N=3)為 0.067 μg/L。

2.7 實際樣品的測定

為了檢驗所建立方法的實用性，對不同水樣(礦泉水、自來水和公園湖水)中痕量銅的殘留進行了萃取和測定。結果在礦泉水、自來水和公園湖水中檢測到銅的殘留量分別為41.6、52.2、53.7 μg/L。

為了驗證該方法的可靠性，對實際水樣加標20 μg/L平行測定5次，回收率實驗結果見表1。樣品的加標回收率為94%～103%，相對標準偏差為2.1%～5.2%，本方法的精密度和重現性均令人滿意。

表1 不同樣品中銅離子含量的測定(n=5)Table 1 Analytical results for the determination of copper in real samples(n=5)

2.8 與其他樣品前處理技術的比較

將上述MSPE與其他樣品前處理方法如SPE［17－18］、中空纖維液相微萃取(HF－LPME)［19］、濁點萃取(CPE)［20－21］、分散液液微萃取(DLLME)［22］、懸浮凝固化有機液液相微萃取(DLLME － SFO)［23］等進行對比，結果見表2。數據表明，與其他方法相比，MSPE方法的線性范圍、檢出限、重現性均較好，且操作過程簡單、有機溶劑用量較少、環境友好。

表2 MSPE與其他樣品前處理方法的對比Table 2 Comparison of the MSPE with other sample preparation techniques for the determination of copper

3 結論

將本實驗室合成的一種新型吸附劑石墨烯磁性納米材料(G－Fe3O4)用于水樣中銅離子的萃取，并結合原子吸收法實現了對環境水樣中痕量銅的靈敏測定。此方法有效地結合了G比表面積大、吸附性能好和Fe3O4納米粒子具有磁性的優點，使用MSPE避免了傳統固相萃取中離心和過濾等繁瑣的操作步驟。實驗結果表明，本方法簡便、快速，具有較好的回收率和重現性，適于實際水樣中銅離子的測定。該方法為其他金屬離子的富集測定提供了可借鑒的研究基礎。

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