基于管尖固相萃取和氫化物發生-原子熒光光譜檢測礦泉水和茶飲料中的無機砷

楊大雨，趙德祎，黃 睿，鄒 婷，戴欣忺，李 思，嚴志明

（福建農林大學食品科學學院，福建福州 350002）

砷（Arsenic，As）是一種天然類金屬元素，主要以有機砷和無機砷兩類形式存在[1]，其中對人體健康造成威脅的主要是無機砷。砷主要通過水在環境中遷移，在水環境中具有很高的溶解性，容易被魚類、蔬菜和谷物吸收，并可通過食物鏈最終在人體內積累[2-3]，嚴重時可能會導致人體內臟損害，皮膚病變甚至使大腦、膀胱、腎臟以及肝臟等器官發生癌變[4-6]。目前國內外砷污染問題嚴重，據世界衛生組織公布，全球至少有5000多萬人口正面臨著地方性砷中毒的威脅，其中大多數是亞洲國家，而中國是最嚴重的國家之一[7]。因此，檢測分析食品中無機砷含量，確定其安全風險具有重要意義。

樣品前處理是復雜樣品分析檢測過程的重要環節。對于復雜體系中微量、痕量物質的檢測，樣品前處理決定了分析速度的快慢，也決定了樣品分析結果的靈敏度、準確度和精確度[8]。目前，多種樣品前處理技術已被應用于無機砷的檢測中，如液-液萃取[9]（Liquid-liquid extraction，LLE）、固相萃取[10]（Solid phase extraction，SPE）、固相微萃?。⊿olid-phase microextraction，SPME）[11-13]以及磁性固相萃取（Magnetic solid phase extraction，MSPE）[14-16]等。其中，SPE因其對分析物的廣譜適用性和固體吸附劑的多樣化選擇而被認為是應用最廣泛的一種方法。但是SPE在應用中存在吸附劑與有機溶劑用量較多且費時等缺點[17]。管尖固相萃?。≒ipette-tip solid phase extraction，PT-SPE）是固相萃取的小型化替代技術，只需在移液管尖端填充少量吸附劑即可達到與其他前處理手段相同的效果，因其操作簡便、溶劑用量與樣品消耗少等優點被迅速開發用于食品、藥品和生物產品中目標物的純化和富集[18-20]。目前，PT-SPE并未被應用到無機砷檢測的前處理中。

PT-SPE技術的核心是吸附劑的選擇[21]。目前用于無機砷分離檢測的吸附劑主要有氨基功能化吸附劑和巰基化功能吸附劑。氨基功能化吸附劑是基于離子交換作用實現對五價砷的選擇性吸附而被應用于無機砷的檢測。趙靈瑜等[22]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，合成了一種氨基功能化的有機-無機雜化整體柱，結果發現氨基功能化的整體柱能夠特異性識別As（V），保證了As（V）濃度測定的準確性。而巰基功能化吸附劑則是基于巰基與三價砷之間的特異性吸附完成對三價砷的選擇性吸附。許秋月等[23]通過一種“點擊反應”制備了一種巰基修飾環氧基改性的磁性納米粒子Fe3O4@SiO2@GMA-S-SH，在將其用于無機砷的萃取時發現其能夠特異性吸附As（Ⅲ），且與未改性的Fe3O4@SiO2@GMA相比，改性后的吸附劑對As（Ⅲ）具有更好的富集效果。但遺憾的是，無論是氨基功能化還是巰基功能化吸附劑，都具有或價格昂貴，或制備困難，或吸附能力較弱的缺點。

聚丙烯腈（PAN）是由丙烯腈單體通過自由基聚合而成的高分子材料，由于其優異的耐溶劑性而常用于制備PAN納米纖維。且由于其易改性的特點，纖維骨架中的氰基可與水合肼在加熱條件下反應轉化為氨基腙[24]，從而完成PAN納米纖維的氨基功能化。靜電紡絲技術是一種利用高壓靜電場作用實現將紡絲液霧化分裂成小液滴最終固化成為納米纖維的一項技術[25]，由靜電紡絲制得的納米纖維由于具有比表面積大、力學性能好、孔隙率可調等優點而被廣泛應用于樣品前處理[26]。因此，本實驗通過靜電紡絲技術制備PAN納米纖維，并通過水合肼對其進行氨基改性，將其作為PT-SPE吸附材料，建立管尖固相萃取/氫化物發生-原子熒光光譜法（PT-SPE/HG-AFS）檢測As（Ⅴ）和As（Ⅲ）兩種無機砷，并將其應用于礦泉水和茶飲料中As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的形態分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

As（V）標準液（1000 mg/L）、As（III）標準液（1000 mg/L） 購自上海安譜實驗科技股份有限公司；聚丙烯腈（PAN） 購自阿拉丁化學有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、80%水合肼、氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鈉、亞硫酸鈉、硝酸鈉、磷酸三鈉購自國藥集團化學試劑有限公司；甲醇、乙醇、氫氧化鈉、硼氫化鈉、鹽酸、碳酸鈉 購自西隴科學股份有限公司。

AFS-3100原子熒光光譜 北京海光儀器有限公司；ME204E電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；DF-101S磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司；ET靜電紡絲設備 北京永康樂業科技發展有限公司；Milli-Q IQ7000純水系統 美國Merck公司；QL-902渦旋儀 海門市其林貝爾儀器制造有限公司；Inspect QUANTA 430型掃描電子顯微鏡 美國FEI公司；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 NH2-PAN納米纖維的制備

1.2.1.1 PAN納米纖維的制備 在課題組前期研究的基礎上合成PAN納米纖維[18]。首先將1.1 g PAN在磁力攪拌下緩慢加入10 mL DMF中并持續攪拌溶解過夜，將得到的均勻紡絲溶液倒入配有23寸不銹鋼針頭的10 mL注射器中。制備PAN納米纖維靜電紡絲條件為：環境濕度保持在30%相對濕度，接收裝置轉速50 r/min，針尖與接收裝置之間的距離為20 cm，噴射電壓為18 kV，推進速度為1.0 mL/h。得到的PAN納米纖維在80 ℃真空烘箱中干燥過夜。

1.2.1.2 NH2-PAN納米纖維的制備 水合肼與PAN納米纖維之間會通過化學反應將纖維表面的部分氰基轉化為氨基腙[24]，從而修飾上大量的氨基官能團，成功制備NH2-PAN納米纖維，化學方程式如圖1所示。制備過程根據文獻[27]有所修改。首先將上一步得到的PAN納米纖維裁剪成2 cm×2 cm大小，并浸泡在水合肼溶液中，80 ℃水浴加熱5 h；然后將得到的NH2-PAN納米纖維分別用超純水和乙醇交替清洗兩次；最后將合成的NH2-PAN納米纖維在60 ℃真空干燥箱中干燥過夜。

圖 1 PAN納米纖維與水合肼化學反應方程式Fig.1 Chemical reaction equation of PAN nanofibers with hydrazine hydrate

1.2.2 材料表征 參考文獻[28]，采用Inspect QUANTA 430場發射掃描電鏡儀（SEM）在加速電壓為20.00 kV、放大倍數80000倍時觀察比較PAN納米纖維和NH2-PAN納米纖維的表面形貌，采用Nicolet 6700傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）在500～3900 cm-1波數范圍內分析鑒定PAN納米纖維和NH2-PAN納米纖維表面的功能基團。

1.2.3 As標準系列溶液的配制 分別吸取0、0.25、0.5、1.0、1.25、1.5和2.0 mL的1 μg/mL的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）標準品于25 mL容量瓶中，以超純水定容，得到濃度為0、10、20、40、50、60、80 μg/L的一系列As（Ⅲ）和As（Ⅴ）標準溶液，搖勻，靜置30 min后檢測以繪制工作曲線。其中As（Ⅴ）溶液在測定前需要進行還原，即向配制的As（Ⅴ）標準液中加入1.0 g的硫脲-抗壞血酸混合物（質量比為1:1），40 ℃水浴加熱30 min（下同）。

1.2.4 PT-SPE程序 參考文獻[18]并略作修改。實驗固定As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的初始濃度為50 μg/L，樣液體積為5 mL。首先稱取12 mg的NH2-PAN納米纖維塞進移液槍槍頭，兩端以脫脂棉花填充固定。萃取之前，先后加入1 mL的甲醇和超純水分別對NH2-PAN納米纖維進行活化與清洗；接著將5 mL pH8的50 μg/L無機砷溶液以一定流速通過吸附材料，如此完成吸附操作；用5 mL濃度為0.01 mol/L的HCl溶液進行洗脫；最后洗脫液經還原后用氫化物發生-原子熒光光譜（HG-AFS）法進行檢測。其中，樣液pH是通過使用pH儀和0.01 mol/L的HCl、NaOH溶液進行調節。

1.2.5 原子熒光光譜條件 根據課題組此前的方法，AFS以5%的鹽酸為載流，還原劑是由2%（w/v）的硼氫化鈉分散在0.2%（w/v）的氫氧化鈉溶液介質中制得，光電倍增管負高壓為280 V，砷空心陰極燈電流為50 mA，原子化器高度是8 mm，載氣（氬氣）流速為300 mL/min，屏蔽氣流速為800 mL/min。數據使用標準曲線法進行測量，以峰面積為讀數標準，讀數時間為16.0 s，延遲時間為1.0 s。

1.2.6 實際樣品處理與測定 選定福建農林大學愛慕超市中購買的礦泉水與菊花茶、茉莉花茶等兩種茶飲料作為本次實驗的實際樣品。首先將三種實際樣品分別用0.45 μm的一次性微孔濾膜過濾頭進行過濾，收集濾液并儲存在4 ℃的冰箱中。調節樣品溶液的pH為8，分別取5 mL加入到PT-SPE裝置中，經吸附-脫附-還原等操作后用HG-AFS法測定。實驗平行測量三次。將0.0001 mol/L的KMnO4溶液加入到樣品中靜置30 min，待樣品中As（Ⅲ）全部轉化為As（Ⅴ）后調節pH為8，將5 mL樣品加入到PT-SPE裝置，經吸附-脫附-還原后可測得樣品中的無機砷總量。同時，利用減差法即可算得樣品中As（Ⅲ）的含量。

1.3 數據處理

此實驗所有數據均由AFS-3100雙通道原子熒光光譜儀測定，使用標準曲線法進行測量，以峰面積為讀數標準。各指標測定重復3次，用Origin 2018軟件對數據進行處理及繪圖。

圖 2 PAN納米纖維（a）和NH2-PAN納米纖維（b）的SEM表征（80000×）Fig.2 SEM characteristic of PAN nanofibers (a) and NH2-PAN nanofibers (b)(80000×)

無機砷的吸附率和回收率分別按下式計算：

其中：ε表示NH2-PAN納米纖維對無機砷的吸附率，%；C0表示樣品溶液中無機砷的質量濃度，μg/L；Ct表示吸附劑對樣品溶液中無機砷吸附后測得的溶液中無機砷的質量濃度，μg/L；P表示回收率，%；C空表示原始空白樣品中無機砷的質量濃度，μg/L；C加表示樣品中加入的無機砷的質量濃度，μg/L。

2 結果與分析

2.1 NH2-PAN納米纖維的表征

2.1.1 SEM表征 通過SEM研究了PAN和NH2-PAN納米纖維的表面形貌，結果見圖2。從圖2（a）可以看出通過靜電紡絲技術制備的PAN納米纖維直徑均一，纖維表面具有溝壑結構，顏色為白色。從圖2（b）發現經過水合肼改性后，NH2-PAN納米纖維顏色由白色變為粉色，纖維表面有變得粗糙，但仍具有良好的纖維形貌。

2.1.2 FT-IR表征 用FT-IR對合成的納米纖維的化學基團進行了表征，結果見圖3。PAN納米纖維在1734和2242 cm-1處的紅外特征峰分別對應C=O和C-N的伸縮振動。經水合肼對PAN納米纖維改性，可以發現在3410 cm-1處的紅外特征峰強度變強，這是NH2-PAN納米纖維中N-H的伸縮振動引起特征峰強度增強。此外，NH2-PAN納米纖維的紅外光譜在1633 cm-1處有N-H變形振動的特征峰。NH2-PAN納米纖維的紅外光譜充分說明本研究成功利用水合肼對PAN納米纖維進行了改性。

圖 3 PAN納米纖維（a）和NH2-PAN納米纖維（b）的FT-IR表征Fig.3 FT-IR characteristic of PAN nanofibers (a) and NH2-PAN nanofibers (b)

圖 4 pH對PAN納米纖維和NH2-PAN納米纖維吸附As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的影響Fig.4 Effect of pH on the adsorption of As(Ⅴ) and As(Ⅲ) by PAN nanofibers and NH2-PAN nanofibers

2.2 PT-SPE程序優化

2.2.1 吸附劑種類 實驗初固定吸附劑材料用量為4 mg，研究了PAN納米纖維和NH2-PAN納米纖維在不同pH條件下對無機砷吸附的影響，結果如圖4所示。從圖中可以看到，PAN納米纖維對As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的吸附效果較弱，吸附率低于20%；而NH2-PAN納米纖維，其對As（Ⅲ）的吸附率較低；對As（Ⅴ）的吸附率在pH4～9范圍內均高于60%，結果說明PAN納米纖維的氨基功能化不僅實現對As（Ⅴ）的選擇性吸附，而且提高了對As（Ⅴ）的吸附性能。

2.2.2 樣品溶液pH 樣品溶液的pH決定了分析物和吸附劑的存在形態及兩者結合的穩定性和密度[29]，對分析物的萃取非常重要。本實驗固定NH2-PAN納米纖維用量為4 mg，考察了其在不同pH條件下對無機砷吸附情況的影響，結果見圖4。從圖中可以看出，NH2-PAN納米纖維對As（Ⅲ）的吸附效果不好，吸附率始終低于8%。但對于As（Ⅴ），隨著砷溶液pH在2～10范圍內逐漸增加，NH2-PAN納米纖維對As（Ⅴ）的吸附效果先是快速上升，然后趨于平緩，再開始降低，吸附劑在pH為3～9范圍內有很好的吸附效果。結合文獻[30-31]，As（V）和As（III）的pKa1值分別為2.3和9.2，當溶液pH＜pKa1時分別以中性分子H3AsO4和H3AsO3形式存在，pH＞pKa1時分別以H2AsO4-、HAsO42-和H2AsO3-等陰離子形式存在。而NH2-PAN納米纖維因表面帶有大量氨基而帶正電荷。因此，對As（Ⅴ）而言，當pH在3～9時，As（Ⅴ）由不帶電狀態轉為帶負電荷，與帶正電的NH2-PAN納米纖維之間產生靜電引力作用使吸附率上升，當pH進一步增大，溶液中分布的大量OH-會與砷離子競爭吸附劑表面的吸附位點，從而導致吸附率下降；對于As（III）而言，其在酸性和弱堿性條件下以分子形式存在，吸附率不高，而強堿性條件下As（III）以陰離子形式存在，此時靜電引力作用與吸附位點競爭作用相持，故吸附率持續保持在較低水平。綜上，當pH在3～10范圍內時可實現對As（Ⅴ）的選擇性吸附。最終選定PT-SPE吸附As（Ⅴ）的最佳pH為8。

2.2.3 NH2-PAN納米纖維用量 為了確定最佳吸附劑用量，實驗固定樣品溶液pH為8，考察了質量分別為2、4、6、8、10和12 mg的NH2-PAN納米纖維吸附劑對As（Ⅴ）的吸附情況。結果如圖5所示，As（Ⅴ）的吸附率隨著吸附劑質量的增加而呈現出上升趨勢。因此在保證最大吸附率的同時節約材料，后續實驗把最佳吸附劑用量定為12 mg。

圖 5 NH2-PAN納米纖維用量對As（Ⅴ）的吸附影響Fig.5 Effect of NH2-PAN nanofibers dosage on As(Ⅴ)adsorption

2.2.4 洗脫劑濃度 由2.2.1可知，NH2-PAN納米纖維在強酸性條件下對As（Ⅴ）的吸附效果較差，故本實驗在固定吸附劑種類和用量以及樣液pH最優的條件下，以鹽酸（HCl）作為洗脫劑，固定體積5 mL，研究了濃度分別為0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5和1.0 mol/L的HCl溶液對As（Ⅴ）回收效率的影響。結果如圖6所示，當HCl溶液濃度為0.001 mol/L時，As（Ⅴ）回收率只有51.14%，隨鹽酸濃度逐漸升高，回收率逐漸增加，并在HCl濃度增加到0.01 mol/L時達到最大（100%）。因此，將HCl的最佳洗脫濃度定為0.01 mol/L。

圖 6 洗脫劑濃度對As（Ⅴ）回收率影響Fig.6 Effect of eluent concentration on the recovery of As(Ⅴ)

2.2.5 洗脫劑用量 保持上述優化條件不變，進一步研究了0.01 mol/L的 HCl用量對As（Ⅴ）回收效率的影響。結果如圖7所示，當鹽酸用量從1 mL增加到5 mL時，回收率一直呈上升趨勢，但隨著HCl用量的增多，回收率顯示下降。因此，本實驗洗脫劑確定為5 mL濃度為0.01 mol/L的HCl溶液。

圖 7 洗脫劑用量對As（Ⅴ）回收率影響Fig.7 Effect of eluent dosage on the recovery of As(Ⅴ)

2.2.6 離子干擾試驗 由于實際水環境中成分復雜，水體含有許多其他種類離子，這些離子可能會與As（Ⅴ）同時競爭材料上的吸附位點，從而影響As（Ⅴ）的吸附效果。本實驗研究了100 mg/L的Ca2+、Na+、Cl-、CO32-和0.5 mg/L的PO42-、NO3-、SO42-以及SO32-等常見離子對As（V）回收率的影響，結果如圖8所示。Ca2+、Na+、Cl-和CO32-等離子對吸附劑的吸附性能影響相對較小，而PO42-、NO3-、SO42-以及SO32-等離子對吸附劑吸附As（V）的影響較為明顯。各離子與吸附點位的親和力為：PO42-＞SO42-＞SO32-＞NO3-＞Ca2+＞Na+＞Cl-＞CO32-。

圖 8 干擾離子對As（Ⅴ）回收率影響Fig.8 Effect of interfering ions on the recovery of As(Ⅴ)

2.3 重復使用性

為考察NH2-PAN納米纖維的可重復使用性，在上述條件得到的最佳水平條件下連續多次進行PTSPE操作，使用過的NH2-PAN納米纖維在下一次PT-SPE操作前分別用2.0 mL甲醇和2.0 mL超純水依次清洗。結果如圖9所示，經過5次重復使用，As（V）的回收率仍在90%以上，說明NH2-PAN納米纖維具有良好的穩定性。

圖 9 NH2-PAN納米纖維的重復使用性Fig.9 Reusability of NH2-PAN nanofibers

2.4 方法驗證

在上述優化條件的基礎上，確定PT-SPE/HGAFS檢測無機砷方法的線性范圍與靈敏度，驗證方法的分析性能。配制一系列濃度的標準溶液，在最佳萃取條件下，經PT-SPE后進行HG-AFS檢測，結果如表1所示，方法在0.0235～60 μg/L范圍內具有良好的線性關系，相關系數R2=0.9944，精密度為5.79%，檢出限為0.0235 μg/L。

表 1 方法的線性方程、線性范圍、相關系數、精密度和檢出限Table 1 Linearity equation, linear range, correlation coefficient, precision and detection limit of the method

2.5 實際樣品分析

將所建立的方法應用于礦泉水、菊花茶和茉莉花茶飲料中無機砷的分析檢測。結果表明，三種實際樣品中均未檢測出無機砷。分別添加濃度為10、30 μg/L的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）標準液進行加標實驗，結果如表2所示，三種實際樣品的加標回收率都在85%以上，回收率良好，說明本實驗所建立的方法準確適用，滿足分析檢測的要求。

表 2 實際樣品中無機砷的測定結果Table 2 Determination results of inorganic arsenic in actual samples

3 結論

本文通過對吸附劑種類、溶液初始pH、吸附劑用量、洗脫劑種類和用量以及干擾離子等條件進行優化與驗證，成功建立了PT-SPE技術結合HGAFS法以檢測分析礦泉水和茶飲料中的無機砷。當吸附劑為12 mg NH2-PAN納米纖維、溶液pH為8、洗脫劑為5 mL 0.01 mol/L的HCl溶液時，方法在0.0235～60 μg/L范圍內具有較好的線性關系，精密度為5.79%。利用該方法檢測分析礦泉水、菊花茶和茉莉花茶飲料中的無機砷，加標回收率介于85.8%～110%之間。建立的方法操作簡便、快速準確，在無機砷檢測方面具有較好的應用前景。