（无机化学专业论文）化学键合硅胶在汞形态分析中应用.pdf

摘要 汞及其化合物对环境和人体健康存在严重危害，而且不同形态的汞也表现出 迥异的生物活性和毒性。汞有无机汞、甲基汞、乙基汞、苯汞等多种形态，其中 甲基汞的毒性最大，它通常存在于环境和生物体中，并且可以通过食物链传递在 生物体中积累，最终危害人体健康。不同形态的汞通常同时存在于环境或生物体 中且含量较低，因此建立快速、灵敏的汞形态分析方法而不单纯测定汞的总量对 正确阐述和评价汞化合物的环境危害具有重要的学术价值和实践意义。 本文首先用正硅酸乙酯与活化硅胶进行硅烷化反应，然后利用硅烷试剂与二 苯卡巴腙反应合成了二苯卡巴腙键合硅胶，该键合硅胶作为固相萃取剂对汞形态 分离富集起着决定性的作用。然后利用硫代米氏酮作为显色剂，建立了一种可同 时测定无机汞和甲基汞的分光光度法，用此方法考察了二苯卡巴腙键合硅胶对无 机汞和甲基汞的静态吸附情况。最后，将二苯卡巴腙键合硅胶填充到固相萃取微 柱中，利用流动注射冷蒸气发生原子荧光联用技术考察了键合硅胶对汞形态的 动态吸附分离情况，并应用该技术测定了实际鱼肉样品中甲基汞的含量。 实验结果表明二苯卡巴腙键合硅胶对无机汞的最大静态吸附量可达到5 3 m g g - 1 ，对甲基汞的静态吸附量可达到4 5m g g 。在不同的p h 值下，二苯卡巴腙 键合硅胶对无机汞和甲基汞的富集量不同：在p h4 下，无机汞和甲基汞都有很 好的富集效果；随着p h 的增加，无机汞的富集量越来越少，在p h8 几乎不富集， 而甲基汞的富集量在p h6 - 9 区间达到最大吸附量，所以可以通过调节p h 值实现 了无机汞和甲基汞的在线动态分离富集。本方法简便快速，一小时内能分析3 0 个样品。利用流动注射冷蒸气发生原子荧光联用技术，二苯卡巴腙键合硅胶富 集无机汞和甲基汞后的检出限分别为0 0 3 6g g l 。1 和0 0 2 5g g l ，该方法成功用 于鳕鱼、国产小黄鱼、肉鲳以及生鱼片等实际样品中甲基汞含量的测定。 关键词：二苯卡巴腙，无机汞，甲基汞，可见分光光度法，流动注射，原子荧 光分光光度法 a b s t r a c t lh et o x i c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a le f f e c t s o fm e r c u r yc o m p o u n d sh a v e b e c o m eo fi n c r e a s i n gc o n c e r nw i t hr e g a r dt oh u m a nh e a l t ha n dt h e g l o b a le c o s y s t e m t h et o x i c i t yo f m e r c u r yi sh i g h l yd e p e n d e n to ni t sc h e m i c a lf o r m m e t h y l m e r c u mt h e m o s tt o x i c s p e c i e so fm e r c u r yn o r m a l l yf o u n di n e n v i r o n m e n t a la n db i o i o g i c a l m a t e n a i ，i so fp a r t i c u l a rc o n c e r nb e c a u s eo fi t sa c c u m u l a t i o na si tp a s s e st h r o u g ht h e f o o dc h a i n a c c o r d i n g l y ，t h er a p i da n ds e n s i t i v ed e t e r m i n a t i o no f m e r c u r ys p e c i e si n a d d l t i o nt ot o t a lm e r c u r yi sh i g h l ye s s e n t i a lf o rt h ei n t e r p r e t a t i o no f t h e i rb i o c h e m i c a l b e h a v i o ro ra s s e s s m e n to ft h ep o t e n t i a ld a n g e r fi r 8 t l y ，s i l i c ag e lw a sr e a c t e dw i t ht e t r a e t h y lo r t h o s i l i c a t eb y r e f l u x i n g12h o u r s 1 na n h y d r o u st o l u e n e ，t h e nt h e1 , 5 - d i p h e n y l c a r b a z o ng r a f t e ds i l i c a g e lw a ss y n t h e s i z e b yu 8 m gt h ep r o d u c t i o no ft h ef i s tp r o c e s sa n d1 , 5 d i p h e n y l c a r b a z o n e t h e nt h e a n a l y t i c a ic h a r a c t e r i s t i c so ft h e1 , 5 - d i p h e n y i c a r b a z o n eg r a f t e ds i l i c a g e la r es t u d i e d u 8 1 n gv 1 s i b l es p e c t r o p h o t o m e t r y , s u c ha ss t a b i l i t y , t h ec o n d i t i o no fp r e c o n c e n t r a t i o n a n d8 e p a r a t i o nf o ri n o r g a n i cm e r c u r ya n dm e t h y lm e r c u r y ，t h eq u a n t i t yo f a b s o 科i o n a n dt h es p e e do fe n r i c h m e n t s e c o n d l y ，t h em o d i f i e ds i l i c ag e lw a sp a c k e di nam i c o c o l u m nl i n k e dw i t hf l o w 1 n j e c t i o na n da t o m i cf l u o r e s c e n c es p e c t r u m t h e ni tw a sf o u n dt h a tt h em i c o - c o l u m n p a c k e dw i t hg r a f t e ds i l i c ag e lc o u l ds e p a r a t ea n de n r i c ht h et r a c ei n o r g a n i ca n d o 略a n l cm e r c u r yi nd i f f e r e n tp h m o r e o v e r , t h eg r a f t e ds i l i c a g e lc o u l de l l r i c ht h e m e r c u r yo yi nas o l u t i o nc o n t a i n e dm a n yd i f f e r e n tk i n d so fi o n s a tl a s t ，t h i sm e t h o d w a sd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l yf o rd e t e r m i n a t i o no fm e t h y lm e r c u r yi nt h ec o d f i s h s m a l l y e l l o wc r o a k e r , s a s h i m i ，s i l v e r yp o m f r e td o g f i s ha n ds oo n jn ee x p e n m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e s em e t h o d sc o u l d s e p a r a t ea n de n r i c ht h ei n o r g a n i c m e r c u r y 锄dm e t h y lm e r c u r yi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n m o r e o v e rt h i sg r a f t e ds i l i c ag e lh a sq u i t eg o o d e n r i c h f n e n tc a p a b i l i t yf o ri n o r g a n i cm e r c u r ya n do r g a n i c m e r c u r y , e a c ha b s o r p t i o nq u a n t i t yi s 5 3 m g g 。a n d4 5 m g g b a s e do i lt h e s e 、r e s u l t s ，n e wm e t h o d sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fm e r c u r y s p e c i a t i o nh a v e b e e ne s t a b l i s h e dw i t hh i g hs e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y k e y w o r d s ：1 , 5 一d i p h e n y l c a r b a z o n ，m e r c u r y , f l o wi n j e c t i o n ，a t o m i c f l u o r e s c e r l c e ，s i l i c ag e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：利、互友 签字同期：2 阴否 年月l o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：利盘贞 导师签名： 侈辫 签字日期：2 0 。a 年 月o 日 基字日期：删年月刃日 第一章文献综述 1 1 汞的污染与危害 1 1 1 汞的污染 第一章文献综述 1 9 5 3 年，日本九州熊本县水俣市发生了震惊世界的水俣病，当时由于病因 不明，故称之为水俣病。直到1 9 6 2 年才确定水俣病的发生是由于汞的环境污染， 特别是常期食用被污染的鱼和贝类引起的甲基汞慢性中毒。这是从水俣镇的工厂 排放的氯化甲基汞污染海域，使鱼和贝类中毒造成的。1 9 7 4 1 9 7 5 年在委内瑞拉 的一家制造苛性钠的工厂，发生了一起怪病致使1 6 人死亡，经卡腊博博大学 m o n a c o 教授等人调查，认定这是在制造苛性钠过程中吸入汞蒸汽而引起的无机 汞中毒。几乎在同一时期，我国第二松花江，由于吉林化学工业公司等排放含汞 的废水，使一些江段，在污染高峰期，沉积汞高达4 4 0m g l 一，超过自然本地质 的3 1 0 0 倍【j j 。 一份全球汞状况评估报告指出，自工业革命以来，汞在大气，水和土壤 中的含量己增加了三倍左右，在工业区附近汞的含量更高，汞污染的不断加剧对 人类健康和环境造成了极大危害。 1 1 2 汞对人类的危害 含汞的物质可以通过各种途径进入水体或大气中。由于汞属重金属盐类，用 一般生化方法难以降解，因此它们在自然环境中能长期存在，并且会通过食物链 等进入人体，危及人类健康。金属汞和无机汞损伤肝脏和肾脏，但是一般不在身 体内长期停留而形成积累性中毒。毒性最大的是甲基汞，甲基汞对人的作用特别 顽固，进入人体后遍布全身各器官组织中，主要侵害神经系统，尤其是中枢神经 系统，其中最严重的是小脑和大脑两半球，并且这些损害是不可逆的。 甲基汞的毒性之所以比无机汞的毒性大很多与甲基汞的特性有关：甲基汞具 有亲脂性，易溶于脂肪和类脂质中；甲基汞的c h g 键很牢固，在体内不易断裂， 在细胞中能保持原形，医学上称之为原形蓄积；甲基汞具有高神经毒性。 甲基汞进入人体后，在胃中形成氯化甲基汞，在肠道1 0 0 被吸收( 无机汞仅 为5 7 ) ；依其脂溶性，溶于血液的红细胞膜脂类中，进一步与红细胞的血红蛋 白相结合，随血液输送到各器官。在脑组织中蓄积最多，其次是肝脏和肾脏。甲 第一章文献综述 基汞中毒的机理是：甲基汞与酶蛋白的巯基相结合而形成硫醇盐，使一系列含 一s h 基的酶( 如过氧化酶，细胞色素氧化酶，琥珀酸氧化酶，葡萄糖脱氢酶，琥 珀酸脱氢等) 的活性受抑制，甚至失活，从而破坏了细胞的基本功能和代谢。甲 基汞使细胞的通透性发生了改变，破坏细胞中的离子平衡，抑制营养物质的进入 和离子渗出细胞膜，最终导致细胞坏死。甲基汞进入肝脏细胞，使其解毒作用被 破坏，并损害肝脏合成蛋白质的功能和其它功能。甲基汞能通过血脑屏障进入脑， 脑细胞富含脂类，对甲基汞的亲和力很强。甲基汞对成人的脑的侵害部分有一定 的选择性；对胎儿脑的侵犯则遍及全脑。甲基汞进入脑细胞后，仍保持原形，以 整个分子形式损害脑细胞，使末稍神经中感觉神经元出现强烈的变性，先是神经 肿胀，伸长，尔后细胞内部结构被破坏，使整个细胞脱落而变成海绵状，最后丧 失其全部功能。临床则出现危害的持续性，进行性和不可恢复性，如手足运动笨 拙发展为失去感觉而成残废、由中心性视野缩小发展为失明等。 1 1 3 汞的甲基化 自震惊世界的水俣病发生以来，人们开始认识并重视汞的毒害以及转化问 题。后来研究证实了水俣病是由鱼肉中的甲基汞所致。它通过生物富集和食物链 转移在人体内积累，使人致病。6 0 年代中期，瑞典发现：在污染的水域中，无 论排放的含汞废水是含无机汞或是苯基汞，鱼体内富集的主要都是甲基汞，这引 起了人们对汞转化的高度重视，1 9 7 6 年，瑞典的j e n s e n 和j e m e l o v 发现水底污泥 能使无机汞甲基化，并指出此种现象与厌氧性微生物的活动有关。同年，美国的 w o o d 在研究了非酶的甲基化作用：在河泥的厌氧区域依靠细菌( 如甲烷细菌) 分泌 的甲基钻氨素作为甲基供体，在存在a t p 和中等还原剂的条件下，把氯化汞转化 为甲基汞【1 1 。 经过各国科学工作者的十多年的研究，对汞的甲基化有了一个基本的轮廓。 汞的甲基化主要有生物甲基化和非生物甲基化两种途径。 1 1 3 1 汞的生物甲基化作用 无机汞的生物甲基化作用最早是瑞典科学家在研究养鱼池、湖泊、海岸水体 中的沉积物时发现的，其后又有很多工作者从事这方面的研究。汞的生物甲基化 作用可能是酶催化的或非酶催化的。酶催化甲基化作用需要代谢旺盛的生物参 与，而非酶催化甲基化作用只需要代谢活跃的甲基化产物。w o o d 等和l a n d n e r 首 先提出了非酶催化的汞甲基化作用详细机理。w o o d 等提出甲基钴胺素( 由多种有 机体形成的维生素b 1 2 衍生物) 对汞的微生物甲基化具有重要作用：该过程中甲基 钻胺素中的甲基基团可通过非酶催化作用转移到无机汞中，使之成为甲基汞。尽 2 第一章文献综述 管水环境中存在许多潜在的甲基供体分子，但是甲基钴胺素仍然被认为是能够转 移甲基基团的唯一的天然甲基化作用剂。它普遍存在于厌氧生态体系和生物有机 体中，因而是环境中汞甲基化作用最可能的甲基基团来源。 代谢产生的甲基钻胺素能自发地使水溶液中的h g ( i i ) 甲基化，但是人们对 于自然水体中甲基汞形成的生物化学作用了解甚少。微生物中的厌氧菌、兼性厌 氧菌和好氧菌中的一些种类均具有甲基化作用，但在厌氧条件下，微生物甲基化 作用的潜力较大，硫酸盐还原菌被认为是厌氧沉积物中无机汞甲基化的主要因 子。人们普遍认为汞的甲基化作用是在微生物体内，通过转移甲基供体( 类可琳) 分子中的甲基基团而发生。c h o i 和b a r t h a 证实了当h g ( i i ) 被菌株甲基化时，甲 基钴胺素是甲基基团的供体。在细胞内部，汞的甲基化作用是一个酶催化过程而 非自发的化学反应，在p h = 7 0 时，其甲基化速率比自由甲基钴胺素的甲基转移 速率高6 0 0 倍。该过程对氧气很敏感，最适宜的甲基化作用的条件是3 5 ， p h = 6 5 。人们已经发现了负责把甲基类可琳蛋白质中的甲基基团转移到h g ( ) 上去的酶。在汞的微生物甲基化过程中，携带汞的细胞扮演着关键的角色。 1 1 3 2 汞的非生物甲基化作用 如果有合适的甲基供体存在时，也可能发生汞的化学甲基化作用。水溶性的 甲基硅化合物与h g ( i i ) 反应形成甲基汞。有机硅氧烷和其他与硅有关的物质也是 可行的甲基化试剂。氯化汞可以与甲醇、乙醇、乙酸和丙酸在光化学作用下引入 烷基。也有报道认为在汞的光化学甲基化作用中的甲基来源于下水道污水和工业 废水。h a m a s a k i 掣2 j 己经计算出了一些可靠的光化学甲基化作用的参数。 腐殖质可能是另一重要的环境甲基化试剂。腐殖质经非生物作用形成甲基 汞，甲基汞的生成能力随温度和汞浓度的增加而提高，但在常温和自然p h 值条 件下其效率较低。 汞的甲基化作用可以是生物的或非生物的，或是两者的综合作用。例如在甲 基通过非生物作用转移给h g 后，伴随发生的是锡( 四价) 的生物甲基化作用。自 然水环境中非生物甲基化作用机理与生物甲基化作用相比，其重要性还没有被完 全认识到，但是人们普遍认为生物过程在汞甲基化作用中占主导地位。在厌氧沉 积物中由化学甲基化作用形成的甲基汞要比生物甲基化作用形成的少一个数量 级。与生物甲基供体( 如甲基钻胺素) 相比，有机铅、有机锡、有机砷化合物是更 为有效的甲基化试剂，但是这可能不会在自然环境中存在。 第一章文献综述 1 2 汞的形态分析 由于在环境和生命体中不同存在形态的元素表现出迥异的生理活性和毒 性，进入九十年代以后，以区分和确定不同存在状态为目的的形态分析成为分 析化学研究领域的一个热点p 】。根据国际理论化学与应用化学协会( i u p a c ) 定 义，“形态分析( s p e c i a t i o n ) 指确定分析物质的原子和分子组成形式的过程”， 即指元素的各种存在形式，包括游离态，共价结合态，络合配位态，超分子结 合态等定性和定量的分析方法。 1 2 1 汞的形态分析分离富集技术 形态分析最理想的方法是对样品中待研究的形态进行“原位”分析，即尽量避 免对样品进行任何形式的预处理，以保持研究形态的“原始”特性不变【4 】。但是由 于环境样品中金属含量一般很低，比如甲基汞在背景区的含量非常低，天然水体 中的浓度为0 0 2 0 1 0n g - l 1 5 , 6 ，土壤中的含量为数十n g g 。1 【7 ，引，大气的甲基汞在 p g 。m 3 数量级【9 ，1 0 】，鱼体中的甲基汞含量在数十至数百n g g ，有些可达p g g 1 数量 刎j ，并且到目前为止，由于缺少高灵敏的选择性检测技术，还不能解决实际样 品中的直接“原位”形态分析问题，在进行最后的形态测定前还需要对样品进行富 集，分离等预处理。 从环境样品中萃取富集汞化合物的技术大致可以分为以下几种。 1 2 1 1 酸解溶剂萃取 这种萃取技术以2 0 世纪6 0 年代w e s t o o 提出的在h c i 介质中用苯从鱼肉中萃 取甲基汞为代表，这一萃取过程需要分几次进行才能得到纯净的甲基汞苯溶液。 在此基础_ e _ p a d b e r g 和b u l s k a 分别在h c i 中加入了n a c i ，r e z e n d e 等在h c i 中加入了 k b r ，而l a n s e n 等则向h c i 中加入碘乙酸，再用苯，甲苯，氯仿或二氯甲烷等有 机溶剂连续萃取，可从样品中选择性地萃取甲基汞。试验表明，当甲基汞的含量 低于0 5n g l 1 时，苯不能达到完全萃取，用半胱氨酸或硫代硫酸钠从苯或甲苯萃 取剂中反萃取，可富集汞的化合物。但用微波等离子体原子发射光谱( m i p a e s ) 测定时，甲苯萃取剂会导致背景值的增加。研究认为，加入络合剂有助于提高氯 仿萃取甲基汞的萃取率，而) j f l 入h g c l 2 或c u c l 2 可将固体样品中的甲基汞与复合的 s h 基团分离1 4 j 。 土壤和底泥中富含矿物质、硫化物、氨基酸和蛋白质等，这些物质中所含的 巯基与汞化合物的结合非常牢固，必须加入氢卤酸( 盐酸和氢溴酸) 或有机酸( 柠檬 酸、抗坏血酸、草酸和半胱氨酸) 和络合剂将汞化合物从土壤和底泥中释放出来， 4 第一章文献综述 形成烷基汞卤化物，从而能溶解在甲苯或氯仿等有机溶剂中。h e m p e l 等人比较 了几种从土壤中有效萃取各种汞化合物的方法，盐酸、碘化钾抗坏血酸和草酸 萃取甲基汞的效率分别可达8 0 、7 8 和8 3 ；萃取乙基汞的效率分别可达 8 6 、3 2 和8 3 。半胱氨酸仅能部分( 3 6 ) 地将甲基汞从土壤中萃取出来， 而对乙基汞的萃取率为0 。汞化合物被萃取至甲苯或氯仿后，将有机相转移入样 品管中，或者直接缓慢吹入氮气或空气，将有机溶剂吹干后用流动相稀释进样可 提高灵敏度，或者用硫代硫酸钠( 用醋酸铵调节酸度) 或半胱氨酸反萃取后直接进 样，若必要可向硫代硫酸钠溶液中吹入氮气或空气使其蒸干，而后将有机汞溶解 在水中【12 1 。 酸萃取的局限性在于甲基汞不能定量的从基体中分离出来，盐酸萃取率只有 8 4 ，仍有1 6 保留在底泥中，或者已分解，或者键合能力太强，不能被有效萃 取出来。有1 3 的汞不能被萃取至甲苯中，甲苯萃取过程中的损失可归因于甲基 汞的分解。在旋转蒸发过程中，甲基汞的挥发性会导致其损失。萃取过程中的总 损失率达5 0 。加入c u s 0 4 和h b r 可提高甲基汞的释放量，但仍不能定量释放。 另一方面在甲苯或氯仿萃取过程中容易产生泡沫，通过放置泡沫可消失，得到两 相的完全分层，但反萃取至半胱氨酸时发现甲基汞的回收率极低。 1 2 1 2 碱消化萃取 从底泥中提纯、分离甲基汞，使用较多的方法是盐酸浸取和碱液消化法。由 于底泥中大量有机物质的存在，用酸有机溶剂萃取会发生严重的乳化现象，产 生大量的泡沫，增加了萃取时间。h o v e r t 等人用2 5 氢氧化钾甲醇溶液消解了 底泥，降低了萃取时间，可以减小萃取过程中所产生的泡沫，使萃取溶液均一。 对于生物样品来说，碱消解也是一种非常有效的萃取方法，萃取效率可达 9 5 - 1 0 5 j 。常用的碱消解试剂为四甲基氢氧化铵或2 5 氢氧化钾甲醇溶液。 在超声水浴中萃取可将萃取时间由l - - - 2 4h 缩短至1 - - - 2h 。待碱消解液冷却后， 加入6m o l l 1 盐酸酸化，然后加入双硫腙萃取，用硫代硫酸盐溶液再次反萃取， 可有效减少基体干扰效应【1 2 】。 但是与酸萃取相比，由于不易获得较纯的碱溶液，碱萃取法易导致样品的玷 污。此外，碱消化萃取法还会导致样品基体中的有机物，硫化物或有色金属离子 与汞化合物的共萃取，给后续的预富集，分离和测定带来严重的干扰。 、 1 2 1 3 固相萃取法 随着近年来许多新的样品前处理方法和技术迅速发展，固相萃取( s o l i dp h a s e e x t r a c t i o n ，s p e ) 驯也发展成为其中一种较理想的样品预处理技术。s p e 在实验中 的首次应用源于五十年前【1 4 ”】，到七十年代中期固相萃取开始蓬勃发展起来。与 第一章文献综述 传统的液液萃取相比，s p e 具有设备简单、能将分离和浓缩合为一步、省时、耗 用溶剂少、不易乳化等优点，并且能进行自动控制和现场分析，是样品前处理技 术中最简单、高效、灵活的一种手段，被认为是分析化学样品处理技术的一场革 命【1 6 】。广泛应用于环境样品中痕量金属离子和有机污染物( 尤其是农残) 的分离 与富集。l e e 和m o w r e r 用巯基棉纤维填料作吸附剂将水溶液中的甲基汞吸附到微 柱上，用2m o l l h c i 洗脱后经苯萃取，最后用g c e c d 检测。j i a n 和m e n a 等人 直接用巯基棉微柱进行野外采样，从水样中萃取无机和甲基汞，采样装置包括一 个在线过滤器，一根巯基棉纤维填充柱和一个注射器。溶液中的无机和有机汞也 可被二硫代氨基甲酸盐填充柱富集，经酸性硫脲洗脱后用甲苯萃取，再经格氏化 反应，并可通过多种手段，特别是气相色谱微波等离子体原子发射光谱 ( g c m i p a e s ) 进行分离和测定1 4 j 。 在固相萃取技术的研究中，固相萃取试剂是最为关键的组成部分，是实现对 目标金属离子进行高效和高选择性萃取分离富集的核心技术所在，固相萃取剂的 性能优良与否，对待测分析物的分离起着决定性的作用，是影响分析灵敏度和选 择性的关键因素，所以对新型固相萃取剂的探索成为金属离子固相萃取领域中最 为重要、最为活跃的研究部分。 用于痕量金属元素萃取的固相萃取剂可以是疏水性或非极性的反相吸附剂， 也可以是那些比样品具有更强极性的正相吸附剂。萃取剂类型和性质是影响痕量 金属元素被有效吸附的重要因素。根据实验要求选择合适的固相萃取剂是至关重 要的。在对痕量金属离子进行固相萃取的实际应用中，固相萃取剂一般要满足以 下几个条件： ( 1 ) 能在尽可能大的p h 范围内萃取大量的痕量金属元素； ( 2 ) 能快速定量的吸附与洗脱痕量金属元素； ( 3 ) 对痕量金属元素具有较大的吸附容量； ( 4 ) 具有再生性。 高选择性的固相萃取技术在很大程度上是基于对固相萃取剂选择范围的广 泛性。固相萃取剂主要可以被分为基于有机载体( 天然高分子或合成的高分子) 和 基于无机载体( 硅胶、氧化铝、氧化镁和其他氧化物) 两大类。为了实现高选择性 的萃取，可以将对待测元素具有选择性吸附能力的有机功能基团负载于固相载体 表面。改性后的固相萃取剂对特定金属元素一般具有高选择性，且富集倍数高， 可反复利用等优点。 1 2 1 4 固相微萃取法 固相微萃取法( s o l i dp h a s em i c r o e x t r a c t i o n ，s p m e ) 是近十年发展起来的一种 6 第一章文献综述 新的分离富集技术。s p m e 有两种萃取方式，即将萃取纤维直接插入样品中的直 接萃取法和将纤维暴露于样品项空中的顶空萃取法。对于强极性待测物则可通过 衍生反应来降低待测物的极性。目前普遍使用两种衍生化方法：( 1 ) 将衍生试剂 加入待测样品中进行衍生化反应后再进行萃取；( 2 ) 将萃取纤维浸入衍生试剂中， 待涂层中吸附了一定量的衍生试剂后进行萃取，这时在纤维涂层上萃取过程和衍 生化反应同时进行。 用s p m e 法萃取出待测物后可直接与气相色谱或高效液相色谱联用，在进样 口将萃取的组分解吸后进行色谱分离与分析检测。s p m e 的解吸过程随着后续分 离手段的不同而不同，与g c 联用时，将萃取纤维插入进样口进行热解吸即可。 为了进一步加快分析速度，还发展了各种解吸方式，其中包括使用由热脉冲加热 而非持续加热的气化室，使用装有内热装置的萃取纤维，利用金属作萃取纤维通 过加电压后的瞬时短路来高温解吸或使用激光脉冲加热解吸。与g c 联用不同， s p m e h p l c 联用的解吸过程是通过溶剂进行洗脱，即通过使用微量溶剂洗涤萃 取纤维来解吸萃取物并直接进入后序的h p l c 分析，而非热解吸”j 。 1 2 1 5 离子交换法 利用元素的价态或配位情况的不同，或与离子交换树脂的亲合力的不同， 选用合适的淋洗液，可直接分离、分析同一元素的不同形态。水体中的自由离子 和不稳定络合物通常被认为是主要的毒性形态，所以利用离子交换树脂中交换集 团的吸附能力，可测定吸附在树脂上的不稳定络合态的量和元素的总含量，求差 值则可得稳定态含量。c h e l e x 1 0 0 是最常见的螯合树脂，胶体形态的金属不被吸 附，从而将胶体颗粒及不易离解的金属离子络合物与离子态及易离解的络合物分 离。 1 2 1 6 吸附法 吸附法可分为静态吸附和动态吸附两大类，吸附机理随吸附剂的结构、性能 不同而不同。可利用吸附剂特有的功能团、表面净电荷或表面键能、表面特定孔 径与待分离富集元素形成配位化合物( 或离子缔合物) 或形成物理吸附达到分离 富集待测元素特定形态的目的。2 0 世纪9 0 年代，注重对传统吸附剂的改性，即 在母体上引入具有选择性吸附或螯合功能基团，以实现对单一成分的选择性分离 富集，其特点是富集倍数大、操作简便。根据吸附剂的不同可分为巯基棉类吸附、 活性炭吸附、泡沫塑料吸附、壳聚糖吸附、聚胺类吸附、改性纤维吸附等。树脂 是另一大类吸附剂，通过把具有某一特征基团的分子连接至树脂骨架上从而大大 提高和改善了吸附的选择性，根据吸附机理不同，分为螯合树脂、浸渍树脂、萃 取树脂、负载树脂等。 7 第一章文献综述 此外，开发高选择性、高吸附容量、环境友好的吸附剂正在成为吸附法研究 的新方向。利用生物质表面成分和结构的特异性所赋予的高度选择性，可在多元 素或多组分共存时选择吸附某一特定元素仍至特定形态，如利用甲醛改性绿茶分 离富集无机汞、烷基汞和苯基汞引。 1 2 1 7 冷阱捕集法 低温冷阱法是富集汞的另外种方法，它是通过捕集汞的氢化衍生物和乙基 化衍生物来实现的。b l o o m 和r a p s o m a n i k i s 等研究小组发现通过乙基化反应，将 汞化合物转化成挥发性有机汞的形态并从环境样品中蒸馏分离，是提高分离效 率，增加测定灵敏度的有效途径。对冷蒸气和氢化物发生，n a b h 4 是常用的还原 剂。乙基化反应则是在p h = 4 9 的条件下，通过二价汞离子和甲基汞与n a b ( c 2 h 5 ) 4 反应原位生成挥发性的二乙基汞和甲基乙基汞。汞的乙基化反应速度比氢化反应 慢，但乙基化反应不会产生过量氢 4 1 。 1 2 2 汞的形态分析技术 与各种分离富集技术配合使用的检测方法包括可见分光光度法，原子光谱 法，毛细管电泳法以及联用技术等。 1 2 2 1 可见分光光度法 用于汞的形态分析的可见分光光度法中，高灵敏，高选择性的显色试剂和显 色体系的研究是两个主要方向。以双硫腙作为显色剂、四氯化碳萃取在吸光光度 法的测定中应用最广，在国际上已成为汞的标准方法之一【l 引。双硫腙与金属离子 的水溶液混合后，形成螯合物，后者溶解在有机溶剂中呈一定颜色。一价汞与双 硫腙的螯合物在弱酸性( p h0 1 0 5 ) 条件下，溶解于四氯化碳或者氯仿中，呈橙 色( 酮氏络合物) ；在碱性条件下则呈紫红色( 烯醇式络合物) 。另外，二价汞在弱 酸性条件下，溶于四氯化碳或氯仿中，呈黄橙色( 酮氏络合物【2 0 】随着汞分析的不 断发展，吸光光度法在汞的形态分析中有了新的应用。刘颖等【2 1 】以硫代米氏酮 ( t m k ) 为显色剂，选用7 3 2 型阳离子交换树脂，作h g ( i i ) 的树脂相分光光度测定。 徐成刚则用硫代米氏酮与甲基汞形成络合物建立了甲基汞的分光光度法，分别在 水相和有机相测定了鱼肉中甲基汞的含量【2 2 1 。另外，结合其它分离富集方法，大 大提高了吸光光度法在痕量汞分析中的应用。 1 2 2 2 原子光谱法 原子吸收光谱法( a a s ) 是痕量汞分析中应用最广泛的方法之一，尤其是冷原 子吸收光谱法( c v a a s ) ，它极大地提高了测定的灵敏度，可方便地进行l o 母 第一章文献综述 g 一( 或1 0 一n g m l 。) 级汞的分析。范美容等【2 3 】用巯基棉富集水中痕量汞，用饱和 氯化钠的盐酸溶液解吸，冷原子吸收法测定，其最低检测浓度可达0 0 0 3 嵋l ， 方法相对标准偏差为3 8 6 9 ，巯基棉汞平均回收率为9 1 9 。该法操作简 单、快速、富集倍数大，适用于天然水中痕量汞总量的测定。结合其它富集分离 方法，可测定1 0 j 2g g 。( 或1 0 。2n g m l - 1 ) 级汞，是目前汞分析中最主要和普及的 方法之一。在c v a a s 法中还原剂k b i - h 和n a b h 4 的引入，较传统的s n c l 2 还原法快 速简便。c v a a s 在线分析可提高测定汞的灵敏度，进一步探讨了流动注射c v a a s 法在汞形态分析中的应用，并测定了生物组织中汞的总量。 石墨炉原子吸收光谱法( g f a a s ) 具有很高的灵敏度，适用于试样中痕量汞的 直接测定。用h n 0 3 a g n 0 3 m n 0 4 溶液预处理汞的样品，悬浮液进样g f a a s 法 测定土壤中汞，该法操作快速、简便，可靠性很好。另外，可用氢化物g f a a s 法测定了超痕量的汞。也有用二步萃取缝式石墨管原子捕集原子吸收法测定了 水样中无机汞。或将样品溶解在苯中，以n a 2 s 2 0 3 溶液反洗出汞，利用反洗液中 n a 2 s 2 0 3 作基体改进剂，用g f a a s 法测定了聚苯乙烯泡沫塑料中汞，特征量为8 0 p g 0 0 0 4 4a 。 原子荧光光谱法( a f s ) 灵敏度高，适合于( 1 0 母- 1 0 。1 2g g 一) 级痕量汞的分析， 是一种很有推广价值的测汞方法。原子荧光法测定化探样中汞，绝对检出限达到 1 5 x1 0 。1 1g ，电熟无火焰原子荧光测汞法，绝对检出限低至5 x1 0 以2g 。用a f s 法 实现了无机汞和有机汞的半自动分析，检出限低于n g l - 1 。冷原子荧光光谱法的 应用，使操作更加简便、迅速。李仲根等1 2 4 】在水浴中，王水消解一冷原子荧光 法测定土壤和沉积物中的总汞，经土壤和沉积物标准样品检验，其相对误差为 4 6 - - - 1 0 1 ，回收率为9 1 1 1 1 1 6 。d e n g 等1 2 5j 建立了都阳湖天然水及沉积 物中痕量无机汞和有机汞的氢化物原子荧光光谱法分析方法，该方法经标准物质 ( p a c s 1 ) 和加标回收实验研究表明重现性好、准确度高，回收率为1 0 4 1 0 8 。 b a g h e r i & g h o l a m i 2 6 用a f s 法实现了无机汞和甲基汞的半自动分析，检出限低于 o 1 n g l 。冷原子荧光光谱法的应用【2 7 】，使操作更加简便、迅速。阎掣2 8 1 将半 封闭混酸消化法与冷原子荧光法并用，对鱼体肌肉组织在9 5 - 1 4 0 下进行消化 并测定其体内痕量汞的含量；对水环境鱼样品汞含量的测定，实测结果与推荐值 误差小于1 1 1 ，该方法精确度高，易于操作。采用k b r 0 3 k b r h c i 体系对水样 进行消解处理，并用冷原子荧光测汞仪测定超痕量的汞，检出限可达2n g l 。 金丝预富集与原子荧光相结合可成功地用于测定潮湿空气中痕量汞。 原子发射光谱法( a e s ) 在汞的形态分析中应用不多，且基本上都是电感耦合 等离子体原子发射光谱法( i c p a e s ) 。采用s n c l 2 将无机汞还原为单质汞，用 i c p a e s 法分析了头发和水样中痕量汞。宋国玺掣删j 采用i c p a e s 法同时测定化 9 第一章文献综述 妆品中汞，该方法的回收率、精密度与原子吸收比较均无显著差异。谯斌宗等【3 0 】 用自制化学蒸气发生器，建立了k b r 0 3 k b r - k 3 f e ( c n ) 6 h c i k b h a 的 c v g i c p a e s 法直接测定饮用天然矿泉水中痕量汞的方法，其检出限为o o l 嵋l - 1 ，相对标准偏差0 5 6 2 ，回收率9 2 8 10 8 0 ，较好地满足天然矿泉水 中痕量汞的分析测定。 1 2 2 3 色谱联用技术 原子光谱联用技术是为了满足环境科学和生命科学等研究领域对元素形态 信息的需要而迅速发展起来的。然而，原子光谱分析技术只能应用于样品中元素 的总量测定。因此，仅仅依靠原子光谱分析技术已难以解决环境、生物、中草药 和食品样品等复杂基体中痕量元素的存在形态及其含量的分析。 色谱分离模式多种多样，适用范围广，是解决复杂体系中混合物分离分析的 高效手段。近年来发展起来的毛细管电泳( c e ) 技术【3 ，由于具有分离效率高、快 速、样品和试剂消耗量少以及对不同物种之间平衡扰动较小等优点，是一种很有 吸引力的形态分离技术【32 l 。毛细管电色谱( c e c ) 集c e 和液相色谱的优点于一体， 是复杂体系中混合物分离的最有潜力的技术之一【3 3 j 。但是，色谱和毛细管电泳中 的常规商品化检测器( 如紫外和荧光检测器) 应用于形态分析时具有检出限高、元 素选择性差，易受共保留或共迁移物种干扰等缺点。此外，环境和生物体系中许 多重要的金属、类金属物种紫外吸收差，本身没有荧光，因此必须进行柱前衍生 化。 将原子光谱分析技术与色谱和毛细管电泳技术联用，充分利用前者的高灵敏 度和高选择性以及后者的高分离性能的优点，实现优势互补，是解决复杂基体( 环 境、生物样品、中草药、食品等】中痕量元素形态分析的重要途径。 气相色谱原子吸收色谱法( g c a a s ) 联机技术已较多地得到了应用【3 4 1 。黄卓 尔【3 5 】采用气相色谱原子荧光法( g c a f s ) 测定环境样品中甲基汞。气相色谱原子 吸收联用技术利用了气相色谱得高分辨率和原子吸收的高灵敏度及高选择性，具 有灵敏、特效的优点，是汞形态分析有力的工具之一。但是气相色谱法要求试样 必须具有挥发性和热稳定性，因此在应用上受到一定限制。 高效液相色谱( h p l c ) 与气相色谱相比，具有汞化合物的分离在室温下和水 溶液中进行，避免了气相色谱方法中化合物的分解所引起的溶剂挥发对人体的危 害，可分离低挥发性或非挥发性的汞化合物的优点，因此高效液相色谱与多种检 测器联用，如原子吸收、原子荧光、原子发射和等离子体，可以测定环境样品和 生物样品中的汞化合物，以满足不同程度的测定要求1 3 6 。陈登云等【37 j 应用 h p l c i c p m s 联用技术进行汞的形态分析研究，证明其方法能快速的测定1 0 。2 第一章文献综述 g g 。级的痕量汞，具有极低的检出限。徐青1 3 8 1 等采用流动注射固相萃取预富集， 液相色谱分离，冷原子吸收检测的联用技术，并对有机汞的各形态进行了富集， 分离和测定。由于采用了在线排气技术和冷原子吸收测定，方法有很好的选择性。 有机汞混合物经一次进样即可连续获得各形态的含量，操作简便，快捷。 1 2 2 4 毛细管电泳法 毛细管电泳( c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，c e ) 是近十几年迅速发展起来的一种 新型分离技术，主要用于分离各种有机分子、蛋白质等，也用于分离不同的金属 离子和各种无机阴离子。贾蒯3 9 j 等发表了相关的综述。m e d i n a 等用w e s t o o 法从 海产品中萃取有机汞，形成半胱氨酸有机汞络合物用毛细管电泳分离，经熔融石 英柱，以p h 值为8 3 5 的10 0m m o l l 1 的硼氢化钠缓冲液，2 0 0a m 检测，在1 2m i n 内分离甲基汞，乙基汞，苯基汞和无机汞。何滨用毛细管气相色谱与原子吸收联 用测定了水貂皮及其它毛皮中甲基汞，乙基汞和苯基汞。 c e 主要包括毛细管区带电泳( c z e ) 、胶束电动色谱( m e k c ) 、等速电泳( i t p ) 、 等电聚焦电泳( i e p ) 等类型，具有分辨率高、速度快、分离效率高、样品用量少 等优点；其理论塔板数为几十万每米，通常对离子的分离时间在1 0 分钟以内，还 可同时分离电泳淌度相近或差别很大的同一元素的不同形态。由于以上优点，使 c e 成为适于元素形态分析的一种新型分离技术。 目前用于形态分析的毛细管电泳的通用检测器主要是紫外检测器。间接紫外 检测法是指在缓冲液中加入具有紫外吸收的物质，当那些没有或有很小紫外吸收 的分析物通过检测窗口时引起吸光度的减小，为自身没有发色团的无机离子及其 无机和有机络合物提供了可能的检测方式。用c e u v 法进行元素形态分析，虽 然简单并且可用间接u v 法检测那些无紫外吸收或紫外吸收很小的物质，但由于 毛细管的内径仅有几十到一百微米，紫外吸收的光程小，因此u v 检测器的一个 主要缺点是灵敏度不够，需采用样品预浓缩步骤或选择适当的检测系统。 c e 操作简单且具有各种不同的操作模式，也便于和不同的检测技术联用， 但是受进样量限制，最低检出浓度往往太大，且仪器昂贵，使它的应用受到一定 限制【4 0 】。 1 2 2 5 电感耦合等离子体质谱 电感耦合等离子体质谱法( i c p m s ) 在测定环境中痕量汞样品时具有检出限 低、干扰少、分析精度高、分析速度快等优点，近年来发展非常迅速。蔡玲等【