（分析化学专业论文）双浊点萃取icpaes测定环境样品中痕量金属元素的研究.pdf

戋 t s t u d yo nd e t e r m n 呵a t i o no ft r a c ee l e m e n t si n e n v i r o n m e n l a ls a m p l e sb yi n d u c t i v e l yc o u p l e d p l a s m a a t o m i ce m i ss i o ns p e c t r o m e t r ya f t e rd u a l c l o u dp o d j te x l 7 r a c t l 0 n c a n d i d a t e l e iw a n g s u p e r v i s o r p r o f j i a n r o n gc h e n d i s c i p l i n e a n a l y t i c a lc h e m i s t r y c o l l e g eo fc h e m i s t r y l i f es c i e n c e z h e j i a n gn o r m a lu n i v e r s i t y j i n h u a3 2 10 0 4 z h e j i a n g f 中 嚏 t 双浊点萃取一i c p a e s 测定环境样品中痕量金属元素的研究 摘要 双浊点萃取 d u a lc l o u dp o i n te x t r a c t i o n d c p e 法是近年出现的一种萃取方 法 已用于生命科学和环境科学等领域的研究中 它以传统的一次浊点萃取 即 浊点萃取 c l o u dp o i n te x t r a c t i o n c p e 为基础 通过加入反萃取试剂 再次经过恒 温和离心 将一次浊点萃取物中的待测成分由表面活性剂富集相转移到水相 并 进行检测分析 实验中的重要参数 如溶液的酸碱度q h 离子强度 温度等引 发相分离 使疏水性物质与亲水性物质分离 该技术具有简便 安全 高效和低 廉等优点 近年来已成功地用于酚类 植物激素和汞类的分离富集 并与毛细管 电泳 c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r c s i s c e 联用 但是 有关与电感耦合等离子体 原子 发射光谱 i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a a t o m i ce m i s s i o ns p e c t r o m e t r y i c p a e s 联 用的报道较少 本论文的目的是建立一种用于环境水样中多种痕量金属元素测定 的方法 通过双浊点萃取技术对环境水样中痕量金属元素进行预富集 用 i c p a e s 进行测试 以达到同时检测环境水样中多种元素含量的目的 且获得较 高的灵敏度 准确性和较低的检测限 实验分为两个部分 1 选择l 2 吡啶偶氮 2 萘酚 1 2 p y r i d y l a z o 2 n a p h t h o l p a n 作螯合剂 t r i t o n x 1 1 4 作萃取剂 h n 0 3 作反萃取剂 对c d n i p b z n c u 和m n 进行 双浊点萃取 优化p h 反萃取剂浓度 缓冲溶液用量 p a n 浓度 t r i t o n x 1 1 4 浓度 平衡温度和时间 离心时间 离子强度和干扰离子等影响因素 在p h1 0 2m l h n 0 3 浓度为2m o ll 1 p a n 浓度为1 9 6 x l o 5 m o ll i t r i t o n x 1 1 4 浓度为 o 1 条件下 对c d n i p b z n c u 和m n 进行分离和预富集测定 各元素工 作曲线的 均在0 9 4 9 4 以上 富集倍率分别为1 7 8 8 2 0 6 6 2 4 2 4 1 6 7 9 1 9 3 3 和1 9 9 7 检测限分别为0 0 0 0 4 0 0 0 1 6 0 0 0 7 9 0 0 0 1 8 0 0 0 1 5 和0 0 0 1 3 鹇m l 方法用于自来水 婺江水及校园湖水中痕量金属元素的测定 结果令人满意 2 选择二乙基二硫代氨基甲酸钠 s o d i u md i e t h y l d i t h i o c a r b a m a t r e d d t c 作螯 合剂 t r i t o n x 一1 1 4 作萃取剂 h n 0 3 作反萃取剂 对c d n i z n c u 和f e 进 行双浊点萃取 优化p h 反萃取剂浓度 缓冲溶液用量 d d t c 浓度 t r i t o n x 1 1 4 浓度 平衡温度和时间 离心时间 离子强度和干扰离子等影响因素 在p h6 l 一 2 匀 c p e b a c k e x t r a c t i o nr e a g e n tw a sa d d e da f t e rt h ef i r s tc p e t h e nt h es y s t e m u n d e r w e n th e a t i n ga n dc e n t r i f u g a t i o n a n da n a l y t e sw e r ea l s o s e p e r a t e df r o m h y d r o p h o b i cp h a s et oh y d r o p h i l i cp h a s e a tl a s t a n a l y t e sw e r ea n a l y z e db ym o d e r n c h e m i c a li n s t r u m e n t s t h et w op h a s e sw e r es e p a r a t e d w h i c hr e s u l t e df r o mt h ee f f e c t o fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ss u c ha sp h i o n i cs t r e n g t ha n dt e m p e r a t u r e e t c d c p ei s a l l e a s y s a f e h i g he f f i c i e n c ya n di n e x p e n s i v em e t h o d o l o g yf o rs e p a r a t i o na n d p r e c o n c e n t r a t i o n t h ed c p et e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e di nt h ec h e m i c a ls u b s t a n c e s s u c ha sp h e n o l s a u x i n a n dm e r c u r yc l a s s e s a n da l s oc o m b i n e dw i t hc a p i l l a r y e l e c t r o p h o r e s i s h o w e v e r b a s e do nd c p e i c p a e si nt r a c ea n a i y s i sh a ss e l d o mb e e n r e p o r t e d an e wm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft r a c ee l e m e n t si ne n v i r o n m e n t a l w a t e rw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y t r a c ee l e m e n t si ne n v i r o n m e n t a lw a t e rw e r e p r e e o n c e n t r a t e dt h o u g hd c p em e n t i o n e da b o v e s e c o n d l y p r e c o n c e n t r a t e de l e m e n t s w e r ed 懈t e db yi c p a e ss i m u l t a n e o u s l y s a t i s f a c t i o nr e s u l t sw e r eo b t a i n e d s u c ha s l l i 曲s e n s i t i v i t y v e r a c i t y a n dl o wl i m i t so fd e t e c t i o n l o d t h i sp r e s e n t e x p e r i m e n tc o n s i s t so f t w op a r t sa sf o l l o w 1 1 2 p y r i d y l a z o 2 一n a p h t h o lw a su s e da sc h e l a t i n gr e a g e n t t r i t o n x 11 4a s s u r f a c t a n ta n dh n 0 3a sb a c k e x t r a c t i o nr e a g e n tf o rt h ed c p eo fc d n i p b z n c u a n dm n t h e nt h ee f f e c to fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw a so p t i m i z e d s u c ha sp h b a c k e x t r a t i o nr e a g e n tc o n c e n t r a t i o n b u f f e rs o l u t i o nd o s a g e p a nc o n c e n t r a t i o n t r i t o n x 11 4c o n c e n t r a t i o n e q u i l i b r a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m e c e n t r i f u g a t i o nt i m e i o ns t r e n g t ha n di n t e r f e r e n c ei o n s e t c u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s d c p ei nt h e p r e s e n c eo fp h10 2m lb a c k e x t r a c t i o nr e a g e n th n 0 3c o n c e n t r a t i o n2m o ll p a n c o n c e n t r a t i o n1 9 6 x1 0 巧m o ll 1 t r i t o n x 一11 4c o n c e n t r a t i o n0 1 p e r m i t t e dt h e p r e c o n c e n t r a t e df a c t o r so f17 8 8 2 0 6 6 2 4 2 4 16 7 9 l9 3 3 a n d19 9 7 a n dt h e i 重 l a 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 第一章综述 1 1 1 环境中金属元素的污染 1 1 2 环境中重金属元素的来源及其危害影响 2 1 3 溶剂萃取法 4 1 3 1 溶剂萃取概念和基本类型 5 1 3 2 溶剂萃取基本参数 5 1 3 2 1 分配系数 5 1 3 2 2 分配比 6 1 3 2 3 萃取率 6 1 3 3 有机溶剂的选择 6 1 3 4 溶剂萃取法的优缺点 7 1 4 浊点萃取技术 7 1 4 1 浊点萃取概述 7 1 4 2 浊点萃取技术原理 8 1 4 2 1 表面活性剂胶束溶液体系 8 1 4 2 2 浊点萃取法的分离机理 9 1 4 3 浊点萃取方法 1 0 1 4 4 浊点萃取常用的参数 1 1 1 4 5 浊点萃取技术的应用 ll 1 4 5 1 浊点萃取在有机物萃取与分析检测中的应用 1 1 1 4 5 2 浊点萃取在金属离子测定中的应用 1 3 1 4 5 3 浊点萃取技术与后续检测方法结合 1 7 1 4 5 4 浊点萃取在金属离子形态分析中的应用 2 3 1 5 双浊点萃取技术 2 4 1 5 1 双浊点萃取技术概述 2 4 1 5 2 双浊点萃取技术 2 4 1 5 2 1 双浊点萃取基本原理 2 4 1 5 2 2 双浊点萃取方法 2 5 1 5 3 双浊点萃取技术的应用 2 5 课题的提出 2 5 p a n 双浊点萃取 i c p a e s 同时测定六种痕量金属元素的研究 2 7 引言 2 7 实验部分 2 7 2 2 1 仪器 2 7 2 2 2 主要试剂 2 7 2 2 3 仪器工作参数 2 8 2 2 4 实验方法 2 8 2 2 4 1 浊点萃取和实验方法 2 8 2 2 4 2 样品测定 2 8 结果与讨论 2 9 2 3 1p h 的影响 2 9 2 3 2 反萃取剂的影响 2 9 2 3 3 缓冲溶液用量的影响 3l 2 3 4p a n 浓度的影响 3 l 2 3 5t r i t o n x 11 4 浓度的影响 3 2 2 3 6 平衡温度和时间的影响 3 3 2 3 7 离心时间和离子强度的影响 3 4 2 3 8 共存离子干扰实验 3 5 2 3 9 工作曲线及检测限 3 6 2 3 1 0 水样分析及回收实验 3 7 2 4 结论 3 8 第三章d d t c 双浊点萃取 i c p a e s 同时测定五种痕量金属元素的研究 3 9 3 1 引言 3 9 3 2 实验部分 3 9 乞 吒 3 2 1 仪器 3 9 3 2 2 主要试剂 3 9 3 2 3 仪器工作参数 4 0 3 2 4 实验方法 4 0 3 2 4 1 浊点萃取和实验方法 4 0 3 2 4 2 样品测定 4 0 3 3 结果与讨论 4 1 3 3 1p h 的影响 4 1 3 3 2 反萃取剂的影响 4 1 3 3 3 缓冲溶液用量的影响 4 2 3 3 4d d t c 浓度的影响 4 3 3 3 5t r i t o n x 1 1 4 浓度的影响 4 4 3 3 6 平衡温度和时间的影响 3 3 7 离心时间和离子强度的影响 4 6 3 3 8 共存离子干扰实验 一4 7 3 3 9 工作曲线及检测限 4 7 3 3 1o 水样分析及回收实验 4 8 第四章总结与展望 5 0 参考文献 51 在读期间发表的论文和获得的成果 6 l 致谢 6 2 浙江师范大学学位论文独创性声明 6 3 学位论文使用授权声明 6 3 嚏 j 第一章综述弟一早环怂 1 1 环境中金属元素的污染 随着社会经济的发展 生产生活资料的消耗量日趋增大 金属污染物对环境 的污染也日益严重 据统计 对我国环境污染较严重的金属元素有铅 汞 镉 砷 铬 铊等 重金属在自然界中较难消失 它们常常通过生物链被不同的生物 捕食 甚至在高等动植物体内沉积和富集 进而危害人体健康 现代科学技术和 工农业生产的发展 对物质的分离富集技术提出了越来越高的要求 伴随着人们 对化学 环境科学 生物学和生态学等学科的不断学习和认识 大家逐渐意识到 重金属元素的研究非常重要 常言道 病从口入 水和人们的生活息息相关 因此 水质的优劣将直接 影响人们的生产生活 水体污染物大体来源于两个方面 1 在自然过程 例如大气降落物 岩石风 化 有机物自然降解等 产生 一般认为 由缓慢自然过程产生的只算是水体中 的沾染物 2 在水的应用过程中产生 如由工农业生产等经济活动中产生的废 水以及生活污水 城市污水等 在各种环境污染中 水质污染是最主要的方面之 一 而重金属污染是危害最大的水质污染问题之一 重金属通过矿山开采 金属 冶炼 金属加工及化工生产废水 化石燃料的燃烧 施用农药化肥和生活垃圾等 人为污染源 以及地质侵蚀 风化等天然源形式进入水体 加之重金属具有毒性 大 在环境中不易被代谢 易被生物富集并有生物放大效应等特点 不但污染水 环境 也严重威胁人类和水生生物的生存 我国水体重金属污染问题十分突出 江河湖水质的污染率高达8 0 1 2 0 0 3 年 黄河 淮河 辽河和松花江等十大流域的重金属超标断面的污染程度均为超 v 类 2 0 0 4 年 黄浦江干流表层沉积物中c d 超背景值2 倍 p b 超l 倍 太湖 底泥中总铜 总铅和总镉含量均处于轻度污染水平 h g 含量明显增加 苏州河 中p b 全部超标 c d 为7 5 超标 h g 为6 2 5 超标 城市河流有3 5 11 的河段 出现总汞超过地表水i i i 类水体标准 1 8 4 6 的河段面总镉超过i i l 类水体标准 2 5 的河段有总铅的超标样本出现 由长江 珠江和黄河等河流携带入海的重金 属污染物总量约为3 4 万吨 对海洋水体的污染危害巨大 全国近海岸海域的海 水采样品中铅的超标率达6 2 9 最大值超一类海水标准4 9 0 倍 铜的超标率为 2 5 9 汞和镉的含量也有超标现象 大连湾6 0 监测站沉积物的镉含量超标 锦州湾部分排污口邻近海域沉积物锌 镉和铅的含量超过第三类海洋沉积物质量 标准 据保护部 国家统计局和农业部三部门2 0 1 0 年联合发布的 第一次全国 污染源普查公报 中 我国重点流域 海河 淮河 辽河 太湖 巢湖和滇池等 工业源主要污染物排放量中重金属为0 0 1 万吨 国外同样存在水体重金属污染问题 如波兰由采矿和冶炼废物导致约5 0 的地表水达不到水质三级标准 自从上世纪日本出现痛痛病和水俣病之后 重金 属的环境污染问题受到人们的极大关注 1 2 环境中重金属元素的来源及其危害影响 镉于1 8 1 7 年被发现 在自然界中主要以硫镉矿而存在 也有少量存在于锌 矿中 所以也是锌矿冶炼时的副产品 镉常常用于锌 镉电池 颜料 塑料稳定 剂和荧光粉等的制造 镉还能用于钢件镀层防腐 然而镉对大多数生物有毒 由 于它容易与许多含软配位原子 s s e 和 的有机化合物组成中等稳定的螯合物 特别能与 s h 基强烈螯合 故镉类化合物具有较大的脂溶性 生物富集性和毒性 并能在动植物和水生物体内蓄积 人体内的镉是出生后从外界环境中吸收的 主 要通过食物 水和空气而进入体内蓄积下来 进入体内的镉主要通过肾脏经尿排 出 但也有相当数量由肝脏经胆汁随粪便排出 镉的排出速度很慢 人肾皮质镉 的生物学半衰期是1 0 3 0 年 金属镉对人体具有毒性 可以损害许多器官 它已 成为继汞和铅之后 对人体危害性排行第三的金属 在环境检测的指标中 镉的 检测也是一项必测项目 1 9 5 5 年著名的 痛痛病 就是日本富山县神通川流域 含镉废水污染了稻田 使稻米含镉量高达4 2 3p p m 平均为0 9 9p p m 长期食用 含镉米可引发 痛痛病 含镉水样中的镉含量主要是通过原子吸收分光光度法 和双硫腙分光光度法 后者对技术要求较高 且分析时间长 为了提高原子吸收 分光光度法的灵敏度 一般需先将样品作预富集处理 镍在自然界中储量丰富 常常与铁 铜和铬以合金形式存在 日常生活中摄 入6 0 0p g 的镍即可引起镍中毒 部分人群对镍更敏感 佩戴含镍饰品就会发生 过敏反应 镍及其化合物还会侵害人皮肤粘膜和呼吸道 可引起皮炎和气管炎 重者出现肺炎 依据动物实验 慢性超量摄取或超量暴露于镍环境中 可导致一 2 一 些内脏器官退行性病变 动物摄入镍盐可引起口腔或肠道部位的炎症 重者还可 能出现心肌和肝脏的恶性反应 通过人群和动物实验观察己证明 镍具有蓄积作 用 在肾 脾 肝中蓄积最多 可诱发鼻咽癌和肺癌 1 1 1 9 9 0 年 国际癌症研究 机构对镍及其化合物高度重视 通过讨论研究将其列为第一组致癌剂的名单 铅常以方铅矿 p b s 和白铅矿 p b c 0 3 的形态而存在 经煅烧后的产物是硫酸 铅和氧化铅 再还原即得金属 铅在生活中的重要来源之一是铅管 以前在住宅 建筑时用铅管或铅衬里的管道 冰箱有时也用铅衬里 这些年已经停用 改用塑 料或其它材料 铅在人体内的代谢情况与钙类似 易蓄积在骨骼之中 儿童对铅 的吸收率要比成人高出四倍以上 当人体摄入多量的铅后 主要效应与四个组织 系统相关 血液 神经 肠胃和肾 急性铅中毒通常表现为肠胃效应 随着现代 工农业的发展 有害重金属排放增多 中药同样受到污染 中药产品中较高的重 金属含量已影响到中药产品走向国际市场 在重金属污染中铅与镉的污染情况尤 为突出 铅 镉均在中国药典所确定的有害重金属检测控制之列 环境化学中对 含铅水样常用原予吸收分光光度法和双硫腙分光光度法 锌存在于许多食物当中 是人体中不可缺少的元素 锌的摄入量不足 会弓i 起食欲不振 血糖升高 生长发育迟缓和营养性侏儒症等症状 2 目前许多人盲 目服用葡萄糖酸锌等滋补品补锌 引起各种不良反应 诸如口渴 胸部紧束感 干咳 头痛 头晕 高热和寒战等症状 粉尘锌对眼和皮肤也有刺激性 尤其是 长期反复接触对皮肤的刺激危害更大 国家对饮用水中的锌含量也有一定的标准 要求 因此 有必要对锌进行深入地研究 以期更好地为生活服务 铜是一种比较常见的化学元素 在自然界中主要以自然铜 氧化铜矿和硫化 铜矿的形态存在 铜是人类机体内重要的元素之一 铜缺乏轻者可引起贫血 严 重者可导致骨骼改变 冠心病 白癜风和女性不孕症等疾病 可溶性铜盐都有毒 主要因为铜离子能使蛋白质变性 失去生理活性 因此 摄入过多的铜进入体内 可出现恶心 呕吐 上腹疼痛 急性溶血和肾小管变形等中毒现象 随着经济的 发展 工业污水中常常含有铜 当其中的铜浓度量较大时 水就表现出色臭和异 味 因此 铜有时也是环境部门监测的项目之一 中药中的铜含量也必须控制在 一定的范围 中国药典已对丹参 黄芪等多类中药材的铜含量做了明确的规定 锰在地壳中的平均丰度为9 5 0p p m 是微量元素中丰度最大的 自然界中没 有元素态的锰 以锰为主要元素的矿物近百种 而以锰为次要元素的矿物则更多 3 其中存在形态为二氧化锰的矿物多于碳酸锰和硅酸锰的矿物 锰的重要矿物是软 锰矿 辉锰矿和褐锰矿等 低浓度的锰会影响水的色 嗅 味等性状 工业用水 也对锰含量提出了相当严格的要求 锰与人类正常生活息息相关 它构成体内若 干种有重要生理作用的酶 摄入过多的锰会导致人体中枢神经系统 呼吸系统和 生殖系统的病变 铁是地壳中含量丰富的元素 平均丰度为4 7 居第四位 常见的铁矿有 磁铁矿 赤铁矿 褐铁矿和菱铁矿 前三者为铁的氧化物 后者为碳酸亚铁 虽 然铁对人和动物毒性很小 但水体中铁化合物的浓度为o 1 0 3m gl 1 时 会影 响水的色 嗅 味等感官性状 例如 水体中所含的某些铁化合物的浓度达到 0 0 4m gl 1 便会出现异味 印染工业用水中铁含量过高时 往往使产品出现难 看的斑点 因此 像塑料 纺织 造纸 酿造和食品工业的用水 对含铁量的要 求比饮用水还要高 在人体内 铁是非常重要的微量元素之一 即使摄入过量 毒性也不大 铁还可以作为酶催化剂 稳定剂和功能成分 在机体新陈代谢和发 酵过程中起着很重要的作用 酒中少量的铁能通过氧化还原作用 促使酒中某些 化合物转化为单宁酸和磷酸盐的化合物 可以提高酒的口剧3 1 1 3 溶剂萃取法 化学分离与富集技术 对于分析测试和许多生产过程来说 是非常重要的 一个好的分离富集方法 不仅可以提高分析质量 而且可以节省仪器设备投入 提高工作速度 收到事半功倍的效果 由于环境样品中重金属元素种类多 组成 复杂而且含量较低 必须经过分离和预富集等前处理才能进行各种仪器分析 目 前用来分离和富集的方法有溶剂萃取法 沉淀法 蒸馏与挥发法 离子交换与吸 附法 色谱法 电化学法 泡沫浮选法 选择性溶解法 膜分离法和固相萃取法 等 在这些方法中 溶剂萃取方法是一种常用的分离与富集方法 自从该方法问 世以来 已广泛用于分析化学 无机化学 放射化学 湿法冶金以及化工制备等 领域 每三年一届举办的国际溶剂萃取会议 i s e c 不断地概括了萃取技术发展的 新成果和新动向 伴随着科研和生产的发展 溶剂萃取法正以更快的速度继续发 展 溶剂萃取是一种利用物质在互不混溶两相中的不同分配特性进行分离的方 4 7 法 通常是利用与水互不混溶的有机溶剂 借助萃取剂的作用 使一种或几种组 分进入有机相 而另外一些组分仍留在水相中 从而达到分离和预富集的目的 4 1 1 3 1 溶剂萃取概念和基本类型 在传统萃取方法中 溶剂萃取最为常用 溶剂萃取是指将溶质从一个液相 通常为水相 转移到另一个基本不相混溶的液相 通常为有机相 的传质过程 通 过这一过程来抽提 萃取 分离溶质的方法称溶剂萃取法 溶剂萃取过程的有机 相 称溶剂相 s o l v e n tp h a s e 或溶剂层 s o l v e n tl a y e r 在无机物萃取中 常常使用萃取剂 萃取剂是指能与被萃取物化学结合 且 生成的萃合物能溶于有机相的有机试剂 按照萃合物的生成机理不同 无机物萃 取体系一般分成3 类 1 螯合物萃取体系 螯合物是一种金属离子与多价配位 体形成的具有环状结构的难溶于水而易溶于有机溶剂的配合物 螯合物萃取就是 利用这一特性进行分离的 例如 在p h9 氨性溶液中 c u 2 与 7 基二硫代氨 基甲酸钠形成疏水性螯合物 可被萃入氯仿中而与其它元素分离 这类体系常用 于萃取痕量组分 2 离子缔合萃取体系 由金属络阴离子与大体积的有机阳离 子缔合 形成离子对 而被有机溶剂萃取 金属络离子与异性电荷离子借助静电 引力作用结合形成的不带电的化合物 称为离子缔合或离子对化合物 其具有疏 水性 例如 对于主体成分的分离 就常利用金属络阴离子的盐萃取 3 协同 萃取体系 由金属离子与两种或两种以上萃取剂形成混合配合物 而被有机溶剂 萃取 1 3 2 溶剂萃取基本参数 1 3 2 1 分配系数 在一定的温度条件下 溶剂萃取体系达到平衡时 溶质在两种互不混溶的溶 剂中的浓度比为一常数 通常称为分配系数肠 r k d 争 1 l w 其中c o 和c w 分别表示物质在有机相和水相中的浓度 实验发现 肠仅是一个 近似常数 往往随萃取物浓度变化而改变 这一结果己被热力学理论所证明 因 此 分配系数仅适用于接近理想的萃取体系 即两相中只存在通过物理分配方式 进行的萃取 被萃取物与溶剂之间不发生化学作用的情形 然而 在实际应用的 大多数萃取体系中 却常常伴有化学反应 被萃取物在水相和有机相中以不同的 状态存在 故在这类情况中并不适用 1 3 2 2 分配比 在实际应用中的萃取体系 被萃取物常常以多种萃取形式存在 通过实验测 定的往往是每一相中被萃取物的各种形式的总浓度 达到萃取平衡时 萃取物在 两相中总浓度的比值称为分配比 用符号d 表示 d 且 2 彳 总 一 其中口 o 总代表有机相中被萃取物的总浓度 m w 总水相中被萃取物的总浓度 显然 d 值不是一个常数 它随实验条件的变化而异 被萃取物的初始浓度 水 相的酸度 萃取剂浓度 稀释剂浓度 稀释剂性质 掩蔽剂 盐析剂以及温度等 条件对分配比均有影响 1 3 2 3 萃取率 在实际工作中 为了衡量萃取的完全程度 常用萃取率表示 萃取率则指萃 取入有机相的物质的量占两相中物质总量的百分数 篙瓣糕川 萃取率与分配比的关系如下 c o e i m 瓦o 丽c o v o 百c 五w 一d m m c o c w d r 4 o 圪 旦 堡 一 g圪 其中r 争 即 萃取率与分配比及相比有关 分配比d 越大 萃取率 o 越大 萃取剂相对用量越多 萃取率也就越大 萃取越完全 当分配比足够大时 相比的大小对萃取影响不大 也就是 如果能找到一种分配比足够大的优良萃取 剂 就可以允许大的相比 而仍然保持足够大的萃取率 这就是萃取预富集的理 论依据 1 3 3 有机溶剂的选择 依据介电常数和极性 根据相似相溶的原理 选择与目标产物性质相近的萃 取剂 可以得到较大分配系数 此外 有机溶剂还应满足以下要求 1 不与研 究的靶向物质发生反应 2 在后续处理步骤为反萃取的情况下 可用适当的反 6 0 萃取剂进行反萃取 一般萃取能力越强的萃取剂其反萃取能力越困难 所以在选 择有机溶剂时要兼顾二者 3 具有较好的理化特性 如密度 粘度和界面张力 等 以保证两相能有效地混合 流动和分相 同时具有适宜的闪点 燃点和沸点 具有良好的热稳定性和化学稳定性 既要保证萃取的安全操作 又要与后续处理 过程实现良好地衔接 如在蒸发回收萃取溶剂的情况下 萃取剂的沸点就不能过 高 4 低水溶性 以减少萃取剂在萃取过程中的损耗 并可革除从残液中蒸馏 回收萃取溶剂的处理步骤 5 不乳化或低的乳化趋势 以保证萃取过程的顺利 进行 6 无毒或毒性小 主要是保证安全操作和环保 这一要求对于制药和食 品的萃取过程更为重要 7 价格低廉 容易接受 1 3 4 溶剂萃取法的优缺点 溶剂萃取法具有靶向性好 回收率高 仪器简单 使用容易 快捷 以及易 于实现半自动化或全自动化控制等特点 但是 该法也存在一些缺点 如使用的 萃取试剂价格常常很贵 而经常用作萃取的有机溶剂如甲醇 乙腈 氯仿和丙酮 等需要量大 较易挥发且有一定的毒性 多级萃取也存在问题 有机试剂更容易 大量频繁使用 过程也繁琐 有时萃取入有机溶剂的有效成分很难分离出来 因 此 研发一种环保 快速 方便和灵敏的痕量重金属预富集分离方法是很有必要 的 1 4 浊点萃取技术 1 4 1 浊点萃取概述 非离子表面活性剂溶液在升温条件下会自动分相 形成溶液相 a q u e o u s p h a s e 和凝聚相 c o a c c r v a t cp h a s e 溶质在两相不均匀分配 这一分离方法称为 浊点萃取 c l o u dp o i n te x t r a c t i o n c p e 析相萃取或液相凝聚萃取 也有人认为 它是双水相系统或双水相胶束系统的特例 该方法主要利用表面活性剂的增溶和分相来实现溶质的分离和富集 与传统 的液 液萃取技术相比 该萃取技术不需要大量的有机溶剂 易于操作 对环境 的影响较小 能够保护被萃取物的原有性质 如生物大分子的活性 同时能够提 供很高的富集率和萃取率 是一种资源节约型 环境友好型的分离技术 c p e 最早由w a t a n a b ch i r o t o 等提出 用于金属螯合物的分离 5 后来b o r d i c r 等又将 其用于生物大分子的分离纯化 6 1 7 1 4 2 浊点萃取技术原理 1 4 2 1 表面活性剂胶束溶液体系 1 表面活性剂简介 表面活性剂是两亲分子 即分子中一部分具有亲水性质 而另一部分具有亲 油性质 表面活性剂带有各种基团 如疏水基 亲水基及反离子 这些结构基团 根据分子的形状 大小和亲水 亲油平衡进行组合 从而使得表面活性剂具备特 有的性质 即界面选择性吸附 分子取向和胶束形成 例如 当疏水基为烷基链 c h c h 而亲水基若为 s o x 则成为阴离子型表面活性剂 亲水基若为 一n c h x 一 则为阳离子型表面活性剂 亲水基若为一 c h o 则为非离 子型表面活性剂 在溶液中 表面活性剂超过一定浓度时会从单体缔合成为胶态聚集物 即形 成胶团 溶液性质发生突变时的浓度 亦即形成胶团时的浓度 称为临界胶团 束浓度 c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n c m c 胶团的形状多种多样 一般认为 在浓度不很大 而且没有其他添加剂及加溶物的溶液中 超过c m c 不多 胶团 大多呈球状 当浓度大于c m c1 0 倍或更大时 胶团就呈棒状 浓度再增大 棒 状成束 浓度更大时 就形成巨大的层状胶团 c m c 可以作为表面活性剂表面活性的一种量度 更重要的c m c 还是表面 活性剂溶液性质发生显著变化的一个 分水岭 许多表面活性剂的性质只有在 c m c 以后才明显表现出来 如加溶作用 即表面活性剂在水溶液中使原来不溶 或微溶于水的有机化合物的溶解度显著增加 现在对表面活性剂的其他性质如溶 度等也愈来愈被人们所重视 尤其是非离子表面活性剂的溶度 表面活性剂在水 中的溶度随温度变化的规律因表面活性剂的类型不同而异 一般地 离子表面活 性剂的溶度随温度升高而加大 至一定温度以后 溶度增加很快 非离子表面活 性剂的情形则大不相同 它们一般在温度低时易与水混溶 温度升至一定高度后 则会析出 分层 当表面活性剂水溶液超过某一温度时 溶液出现浑浊和相的分离 这种现象 即为浊点现象 此时的温度称为浊点温度 c l o u dp o i n tt e m p e r a t u r e c p 静置一 段时间 或离心 后会形成两个透明的液相 小体积的表面活性剂相和水相 表面活 性剂浓度接近c m c 这种现象是一种可逆过程 当温度低于浊点时 两相消失 q 重新成为均一溶液 浊点现象是由于随着温度的升高 表面活性剂的胶束尺寸增 大 氢键的结合力不足以保持水分子连接在醚的氧原子上引起的 浊点现象并不 只限于非离子表面活性剂 两性离子表面活性剂也存在浊点现象 l i n d m a n 研究发现 在较高浓度的h c l 存在下 一些阴离子表面活性剂 如 十二烷基苯磺酸钠 十二烷基磺酸钠和琥珀酸二辛酯磺酸钠等 室温时即产生相 分离1 7 1 浊点温度与表面活性剂中亲水和疏水链长有关 疏水部分相同时 亲水链长 增加 浊点升高 相反 疏水链长增加 则浊点下降 表1 1 就列出了浊点萃取 中常用的表面活性剂的名称 临界胶束浓度和浊点温度 另外 很多添加剂如酸 碱 盐 有机物和其它的表面活性剂等都会在很大范围内影响表面活性剂的浊点 从而引发相分离 8 9 表1 1 浊点萃取中常用的表面活性剂 t a b l e l 1s u r f a c t a n tc o m m o n l yu s e di nc p e 壅亘适丝型 坚墨堕塞鎏堡g 丛生娅坚型兰 1 2鎏盛塑鏖l 兰2 聚氧乙烯脂肪醇醚 b r i j 3 0 0 0 2 0 0 62 7 b r i i 3 5 b r i j 5 6 对叔辛基苯基聚己二醇醚t r i t i o n x 11 4 t r i t i o n x 1o o 正烷基苯基聚己二醇醚p o n p e 7 5 p o n p e l l o o 0 6 0 0 0 0 6 o 1 7 o 3 0 o 2 0 o 3 5 0 0 8 5 o 0 7 o 0 8 5 l o o 6 4 6 9 2 2 2 5 6 4 6 5 5 2 0 6 2 6 5 两性表面活性剂 c 9 a p s 0 4 4 56 5爹 2 表面活性剂再生 化学分离与富集一直都在寻求环保型试剂 如果用一次性的试剂 有毒且有 污染 那么该项技术便很难应用到常规分析测试当中 传统的液一液萃取技术常 常使用大量的有机有毒的试剂 因而变得越来越难被人们接受 新型浊点萃取技 术中表面活性剂的循环再生显得尤为重要 针对该问题 目前的方法有两种方案 第一 可采用透析方法进行分离 9 第二 可采用吸附 溶剂萃取 1 1 l 和微波及 超声波方法 前者适用于常温下c m c 较高的表面活性剂 后者适用于c m c 很 低的非离子表面活性剂 目前已有对溶液中的溶质和表面活性剂进行分离的报 道 1 4 2 2 浊点萃取法的分离机理 由上述表面活性剂的性质可知 温度对其性质影响很大 因此 可通过改变 o 温度来引发相分离 以此来进行浊点萃取 一般来说 表面活性剂的浊点随其憎 水基部分的碳链增长而降低随亲水链的的增长而升高 不同体系中 表面活性剂 胶束溶液浓度与浊点温度的共溶曲线形状不同 图1 1 1 2 图1 1 a 为非离子表面 活性剂胶束溶液 当胶束溶液温度低于c p 时 溶液呈均相 l 均相区 高于 c p 时则呈两相 2 l 双相区 曲线最低点对应的浓度与温度分别为表面活性剂 的c m c 和c m t 图1 1 b 为两性表面活性剂胶束溶液 情况恰好相反 目前对 a 非离子型 i 柚 的 o k 加 o n n如 i f c n b 两性离子型 图1 1 表面活性剂胶束溶液的相图 1 2 f i g u r e l 1t h ep h a s ed i a g r a mo f s u r f a c t a n tm i c e l l a rs o l u t i o n 1 2 l 于产生两相分离的机理有两种观点 一是非离子表面活性剂的亲水基如聚氧乙烯 链在加热时脱水 使胶团间因水合作用产生的排斥力被范德华引力取代 导致胶 团絮凝而分相 二是温度升高使聚氧乙烯链的构象发生变化 从而引起胶束溶液 分层 聚氧乙烯链中的醚键氧原子容易与水分子缔合而形成氢键 o h 0 h 但又很不稳定 温度升高时容易破坏 于是 发生析出 分层而不溶的现象 由 此导致非离子表面活性剂在c p 以上发生相分离 溶液中的疏水性物质与表面活 性剂的疏水基团结合 被萃取进入表面活性剂相 而亲水性物质仍留在水相中 再经两相分离 就可将样品中的物质分离出来 1 3 图b 为两性离子表面活性剂 胶束溶液 当胶束溶液温度低于c p 时溶液呈两相 高于c p 时则呈均相 与非 离子表面活性剂性质相反 1 4 3 浊点萃取方法 浊点是非离子表面活性剂的特征常数 非离子表面活性剂溶解于水中时 亲 水基团与水分子形成氢键 当温度升高到某一点时 氢键断裂 表面活性剂与水 相分离 溶液由澄清变浑浊 经放置或离心 溶液分成两相 一相为表面活性剂 1 0 q 富集相 所占体积很小 仅约占总体积的5 另一相为水相 其胶团浓度等于 c m c 溶液中的疏水性物质与表面活性剂的疏水基团结合 被萃取进入表面活 性剂相 而亲水性物质仍留在水相中 再经两相分离 就可将样品中的物质分离 出来 这种萃取方法就是浊点萃取 同时 由于表面活性剂相的体积远小于水相 分析物在与基体成分分离的同时还可以得到一定程度的富集 详细步骤见图1 2 图1 2 浊点萃取过程示意图 f i g u r e l 2c p ep r o c e d u r e a 萃取物的初始溶液 b 加入表面活性剂后萃取物与胶束结合 c 改变溶液条件发生浊点相分离离心后萃取物富集于胶柬相 1 4 4 浊点萃取常用的参数 浊点萃取常用的参数有富集因子限 萃取率 和相率 v j v o 富集因子定 义为f o 专 其中c s 为表面活性剂富集相中分析物的浓度 c o 为富集前样品中 l 缸 分析物的浓度 萃取率e 羚 其中q a 为表面活性剂富集相中分析物的摩尔 蟛a 数 q a 为萃取前样品中分析物的摩尔数 相率 圪 也称相比 是富集前水溶 液的体积与富集后表面活性剂富集相的体积之比 该比率随着表面活性剂浓度的 降低而增加 表面活性剂的浓度需满足高的相率 并能得到易处理的表面活性剂 富集相以便检测 通常所得到的表面活性剂富集相的体积大约有1 0 0 2 5 0 肛l 1 4 5 浊点萃取技术的应用 浊点萃取已经广泛应用于有机 无机痕量物质的提取分离富集 涉及到生物 环境 医药和食品等领域 1 4 5 1 浊点萃取在有机物萃取与分析检测中的应用 浊点萃取常常应用到有机物的领域当中 因其环境温和 避免了常规生物分 离后繁琐的复性过程而受到人们的重视 浊点萃取技术是分离细胞膜中疏水性蛋白的常用方法 1 4 b o r d i c r 最早将膜 蛋白萃取进入曲拉通系列的表面活性剂中 开创了将浊点萃取法应用于生物学领 域的先河 c p e 便逐步广泛应用于生物学许多研究课题 6 1 常量分析如蛋白质 酶 受体和生物材料的纯化研究也引入了c p e 许多生物生化标准操作规程也推 荐使用c p e 到目前为止 生物领域方面 c p e 已大量用于蛋白质中疏水性物 质的分离富集 这使得疏水性生物体部分在生物分子修饰前后定量成为可能 c p e 也被应用于分离富集动植物的生化提取物 f a n g 等报道了在高含盐量 的条件下 采用t r i f i o n x 1 0 0 富集亲水性和疏水性的人参皂苷 l5 1 p a l e o l o g o s 用 c p e 将鱼组织当中的生物胺类物质富集到t r i t i o n x 1 1 4 中 l 们 s i r i m a n n e 等成功 地用c p e 富集人血清当中的多环芳烃和多氯二苯并二恶英至t r i t i o n x 1 1 4 中 随 后用h p l c 检测 1 7 r u k h a d z e 等报道了以游离的和蛋白质形式的药物为基础 基于生物流体学 检测血浆和唾液中的抗生素药物的含量 l 引 c a s e r o 等人对浊点萃取用于测定有机化合物进行了研群1 9 珈 许多不溶或微 溶于水的有机物能很好地溶于胶束中 其溶解能力与表面活性剂的类型有关 当 碳氢链的长度等同时它们的溶解能力有如下顺序 非离子型 阳离子型 阴离子 型 同时非离子型的表面活性剂的溶解能力在浊点附近随温度的上升而迅速增 加 通过控制条件能达到分离有机物的目的 c p e 可以作为流动注射分析 f l o w i n j e c t i o na n a l y s i s v i a 高效液相色谱 h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y h p l c 和c e 等仪器分析技术的样品前处理方法 提高检出灵敏度 在环境污染 物分析中得 至t j t 广泛应用 让m 3 1 表面活性剂不仅可以防止样品吸附在玻璃容器 壁上 而且易于与f i a 中的载液或i i p l c 中的有机流动相及胶束流动相混合 萃取后可以直接进样 石志红等首次将浊点萃取法应用于尿中待测化合物的提取 确定了用浊点萃 取 高效液相色谱法检测尿中丹参酮类化合物的方法 2 4 1 陈建波等对草莓汁中的 七种农药进行了富集 用t w e e n 2 0 为萃取剂 最后用h p l c 进行检测 经过条 件优化 结果的平均加标回收率为8 0 5 9 2 8 检出限是0 9 2 1 鹏k f l 2 5 夏 红用c p e 技术 利用硅表面活性剂p p 1 8 对食用油中的多环芳烃进行了分离萃 取 并与高效液相技术联用 对该多环芳烃进行了测赳2 6 1 王健用c p e 对牛奶 中的六种农药进行