一种同时对重金属离子铅、镉和汞进行富集及分析的方法

摘要

本发明涉及水溶液中重金属离子的检测分析领域，公开了一种同时对重金属离子铅、镉和汞进行富集及分析的方法，以二乙基二硫代甲酸钠或双硫腙为络合剂，与铅、镉和汞离子同时络合形成金属络合物，采用分散液相微萃取技术对金属络合物进行萃取富集，并采用X射线荧光光谱技术对萃取溶液中铅、镉和汞离子同时进行定性定量分析。本发明方法对水溶液中铅、镉和汞离子富集倍数高，富集完全，操作简便，快速，并实现了对铅、镉和汞离子的同时定性定量分析。

说明书

技术领域

本发明涉及水溶液中重金属离子的检测分析领域，具体地涉及一种同时对重金属离子铅、镉和汞进行富集及分析的方法。

背景技术

物品和环境中重金属元素的危害日益受到全社会的认识，热点危害事件层出不穷，如很多地区出现血铅超标事件等。环境中重金属元素中以铅、镉和汞的危害最大，也最为社会所认知，其检测方法和标准也很多。物品中儿童用品由于与儿童亲密接触，其所含重金属可通过部分儿童吮吸、添弄、吞咽等行为习惯将有害元素带入人体内，重金属可以在体内长期积蓄，这样将对儿童的健康产生严重的危害，所以其重金属限量也最为严格，如国际玩具安全标准-第三部分：特定元素的迁移（ISO 8124-3，second edition 2010-04-01）给出了铅、镉和汞的迁移限量，分别为铅90mg/kg、镉50mg/kg和汞25mg/kg；我国国家玩具安全技术规范（GB 6675-2003）、欧盟EN71-3：1994/AC：2002（玩具安全 第3部分：特定元素的迁移）、美国国家玩具安全标准（ASTM F963-08 Standard Consumer Safety Specification for Toy Safety）及日本玩具安全标准（ST 2002 TOY SAFETY STANDARD）也给出了相同的限量要求。物品和环境中铅、镉和汞的危害途径主要通过水溶液传递，因此对水溶液中铅、镉和汞的含量检测是必不可少的，其萃取富集和检测方法多种多样，萃取富集方法如固相萃取、分子印迹、固相微萃取、悬滴微萃取及基于中空纤维的液相微萃取等，检测方法如分光光度法、火焰原子吸收法、电感耦合等离子体发射或质谱法等。元素含量的精细检测法有原子吸光光谱法（常用的有石墨炉，火焰和氢化物发生法等），原子荧光光谱法，电感耦合等离子体发射光谱法，电感耦合等离子体质谱法等。根据有关技术规范要求，目前除了电感耦合等离子体质谱仪外，其它类型分析设备很难直接完成上述元素的检测。但是电感耦合等离子体质谱仪价格昂贵，运行和维护费用高昂，很多实验室难以承受，导致普及率较低。另外，可同时检测这三种元素的快速筛选方法有波长色散X射线荧光光谱仪，能量色散X射线荧光光谱仪，激光烧蚀进样－等离子体光谱技术（LA-ICP）以及激光烧蚀进样－等离子体质谱技术（LA-ICP/MS）等。在这些技术中，能量色散X射线荧光光谱仪由于无需制样、操作简便等优点而得到广泛的使用。但是，快速筛选方式尤其是X射线荧光光谱法在准确定量方面有待加强，其检出限比精细法普遍低1个数量级左右，灵敏度已经越来越无法满足含量日趋严格的有毒有害元素检测的要求。

分散液相微萃取（dispersive liquid-liquid microextraction , DLLME）是一种新型样品前处理技术，由RezaeeM 等2006年首次提出(RezaeeM, A ssad iY, Milan iHosse in iM R, Aghaee E, Ahmadi F, Berijani S. J. Chromatogr. A, 2006, 1116: 1~ 9)，该方法集采样、萃取和浓缩于一体，是一种操作简单、快速、低成本、富集效率高且对环境友好的样品前处理技术。该方法首先在样品溶液中加入数十微升萃取剂和一定体积分散剂, 混合液经轻轻振荡后即形成一个水/分散剂/萃取剂的乳浊液体系, 再经离心分层, 用微量进样器取出萃取剂就直接进样分析。目前，该技术应用于样品中重金属元素分析很少，尤其多元素同时富集没有报道，只有某个元素分析的论文，如镉（Zeini Jahromi E, BidariA, AssadiY, Milani Hosseini M R, Jamali M R. Anal. Ch im. Acta, 2007, 585: 305~ 311）和铅（Liang P, Sang H B. Anal. Biochem. , 2008, 380: 21~ 25）。

本发明解决了现有技术检测方法中存在的检测灵敏度有限、检测方法对设备要求高、并且无法实现同时对多种重金属进行检测分析等缺陷，提出了一种同时对重金属离子铅、镉和汞进行富集及分析的方法。本发明方法检测时限短、检测灵敏度高、能实现对一种以上的多种重金属离子进行数十至数百倍的富集，并进行定性及定量检测分析。

发明内容

本发明提出了一种同时对重金属离子铅、镉和汞进行富集及分析的方法，以二乙基二硫代甲酸钠或双硫腙为络合剂，与铅、镉和汞离子同时络合形成难溶于水的金属络合物，采用分散液相微萃取技术对所述金属络合物进行萃取富集，并采用X射线荧光光谱技术对萃取溶液中铅、镉和汞离子同时进行定性定量分析。

其中，当络合剂为二乙基二硫代甲酸钠时，络合剂与铅、镉和汞离子同时络合形成难溶于水的金属络合物的反应过程如下式（I）所示：

其中，M是铅、镉、汞。

其中，当络合剂为双硫腙时，络合剂与铅、镉和汞离子同时络合形成难溶于水的金属络合物的反应过程如下式（II）所示：

其中，M是铅、镉、汞。

其中，对所述金属络合物在pH 2.5-5条件下进行萃取富集。

其中，所述方法以丙酮、甲醇、乙醇作为分散剂，以四氯乙烯作为萃取剂。所述方法以丙酮、甲醇、乙醇作为分散剂，以四氯乙烯作为萃取剂。

其中，采用所述X射线荧光光谱技术同时对分散液相微萃取有机相中的铅、镉和汞离子进行定性检测。

其中，采用所述X射线荧光光谱技术同时测定分散液相微萃取有机相中铅、镉和汞离子的含量。

其中，所述方法的富集倍数为数十至数百倍。

其中，所述方法对铅、镉和汞离子的检出限分别为0.10 mg/L。

本发明提出了一种同时富集水相中铅、镉和汞的X射线荧光多元素同时分析方法，本方法首先以二乙基二硫代甲酸钠（DDTC）或双硫腙（HDZ）为络合剂，在pH 2.5-5条件下，络合剂与水溶液中铅、镉和汞离子同时络合，分别形成与三种金属离子相对应的三种难溶于水的金属络合物；再采用分散液相微萃取技术，将对此三种金属络合物溶解度远高于水的萃取剂加入，利用微乳液相的形成，实现金属络合物向萃取剂的转移，从而达到对重金属离子的萃取和高倍数富集的目的。本方法采用丙酮等常见分散剂和四氯乙烯等常见萃取剂，对溶液中金属络合物同时进行数十倍到数百倍的萃取富集，采用能量色散X荧光光谱仪对萃取溶液中铅、镉和汞离子扫描直接出峰同时进行定性及定量分析，整个分析过程不超过10分钟。

本发明利用二乙基二硫代甲酸钠（DDTC）为络合剂，在pH 2.5-5缓冲溶液条件下，与一定体积的水溶液中铅、镉和汞离子同时络合形成金属络合物，加入数十微升四氯乙烯萃取剂和一定体积的分散剂，超声处理后经离心分层，X射线荧光光谱仪对下层萃取溶液中铅、镉和汞元素同时进行定性定量分析，整个分析过程不超过10分钟。

本发明利用双硫腙（HDZ）为络合剂，在pH 2.5-5缓冲溶液条件下，与一定体积的水溶液中铅、镉和汞离子同时络合形成金属络合物，加入数十微升四氯乙烯萃取剂和一定体积的分散剂，超声处理后经离心分层，X射线荧光光谱仪对下层萃取溶液中铅、镉和汞元素同时进行定性定量分析，整个分析过程不超过10分钟。

本发明利用分散液相微萃取技术对溶液中铅、镉和汞金属络合物进行萃取，根据所选萃取剂和水相体积的比例，本发明方法对重金属离子的富集倍数范围为数十倍到数百倍。

本发明利用分散液相微萃取技术对溶液中铅、镉和汞金属络合物进行萃取，X射线荧光光谱仪进行定性定量分析，并建立相应工作曲线，本方法对各种重金属离子的检出限分别可达到0.10 mg/L。

本发明利用分散液相微萃取技术能够高倍数富集样品的优点，以及部分金属络合物难溶于水的性质，构建了将所述三种重金属离子同时从水相转移至萃取剂中，并且被富集100倍的方法。同时，在重金属离子浓度大大提高的前提下，实现了使用X荧光光谱法快速筛查并灵敏测试可溶性重金属离子浓度。提出了一种同时对重金属元素铅、镉和汞进行富集及分析的方法，在以二乙基二硫代甲酸钠（DDTC）或双硫腙（HDZ）为络合剂，在pH 2.5-5条件下，络合剂与水溶液中铅、镉和汞离子同时络合，形成金属络合物基础上，采用分散液相微萃取技术进行萃取，选用丙酮等常见分散剂和四氯乙烯等与常见萃取剂，对溶液中金属络合物同时进行数十倍到数百倍的萃取富集，最后采用X射线荧光光谱仪对萃取溶液中铅、镉和汞元素同时进行定性定量分析，整个分析过程不超过10分钟。本发明方法富集并分析检测重金属离子浓度具有成本低廉、简单、快速的优点、并保持了良好特异性及高灵敏度。

附图说明

图1为本发明方法以双硫腙作为络合剂时富集三种重金属离子的过程示意图。其中，图1（a）中的两分试样分别为空白水样与标准溶液（其中三种重金属离子浓度均为1.0mg/L）；图1（b）的两份试样为加入分散剂与萃取剂后形成的微乳液相；图1（c）为经离心5min后萃取剂与水相分层，萃取剂沉于离心管下端。

图2为萃取前水样与萃取后萃取剂的能量色散X荧光光谱仪扫描谱图。其中，图2（a）为水样在萃取前的谱图，在Pb、Cd、Hg三种元素对应的谱峰位置无对应峰，图2（b）为萃取后下层萃取剂的谱图，在Pb、Cd、Hg三种元素对应的谱峰位置有明显出峰。

图3为本发明方法以双硫腙作为络合剂时，X荧光光谱仪响应值对水相中重金属离子浓度作图所得到的标准曲线图。水样中Pb、Cd、Hg重金属离子的浓度相同，均为0～2.0mg/L。

图4为本发明方法以二乙基二硫代甲酸钠作为络合剂时，X荧光光谱仪响应值对水相中重金属离子浓度作图所得到的标准曲线图。水样中Pb、Cd、Hg重金属离子的浓度相同，均为0～2.0mg/L。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附权利要求书为保护范围。

实施例1：

本发明方法包括实验步骤如下，所述条件均为优化后的结果。本发明使用了两种重金属络合剂，分别为双硫腙（HDZ）和二乙基二硫代甲酸钠（DDTC）。

采用双硫腙实施本发明方法的实验步骤如下：首先，将含有1mg/L浓度的Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺水样调节pH值为4.0后，取出5mL体积的水样加入离心管中（如图 1a所示）。然后，将50μL四氯乙烯的双硫腙溶液（其中双硫腙的浓度为0.1%质量分数）与500μL丙酮（作为分散剂，也可使用甲醇，乙醇等易溶于水，也与四氯乙烯互溶的试剂）混合后，使用一次性针筒将混合液快速加入至水样中，并立即超声至形成均匀微乳液（超声时间15s，如图1b所示）。最后，将形成的微乳液离心5分钟，将四氯乙烯相分离（如图1c所示）。弃去上清液，下层四氯乙烯相待测试。空白水样中双硫腙未络合，微乳液显绿色，而含重金属离子的水样的微乳液中双硫腙显络合态的红色。经离心分离，含双硫腙的四氯乙烯相沉于试管底部。

采用二乙基二硫代甲酸钠实施本发明方法的实验步骤如下：首先，将含有一定浓度的Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺水样调节pH值为4.0后，取出5mL体积的水样加入离心管中，在此水样中加入20g/L的DDTC水溶液，摇匀后静置1分钟。将50μL四氯乙烯与500μL甲酮（作为分散剂，也可使用丙酮，乙醇等易溶于水，也与四氯乙烯互溶的试剂）混合后，使用一次性针筒将混合液快速加入至水样中，并立即超声至形成均匀微乳液（超声时间15s）。最后，将形成的微乳液离心5分钟，弃去上清液，下层四氯乙烯相待测试。

由于DDTC的重金属络合态为无色透明状，试验现象不明显，故未拍照。空白水样及含重金属水样的XRF扫描结果见图2。图2a为未加DDTC的四氯乙烯相扫描结果，在Pb、Cd、Hg三种元素对应的谱峰位置无对应峰；图2b为加DDTC的四氯乙烯相扫描结果，在Pb、Cd、Hg三种元素对应的谱峰位置有明显出峰。DDTC络合后，可以明显看到Pb，Hg，Cd的特征峰，说明溶液中的重金属离子能够被DDTC络合后形成金属络合物并沉淀至四氯乙烯相中。因此，利用本发明方法能够实现同时对多种重金属离子的富集及定性分析检测。

关于本发明方法的富集倍数，计算方法如下，

富集倍数=水相体积(μL)/最终四氯化碳相体积(μL)

水相体积为5000μL，HDZ与DDTC的四氯化碳相体积均为30μL，故理论富集倍数为167倍。经计算，本实施例实验结果实际富集倍数为143倍。考虑到试验操作中的损失，因此，实际富集倍数可能略小于理论数值。

实施例2：

建立标准曲线的步骤为：

在6个25mL玻璃离心管中分别加入5mL pH值为4.0的水样，其中Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺的浓度分别为0，0.2，0.5，1.0，1.5，2.0mg/L；

（1）    按照实施例1的步骤进行操作，制备两组分别以HDZ以及DDTC为络合剂的四氯乙烯标准溶液；

（2）    取20μL四氯乙烯相，置于XRF样品池中，在1000mV电压下进行全谱扫描，扫描时间100s。读取Pb的Lα，Cd的Kα,Hg的Kα谱峰响应值，并作标准曲线，见图3、图4所示；

其中，双硫腙以及DDTC购自Sigma公司，Pb(NO₃)₂，Cd(NO₃)₂固体也购自Sigma公司，用超纯水（18MΩ）配制成1000mg/L储备溶液，用时稀释。Hg²⁺标准溶液购自Sigma公司，浓度为1000mg/L，用时稀释。所用能量色散X荧光光谱仪为Horiba公司产品，型号为1000WR。

在所得到的标准曲线中，以不同浓度重金属离子对XRF响应值作图；

待测样品的预处理：对于液体样品，过滤后使用1mol/L NaOH或HNO₃调节pH值至4.0；对于固体样品，使用硝酸－过氧化氢（7mL+1.5mL）微波消解，赶酸并过滤后使用1mol/LNaOH调节pH值至4.0。取一定量所得样品溶液替换标准溶液，按步骤（1）～（3）操作 ，读取XRF响应值。

根据待测样品的响应值，查标准曲线，求得待测样品中重金属含量。

本发明方法中Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺离子浓度的测定限分别为0.10mg/L，完全可以满足实验室日常检测需要。

实施例3：玩具样品中可溶性Pb²⁺，Cd²⁺，Hg²⁺离子的测定

参考标准：EN71-3:1994+A1:2001

本实施例所示为待测样品是玩具时的情况，对玩具样品上的所有可触及部分均进行测试。

制样

对于纺织面料、塑料或橡胶等类型的玩具，用剪刀或钳子将材料剪成5mm×5mm的小块作为待测样品。

对于具有油漆、油墨或类似涂层的玩具，用干净的刀片将刮取部分作为待测样品。

对于为液态油漆或油墨的玩具，取部分涂于干净的玻璃板上在室温下自然干燥后，刮下作为待测样品。如待测样品不能在室温下干燥，则按使用温度在烘箱内烘干，刮下获得待测样品。

所有粉状待测样品须使用孔径为0.5mm的不锈钢金属筛过筛。

对于含油脂、油类、蜡或类似材料的玩具，将样品包在硬质滤纸中，使用正庚烷通过溶解萃取将所含的油脂及类似成分清除后，获得待测样品。

待测样品的酸提取及样品检测前的预处理

将称量好的待测样品与相当于待测样品质量50倍，温度为37±2℃，浓度为0.07 mol/L的盐酸水溶液混合。将混合物摇动1min，并检查其酸度。如果pH值大于1.5，一边摇动混合物，一边逐滴加入2 mol/L盐酸直到pH值在1.0~1.5之间。使混合物避光，在37±2℃下搅拌1h，再在37±2℃下静置1h。

使用滤膜（孔径为0.45μm）过滤，所得滤液用1 mol/L NaOH调pH值至4.0。

重金属含量测定

参照实施例1中的实验步骤（1），（2）进行操作，所得四氯乙烯相使用XRF进行扫描，读取响应值，并根据实施例2中建立的DDTC以及HDZ的标准曲线求得重金属含量。

所选玩具样品使用HDZ作为络合剂时，读取的响应值为Pb 11.29cps/mA，Cd 5.76 cps/mA，Hg 3.08cps/mA。对应浓度分别为Pb 0.61mg/L，Cd 0.43mg/L，Hg 0.18mg/L；使用DDTC作为络合剂时，读取的响应值为Pb 13.85cps/mA，Cd 6.09 cps/mA，Hg 4.11cps/mA。对应浓度为Pb 0.67mg/L，Cd 0.44mg/L，Hg 0.22mg/L。

从以上实施例1-3可见，利用本发明方法以DDTC或HDZ为络合剂，与水相中铅、镉和汞离子同时络合形成难溶于水的金属络合物，经分散液相微萃取技术萃取，实现了对水相中金属络合物同时进行数十倍到数百倍的萃取富集。经X射线荧光光谱仪对铅、镉和汞元素同时进行定性定量分析，获得以上定性定量检测结果。整个分析过程不超过10分钟。由此可见，本发明方法富集并分析检测重金属离子浓度具有成本低廉、简单、快速的优点、并保持了良好特异性及高灵敏度。