濁點(diǎn)萃取技術(shù)及其在分析化學(xué)中的應(yīng)用

濁點(diǎn)萃取技術(shù)及其在分析化學(xué)中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)地質(zhì)、生物、環(huán)境等樣品的分析通常需要測(cè)定i-g1或ii-1級(jí)剖面中的元素，分析對(duì)象日益復(fù)雜多樣，存在復(fù)雜的地質(zhì)干擾。因此，對(duì)分析的分離和提取技術(shù)提出了更高的要求。萃取法作為痕量元素分離和富集的手段,在分析化學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。但常規(guī)的液-液萃取存在明顯的不足,如需使用大量高純和有毒的有機(jī)試劑、富集倍數(shù)低、操作繁瑣費(fèi)時(shí)和易對(duì)環(huán)境造成污染等。為了克服這些問(wèn)題,適應(yīng)現(xiàn)代分析科學(xué)發(fā)展的要求,近年來(lái),在原有的基礎(chǔ)上,化學(xué)工作者不斷創(chuàng)新,開(kāi)發(fā)了固相萃取、固相微萃取、膜萃取、超臨界液體萃取以及微波輔助萃取等新型萃取技術(shù)。濁點(diǎn)萃取(CloudPointExtration,CPE)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新興的液-液萃取技術(shù),它不使用揮發(fā)性有機(jī)溶劑,不影響環(huán)境。它以中性表面活性劑膠束水溶液的溶解性和濁點(diǎn)現(xiàn)象為基礎(chǔ),通過(guò)改變?cè)囼?yàn)參數(shù)引發(fā)相分離,將疏水性物質(zhì)與親水性物質(zhì)分離。同經(jīng)典的液-液萃取技術(shù)相比,該萃取技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):①應(yīng)用范圍廣,萃取效率高,富集因子較大;②不使用有毒、有害的有機(jī)溶劑,適應(yīng)了綠色分析技術(shù)發(fā)展的需要,而且所需的表面活性劑的量?jī)H為mg級(jí),從而可以把對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的有機(jī)物質(zhì)控制在最低限度;③操作簡(jiǎn)單方便;④易于與儀器分析方法聯(lián)用等。該技術(shù)最早由Watanabe等提出,用于金屬螯合物的分離,后來(lái)Bordier等又將其應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域,用于生物大分子的分離純化。目前,已有作者對(duì)濁點(diǎn)萃取的基本原理、試驗(yàn)方法及其在生物大分子和有機(jī)物的分離純化和分析中應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)述[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21],而有關(guān)其在金屬離子分離和富集中的應(yīng)用卻較少提及。本文對(duì)該技術(shù)在金屬離子分離和富集以及形態(tài)分析中應(yīng)用的進(jìn)展進(jìn)行綜述。1濁點(diǎn)萃取的影響因素當(dāng)非離子表面活性劑水溶液加熱超過(guò)某一溫度時(shí),溶液出現(xiàn)渾濁和相的分離,這種現(xiàn)象即為濁點(diǎn)現(xiàn)象,此時(shí)的溫度稱為濁點(diǎn)溫度。靜置一段時(shí)間(或離心)后會(huì)形成兩個(gè)透明的液相,小體積的表面活性劑相和水相(表面活性劑濃度接近臨界膠束濃度CMC)。這種現(xiàn)象是一種可逆過(guò)程,當(dāng)溫度低于濁點(diǎn)時(shí),兩相消失,重新成為均一溶液。濁點(diǎn)現(xiàn)象是由于隨著溫度的升高,表面活性劑的膠束尺寸增大,氫鍵的結(jié)合力不足以保持水分子連接在醚的氧原子上引起的。濁點(diǎn)現(xiàn)象并不只限于非離子表面活性劑,兩性離子表面活性劑也存在濁點(diǎn)現(xiàn)象。而一些陰離子表面活性劑(如SDS,SDBSA,SDSA等)水溶液在高濃度HCl存在下也會(huì)出現(xiàn)析相現(xiàn)象。濁點(diǎn)溫度與表面活性劑中親水和疏水鏈長(zhǎng)有關(guān),疏水部分相同時(shí),親水鏈長(zhǎng)增加,濁點(diǎn)升高;相反,疏水鏈長(zhǎng)增加,則濁點(diǎn)下降。表1列出了濁點(diǎn)萃取中常用的表面活性劑的名稱、結(jié)構(gòu)、濁點(diǎn)溫度以及臨界膠束參數(shù)。另外,很多添加劑如酸、堿、鹽、有機(jī)物和其它的表面活性劑等都會(huì)在很大范圍內(nèi)影響表面活性劑的濁點(diǎn),從而引發(fā)相分離。溶解在溶液中的疏水性物質(zhì)與表面活性劑的疏水基團(tuán)結(jié)合,析相時(shí)被萃取進(jìn)表面活性劑相,而親水性物質(zhì)則留在水相中,這種利用濁點(diǎn)現(xiàn)象使樣品中疏水性物質(zhì)與親水性物質(zhì)分離的萃取方法就是濁點(diǎn)萃取。同時(shí),由于表面活性劑相的體積遠(yuǎn)小于水相,分析物在與基體成分分離的同時(shí)還可以得到一定程度的富集。2濁點(diǎn)萃取過(guò)程濁點(diǎn)萃取金屬離子的方法非常簡(jiǎn)單,首先將含有金屬離子的體系用緩沖溶液調(diào)至適當(dāng)?shù)膒H值,然后加入適量的絡(luò)合劑和表面活性劑,將溶液加熱到濁點(diǎn)溫度以上析相,必要時(shí)可離心以加速相分離,分離出的表面活性劑相可以直接測(cè)定或用適當(dāng)?shù)娜軇┫♂尯筮M(jìn)行測(cè)定?？疾鞚狳c(diǎn)萃取過(guò)程常用下列這些參數(shù):表面活性劑的濁點(diǎn)(CP)、萃取率(E)、濃縮因子(CF)、相體積比(θ)和分配系數(shù)(D)。影響濁點(diǎn)萃取的因素很多,現(xiàn)簡(jiǎn)要概括如下。2.1表面活性劑濃度表面活性劑分子通常由疏水和親水兩部分組成,這兩部分的鏈長(zhǎng)影響表面活性劑的CP。當(dāng)表面活性劑的疏水部分相同時(shí),親水鏈長(zhǎng)增加,CP升高;相反,疏水鏈長(zhǎng)增加,CP下降。提高表面活性劑濃度可以改善E,θ隨之增大,而CF,D同時(shí)減小。為了增大CF,可以降低表面活性劑濃度,但是表面活性劑濃度不能太低,否則表面活性劑相體積太小,萃取后難以分離,準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性下降。2.2體系ph值對(duì)萃取的影響pH值對(duì)CPE的影響要視表面活性劑及被萃取物的性質(zhì)而定。對(duì)非離子型表面活性劑影響不大,但如果是離子型表面活性劑體系,對(duì)其影響卻十分顯著。溶液pH值對(duì)于酸性或堿性的被萃取物影響較大。中性分子電離后疏水性降低,與膠束的結(jié)合不如其中性未電離時(shí)強(qiáng)。因此要獲得較好的萃取率,體系的pH應(yīng)控制在使被萃取物處于雙電層Zeta電位為零狀態(tài),而在萃取生物大分子如蛋白質(zhì)時(shí),體系的pH應(yīng)控制在等電點(diǎn)附近,此時(shí)蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的疏水性,易被萃取。對(duì)于金屬離子的萃取,需要合適的絡(luò)合劑與金屬離子形成疏水性的絡(luò)合物,然后萃取到表面活性劑相,pH值影響絡(luò)合物的形成,進(jìn)而影響萃取率。2.3提高平衡溫度平衡溫度和時(shí)間對(duì)CPE的影響也要視表面活性劑及被萃取物的結(jié)構(gòu)而定。使用非離子表面活性劑時(shí),提高平衡溫度,E增加。一般說(shuō)來(lái),要達(dá)到較好的萃取率,平衡溫度至少要比表面活性劑的濁點(diǎn)溫度高出15～20℃。增長(zhǎng)平衡時(shí)間會(huì)提高萃取率,而過(guò)長(zhǎng)的平衡時(shí)間對(duì)于E無(wú)明顯影響,通常平衡時(shí)間在30min左右就具有較好的萃取率。2.4離心時(shí)間離心時(shí)間加長(zhǎng),E,θ,D最初增長(zhǎng)明顯,稍后持平。對(duì)于CP較高的體系,室溫下離心過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致相分離逆轉(zhuǎn),使萃取率降低。2.5離子能量離子強(qiáng)度的改變對(duì)E,θ,D無(wú)明顯影響。一些惰性鹽的加入可以改變表面活性劑的CP,使水相的密度增大,便于分離兩相。3與多種檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用濁點(diǎn)萃取法作為痕量元素分離富集的手段,在分析化學(xué)中廣泛應(yīng)用,它能與多種檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用,包括紫外可見(jiàn)分光光度法、熒光光度法、原子吸收光譜法、等離子體原子發(fā)射光譜法/質(zhì)譜法等。最近也有將其與色譜技術(shù)(HPLC和CE)聯(lián)用進(jìn)行金屬離子的分離、富集和形態(tài)分析的報(bào)道。3.1流動(dòng)注射分光光度法分光光度法是與濁點(diǎn)萃取聯(lián)用的主要檢測(cè)手段之一,這種聯(lián)用技術(shù)又被稱為析相光度法。該法可分為兩類:一是利用濁點(diǎn)在室溫以上的非離子表面活性劑萃取溶液中的金屬螯合物,加熱至濁點(diǎn)以上析相,離心分離后,棄去水相,然后將表面活性劑相用水定容得到均一溶液,測(cè)定吸光度;另一類是用濁點(diǎn)在室溫以下的非離子表面活性劑萃取析相,離心分離后,在表面活性劑相加入濁點(diǎn)高于室溫的非離子表面活性劑水溶液,混勻定容,測(cè)定吸光度。由于需要將表面活性劑相稀釋到一定體積進(jìn)行吸光度測(cè)定,故該法的富集倍數(shù)受到一定限制,而將流動(dòng)注射分光光度法作為檢測(cè)手段,則可以省去稀釋過(guò)程,從而得到較大的富集倍數(shù)。聯(lián)用技術(shù)的實(shí)例見(jiàn)表2。分子發(fā)光分析法是一種高靈敏的分析方法,但其測(cè)定易受環(huán)境因素的影響。將濁點(diǎn)萃取與分子發(fā)光分析法聯(lián)用,不僅可以起到富集作用,而且表面活性劑形成的膠束微環(huán)境可以對(duì)處于激發(fā)態(tài)的熒光和磷光物質(zhì)起到保護(hù)作用,提高熒光和磷光強(qiáng)度。目前有關(guān)這方面的研究報(bào)道還不是很多。3.2濁點(diǎn)提取-原子光譜法3.2.1表面活性劑和有機(jī)溶劑聯(lián)用在CPE-FAAS法中,為了降低表面活性劑相的粘度,用一定體積的含稀酸的甲醇溶液稀釋表面活性劑相是必需的。表面活性劑和甲醇等有機(jī)溶劑的引入對(duì)FAAS測(cè)定的影響在過(guò)去曾是一個(gè)備受爭(zhēng)議的問(wèn)題,現(xiàn)在普遍接受的看法是:在試液霧化時(shí),適量的表面活性劑和有機(jī)溶劑的存在能夠減小霧滴尺寸,提高霧化效率,同時(shí)增加樣品原子化的效率。表3列出了濁點(diǎn)萃取和火焰原子吸收光譜法聯(lián)用的實(shí)例。形成合適的螯合物是萃取過(guò)程中的重要步驟,但是鉛不使用顯色劑也能被有效地萃取。在石墨爐原子吸收光譜分析中,有機(jī)溶劑和表面活性劑的存在可以改善試樣溶液和石墨管的接觸性能,促進(jìn)液滴在石墨管壁上的分散,從而提高原子化速度和效率。同時(shí),在懸浮體進(jìn)樣電熱原子吸收光譜分析(ETAAS)中,表面活性劑也廣泛地用于懸浮體的制備以提高其穩(wěn)定性。將CPE與ETAAS聯(lián)用不存在大的困難,而靈敏度比CPE-FAAS方法提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí),近年來(lái)有關(guān)這方面的研究報(bào)道較多[71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81]。3.2.2cpe與icp-aes聯(lián)用ICP-AES/MS由于具有檢出限低、精密度高,基體效應(yīng)小,標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍寬,多元素同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn),已成為元素分析中最常用的方法之一。ICP-AES/MS分析中,有機(jī)物的引入一方面對(duì)光譜信號(hào)有一定的增敏效應(yīng),另一方面有機(jī)物分解時(shí)吸收較大能量,會(huì)導(dǎo)致ICP放電不穩(wěn)定甚至熄滅。因此將CPE與ICP-AES/MS聯(lián)用時(shí),多采用一些特殊的進(jìn)樣技術(shù),如電熱蒸發(fā)、超聲霧化、氫化物發(fā)生等,在進(jìn)入等離子體前將有機(jī)物除去。最近,李靜等以0.1mol·L-1硝酸溶解膠束相,采用常規(guī)的氣動(dòng)霧化進(jìn)樣ICP-AES測(cè)定了環(huán)境水樣中的銅和鉻。表4列出了濁點(diǎn)萃取和等離子體原子發(fā)射光譜法/質(zhì)譜法聯(lián)用的實(shí)例。3.3濁點(diǎn)萃取技術(shù)的基本原理及應(yīng)用前景元素的化學(xué)形態(tài)分析是當(dāng)今分析科學(xué)中的活躍研究領(lǐng)域,也是環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)對(duì)分析化學(xué)提出的一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。根據(jù)IUPAC的定義,形態(tài)分析是指測(cè)定樣品中某元素的不同鍵合形式、不同氧化態(tài)和該元素的總量。元素形態(tài)在環(huán)境、生化、地質(zhì)和醫(yī)藥等領(lǐng)域中非常重要,因?yàn)椴煌脑匦螒B(tài)具有不同的化學(xué)和生物學(xué)行為,元素的毒性與其存在形態(tài)密切相關(guān)。形態(tài)分析對(duì)于揭示微量元素在環(huán)境和生命科學(xué)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其生物化學(xué)作用是非常必要的。濁點(diǎn)萃取應(yīng)用于痕量元素形態(tài)分析時(shí),先測(cè)定可被萃取的元素形態(tài)(形成金屬絡(luò)合物的元素氧化態(tài)或還原態(tài),元素的絡(luò)合態(tài)等)含量,然后測(cè)定元素的總量,采用差減法計(jì)算未被直接測(cè)定的另一形態(tài)的金屬離子的含量;或通過(guò)控制溶液的pH值和加入不同的螯合劑的方法,使元素的不同形態(tài)分別生成可被萃取的螯合物,連續(xù)萃取分離后分別進(jìn)行測(cè)定。該方法已用于鉻、鐵、錫、銻的價(jià)態(tài)分析以及銅和鐵的結(jié)合態(tài)的分析[92,93,94,95,96