第六节　金属离子的固相萃取

现代科学技术的发展从灵敏度和准确度两方面对微量金属离子的分析测定提出了更高的要求。高的灵敏度和准确度的取得有待于科技工作者从检测手段和样品前处理两方面进行深入的研究，多年来人们在检测手段即分析仪器的研究上作出了不懈的努力，取得了极大的进展，研制出了以等离子体质谱（ICP-MS）为代表的一批高灵敏度、高准确度的元素分析仪器。这些仪器的出现，极大地改善了微量金属离子测定的灵敏度和准确度，但与科学研究工作不断提高的要求和实际样品的复杂程度相比，这些检测手段仍然存在好多不足，如海水中极低浓度的金属离子仍然是许多检测方法不能直接测定的，好多实际水样复杂的基体（如海水中存在的大量盐分、地表水中存在的腐殖酸等有机物、生物体液样品中存在的较大量的蛋白质及电解质等）极大地干扰了分析测定的准确度，这些因素使得用这些仪器不可能直接测定许多样品中的微量金属离子。在这种情况下，对金属离子进行富集分离就成为必然。一些传统分离富集手段如液-液萃取、沉淀共沉淀等存在的效率低下、费时费力、分相困难、需使用大量有毒的有机溶剂和酸碱等缺点，迫使人们将注意力日益集中到近年来在有机物分离富集方面大显身手的固相萃取研究领域，经过研究探索，人们发现固相萃取对微量金属离子的分离富集同样有效。前面各节针对有机物的分离富集介绍了固相萃取的概念、发展，下面按照萃取原理，我们对金属离子的固相萃取分三种情况作一简单介绍。

一、金属离子的离子交换固相萃取吸附剂

实际上，远在固相萃取概念（主要指用色谱固定相进行萃取分离富集）出现以前，人们一直使用离子交换树脂进行金属离子的分离富集，这包括传统的、简单的离子交换分离富集，也包括离子交换色谱和离子色谱法。进行这种分离富集使用的吸附剂是合成的带有离子交换基团的高聚物树脂或键合硅胶，此类商品种类繁多、品种齐全。这类吸附剂作用的对象可以是简单的金属离子、金属离子的无机配阴离子或配阳离子、金属离子的有机配阴离子或配阳离子等，其中应用较多的有过氧化氢配离子、卤素配离子、氰根配离子、硫氰根配离子等。此类萃取在萃取和洗脱时需控制的关键条件就是选择合适的酸度、配体种类和浓度。总之，此类分离富集方法选择性较差，所处理样品的浓度不能太小；此类分离富集方法的研究已较为成熟，在许多情况下人们已经将其作为常规的、传统的分离富集手段来看待，而不认为这种方法是现代意义上的固相萃取法。因此我们在这里也不对其作进一步的介绍。

二、金属离子的螯合型固相萃取吸附剂

此类萃取吸附剂通过化学反应在各种基体上键合针对特定一种或几种金属离子的螯合基团，因而其选择性大大增强，该螯合基团与金属离子之间的作用主要是强的配位作用，所以，该类吸附剂对分析对象的萃取富集能力强，能从极低浓度的水溶液中萃取富集特定的金属离子。因此该类固相萃取近年研究较多，并与各种检测手段特别是各种光谱法结合，取得了良好的效果。

作为金属离子固相萃取的理想吸附剂，应该满足高选择性、大吸附容量、高机械强度、快的交换动力学过程等条件。这类吸附剂的性质主要由基体材料和吸附剂上的官能团的性质所决定。合成这类吸附剂的主要途径有两种：一种是首先合成含有螯合基团单体，然后再经聚合反应合成而得，用这种方法制得的吸附剂螯合基团在高分子链上分布均匀，螯合基团数量大，所以其吸附容量大、吸附能力强，然而其制备步骤繁多，在一般分析实验室不易实现；另一种合成方法是利用现有的合成或天然高聚物为原料，通过反应直接在高聚物的表面引入螯合基团，这种方法的优点是合成原料易得，引入的螯合基团可以灵活多样，合成反应在一般分析实验室就可完成，因而深受分析工作者欢迎，但该方法合成的吸附剂的吸附容量较低。目前螯合型固相萃取吸附剂的基体材料大多是合成有机高聚物、硅胶、天然纤维素、甲壳素等，其中以前两种居多。而对吸附萃取的选择性起主要作用的螯合基团则有8-羟基喹啉基团、亚氨基二乙基基团、二硫代氨基甲酸基团、氧肟酸基团等。下面对其作进一步介绍。螯合型金属离子固相萃取吸附剂与金属离子的作用机理主要是它们之间的螯合反应，而吸附后金属离子的洗脱的方法主要有三种：一是使用合适强度的酸溶液使螯合物分解，从而将金属离子释放出来，即将被吸附金属离子洗脱下来；二是使用配位能力更强的其他配位剂，这样可将被吸附的金属离子置换出来；三是使用酸与配位剂相结合的混合洗脱剂进行洗脱。

螯合型金属离子固相萃取吸附剂的最大特点是萃取能力强，可以按照不同的分析对象设计合成特定的萃取剂，因而萃取具有很好的选择性。但该类吸附剂制取麻烦，缺乏通用性，商品吸附剂种类不多，常常需要自行合成，故此类吸附剂在实际中的应用受到很大的限制。

（一）8-羟基喹啉螯合固相萃取吸附剂

8-羟基喹啉有两个配位原子，分别是氧和氮，它们与金属离子发生配位反应后能形成稳定的五元环结构，所以8-羟基喹啉是一种性能良好的广谱螯合剂，对绝大多数金属离子具有好的螯合性，能与50多种金属离子形成稳定的螯合物，其对金属离子发生螯合反应的选择性主要是通过控制溶液的酸度来实现的。作为一种反应对象较多的螯合剂，其用途主要是从含有较大量碱金属、碱土金属等基体的溶液中分离富集微量的重金属；如果较为准确地控制溶液的pH值，也可实现微量重金属离子的组分离。如果将8-羟基喹啉通过化学反应键合于合适的固相基体上，必定会产生一种性能优越的固相萃取吸附剂，从而方便地以固相萃取的手段来对一些重金属离子进行分离富集。近年来人们在这方面开展了好多研究工作，并将其应用于许多金属离子的分离富集，取得了良好的结果。在这些研究中，研究最多的基体材料是硅胶和有机高聚物，并且富集分离方式以在线联用方式最多。

1.8-羟基喹啉键合硅胶固相萃取吸附剂

商品的色谱用硅胶原料易得，品种较多，机械强度好，有利于进行柱分离操作，因此化学改性硅胶的合成及其固相萃取的应用研究也最为广泛。例如Halicz等［198］将8-羟基喹啉键合于直径为80～100μm的硅胶表面，用25mg该吸附剂填充一固相萃取微柱，并与ICP-MS系统在线联用，在pH值9.0时对高盐分卤水中14种稀土金属离子进行萃取富集，并与基体盐分相分离，然后再用适量的2mol·L-1 HCl+0.8mol·L-1 HNO3混合酸溶液洗脱分析物，将该溶液通入ICP-MS实现在线分析测定，该方法在10min左右即能实现对这些离子的分离富集及测定，对14种稀土金属离子的检测限在0.06～0.6ng·L-1之间。Lofthouse等［199］将8-羟基喹啉键合在位于毛细管末端的具有微孔结构的硅酸盐玻璃筛板上，构成内径0.5mm，长5mm的微柱分离富集系统，并与ICP-MS相连。由于微柱构型的死体积很小，因而使该在线分离富集-测定系统的分析速度大大加快，可在2～3min内完成一次测定过程，另外该系统还具有很强的基体消除能力和富集能力。Beauchemin等［200］将大约80mg，粒径为37～75μm的8-羟基喹啉键合硅胶填充于内径3.0mm，长45mm的短柱内，并将该短柱与ICPMS连接起来，构成固相萃取-ICP-MS分析系统，用此系统对标准河水样品中的Co、Ni、Cu、Pb、U及标准海水样品中的Mn、Mo、Cd、U等元素进行了分析测定，结果表明，与离线方式比较，该在线联用系统具有所需样品量少（由500mL减少为10mL）、分析时间短（由8h减少为45min）等优点，另外该系统的测定值与样品的标准值也能很好地符合。Azeredo等［201］以8-羟基喹啉键合硅胶填充微柱与石墨炉原子吸收在线联用，分离富集并测定了海水样品中的微量金属元素如Cd、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn等，该系统成功地消除了海水中大量盐分对测定的干扰，对以上分析对象的绝对检测限在0.3～10.2pg之间。以上几例只是8-羟基喹啉键合硅胶固相萃取吸附剂众多应用中的一小部分，其他应用在此不再一一赘述，读者可参阅有关文献［202～209］。

2.8-羟基喹啉键合有机聚合物固相萃取吸附剂

与硅胶类吸附剂相比，有机聚合物的一个最大特点是在整个酸度范围内能保持稳定的结构，另外有机聚合物种类比硅胶更多，形态也更为多样，因此近年对有机聚合物的8-羟基喹啉键合修饰固相萃取研究较多，涉及金属元素很多，并与各种检测手段相结合，取得了很好的分离富集效果，并较快地获得了满意的分析结果。如Orians等［210］将8-羟基喹啉键合在离子交换树脂上制得螯合树脂，用该树脂填充柱对海水中的微量Ga、In、Ti元素进行固相萃取分离富集，既提高了测定灵敏度，又有效消除了海水盐分的基体效应，最后进行ICP-MS测定，取得了满意的结果，对上述三元素的检测限分别为0.02ng·L-1、0.01ng·L-1、0.2ng·L-1。张秀尧等［211］通过化学反应制得键合有8-羟基喹啉-5-磺酸的Amberlite XAD-4树脂，并将其填充柱与火焰原子吸收组成在线分析系统，用该系统对标准水样中的Pb元素含量进行了测定，该系统的应用改善了分析的灵敏度和抗干扰性，对Pb测定的检测限达到了1μg·L-1。温蓓等［212，213］将8-羟基喹啉键合到聚丙烯腈空心纤维表面，将0.3g此纤维填充于内径0.5mm、长60mm的玻璃微柱内，用此微柱对海水中的15种微量稀土元素和Be、Co、Cu、Ag、Cd、In、Pb、Bi等元素进行了富集和基体分离，并用ICP-MS测定其含量，结果表明该富集分离系统的富集倍数可达300倍，对上述元素的检测限在0.24～50.2ng·L-1之间。其他此类金属离子固相萃取吸附剂的应用还有许多［214～216］。

（二）亚氨基二乙酸基螯合型固相萃取吸附剂

亚氨基二乙酸基结构中起配位作用的原子是氮和氧，一个亚氨基二乙酸基结构中共含有三个配位原子，该结构单元与许多金属离子能形成稳定的配位化合物，含有该结构的螯合型金属离子固相萃取吸附剂可能是应用最早且目前仍在广泛使用的金属离子螯合吸附剂。该类产品中最著名的当属Chelex-100螯合树脂，该产品的主要用途是从碱金属、碱土金属基体中选择性地分离富集重金属离子，因此它在一些天然水样中微量重金属离子的分析测定方面有重要用途。但由于该树脂的交联度较小，所以在使用时存在的最大问题是它的体积随溶液条件的改变会发生较大的改变，体积的改变引起的柱压改变有时会影响它的实际应用，尤其是会影响其在在线联用分析中的应用。解决此问题的途径是选择具有高度交联结构的聚合物作这类螯合树脂的母体结构，美国的Metpac CC-1、Dowex A-1和日本的Muromac A-1、Diaion CR-10就是这样的产品，它们继承了Chelex-100的螯合特性，又解决了其存在的膨胀和收缩问题，尤其有利于在线联用分析中的微柱固相萃取。例如，Pasullean等［217］将大约0.5g粒径为250～500μm的Muromac A-1亚氨基二乙酸树脂填充于长150mm萃取柱内，然后将其与火焰原子吸收分析仪在线连接起来，他们将该系统应用于海水和海湾水样品中Cr元素的形态分析，他们首先将溶液调节至pH 4.0，在此酸度条件下富集Cr（Ⅲ）并与Cr（Ⅵ）相分离，这样就可测定出Cr（Ⅲ）的浓度，然后再将Cr（Ⅵ）还原为Cr（Ⅲ），再按与Cr（Ⅲ）相同的条件富集并测定出样品中的总Cr量，最后可用差减法计算出Cr（Ⅵ）的浓度，该法以6mL·min-1的流速对样品溶液富集3min，对Cr（Ⅲ）的检测限可达2ng·mL-1。Heithmar等［218］将内径9mm、长25mm，内部填充有大约1.5mL亚氨基二乙酸树脂的微柱与ICP-MS分析仪在线连接，用此分析体系重点研究了天然水样中大量基体元素如碱金属、碱土金属及卤素阴离子对微量Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cd、Cu、Pb等元素测定的影响。研究发现，如果直接使用该体系对合成海水样品和废水样品中的微量元素进行测定，则部分元素的回收率较低，不能满足定量分析的要求，而如果事先对样品溶液进行微波消解，然后再进行富集分离，则基体效应可很好地予以去除，从而获得满意的分析结果。Greenberg等［219］将Chelex-100螯合树脂分离富集与中子活化分析相结合，测定了淡水和海水样品中的15种重金属，他们的作法是将100～500mL已调节pH 5.2～5.7的样品溶液通过填有大约0.5g Chelex-100螯合树脂的萃取柱，过完溶液后用适量的乙酸铵溶液洗涤柱子以除去碱金属、碱土金属、卤素离子等基体成分，然后用蒸馏水将乙酸铵洗涤干净，并用空气将柱中的水分吹干，再将此干树脂在中子活化分析仪上测定，即可测出各元素的含量，该法可以很好地消除干扰并提高灵敏度。Wang等［220］还使用键合有亚氨基二乙酸基团的醋酸纤维素膜应用于流动注射-ICP-AES分析体系，并对海水中Cu、Ni、Cd、Co、Mn、V、Pb等元素进行了测定，这种结合既提高了分析速度，又改善了分析的灵敏度。Hirata等［221］将Muromac A-1亚氨基二乙酸树脂填充柱与火焰原子吸收仪通过流动注射流路连接起来，构成在线分离富集及测定系统，用该系统对环境标准水样及真实水样中的Cd、Cu、Cr、Fe、Mn、Pb、Zn等元素进行了测定，对上述各元素的检测限在0.04～2.1ng·mL-1之间，结果表明用该法能较好地消除基体干扰并提高测定灵敏度。亚氨基二乙酸基螯合型固相萃取吸附剂应用于金属离子分离富集的例子还有很多，读者可参阅有关文献［222～238］。

（三）其他螯合型金属离子固相萃取吸附剂

除过上述两类应用广泛的螯合型固相萃取吸附剂外，近年来含其他螯合基团的吸附剂也有较多的研究。如二硫代氨基甲酸酯类［239～244］、氧肟酸类［245～248］、巯基及巯基苯并噻唑类［249～251］、氨基磷酸类［252，253］、偶氮苄基磷酸类［254］、聚丙烯酰胺肟类［255，256］、聚半胱氨酸类［257～259］等。

一个二硫代氨基甲酸酯类分子中含有两个硫配位原子，所以该螯合剂对重金属尤其是软酸类金属如过渡金属有强的配位能力，即该试剂对重金属尤其是过渡金属的选择性比前两类试剂都高。因此将该官能团键合于特定的基体尤其是聚合物基体上制成螯合型固相萃取吸附剂，对金属离子进行分离富集及测定的研究，特别是与各种检测方法的在线联用研究近些年开展得很多。例如，有研究者使用体积为60μL的二硫代氨基甲酸基螯合树脂填充微柱对pH值3～10的天然水样如自来水、河水、咸水中的甲基汞、乙基汞及无机汞进行了富集和基体分离，然后用酸性硫脲溶液将其洗脱，将此酸性洗脱液用氢氧化钠和硼酸缓冲溶液调节为碱性后，再加入适量的二硫代氨基甲酸钠溶液进行充分反应，然后用少量甲苯进行反萃，取少量此汞-二硫代氨基甲酸配合物的甲苯溶液于冰水浴中加入适量丁基氯化镁格氏试剂进行丁基化反应，反应完全后，加入适量盐酸破坏过量格氏试剂，离心分离后，取上层有机相，用高纯氮气吹入进行浓缩，取此浓缩液适量进行气相色谱分离和微波等离子体原子发射检测，该方法对甲基汞和乙基汞的检测限为0.05ng·L-1，对无机汞的检测限为0.15ng·L-1。Shah等［245，246］合成了聚氧肟酸类螯合树脂，并利用其填充柱分别在pH 5.0和pH 2.0色谱分离了Zn2+和Cd2+以及Co2+和Cu2+、Ni2+。还有用聚氧肟酸类螯合树脂和纤维从海水中萃取铀的报道［249］。Gokturk等［249］合成了巯基键合硅胶，并将其应用于天然水样中Ge的分离富集和氢化物发生火焰原子吸收测定，该体系富集倍数可达400倍，检测限可达0.813ng·L-1。Zhang等［252］合成了聚丙烯酰胺二硫代氨基甲酸酯螯合纤维，该纤维可在pH 3～6之间定量吸附海水样品中的15种稀土离子，被吸附的稀土离子可以被0.01mol·L-1的草酸铵溶液定量洗脱，洗脱后的溶液用ICP-MS测定，该方法既可消除基体干扰，又可提高测定灵敏度，富集倍数可达200倍，方法的测定检测限在0.2～2ng·L-1之间。Ueda等［254］合成了含有偶氮苄基磷酸类基团的聚苯乙烯树脂，研究发现该树脂在中性附近可有效富集Pb、U、Cu、Mn、Zn、Fe等元素并与其他基体元素相分离，该树脂可以成功应用于河水及海水中这类元素的富集和光谱测定。Devi等［255］和常希俊等［256］分别合成了聚丙烯酰胺肟类螯合树脂和螯合纤维，他们的研究证明，这类吸附剂对多种重金属离子具有好的富集能力，在一定条件下对金属离子是吸附还是不吸附以及分离富集的选择性主要取决于溶液的酸度，他们分别将这种分离富集方法与中子活化、原子吸收及等离子体原子发射光谱结合，均获得了满意的分析结果。Howard等［257］将半胱氨酸聚合到微孔玻璃上，这样的螯合材料对Cd元素有高的选择性，可以在较大量的Cu元素、碱金属及碱土金属的存在下对Cd元素进行分离富集。

其他螯合型金属离子固相萃取吸附剂还有异羟肟酸酯硅胶［260，261］、香草醛缩氨基脲键合聚合物［262］、二苯基硫代卡巴腙聚合物微珠［263］、经化学键合修饰的几丁质［264，265］、四氨丙基乙二胺［266］、五胺合物螯合树脂［267］、茜素红-S修饰Amberlite XAD-2树脂［268］、大孔咪唑键合聚乙烯树脂［269］、二乙基氨环硫腙螯合树脂［270］、乙二胺四甲基次磷酸改性纤维素［271］、乙二胺四乙酸纤维素［272］等。

三、基于疏水性相互作用的固相萃取

与前面的两类金属离子固相萃取吸附剂不同，还有一类固相萃取吸附剂既不含离子交换基团，又不含金属离子螯合基团。这一类固相萃取吸附剂一般是疏水性的、多孔的、大表面积的化合物，它们绝大多数是由液相色谱固定相发展而来，它们对分析对象的作用一般基于疏水性相互作用，少数也有偶极-偶极作用、π-π相互作用、氢键作用等。由此可见，此类固相萃取吸附剂的直接作用对象大多应该是疏水性的中性化合物，而且最好是疏水性的有机化合物。此类固相萃取吸附剂从结构上来讲主要有两大类：一类是疏水性的烷基键合硅胶类；另一类是疏水性的有机聚合物类。两类吸附剂一般都是多孔的，都拥有很大的比表面积。从具体操作来讲，此类固相萃取有两种做法：一种是先将能与金属离子反应生成疏水性螯合物的螯合剂等包覆于吸附剂上，然后再在合适的条件下用此吸附剂直接采用动态或静态方法螯合吸附溶液中的金属离子；另一种是先在适当的条件下往金属离子的溶液中加入合适的螯合剂溶液，经过反应在溶液中生成疏水性的螯合物，再用此类疏水性的固定相动态或静态吸附此疏水性的螯合物。在这种类型的固相萃取中，被吸附的分析对象的洗脱有三种办法：一种是采用有机溶剂将疏水性螯合物直接从吸附剂上溶解下来，收集此洗脱液用合适的检测方法进行分析测定；另一种是采用合适的强酸（有时还加入适量的另一种配位剂）将螯合物破坏分解以释放出金属离子，收集该洗脱液后再进行测定；还有一种是采用有机溶剂和强酸的混合液进行洗脱，然后测定。

此类固相萃取吸附剂的最大特点是具有通用性，只要选择合适的螯合剂，就可使用种类不多的吸附剂对众多的金属离子进行效果良好的萃取；另外此类吸附剂有众多的商品色谱固定相可供选择，并且现在仍然随着色谱固定相的发展而飞速发展，故实验时吸附剂选择余地很大，这一点对使用者极为方便。基于这些理由，此类吸附剂近年来在金属离子的固相萃取研究中应用日益增多，并仍在快速发展。下面我们分疏水性键合硅胶类和疏水性聚合物类两大类对此类固相萃取吸附剂进行介绍。

（一）疏水性键合硅胶类金属离子固相萃取吸附剂

在金属离子固相萃取中使用的键合硅胶类固相萃取吸附剂主要是C18键合硅胶。据前面介绍，该类萃取有两种操作方式：一种是金属离子先与螯合剂生成疏水性螯合物，然后再用疏水性C18键合硅胶萃取吸附；另一种是用疏水性C18键合硅胶先将螯合剂吸附，然后再用该修饰过的吸附剂直接萃取金属离子。本书对C18键合硅胶对金属离子的固相萃取情况也分两种情况进行介绍。

1.C18键合硅胶萃取吸附金属离子-螯合剂疏水性螯合物

C18键合硅胶是疏水性很高的固相萃取吸附剂，而游离金属离子却是高度亲水性的，因此直接用C18键合硅胶吸附金属离子是不可能的。要用C18键合硅胶萃取金属离子，一个先决条件就是必须先将金属离子通过化学反应转化为疏水性的化合物，而完成这种转变的一个极重要途径就是加入合适的螯合剂，从而将金属离子转化为疏水性的螯合物。现有的能完成这种转化的螯合剂种类非常多。其中最常使用的首推8-羟基喹啉和二硫代氨基甲酸盐。其他的螯合剂也有很多使用。

二硫代氨基甲酸盐对重金属尤其是过渡金属具有好的螯合性，反应后可形成疏水性强的螯合物，可以被C18键合硅胶吸附萃取，因此该试剂在金属离子固相萃取中应用很多。例如，Xu等［273］将填充C18键合硅胶的15μL的固相萃取微柱通过流动注射系统与电热原子吸收分析仪在线连接起来，在流路中完成吡咯烷二硫代氨基甲酸铵（APDC）与Cd2+的螯合反应及其在线吸附，然后再用50μL乙醇洗脱被吸附的Cd2+-APDC螯合物，此洗脱液在线输送到电热原子吸收分析仪进行检测，该方法使用样品溶液少，仅需1mL，富集倍数达19倍，检测限为0.5ng·L-1。Yan等［274］将10.2μL C18键合硅胶固相萃取微柱与电热原子吸收分析仪用流动注射系统连接起来，构成在线分析系统，进行了对水样中Se（Ⅳ）和Se（Ⅵ）的分析测定。该系统首先让Se（Ⅳ）和吡咯烷二硫代氨基甲酸铵（APDC）在线反应生成螯合物并吸附富集于C18键合硅胶微柱上，该螯合物再用26μL乙醇洗脱，洗脱液用电热原子吸收进行在线检测，从而测得Se（Ⅳ）的含量，Se总量可用还原剂还原后按上述方法测定而得，最后用差减法可求得Se（Ⅵ）的含量。该方法可在180s内完成一次测定，富集倍数为112倍，测定Se的检测限为4.5ng·L-1。Sperling等［275］在流动注射流路系统中首先使Cr（Ⅵ）与二乙基二硫代氨基甲酸钠（DDTC）反应生成疏水性螯合物，然后将其引入体积为15μL的填充有C18键合硅胶的固相萃取微柱，再用40μL乙醇将螯合物洗脱下来，送入石墨炉原子吸收进行在线检测，即可测得Cr（Ⅵ）的浓度；用过硫酸钾将Cr（Ⅲ）氧化为Cr（Ⅵ）后再进行与Cr（Ⅵ）同样的在线富集与检测即可测得Cr（Ⅲ）的浓度。上述过程经过60s的富集后，对于Cr（Ⅵ）的富集倍数为12倍，检测限为16ng·L-1，该方法对于Cr（Ⅵ）加标海水、河水、湖水的测定，回收率在101％～105％之间。Sperling等［276］使用流动注射-C18键合硅胶固相萃取-石墨炉原子吸收在线分析系统，实现了对Cu2+、Cd2+、Ni2+、Pb2+等离子的富集分离及测定。他们首先用二乙氨基-二乙基-二硫代氨基甲酸钠将被测离子转化为疏水性螯合物，然后再进行C18键合硅胶吸附萃取，最终用石墨炉原子吸收进行检测。该方法可以提高分析速度、改善测定灵敏度、减少基体干扰，对上述四种元素的测定检测限分别为17ng·L-1、0.8ng·L-1、36ng·L-1、6.5ng·L-1。其他使用二硫代氨基甲酸盐螯合剂的此类分离富集体系还很多，感兴趣的读者可参阅有关文献［277～280］。

8-羟基喹啉是一种广谱的螯合剂，对重金属离子及部分碱土金属离子有广泛的配位性，反应的产物是疏水性的螯合物，易被C18键合硅胶吸附萃取。Watanabe等［281］首先在1L海水样品溶液中加入适量的8-羟基喹啉，调节该混合液pH 8.9，然后以10～40mL·min-1的流速，将该混合液通过填充有0.8mL C18键合硅胶的固相萃取微柱，再用大约5mL甲醇将柱上的金属离子-8-羟基喹啉螯合物洗脱下来，将该洗脱液经过蒸发，加盐酸-硝酸混合液消化处理后定容为5mL，最后用ICP-AES法测定其浓度，该方法的富集倍数可达200倍，用于海水样品溶液中Cu2+、Cd2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+等离子的测定，检测限在0.02～0.1ng·mL-1之间。Sturgeon等［282］也进行过类似的研究，也取得了很好的效果。

使用其他螯合剂首先与金属离子反应生成疏水性螯合物，然后再用C18键合硅胶吸附萃取的例子也有很多。如Monteiro等［283］将C18键合硅胶填充微柱与冷原子吸收分析仪通过流动注射连接起来，构成在线分离富集及测定系统，在该系统中，Hg2+和CH3Hg+与二硫代磷酸二乙酰基酯反应生成疏水性的螯合物，用乙醇将螯合物洗脱，再用NaBH4还原后原子吸收在线测定即可，该方法检测限为10ng·L-1。徐光明等［284］将C18键合硅胶萃取微柱与火焰原子吸收仪在线连接起来，利用邻二氮菲为螯合剂，在线富集并测定了几种天然水样中的Fe2+和总Fe，该方法测定速度快，富集倍数为19倍，测定的检测限为3ng·mL-1，标准加入回收率为94％～105％。Yamini等［285］使用铜试剂使Cu2+生成螯合物，然后用C18键合硅胶萃取盘富集分离，异丙醇洗脱，最后用分光光度法测定，该方法可应用于自来水、泉水中铜的测定，检测限为0.12ng·mL-1。其他该类研究工作可参阅文献［286～290］。

2.负载螯合剂的C18键合硅胶直接吸附萃取金属离子

负载螯合型C18键合硅胶是指利用疏水性作用及氢键等非化学键合方法首先将金属离子螯合剂吸附在C18键合硅胶上，然后再在适当的酸度条件下用该吸附剂直接吸附萃取溶液中的金属离子，从而实现对金属离子的分离富集。这种固相萃取吸附剂比化学键合型固相萃取吸附剂制作简单得多，一般可通过用螯合剂的有机溶剂溶液浸泡C18键合硅胶固定相或将螯合剂的有机溶剂溶液通过C18键合硅胶填充柱即可制得，用该法制得的萃取吸附剂可很方便地直接应用于金属离子的固相萃取。这种吸附剂的缺点是螯合剂与C18键合硅胶之间的作用力不是很强，随着实验的进行，螯合剂会逐渐流失，富集容量会逐渐下降，因此吸附剂会较快失效，需要更换或再次进行负载处理。由于该法存在制造方便和商品螯合剂种类多的特点，该方法近年来应用较多，可应用于多种元素的分离富集和测定。

Shabani等［291］将二-（2-乙基己基）磷酸和2-乙基己基磷酸的混合液通过C18键合硅胶填充柱，这样可使该混合螯合剂负载于C18键合硅胶上，用该固相萃取柱对已调至pH3.0～3.5的海水样品溶液中的14种微量稀土元素进行富集并与基体分离，吸附于柱上的稀土元素用适量的6mol·L-1 HCl溶液定量洗脱后用ICP-MS测定，该方法基体消除作用强、富集倍数高，可达200～1000倍，应用于海水样品中0.1～5.0pg·mL-1浓度范围稀土元素的测定，结果令人满意。Shamsipur等［292］对美国3M公司生产的规格为直径47mm、厚度0.5mm的C18键合硅胶固相萃取盘（粒径8μm，孔径60Å）进行了三辛基氧化磷负载修饰，并用于自来水和泉水样品中铀元素的分析测定。他们的大致作法是：首先用适量甲醇对萃取盘进行清洗和预处理，然后将少量合适浓度的三辛基氧化磷甲醇溶液通过萃取盘，使三辛基氧化磷均匀吸附在萃取盘上，将该萃取盘在60℃烘干除去溶剂，此时即完成了对萃取盘的负载处理；让少量水通过萃取盘后，再将酸度调节成0.5mol·L-1 HNO3介质的样品溶液以5～10mL·min-1的流速通过萃取盘，继续用抽真空的方法使萃取盘干燥后，用2mL甲醇以1～2mL·min-1的流速洗脱-三辛基氧化磷螯合物，再重复洗脱两次，合并洗脱液，在洗脱液中加入适量显色剂二苯甲酰甲烷后，在405nm处光度法测定浓度，该萃取盘修饰方法操作简便，对U测定的检测限为0.1ng·mL-1。Shamsipur等［293］还用三辛基氧化磷负载修饰过的美国3M公司生产的规格为直径47mm，厚度0.5mm的C18键合硅胶固相萃取盘（粒径8μm，孔径60Å）圆满实现了对标准土壤样品提取液中Th4+和其他共存元素的分离富集和测定，测定结果与标准值一致。Shamsipur等［294］和Hashemi等［295］分别将萘酚的席夫碱衍生物和含硫席夫碱吸附负载于直径47mm、厚度0.5mm的C18键合硅胶固相萃取盘（粒径8μm，孔径60Å）上，并将它们分别应用于雪水、自来水、雨水、海水、泉水中Cu2+和Pb2+的萃取和火焰原子吸收测定，这两种方法选择性高、操作简单方便、富集萃取速度快、富集溶液体积大、富集倍数和测定灵敏度高，对Cu2+和Pb2+的测定检测限分别为4ng·L-1和16.7ng·mL-1。Yamini等［296］将苯并-18-冠-6吸附修饰于直径47mm、厚度0.5mm的C18键合硅胶固相萃取盘（粒径8μm，孔径60Å）上，并将其成功应用于自来水、井水、河水中Ba2+与其他碱金属和碱土金属离子的分离，该方法操作简单方便，分离效果良好。Yamini等［297］和Shamsipur等［298］还将吸附负载有六硫代-18-冠-6-四酮的C18键合硅胶固相萃取盘应用于自来水、河水、井水、泉水中Hg2+和Ag+的富集和原子吸收测定，对Hg2+和Ag+的检测限分别为6ng·L-1和50ng·L-1。由于该类研究工作可利用的C18键合硅胶和螯合剂种类很多，负载吸附剂制造及对金属离子的萃取操作都很简单，有待研究的体系很多，所以该类研究近来开展较多并仍然在持续发展。

（二）疏水性聚合物类固相萃取吸附剂

在金属离子固相萃取中使用较多的另一类疏水性吸附剂是有机聚合物类吸附剂，该类吸附剂比表面积大，疏水性强，所以对疏水性化合物有很强的吸附萃取能力，其对疏水性化合物的吸附萃取能力往往比C18键合硅胶更强。该类吸附剂中应用最广泛的是Amberlite XAD系列树脂。与C18键合硅胶类一样，使用有机聚合物类吸附剂萃取金属离子也可用两种操作方式来进行：一种是金属离子先与螯合剂生成疏水性螯合物，然后再用疏水性有机聚合物类吸附剂萃取吸附；另一种是用疏水性有机聚合物类吸附剂先将螯合剂吸附，然后再用该修饰过的吸附剂直接萃取金属离子。

1.疏水性聚合物萃取吸附金属离子-螯合剂疏水性螯合物

Uzun等［299］首先在500mL工业废水中加入适量二乙基二硫代氨基甲酸钠，并调节溶液pH 6.0，使溶液中的Cu2+、Fe2+、Pb2+、Ni2+、Cd2+、Bi3+等离子转化为疏水性螯合物，将此溶液以5mL·min-1的流速通过填充有0.5g XAD-4树脂的直径10mm的固相萃取柱，则上述离子的疏水性螯合物被吸附于萃取柱上，用10mL丙酮可将此螯合物定量洗脱，该洗脱液蒸发近干后用1mol·L-1 HNO3溶液稀释为5mL或10mL，最后用火焰原子吸收仪进行测定。该法富集倍数高，基体去除能力强，可用于废水样品的测定，对上述几种离子的检测限在4～23ng·mL-1之间。Narin等［300］首先使金属离子与PAN在pH10.0时反应生成疏水性螯合物，将此溶液以合适流速通过XAD-2000树脂，被吸附的螯合物用少量1mol·L-1 HNO3的丙酮溶液洗脱，洗脱液再用火焰原子吸收仪测定，该方法可应用于分析测定地表水和海水中的ng·mL-1浓度级的Cu2+、Pb2+、Ni2+、Cr3+等离子，方法的富集倍数达250倍。另外，King等［301］利用二-（2-羟基乙基）-二硫代氨基甲酸酯、Elci等［302］利用吡咯烷二硫代氨基甲酸铵，与金属离子反应生成疏水性螯合物后，用XAD-4树脂填充柱进行富集萃取并分别应用于海水和河水样品中金属离子的测定，均取得了满意的结果。其他利用XAD型树脂的此类研究还有许多，读者可参阅有关文献［303～306］。

此种操作方式中，除XAD型树脂外，其他的吸附剂应用于金属离子分离富集的研究也有报道。如蔡亚岐等人的研究［307～310］发现，Chromosorb系列聚合物气相色谱固定相由于具有大的比表面积和强的疏水性，在特定条件下可有效富集Cu2+、Cd2+、Pb2+、Co2+等金属离子的疏水性衍生物并与碱金属和碱土金属离子分离，通过对Chromosorb 101～105的比较研究，我们发现Chromosorb 105对金属离子的疏水性衍生物吸附富集能力最强，它既可以定量吸附这些金属离子的8-羟基喹啉螯合物，也可以吸附弱碱性到碱性范围内的金属离子本身。我们将大约0.3g Chromosorb 105固定相填充于长52mm、直径4.0mm的离子色谱柱中，构成固相萃取微柱，该微柱用于一些天然水样如自来水、河水、矿泉水等中的金属离子的富集及原子吸收测定，效果良好，对金属离子的检测限一般为每升几十纳克。该法富集倍数高，一般可达100倍以上；吸附和洗脱速度快，在较短时间内可处理较大体积的样品溶液；洗脱可用稀硝酸实现，洗脱后可直接用于石墨炉原子吸收进行测定；柱填料耐酸、耐碱，使用时间长，易于再生。

Anthemidis等［311］通过流动注射系统将细丝状聚四氟乙烯切削料填充柱与火焰原子吸收分析仪连接起来，构成在线分析系统；将Cu2+加入吡咯烷二硫代氨基甲酸铵衍生为疏水性螯合物后，通过该系统进行分离富集和测定，该系统吸附富集能力比编结反应器强，富集倍数为340倍，系统反压又比其他填充柱小，可采用更高的流速，分析速度快，进样频率为40次·h-1，该系统已成功应用于自来水、河水、近海海水中Cu2+的测定，测定检测限为50ng·L-1。

2.负载螯合剂的疏水性聚合物直接吸附萃取金属离子

负载螯合剂的疏水性聚合物制作简单方便，一旦制作完成后，只要通过简单调节金属离子溶液的酸度，就可直接用此类吸附剂分离富集金属离子，所以分离富集操作更为方便。故此类吸附剂用于金属离子的分离富集的研究也较多。在这类吸附剂中，使用最多的仍然是Amberlite XAD系列聚合物树脂。如Melo等［312］通过简单地将2-（2-噻唑偶氮）-5-二甲氨基苯酚（TAM）的甲醇溶液通过Amberlite XAD-2树脂填充柱，即可将TAM吸附负载于Amberlite XAD-2树脂上，他们将该填充微柱与火焰原子吸收分析仪在线连接起来，该分析系统可在pH 8.0～8.5定量吸附Cd2+，定量洗脱可用0.5mol·L-1 HCl来实现，利用该分析系统对面粉、龙虾等标准样品中的Cd进行了分离富集和测定，该方法测定速度快，进样频率为40次·h-1，富集倍数108倍，检测限为1.2ng·mL-1。Yebra等［313］将1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚（PAN）的稀溶液通过Amberlite XAD-4树脂填充微柱（65mm×1.4mm id），1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚（PAN）即可吸附负载于Amberlite XAD-4树脂上，他们将该萃取微柱与一简单的蠕动泵相连，该系统即可对海水进行原位现场采样，对海水中的Cu2+可达到定量富集，而不受大量盐分基体的影响，回到实验室后，将萃取微柱与火焰原子吸收分析仪连接起来，用0.5mol·L-1 HCl的20％的乙醇溶液进行洗脱，洗脱液直接进行原子吸收测定，该方法富集倍数为30倍，测定Cu2+的检测限为0.06ng·mL-1。Hutchinson等［314］将杯芳烃四氢草氨酸酯吸附负载在Amberlite XAD-4树脂上，该负载树脂对过渡金属离子有不同程度的吸附富集，其中对微量Cu2+、Zn2+、Mn2+的吸附富集可达定量程度，富集倍数为25倍。其他使用负载螯合剂的Amberlite XAD树脂进行微量金属离子分离富集的研究报道还有不少［315～320］，在此不作一一叙述。

另外利用其他类型负载型聚合物进行金属离子分离富集的研究也有报道。如Ricardo Jorgensen Cassella等［321］通过将2-（2-噻唑偶氮）-对苯二酚（TAC）的乙醇稀溶液流过聚氨酯泡沫塑料填充柱，将2-（2-噻唑偶氮）-对苯二酚（TAC）吸附负载于该柱上，该吸附剂可在pH10.0～11.0之间定量吸附Co2+，被吸附的Co2+可用2mol·L-1 HCl溶液定量洗脱，洗脱液可以流动注射的方式直接引入火焰原子吸收仪进行测定，该在线分析系统被成功地应用于井水、湖水、自来水、海水样品中Co的分离富集与测定，该方法测定速度快，进样频率为17次·h-1，测定的检测限为2.4ng·mL-1。Chwastowska等［322］将2-巯基苯并噻唑吸附负载于大孔聚丙烯酸酯树脂上，他们用该吸附剂填充柱成功地分离并富集了河水和地下水中的无机汞和烷基汞，并用冷原子吸收法进行了测定，测定的检测限可达10ng·L-1。刘海玲等［323］还将2-巯基苯并噻唑吸附负载于聚酰胺树脂上，用该吸附剂对河水、井水、自来水、池塘水等样品中的Hg元素进行了分离富集和冷原子吸收测定，测定的标准加入回收率在92.1％～102.5％之间，结果令人满意。

（三）其他基于疏水性作用的金属离子固相萃取形式

在以疏水性作用为基础的固相萃取中，除上述介绍过的键合硅胶类和聚合物类以及最早使用的活性炭类外，还有一些其他的基体材料和操作方式。

Baena等［324］研究了C60富勒烯作为新型固相萃取吸附剂的可能性，他们将填充有80mg C60富勒烯的规格为内径3mm、长17mm的固相萃取微柱以流动注射的方式与火焰原子吸收分析仪连接起来，构成在线分离富集和测定系统，利用该系统可以使Zn2+、Mn2+、Fe3+等离子与二硫代氨基甲酸盐的疏水性螯合物富集于该微柱上，并与其他共存成分分离，再用稀硝酸溶液将被C60富勒烯固定相吸附的分析物洗脱下来，洗脱液直接引入火焰原子吸收分析仪进行测定即可。该方法富集倍数高，使用10mL样品溶液时富集倍数可达45倍，对上述三种分析物的检测限在1～5ng·mL-1之间。Pena等［325］较系统地研究了Cu2+与吡咯烷二硫代氨基甲酸铵、硫氰酸铵、铜试剂、邻菲罗啉生成的螯合物或离子对化合物在C60～C70富勒烯填充微柱上的吸附萃取行为，研究发现吸附萃取效果以生成的螯合物吸附于C70富勒烯填充微柱体系为最佳，该微柱与流动注射火焰原子吸收相连构成的在线分析系统样品溶液和洗脱剂用量少（定量洗脱仅需0.25mL甲基异丁酮），富集倍数大，随所用反应体系的不同其富集倍数在40～185之间，检测限在0.3～3ng·mL-1之间。Baena等［326］还合成了键合有二硫代氨基甲酸钠基团的C60富勒烯，并将其应用于对Pb2+的固相萃取。上述两例说明，这类新型笼形材料具有作为选择性疏水性固相萃取吸附剂的巨大潜力，其选择性可由其笼的大小和所带支链来控制，该类材料的疏水性大小也可通过对其进行亲水性或疏水性修饰来控制，所以笔者认为该类材料在固相萃取方面的应用潜力还有待进一步挖掘。

微晶萘负载有机螯合剂或离子对试剂柱分离法近年来也有较多的研究，这类分离富集方法可以看作是另外一种形式的固相萃取。其操作方法大体如下：将适当体积的萘丙酮溶液在不断搅拌下滴加于已经调节好合适pH值的螯合剂或离子对试剂的溶液中，充分混合均匀后，陈化、过滤、洗涤、干燥后即制得了对金属离子有分离富集能力的微晶萘固相萃取吸附剂，将这种材料装柱后即可应用于金属离子的分离富集。该方法吸附剂制作方便，可供选择的有机试剂种类多，其填充微柱可以方便地以流动注射的方式与许多检测手段相结合，所以该方法的研究工作近年有较多的报道。如Cai等［327］用三溴偶氮胂-溴化十六烷基吡啶负载微晶萘从pH 6.0的样品溶液中分离富集了La、Eu、Yb三元素，被吸附萃取的分析物用3.0mol·L-1 HCl洗脱后，洗脱液可以直接用ICP-AES进行测定。该法富集和基体去除能力强，对上述三元素的检测限分别为8.6ng·mL-1、1.5ng·mL-1、1.3ng·mL-1，该法已成功应用于几种汽车尾气颗粒物及植物标准样品中目标元素的分析测定，结果令人满意。Mohammad Ali Taher［328］首先在pH10.0的条件下使Ni2+与2-（5-溴-2-吡啶偶氮基）-5-二乙氨基苯酚（5-Br-PADAP）反应生成螯合阳离子，然后再将此溶液通过四苯硼酸铵负载微晶萘填充柱，则在溶液中形成的螯合阳离子会与四苯硼酸阴离子生成中性的疏水性的离子对化合物而被吸附萃取于微晶萘填充柱上，再用二甲亚砜将柱中的微晶萘溶解，此含有被测元素Ni的二甲亚砜溶液可直接用空气-乙炔焰原子吸收进行测定，该方法选择性高，富集倍数较大（80倍），测定灵敏度（产生1％吸收）为0.23μg·mL-1，该方法应用于合金样品和生物样品中Ni的测定，结果令人满意。Mohammad Ali Taher［329］还用1-（2-吡啶偶氮基）-2-萘酚（PAN）负载微晶萘填充柱分离富集了微量Zn2+，用二甲亚砜溶解柱中的微晶萘后再用火焰原子吸收法测定，该方法线性范围为0.1～6.5ng·mL-1，可应用于合金和生物样品中微量Zn元素的测定。其他有关用微晶萘分离富集微量金属离子的研究报道还有不少，感兴趣的读者可参阅有关文献［330～334］。

近几年另一项经常使用的与流动注射在线联用的分离富集手段是编结反应器（Knotted reactor），该方法首先使金属离子与适当的化学试剂在流动注射系统中在线生成强疏水性的化合物，生成疏水性化合物后的反应混合物被在线送入用很细的聚四氟乙烯管编结而成的编结反应器中，由于聚四氟乙烯材料的强烈疏水性和流路中发生的频繁的疏水性化合物与聚四氟乙烯管内表面的碰撞作用，使得由分析物生成的疏水性化合物完全地被吸附于编结反应器的内表面上，然后再用适当的溶剂（大多数情况为有机溶剂，少数情况为无机酸）将吸附于编结反应器内表面的疏水性化合物洗脱下来，在上述过程中达到了对分析物的富集和与基体杂质的分离，这就是编结反应器分离富集金属离子的原理。实际上上述过程也可以看作为一个固相萃取过程。由于编结反应器为空心的非填充结构，因此大大减小了流动注射体系中的反压阻力，有利于在较快流速下实现对大体积样品的分离富集，提高分析效率。如Yan等［335］使用该方法与ICP-MS结合，实现了对河水、地下水、自来水中Fe3+和Fe2+的分离富集和测定，他们首先让Fe3+与吡咯烷二硫代氨基甲酸铵在弱酸性中反应生成疏水性螯合物，将该螯合物在线吸附于编结反应器中，再用1mol·L-1 HNO3洗脱，洗脱液直接送入ICP-MS测定，即可得到样品溶液中Fe3+的浓度；将Fe2+预先氧化为Fe3+后，即可按上述同样的方法测得Fe元素的总量，差减后得到Fe2+的浓度。该方法用30s进行富集，富集倍数可达12倍，进样频率为21次·h-1，检测限为0.08ng·mL-1。Yan等［336］将稀土元素离子样品溶液的酸度调节为pH8.3～9.0，从而使这些元素离子生成氢氧化物沉淀，该沉淀被在线吸附于编结反应器中而与碱金属、碱土金属等基体相分离，再用1mol·L-1 HNO3洗脱，洗脱液可用ICP-MS直接测定，该方法可在120s内达到55～75倍的富集倍数，检测限为0.06～0.27ng·mL-1。其他此类研究读者可参阅有关文献［337～339］。

通过以上较为全面的介绍，我们了解到固相萃取作为一项有效的分离富集手段，正在微量金属离子的分离富集及测定方面获得广泛的应用，它几乎可以与现有的各种检测手段以离线和在线两种方式相结合，并在此结合中充分发挥其增加灵敏度、简化或消除基体干扰的作用。另外通过众多举例，我们也可了解到，现代分析科学中分离富集发展的一个重要趋势是在线化和微型化，因为只有这样，才能在极短的分析时间内，使用极少量的样品，获得大的富集倍数、好的分离效果，最终得到准确的分析结果。