利用高通量固相微萃取结合微等离子体诱导蒸发原子荧光光谱法测定高盐样品中的镉含量

《Journal of Hazardous Materials》：Determination of Cadmium in High-Salt-Containing Samples by High-Throughput Solid Phase Microextraction Coupled with Microplasma-Induced Vapor Generation Atomic Fluorescence Spectrometry

在线高盐样品中镉离子的高通量固相微萃取联用微plasma诱导挥发性生成原子荧光光谱检测方法研究。

　　在当今的环境科学与公共卫生研究中，海洋中镉离子（Cd2?）的污染问题日益受到关注。镉是一种有毒重金属，其化合物在工业、农业和日常生活中广泛使用，例如在镍镉电池、颜料和镉碲半导体中。然而，这些应用带来的镉污染对海洋生态系统和人类健康构成了严重威胁。镉在海洋中的积累不仅影响水生生物，还可能通过食物链进入人体，导致多种健康风险，包括肝损伤、高血压、肾功能障碍、乳腺癌和肺部损伤等。因此，准确检测海水和尿液中的镉离子对于评估环境和人体健康状况至关重要。

近年来，随着科学技术的进步，各种高灵敏度的镉检测方法不断涌现。其中，基于电化学技术的检测方法，特别是阴极溶出伏安法，因其低能耗、低成本和快速响应等优势，成为重金属离子检测的重要手段。然而，这些方法在实际应用中仍面临挑战，尤其是在处理高盐含量的样品时，如海水和尿液，由于样品基质的复杂性，容易引入干扰，从而影响检测结果的准确性。为了解决这一问题，研究者们尝试将化学气相生成（CVG）技术与原子光谱技术相结合，以提高检测的灵敏度和选择性。

在CVG技术中，微等离子体诱导气相生成（μPIVG）因其高气相生成效率、快速反应速度和简单的设备结构，逐渐成为一种备受关注的分析技术。μPIVG技术利用等离子体产生的高温和强氧化性，将样品中的镉离子转化为可检测的气相形式，从而实现高灵敏度的检测。然而，该技术在高盐含量样品中的应用仍然受到限制，因为碱金属（如K?和Na?）和碱土金属（如Ca2?和Mg2?）的存在会对等离子体中的离子平衡产生干扰，进而影响气相生成的效率。

为了解决这一问题，研究者们尝试在μPIVG检测前引入高效的镉分离和富集技术。近年来，固相微萃取（SPME）技术因其集成采样、富集和萃取于一体的特性，成为一种具有广泛应用前景的样品前处理方法。SPME技术可以通过直接浸入（DI-SPME）模式实现对镉离子的高效提取，而无需复杂的样品处理步骤。然而，在实际应用中，SPME技术仍然面临一些挑战，尤其是在高盐含量样品的处理方面，由于样品中存在大量的碱金属和碱土金属，这些金属可能会干扰镉离子的富集和分离过程。

为此，研究人员开发了一种基于氧化石墨烯（GO）和多壁碳纳米管（MWCNTs）的水凝胶涂层，用于DI-SPME阵列，以实现对高盐含量样品中镉离子的高效富集和分离。这种GO/MWCNTs水凝胶具有三维结构，能够提供大量的孔隙，从而增强样品与活性位点的接触面积，提高镉离子的富集效率。同时，GO的表面富含氧含基团，能够提供大量的静电吸引位点，增强对镉离子的吸附能力。此外，GO与d-区金属之间的配位键比与碱金属和碱土金属之间的配位键更强，从而降低这些金属对检测的干扰。

为了进一步提高检测的效率和灵敏度，研究人员将DI-SPME与在线萃取μPIVG-原子荧光光谱（AFS）技术相结合。这种方法通过将SPME纤维插入到μPIVG腔室中作为电极，并将萃取液直接注入到涂层中，实现在线萃取和检测。这种集成方法不仅简化了分析步骤，还提高了检测的自动化程度和数据处理效率。实验结果表明，在优化条件下，该方法具有良好的线性范围（0.05至5 μg/L），并表现出高灵敏度和低检测限（4 ng/L）。此外，该方法的重复性良好，纤维间（n=20）和批次间（n=12）的相对标准偏差均小于8.3%，显示出良好的稳定性和可重复性。

为了验证该方法的准确性和实用性，研究人员对标准参考物质（GBW08607、GBW(E)091031和GBW(E)091032）、海水样品和尿液样品进行了分析。实验结果表明，该方法在95%置信水平下与标准值的t检验结果良好，显示出较高的检测准确性和实用性。此外，该方法在高盐含量样品中的应用也显示出良好的适应性，能够有效降低样品基质的干扰，提高镉离子的检测灵敏度。

本研究的成果不仅为高盐含量样品中镉离子的检测提供了一种新的解决方案，也为环境监测和公共卫生研究提供了有力的技术支持。通过结合GO/MWCNTs水凝胶涂层和在线萃取μPIVG-原子荧光光谱技术，研究人员成功开发了一种高效、灵敏且简便的镉离子检测方法，能够在不进行复杂样品处理的情况下，实现对海水和尿液中镉离子的准确检测。这种方法的推广和应用，将有助于提高环境监测的效率，减少对高盐含量样品的检测难度，为相关领域的研究和实践提供新的思路和方法。

在实际应用中，该方法的优势在于其操作简便、检测快速和结果准确。通过将SPME纤维直接插入到μPIVG腔室中作为电极，并将萃取液直接注入到涂层中，研究人员实现了在线萃取和检测，避免了传统方法中需要离线萃取和复杂的样品处理步骤。这种方法不仅提高了检测的效率，还减少了实验操作的复杂性，使检测过程更加自动化和标准化。此外，该方法的高灵敏度和低检测限，使其能够在极低浓度下检测镉离子，满足环境监测和公共卫生研究的高要求。

在环境科学领域，镉污染的监测不仅有助于评估人类活动对海洋环境的影响，还能够为制定有效的污染控制措施提供科学依据。通过高灵敏度的检测方法，研究人员可以更准确地掌握镉污染的分布和变化趋势，为环境保护和治理提供数据支持。此外，镉污染的监测对于公共卫生研究也具有重要意义，能够帮助识别镉暴露的风险因素，为制定相应的健康保护措施提供依据。

在公共卫生领域，尿液中镉离子的检测是评估人体镉暴露水平的重要手段。镉主要通过肾脏途径排出体外，因此尿液中镉的浓度可以反映人体内镉的积累情况。通过高灵敏度的检测方法，研究人员可以更准确地评估人体镉暴露的风险，为制定相应的健康干预措施提供科学依据。此外，镉污染的监测还能够帮助识别高风险人群，为公共卫生政策的制定提供数据支持。

综上所述，本研究开发了一种基于GO/MWCNTs水凝胶涂层的DI-SPME阵列，并结合在线萃取μPIVG-原子荧光光谱技术，成功实现了对高盐含量样品中镉离子的高效、灵敏和简便检测。这种方法不仅克服了传统检测方法在高盐含量样品中的局限性，还提高了检测的自动化程度和数据处理效率。通过这种方法的推广和应用，研究人员可以在不进行复杂样品处理的情况下，实现对海水和尿液中镉离子的准确检测，为环境监测和公共卫生研究提供有力的技术支持。