可持续离子液体辅助浊点萃取用于水体和食品样品中痕量铜(II)富集及分光光度法测定前处理

《Scientific Reports》：Sustainable ionic liquid-assisted cloud point extraction for enrichment of trace copper(II) in water and food samples prior to spectrophotometric determination

　　

本研究提出了一种新型、低成本且可持续的离子液体辅助浊点萃取（IL-CPE）技术，用于在436 nm处对痕量铜(II)进行富集和分光光度定量。该方法基于Cu(II)在pH 6.5条件下与(Z)-4-bromo-2-(((2-hydroxyphenyl)imino)methyl)phenol形成配合物，随后采用1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate和Triton X-114进行萃取。在最优条件下，该方法表现出优异的线性范围（2.0–300 μg L^?1，R² = 0.9997）、较高的灵敏度，预浓缩因子和富集因子分别为100和12.5，且检出限低至0.6 μg L^?1。该新型IL-CPE方法的精密度与可靠性通过低相对标准偏差（RSD）得到验证：在100和200 μg L^?1水平下（n = 10），RSD分别为1.6%和2.0%；其准确度则通过标准参考物质和实际环境样品验证，涵盖水体与食品基质。此外，研究人员采用多种绿色分析化学（Green Analytical Chemistry, GAC）评价指标与实用性指标，对方法的环境效应进行了系统评估，包括AGREE、AGREEprep、ComplexMoGAPI、AGSA，以及BAGI、CACI。基于RGB算法和碳足迹削减指数（Carbon Footprint Reduction Index, CaFRI）的评价结果证实，该方法是常规痕量金属检测中一种可持续、环境友好且高度可靠的选择。

该论文发表于《Scientific Reports》，围绕环境与食品样品中痕量铜(II)的绿色高效检测展开。研究背景在于，金属离子在环境体系中的持续累积使其监测需求不断增加，尤其当其含量处于痕量水平且缺乏生物调控时，分析难度显著上升。铜是典型的双重属性元素：一方面，Cu(II)是超氧化物歧化酶和细胞色素c氧化酶等金属酶的重要辅因子；另一方面，其失调与阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病相关，过量暴露还可能导致胃肠道损伤以及慢性肝肾衰竭。因此，在复杂环境和食品基质中建立一种兼具高灵敏度、良好选择性、低成本与环境可持续性的Cu(II)检测方法，具有明显科学意义与应用价值。

现有Cu(II)测定方法包括火焰原子吸收光谱法（FAAS）、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、溶出伏安法以及分光光度法等。尽管这些技术各具优势，但直接测定痕量铜常受到灵敏度不足和基质干扰的限制，因而通常需要预富集步骤。传统共沉淀、固相萃取、液液萃取和膜过滤等预富集方法虽然有效，但往往依赖挥发性或危险有机溶剂，带来环境与安全问题。浊点萃取（CPE）由于利用非离子表面活性剂在浊点温度附近发生相分离，从而实现分析物向表面活性剂富集相转移，被视为更具可持续性的替代方案。研究人员进一步引入离子液体（IL）作为协同萃取介质，以改善相分离行为、增强配合物溶解与富集效率，并结合分光光度法的经济性和普及性，构建了一套符合绿色分析化学原则的综合检测策略。

在方法设计上，研究人员选用席夫碱配体(Z)-4-bromo-2-(((2-hydroxyphenyl)imino)methyl)phenol（BHPIMP）与Cu(II)形成络合物，并构建由[C₄MIM][PF₆]与Triton X-114组成的混合胶束体系，以实现高效IL-CPE预富集，再通过分光光度法完成定量。文章同时强调，该方法不仅关注分析性能，也系统纳入了绿色性、实用性、白色综合评价和碳足迹分析，从而使方法学评价超越传统检出限、精密度和回收率等单一指标。

主要技术方法方面，研究人员首先合成并表征了BHPIMP配体；随后建立Cu(II)-BHPIMP络合-IL-CPE-分光光度检测流程，并对pH、配体用量、表面活性剂浓度、离子液体浓度、样品体积、平衡温度、孵育时间、离心条件及稀释剂等关键变量进行系统优化。方法学验证采用标准参考物质（TMDA 51.3、TMDA 53.3和NIST SRM 1570a菠菜叶）及埃及来源的实际水样、蔬菜样品；同时通过共存离子干扰实验、标准加入法及多维绿色分析评价工具，对其准确性、选择性、可持续性与应用潜力进行综合评估。

以下为论文主体研究结果的凝练解读。

吸收光谱与配合物化学计量比
研究人员比较了未预富集、传统CPE和IL-CPE三种条件下Cu(II)-BHPIMP配合物的吸收光谱，结果显示最大吸收波长λ_max分别位于415 nm、432 nm和436 nm。IL-CPE条件下出现明显红移，说明离子液体与表面活性剂富集相改变了配合物微环境，增强了其稳定性与疏水性。进一步通过摩尔比法和连续变化法（Job法）确定Cu(II)与BHPIMP形成1:1配合物，该结果与相关直接分光光度研究一致，为后续方法构建提供了配位化学基础。

Optimization of the experimental variables
在实验变量优化中，pH被证实是影响Cu(II)-BHPIMP络合稳定性和萃取效率的决定性因素。研究表明，吸光度随pH升高而增加，在5.5–7.0之间达到平台，最终选择pH 6.5。较低pH下，质子竞争配位位点抑制络合；较高pH下则可能因Cu(OH)₂沉淀生成而使游离Cu(II)减少。BHPIMP用量优化结果显示，2.0 mL即可实现定量络合，继续增加不再改善信号，说明络合平衡已达到。

Effect of extracting phase composition
在萃取相组成方面，研究人员比较了多种非离子表面活性剂，发现Triton X-114对Cu(II)回收最优，最佳浓度为0.5%（v/v），对应300 μL。离子液体[C₄MIM][PF₆]最佳使用条件为0.1 mol L^?1、200 μL。NaCl作为盐析剂的加入进一步促进了萃取过程。研究指出，离子液体虽然较传统有机溶剂更绿色，但PF₆^?型咪唑类离子液体仍存在稳定性与毒性顾虑；然而本方法用量极低，因此相关环境负担被显著降低，同时换来更好的相分离与更少的传统溶剂需求。

Effect of sample volume
样品体积直接影响可实现的富集效果。研究人员考察1.0–100.0 mL范围内的样品体积后发现，30 mL以内均能维持定量回收，超过该体积则萃取不完全，因此30 mL被确定为最大适用样品体积。

Temperature and time influence
平衡温度与孵育时间对浊点相分离和预富集行为具有重要影响。研究结果表明，45 °C、5 min的孵育条件可获得最佳分析响应，因此被确定为后续实验标准条件。

Centrifugation conditions influence
研究人员进一步优化离心分相步骤，发现4000 rpm离心5 min即可实现稳定而完全的相分离。更低条件下分相不足，而进一步延长时间并未带来明显改进。

Effects of diluent
由于富集相黏度较高，必须采用适宜稀释剂后才能进行分光光度测定。多种有机溶剂比较显示，乙醇在500 μL时具有最佳稀释效果。在该条件下，依据初始样品体积与最终富集相体积之比，研究人员计算得到预浓缩因子为60。

Complexation and IL-surfactant synergism
文章对方法高效性进行了机理解释。首先，BHPIMP作为席夫碱配体，通过亚胺氮和酚氧原子与Cu²⁺形成N,O-双齿螯合，生成具有较高热力学稳定性的平面四配位螯合物。其次，[C₄MIM][PF₆]在Triton X-114胶束体系中发挥胶束调节作用：咪唑阳离子嵌入非离子表面活性剂胶束栅栏层，降低聚氧乙烯头基间位阻和排斥作用，促进形成更稳定的疏水微环境；其芳香环还可与BHPIMP芳环产生π-π相互作用，从而增强配合物在富集相中的溶解和保持能力。加热诱导的聚氧乙烯链脱水则进一步促进浊点分相并提高预富集效率。

Selectivity studies
选择性研究从理论与实验两方面展开。理论上，Cu²⁺相较Ni²⁺、Zn²⁺等二价过渡金属对N、O供体配体具有更高络合稳定性，这与Irving-Williams序列一致。实验上，通过考察多种常见共存离子对300 μg mL^?1 Cu(II)回收率的影响，研究人员发现方法对复杂基质具有较高耐受性，在较高外源离子浓度下仍保持超过95%的定量回收，说明其适用于环境和食品等多组分样品。

Analytical performance
方法学性能显示，该方法在2.0–300 μg L^?1范围内具有优异线性，校准方程为A = 1.2 × 10^?3C ? 8.0 × 10^?4，R² = 0.9997。检出限（DL）和定量限（QL）分别为0.60和2.0 μg L^?1。重复测定结果表明，在100和200 μg L^?1下RSD分别为1.60%和2.0%，回收率为97.0%–100%。摩尔吸光系数ε₄₃₆为7.474 × 10⁴ L mol^?1·cm^?1。文中还将该IL-CPE方法与传统CPE及未经预富集的直接分光光度法进行比较，结果显示所建立方法在灵敏度和分析性能方面具有明显优势。

Method accuracy and validation
准确度与可靠性通过多种标准参考物质验证，包括强化水标准参考物质TMDA-51.3、TMDA-53.3以及NIST SRM 1570a菠菜叶。研究人员结合标准加入法处理潜在基质效应，所得回收率与标准值吻合良好，介于96.40%–97.54%，证明所提方法适用于复杂水样和生物样品基质中的Cu(II)测定。

Applications
在实际样品应用中，研究人员分析了多种水样和酸消解食品样品。标准加入结果表明，回收率为95.0%–100.90%，RSD低于4.0%，说明方法具有良好的重现性和准确性。针对食品样品，研究进一步比较了消解前加标与消解后加标两种策略，其回收率分别为95.0%–98.0%和95.5%–99.0%。两者接近表明，样品消解步骤能够有效破坏有机基质，而IL-CPE步骤又可作为高效净化富集手段，使Cu(II)选择性进入富集相而不受残余有机成分光谱重叠影响。

Multidimensional sustainability assessment
论文的一大特色在于对方法可持续性的多维评价。研究人员没有仅使用单一绿色指标，而是联合AGREE、AGREEprep、ComplexMoGAPI、AGSA、BAGI、CACI、RGB和CaFRI等多种工具，从环境影响、资源利用、实用性、白色综合评价与碳足迹等不同维度开展综合分析。这种多指标并行验证方式避免了单一指标可能带来的偏差，使方法学评价更全面。

Environmental greenness and carbon efficiency
在绿色性方面，AGREE得分为0.68，AGREEprep得分为0.64，说明方法尤其在样品前处理阶段具有较低溶剂消耗。ComplexMoGAPI得分86，AGSA得分73.61，提示其主要环境影响更多来自仪器能耗而非化学废物。CaFRI得分80，表明该方法在实验室直接能耗层面的碳足迹较低。研究人员指出，这一碳足迹评估主要针对加热、离心和分光光度测量等实验活动本身，并不包括试剂生产和运输等上游过程，因此代表的是操作层面的环境负荷。总体来看，该方法分析时间短于10 min、无需氮气、废物产生量小，并可由单人完成，符合气候友好型实验室方法的发展方向。尽管如此，文中也明确指出，乙醇、硝酸和消解试剂的使用以及酸消解步骤的能耗，仍使其无法达到“完全绿色”，这一表述体现出论文对方法可持续性的审慎界定。

Applicability assessment
在实用性评价方面，BAGI得分67.5，CACI得分70，表明该方法在通量、可操作性和日常实验室适配性方面表现良好。研究结论认为，IL-CPE技术在保持环境可持续性的同时，也兼顾了常规环境监测所需的实际应用价值。

Whiteness evaluation (RGB Algorithm)
RGB算法显示该方法总体白色综合值为82.0%，说明其在分析性能（Red）、环境影响（Green）和实用性（Blue）三方面实现了较好平衡。研究人员强调，虽然[C₄MIM][PF₆]和Triton X-114存在一定环境持久性与水解顾虑，但由于使用量为微升级、萃取动力学优异且浊点合适，因此换取了更高灵敏度和更好重复性，这一权衡被认为是合理且有益的。

Integrated sustainability interpretation
多种可持续性评价工具在统一框架下呈现出较一致的结论，各项指标集中于64%–86%区间，说明该方法在理论绿色性与实际应用层面均具有较稳定的可持续性特征。研究人员据此认为，该IL-CPE策略较好协调了环境影响、分析效能与实际应用需求。

Comparative assessment
与文献中其他Cu(II)萃取与测定策略相比，BHPIMP的选择具有明确优势。其合成路线为一步席夫碱缩合反应，过程简洁、原子经济性高，仅以水为化学计量副产物，符合绿色合成理念。结构上，BHPIMP含有亚胺和酚羟基供体位点，可稳定螯合Cu(II)；溴取代基增强了吸电子效应与疏水性，有利于提高络合稳定性和浊点萃取中的相转移效率。分析性能上，该方法以较低检出限、较高精密度和较少危险有机溶剂使用量，达到或优于多种更复杂的微萃取或固相萃取方法。同时，分光光度法虽然不具备ICP-OES或AAS的多元素检测能力，但其仪器要求低、成本较低、易于推广，增强了方法的实用性与可及性。

讨论部分总结
综合全文，论文的核心贡献在于建立了一种面向痕量Cu(II)检测的绿色分析方法学框架：以BHPIMP实现针对Cu(II)的稳定络合，以[C₄MIM][PF₆]-Triton X-114混合体系实现高效浊点富集，并以分光光度法完成简便定量。研究不仅验证了方法在线性、检出限、精密度、准确度、抗干扰能力及实际样品适用性方面的可靠表现，还通过多维工具系统展示了其环境友好性、应用可行性与较低碳足迹。讨论中并未回避方法局限，而是指出PF₆^?型离子液体和酸消解步骤仍存在一定环境代价，因此未来可探索胆碱基离子液体、更绿色的样品前处理技术以及便携化检测形式。总体而言，该研究体现了绿色分析化学从“可测”向“高效、可持续、可实施”并重的发展趋势。

研究结论翻译
本研究成功设计并验证了一种可持续且高性能的离子液体辅助浊点萃取（IL-CPE）方法，用于真实水样和蔬菜样品中Cu(II)离子的选择性预富集，并在分光光度分析前实现有效前处理。该策略兼具操作简便性与较高分析灵敏度，检出限（DL）为0.60 μg L^?1，预浓缩因子（PF）为60。除灵敏度外，该方法还具有溶剂与试剂消耗少、成本低和分析速度快等特点，适用于常规分析应用。其另一显著优势是对共存离子具有较高耐受性，从而可在复杂基质中实现Cu(II)的可靠定量且无显著干扰。该方法的精密度通过RSD低于3.0%的重复性和重现性结果得到证实，显示出优良的方法学稳定性。实际样品和标准参考物质分析进一步验证了该方法在环境基质中检测Cu(II)的准确性与实用可靠性。从可持续性角度看，该方法表现出良好的生态特征：AGREE得分为0.68，AGREEprep为0.64，ComplexMoGAPI得分为86，AGSA得分为73.61。BAGI评估得到67.5的实用性蓝度得分，CACI得分为70。RGB算法给出的总体白色综合值为82%，CaFRI得分为80，表明该方法在降低碳足迹方面具有显著效果。这些互补性指标共同证实，所提出的IL-CPE方法在分析效能、环境可持续性和经济可行性之间实现了良好平衡。研究还指出，该IL-CPE方法具有较强的自动化和规模化潜力：其萃取步骤简单、试剂消耗低、分析时间短，适合集成至流动分析或顺序注射系统中，也可借助常规实验设备开展并行高通量分析而不损害分析性能。总体而言，该方法是一种可靠、灵敏且可持续的痕量Cu(II)测定策略，符合现代绿色分析化学原则，并适用于常规分析及大规模分析实施。