杨大雨，赵德祎，黄 睿，邹 婷，戴欣忺，李 思，严志明

（福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002）

砷（Arsenic，As）是一种天然类金属元素，主要以有机砷和无机砷两类形式存在[1]，其中对人体健康造成威胁的主要是无机砷。砷主要通过水在环境中迁移，在水环境中具有很高的溶解性，容易被鱼类、蔬菜和谷物吸收，并可通过食物链最终在人体内积累[2-3]，严重时可能会导致人体内脏损害，皮肤病变甚至使大脑、膀胱、肾脏以及肝脏等器官发生癌变[4-6]。目前国内外砷污染问题严重，据世界卫生组织公布，全球至少有5000多万人口正面临着地方性砷中毒的威胁，其中大多数是亚洲国家，而中国是最严重的国家之一[7]。因此，检测分析食品中无机砷含量，确定其安全风险具有重要意义。

样品前处理是复杂样品分析检测过程的重要环节。对于复杂体系中微量、痕量物质的检测，样品前处理决定了分析速度的快慢，也决定了样品分析结果的灵敏度、准确度和精确度[8]。目前，多种样品前处理技术已被应用于无机砷的检测中，如液-液萃取[9]（Liquid-liquid extraction，LLE）、固相萃取[10]（Solid phase extraction，SPE）、固相微萃取（Solid-phase microextraction，SPME）[11-13]以及磁性固相萃取（Magnetic solid phase extraction，MSPE）[14-16]等。其中，SPE因其对分析物的广谱适用性和固体吸附剂的多样化选择而被认为是应用最广泛的一种方法。但是SPE在应用中存在吸附剂与有机溶剂用量较多且费时等缺点[17]。管尖固相萃取（Pipette-tip solid phase extraction，PT-SPE）是固相萃取的小型化替代技术，只需在移液管尖端填充少量吸附剂即可达到与其他前处理手段相同的效果，因其操作简便、溶剂用量与样品消耗少等优点被迅速开发用于食品、药品和生物产品中目标物的纯化和富集[18-20]。目前，PT-SPE并未被应用到无机砷检测的前处理中。

PT-SPE技术的核心是吸附剂的选择[21]。目前用于无机砷分离检测的吸附剂主要有氨基功能化吸附剂和巯基化功能吸附剂。氨基功能化吸附剂是基于离子交换作用实现对五价砷的选择性吸附而被应用于无机砷的检测。赵灵瑜等[22]将四乙氧基硅烷（TEOS）和N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷（AEAPTES）作为共聚前体，合成了一种氨基功能化的有机-无机杂化整体柱，结果发现氨基功能化的整体柱能够特异性识别As（V），保证了As（V）浓度测定的准确性。而巯基功能化吸附剂则是基于巯基与三价砷之间的特异性吸附完成对三价砷的选择性吸附。许秋月等[23]通过一种“点击反应”制备了一种巯基修饰环氧基改性的磁性纳米粒子Fe3O4@SiO2@GMA-S-SH，在将其用于无机砷的萃取时发现其能够特异性吸附As（Ⅲ），且与未改性的Fe3O4@SiO2@GMA相比，改性后的吸附剂对As（Ⅲ）具有更好的富集效果。但遗憾的是，无论是氨基功能化还是巯基功能化吸附剂，都具有或价格昂贵，或制备困难，或吸附能力较弱的缺点。

聚丙烯腈（PAN）是由丙烯腈单体通过自由基聚合而成的高分子材料，由于其优异的耐溶剂性而常用于制备PAN纳米纤维。且由于其易改性的特点，纤维骨架中的氰基可与水合肼在加热条件下反应转化为氨基腙[24]，从而完成PAN纳米纤维的氨基功能化。静电纺丝技术是一种利用高压静电场作用实现将纺丝液雾化分裂成小液滴最终固化成为纳米纤维的一项技术[25]，由静电纺丝制得的纳米纤维由于具有比表面积大、力学性能好、孔隙率可调等优点而被广泛应用于样品前处理[26]。因此，本实验通过静电纺丝技术制备PAN纳米纤维，并通过水合肼对其进行氨基改性，将其作为PT-SPE吸附材料，建立管尖固相萃取/氢化物发生-原子荧光光谱法（PT-SPE/HG-AFS）检测As（Ⅴ）和As（Ⅲ）两种无机砷，并将其应用于矿泉水和茶饮料中As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的形态分析。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

As（V）标准液（1000 mg/L）、As（III）标准液（1000 mg/L） 购自上海安谱实验科技股份有限公司；聚丙烯腈（PAN） 购自阿拉丁化学有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、80%水合肼、氯化钙、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、亚硫酸钠、硝酸钠、磷酸三钠购自国药集团化学试剂有限公司；甲醇、乙醇、氢氧化钠、硼氢化钠、盐酸、碳酸钠 购自西陇科学股份有限公司。

AFS-3100原子荧光光谱 北京海光仪器有限公司；ME204E电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；DF-101S磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限责任公司；ET静电纺丝设备 北京永康乐业科技发展有限公司；Milli-Q IQ7000纯水系统 美国Merck公司；QL-902涡旋仪 海门市其林贝尔仪器制造有限公司；Inspect QUANTA 430型扫描电子显微镜 美国FEI公司；Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪 美国Nicolet公司。

1.2 实验方法

1.2.1 NH2-PAN纳米纤维的制备

1.2.1.1 PAN纳米纤维的制备 在课题组前期研究的基础上合成PAN纳米纤维[18]。首先将1.1 g PAN在磁力搅拌下缓慢加入10 mL DMF中并持续搅拌溶解过夜，将得到的均匀纺丝溶液倒入配有23寸不锈钢针头的10 mL注射器中。制备PAN纳米纤维静电纺丝条件为：环境湿度保持在30%相对湿度，接收装置转速50 r/min，针尖与接收装置之间的距离为20 cm，喷射电压为18 kV，推进速度为1.0 mL/h。得到的PAN纳米纤维在80 ℃真空烘箱中干燥过夜。

1.2.1.2 NH2-PAN纳米纤维的制备 水合肼与PAN纳米纤维之间会通过化学反应将纤维表面的部分氰基转化为氨基腙[24]，从而修饰上大量的氨基官能团，成功制备NH2-PAN纳米纤维，化学方程式如图1所示。制备过程根据文献[27]有所修改。首先将上一步得到的PAN纳米纤维裁剪成2 cm×2 cm大小，并浸泡在水合肼溶液中，80 ℃水浴加热5 h；然后将得到的NH2-PAN纳米纤维分别用超纯水和乙醇交替清洗两次；最后将合成的NH2-PAN纳米纤维在60 ℃真空干燥箱中干燥过夜。

图 1 PAN纳米纤维与水合肼化学反应方程式Fig.1 Chemical reaction equation of PAN nanofibers with hydrazine hydrate

1.2.2 材料表征 参考文献[28]，采用Inspect QUANTA 430场发射扫描电镜仪（SEM）在加速电压为20.00 kV、放大倍数80000倍时观察比较PAN纳米纤维和NH2-PAN纳米纤维的表面形貌，采用Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪（FT-IR）在500～3900 cm-1波数范围内分析鉴定PAN纳米纤维和NH2-PAN纳米纤维表面的功能基团。

1.2.3 As标准系列溶液的配制 分别吸取0、0.25、0.5、1.0、1.25、1.5和2.0 mL的1 μg/mL的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）标准品于25 mL容量瓶中，以超纯水定容，得到浓度为0、10、20、40、50、60、80 μg/L的一系列As（Ⅲ）和As（Ⅴ）标准溶液，摇匀，静置30 min后检测以绘制工作曲线。其中As（Ⅴ）溶液在测定前需要进行还原，即向配制的As（Ⅴ）标准液中加入1.0 g的硫脲-抗坏血酸混合物（质量比为1:1），40 ℃水浴加热30 min（下同）。

1.2.4 PT-SPE程序 参考文献[18]并略作修改。实验固定As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的初始浓度为50 μg/L，样液体积为5 mL。首先称取12 mg的NH2-PAN纳米纤维塞进移液枪枪头，两端以脱脂棉花填充固定。萃取之前，先后加入1 mL的甲醇和超纯水分别对NH2-PAN纳米纤维进行活化与清洗；接着将5 mL pH8的50 μg/L无机砷溶液以一定流速通过吸附材料，如此完成吸附操作；用5 mL浓度为0.01 mol/L的HCl溶液进行洗脱；最后洗脱液经还原后用氢化物发生-原子荧光光谱（HG-AFS）法进行检测。其中，样液pH是通过使用pH仪和0.01 mol/L的HCl、NaOH溶液进行调节。

1.2.5 原子荧光光谱条件 根据课题组此前的方法，AFS以5%的盐酸为载流，还原剂是由2%（w/v）的硼氢化钠分散在0.2%（w/v）的氢氧化钠溶液介质中制得，光电倍增管负高压为280 V，砷空心阴极灯电流为50 mA，原子化器高度是8 mm，载气（氩气）流速为300 mL/min，屏蔽气流速为800 mL/min。数据使用标准曲线法进行测量，以峰面积为读数标准，读数时间为16.0 s，延迟时间为1.0 s。

1.2.6 实际样品处理与测定 选定福建农林大学爱慕超市中购买的矿泉水与菊花茶、茉莉花茶等两种茶饮料作为本次实验的实际样品。首先将三种实际样品分别用0.45 μm的一次性微孔滤膜过滤头进行过滤，收集滤液并储存在4 ℃的冰箱中。调节样品溶液的pH为8，分别取5 mL加入到PT-SPE装置中，经吸附-脱附-还原等操作后用HG-AFS法测定。实验平行测量三次。将0.0001 mol/L的KMnO4溶液加入到样品中静置30 min，待样品中As（Ⅲ）全部转化为As（Ⅴ）后调节pH为8，将5 mL样品加入到PT-SPE装置，经吸附-脱附-还原后可测得样品中的无机砷总量。同时，利用减差法即可算得样品中As（Ⅲ）的含量。

1.3 数据处理

此实验所有数据均由AFS-3100双通道原子荧光光谱仪测定，使用标准曲线法进行测量，以峰面积为读数标准。各指标测定重复3次，用Origin 2018软件对数据进行处理及绘图。

图 2 PAN纳米纤维（a）和NH2-PAN纳米纤维（b）的SEM表征（80000×）Fig.2 SEM characteristic of PAN nanofibers (a) and NH2-PAN nanofibers (b)(80000×)

无机砷的吸附率和回收率分别按下式计算：

其中：ε表示NH2-PAN纳米纤维对无机砷的吸附率，%；C0表示样品溶液中无机砷的质量浓度，μg/L；Ct表示吸附剂对样品溶液中无机砷吸附后测得的溶液中无机砷的质量浓度，μg/L；P表示回收率，%；C空表示原始空白样品中无机砷的质量浓度，μg/L；C加表示样品中加入的无机砷的质量浓度，μg/L。

2 结果与分析

2.1 NH2-PAN纳米纤维的表征

2.1.1 SEM表征 通过SEM研究了PAN和NH2-PAN纳米纤维的表面形貌，结果见图2。从图2（a）可以看出通过静电纺丝技术制备的PAN纳米纤维直径均一，纤维表面具有沟壑结构，颜色为白色。从图2（b）发现经过水合肼改性后，NH2-PAN纳米纤维颜色由白色变为粉色，纤维表面有变得粗糙，但仍具有良好的纤维形貌。

2.1.2 FT-IR表征 用FT-IR对合成的纳米纤维的化学基团进行了表征，结果见图3。PAN纳米纤维在1734和2242 cm-1处的红外特征峰分别对应C=O和C-N的伸缩振动。经水合肼对PAN纳米纤维改性，可以发现在3410 cm-1处的红外特征峰强度变强，这是NH2-PAN纳米纤维中N-H的伸缩振动引起特征峰强度增强。此外，NH2-PAN纳米纤维的红外光谱在1633 cm-1处有N-H变形振动的特征峰。NH2-PAN纳米纤维的红外光谱充分说明本研究成功利用水合肼对PAN纳米纤维进行了改性。

图 3 PAN纳米纤维（a）和NH2-PAN纳米纤维（b）的FT-IR表征Fig.3 FT-IR characteristic of PAN nanofibers (a) and NH2-PAN nanofibers (b)

图 4 pH对PAN纳米纤维和NH2-PAN纳米纤维吸附As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的影响Fig.4 Effect of pH on the adsorption of As(Ⅴ) and As(Ⅲ) by PAN nanofibers and NH2-PAN nanofibers

2.2 PT-SPE程序优化

2.2.1 吸附剂种类 实验初固定吸附剂材料用量为4 mg，研究了PAN纳米纤维和NH2-PAN纳米纤维在不同pH条件下对无机砷吸附的影响，结果如图4所示。从图中可以看到，PAN纳米纤维对As（Ⅴ）和As（Ⅲ）的吸附效果较弱，吸附率低于20%；而NH2-PAN纳米纤维，其对As（Ⅲ）的吸附率较低；对As（Ⅴ）的吸附率在pH4～9范围内均高于60%，结果说明PAN纳米纤维的氨基功能化不仅实现对As（Ⅴ）的选择性吸附，而且提高了对As（Ⅴ）的吸附性能。

2.2.2 样品溶液pH 样品溶液的pH决定了分析物和吸附剂的存在形态及两者结合的稳定性和密度[29]，对分析物的萃取非常重要。本实验固定NH2-PAN纳米纤维用量为4 mg，考察了其在不同pH条件下对无机砷吸附情况的影响，结果见图4。从图中可以看出，NH2-PAN纳米纤维对As（Ⅲ）的吸附效果不好，吸附率始终低于8%。但对于As（Ⅴ），随着砷溶液pH在2～10范围内逐渐增加，NH2-PAN纳米纤维对As（Ⅴ）的吸附效果先是快速上升，然后趋于平缓，再开始降低，吸附剂在pH为3～9范围内有很好的吸附效果。结合文献[30-31]，As（V）和As（III）的pKa1值分别为2.3和9.2，当溶液pH＜pKa1时分别以中性分子H3AsO4和H3AsO3形式存在，pH＞pKa1时分别以H2AsO4-、HAsO42-和H2AsO3-等阴离子形式存在。而NH2-PAN纳米纤维因表面带有大量氨基而带正电荷。因此，对As（Ⅴ）而言，当pH在3～9时，As（Ⅴ）由不带电状态转为带负电荷，与带正电的NH2-PAN纳米纤维之间产生静电引力作用使吸附率上升，当pH进一步增大，溶液中分布的大量OH-会与砷离子竞争吸附剂表面的吸附位点，从而导致吸附率下降；对于As（III）而言，其在酸性和弱碱性条件下以分子形式存在，吸附率不高，而强碱性条件下As（III）以阴离子形式存在，此时静电引力作用与吸附位点竞争作用相持，故吸附率持续保持在较低水平。综上，当pH在3～10范围内时可实现对As（Ⅴ）的选择性吸附。最终选定PT-SPE吸附As（Ⅴ）的最佳pH为8。

2.2.3 NH2-PAN纳米纤维用量 为了确定最佳吸附剂用量，实验固定样品溶液pH为8，考察了质量分别为2、4、6、8、10和12 mg的NH2-PAN纳米纤维吸附剂对As（Ⅴ）的吸附情况。结果如图5所示，As（Ⅴ）的吸附率随着吸附剂质量的增加而呈现出上升趋势。因此在保证最大吸附率的同时节约材料，后续实验把最佳吸附剂用量定为12 mg。

图 5 NH2-PAN纳米纤维用量对As（Ⅴ）的吸附影响Fig.5 Effect of NH2-PAN nanofibers dosage on As(Ⅴ)adsorption

2.2.4 洗脱剂浓度 由2.2.1可知，NH2-PAN纳米纤维在强酸性条件下对As（Ⅴ）的吸附效果较差，故本实验在固定吸附剂种类和用量以及样液pH最优的条件下，以盐酸（HCl）作为洗脱剂，固定体积5 mL，研究了浓度分别为0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5和1.0 mol/L的HCl溶液对As（Ⅴ）回收效率的影响。结果如图6所示，当HCl溶液浓度为0.001 mol/L时，As（Ⅴ）回收率只有51.14%，随盐酸浓度逐渐升高，回收率逐渐增加，并在HCl浓度增加到0.01 mol/L时达到最大（100%）。因此，将HCl的最佳洗脱浓度定为0.01 mol/L。

图 6 洗脱剂浓度对As（Ⅴ）回收率影响Fig.6 Effect of eluent concentration on the recovery of As(Ⅴ)

2.2.5 洗脱剂用量 保持上述优化条件不变，进一步研究了0.01 mol/L的 HCl用量对As（Ⅴ）回收效率的影响。结果如图7所示，当盐酸用量从1 mL增加到5 mL时，回收率一直呈上升趋势，但随着HCl用量的增多，回收率显示下降。因此，本实验洗脱剂确定为5 mL浓度为0.01 mol/L的HCl溶液。

图 7 洗脱剂用量对As（Ⅴ）回收率影响Fig.7 Effect of eluent dosage on the recovery of As(Ⅴ)

2.2.6 离子干扰试验 由于实际水环境中成分复杂，水体含有许多其他种类离子，这些离子可能会与As（Ⅴ）同时竞争材料上的吸附位点，从而影响As（Ⅴ）的吸附效果。本实验研究了100 mg/L的Ca2+、Na+、Cl-、CO32-和0.5 mg/L的PO42-、NO3-、SO42-以及SO32-等常见离子对As（V）回收率的影响，结果如图8所示。Ca2+、Na+、Cl-和CO32-等离子对吸附剂的吸附性能影响相对较小，而PO42-、NO3-、SO42-以及SO32-等离子对吸附剂吸附As（V）的影响较为明显。各离子与吸附点位的亲和力为：PO42-＞SO42-＞SO32-＞NO3-＞Ca2+＞Na+＞Cl-＞CO32-。

图 8 干扰离子对As（Ⅴ）回收率影响Fig.8 Effect of interfering ions on the recovery of As(Ⅴ)

2.3 重复使用性

为考察NH2-PAN纳米纤维的可重复使用性，在上述条件得到的最佳水平条件下连续多次进行PTSPE操作，使用过的NH2-PAN纳米纤维在下一次PT-SPE操作前分别用2.0 mL甲醇和2.0 mL超纯水依次清洗。结果如图9所示，经过5次重复使用，As（V）的回收率仍在90%以上，说明NH2-PAN纳米纤维具有良好的稳定性。

图 9 NH2-PAN纳米纤维的重复使用性Fig.9 Reusability of NH2-PAN nanofibers

2.4 方法验证

在上述优化条件的基础上，确定PT-SPE/HGAFS检测无机砷方法的线性范围与灵敏度，验证方法的分析性能。配制一系列浓度的标准溶液，在最佳萃取条件下，经PT-SPE后进行HG-AFS检测，结果如表1所示，方法在0.0235～60 μg/L范围内具有良好的线性关系，相关系数R2=0.9944，精密度为5.79%，检出限为0.0235 μg/L。

表 1 方法的线性方程、线性范围、相关系数、精密度和检出限Table 1 Linearity equation, linear range, correlation coefficient, precision and detection limit of the method

2.5 实际样品分析

将所建立的方法应用于矿泉水、菊花茶和茉莉花茶饮料中无机砷的分析检测。结果表明，三种实际样品中均未检测出无机砷。分别添加浓度为10、30 μg/L的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）标准液进行加标实验，结果如表2所示，三种实际样品的加标回收率都在85%以上，回收率良好，说明本实验所建立的方法准确适用，满足分析检测的要求。

表 2 实际样品中无机砷的测定结果Table 2 Determination results of inorganic arsenic in actual samples

3 结论

本文通过对吸附剂种类、溶液初始pH、吸附剂用量、洗脱剂种类和用量以及干扰离子等条件进行优化与验证，成功建立了PT-SPE技术结合HGAFS法以检测分析矿泉水和茶饮料中的无机砷。当吸附剂为12 mg NH2-PAN纳米纤维、溶液pH为8、洗脱剂为5 mL 0.01 mol/L的HCl溶液时，方法在0.0235～60 μg/L范围内具有较好的线性关系，精密度为5.79%。利用该方法检测分析矿泉水、菊花茶和茉莉花茶饮料中的无机砷，加标回收率介于85.8%～110%之间。建立的方法操作简便、快速准确，在无机砷检测方面具有较好的应用前景。