CN102393327B - 利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法及装置与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法及装置与应用。该方法为将含有待检重金属离子的液体样品的pH值调至8～10，然后加入磁性碳包铁纳米粒子，恒温震荡；分离吸附重金属离子的磁性碳包铁纳米粒子和样品基液，并将碳包铁粒子在酸性溶液中进行洗脱；采用重金属离子检验方法测定洗脱液中的金属离子含量，即可计算原样品中待检元素的含量。该方法简单易行，成本更为低廉。实现上述方法的装置包括磁性碳包铁纳米粒子和磁分离装置。该装置结构简单，轻便，可用于富集重金属离子，特别适用于对食品容器的安全性能的检测。

Description

利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法及装置与应用

技术领域

本发明涉及重金属离子的分离富集技术，特别涉及一种利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法及装置与应用。

背景技术

科学技术和生产实践的发展对化学检测要求越来越高，为准确测定低含量目标检测物，人们采用分离富集的方法排除基体或其他物质干扰并对目标检测物富集使其达到分析仪器的检测限。纳米材料具有很大的化学活性。特别是一些金属或金属氧化物纳米颗粒表面原子能够与其它金属离子以静电作用相结合，因此该类纳米材料对许多金属离子或化合物表现出较强的吸附性能。

目前纳米材料应用于化学检测分离富集领域的研究报道主要是对纳米Al₂O₃、纳米TiO₂、纳米Fe₂O₃等金属氧化物和碳纳米管的研究。对于纳米金属氧化物，其存在问题主要是吸附和洗脱过程中，体系pH值的变化会引起该类纳米材料的腐蚀或溶解，难以实现循环使用，同时由于其溶解，较高的金属离子溶度可能反而对目标检测物测定造成干扰。对于碳纳米管，其存在问题是由于采用固相萃取柱进行吸附和分离，造成吸附率低、操作复杂、成本高昂等问题。

磁性碳包铁纳米粒子是在纳米金属铁的表面包覆了一层非晶态类石墨碳的磁性材料，目前对其的用途研究主要集中在将其作为药物载体。尚未有关于将磁性碳包铁纳米粒子用于富集重金属离子进行检测的报道。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法。

本发明的另一目的还在于提供实现所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法的装置。

本发明的再一目的还在于提供上述装置的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法，是将磁性碳包铁纳米粒子置于含有待检重金属离子的液体样品中，再将pH值调节至所需酸碱度，恒温振荡一段时间后，分离收集吸附重金属离子的磁性碳包铁纳米粒子，用适当pH值的酸性溶液对吸附重金属离子的磁性碳包铁纳米粒子进行洗脱，检测洗脱液中待检金属离子的浓度，将其除以富集倍数即可得到原检测样品中待检元素的含量；原检测样品溶液体积与洗脱液体积的比值越大，富集倍数越高。试验可通过待检样品中金属离子的含量与所采用检测方法的检出限确定合适的富集倍数。

所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法，具体包含以下步骤：

(1)将含有待检重金属离子的液体样品的pH值调至8～10，然后加入磁性碳包铁纳米粒子，恒温震荡，使待检重金属离子充分吸附到磁性碳包铁纳米粒子表面上；

(2)分离吸附重金属离子的磁性碳包铁纳米粒子和样品基液，并将碳包铁粒子在酸性溶液中进行洗脱；

(3)采用重金属离子检验方法测定洗脱液中的金属离子含量，计算原样品中待检元素的含量：样品中待检元素含量X＝C/n，其中，C为洗脱液中被检测元素的含量，mg/L或ug/L；n为富集倍数，n＝V_b/V_a，V_b和V_a分别为液体样品体积量与洗脱液体积量；

步骤(1)所述的重金属离子优选为Cr离子、Ni离子、Cd离子、As离子、Fe离子、Co离子或Pb离子中的至少一种；

步骤(1)中所述的pH值的调节优选通过盐酸溶液或氢氧化钠溶液进行调节；更优选通过浓度为0.1mol/L的盐酸溶液或0.1mol/L的氢氧化钠溶液进行调节；

步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子优选为采用氩电弧等离子体法制备得到的磁性碳包铁纳米粒子，可参考周纯等，直流碳弧法合成碳包铁纳米粒子的研究，炭素技术，2006，4(25)：6～9；

步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子更优选通过包含以下步骤的制备方法得到：按照1g磁性碳包铁纳米粒子和40mL双氧水(体积百分比30％)的比例将双氧水和碳包铁纳米粒子混合，超声波震荡1小时；分离得到磁性碳包铁纳米粒子，洗涤，干燥，得到吸附能力更强的磁性碳包铁纳米粒子；通过双氧水化学处理，一方面可除去碳包铁粉体中的无定形碳，避免无定形碳对重金属离子的物理吸附，另一方面双氧水化学处理可使碳包铁外层的非晶态类石墨组织表面出现羧基和羟基等亲水基团，将碳包铁纳米颗粒由非极性粒子转变为极性粒子；

所述的洗涤优选用去离子水洗涤；

所述的干燥的条件优选为110℃干燥4小时；

步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子的粒径优选为30～80nm；更优选为30～50nm；

步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子优选为铁的质量百分含量为20～80％，更优选为60％；

步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子的用量优选为10～100mg/10ml含有待检重金属离子的液体样品；

步骤(1)中所述的恒温震荡的条件优选为20～30℃震荡3～5min；

步骤(2)中所述的分离的方式包含固相萃取柱分离、离心分离或外磁场分离收集，优选为外磁场分离；

步骤(2)中所述的酸性溶液的pH值优选为1～4；

步骤(2)中所述的酸性溶液优选为体积百分比1％～3％的盐酸水溶液或硝酸水溶液；

所述的利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法应用于富集金属粒子进行检测；更适用于对不锈钢食具容器检测其释放重金属离子的程度，评价其安全性能；

实现上述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法的装置，包括磁性碳包铁纳米粒子和磁分离装置；

所述的磁分离装置优选包括电源和电磁铁两部分；

更优选地，所述的电磁铁的外表面包覆一层聚四氟乙烯薄膜，这是为防止电磁铁在酸性介质中的腐蚀；

所述的装置应用于富集金属粒子进行检测；更适用于对不锈钢食具容器检测其释放重金属离子的程度，评价其安全性能。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)磁性碳包铁纳米粒子由于非晶态碳层的保护作用，可有效防止纳米铁材料在强酸或强碱溶液中的腐蚀和溶解，实现萃取材料的循环使用，同时可避免由于吸附材料溶解引入的干扰。

(2)可以采用磁分离技术实现目标检测物与样品基体的分离，设备要求低、操作过程简单，同时可使萃取材料与检测样品充分接触，不受时间和空间的约束，可以实现吸附效率最大化。

(3)采用磁性碳包覆纳米材料作为固相萃取材料，不仅可以提高萃取效率，而且萃取材料可循环使用，节约成本，同时可为磁分离技术在化学检测前处理中的实践应用提供更广阔的应用前景。

(4)食具容器尤其是不锈钢食具容器在使用过程中，由于酸性或盐性食品的腐蚀作用，一部分有害元素会迁移析出进而污染所盛放的食品，我国相关标准将铬、镍、镉、铅、砷在4％(体积百分比)醋酸溶液中的迁移量作为评价不锈钢食具容器卫生性能的检测指标。由于铅、砷限量较低(Pb＜1mg/L，As＜0.04mg/L)，为准确测定有害元素迁移量，往往需要电感耦合等离子体原子发射光谱或原子吸收光谱仪与原子荧光光谱仪等多台仪器协作完成检测。使用本发明所述的方法和装置能有效取代前述部分大型仪器，实现电感耦合等离子体原子发射光谱同时测定五种有害元素，检测准确度高，操作简单。

附图说明

图1为实施例1制备的碳包铁纳米粒子的电镜图，其中：图(a)为透射电镜(TEM)图；图(b)为高分辨透射电镜(HRTEM)图。

图2是实施例1制备的碳包铁纳米粒子的XRD谱图。

图3是实施例1所述的利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法的装置的工作示意图，其中1为电源；2为电磁铁；3为聚四氟乙烯薄膜层；4为碳包铁纳米粒子，Me⁺代表待检金属离子。

图4是pH值对碳包铁纳米离子吸附率的影响图。

图5为不同pH值条件下经双氧水处理与未经双氧水处理的碳包铁纳米粒子对Cd和Pb离子的吸附率图。

图6是经双氧水处理过的碳包铁纳米颗粒与纳米三氧化二铁在不同pH值条件下铁离子的析出溶度图。

图7是pH值对双氧水处理后的碳包铁纳米离子吸附率的影响图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)制备碳包铁纳米粒子：采用氩电弧等离子体法制备碳包铁纳米粒子。碳弧法是利用正负极电极之间强大的电流产生的高温，使石墨粉和铁粉在高温下迅速汽化，并在反应器上迅速冷却形成了具有独特纳米壳核结构的材料-碳包铁纳米粒子。将铁粉与碳粉按不同比例(Fe∶C＝6∶4)混合制备样品负电极，正极为纯石墨电极，置于氩气氛中(1000Pa)直流电源起弧放电，控制放电电流为120A左右，直流电压为22V时开始放电，反应产生电离及等离子体，反应室内形成烟状的气流，在器壁上沉积形成纳米粒子。当反应结束后，收集沉积在器壁上的样品后用甲苯过滤收集到的样品，得到纳米碳包覆铁粒子粉体。

碳包铁纳米粒子的形貌和粒径分析采用日本电子株式会社透射电子显微镜(JEM-2010HR)，工作电压200Kv。从图1(a)可以初步看出碳包铁粒子的粒径分布在30～50nm，纳米颗粒的形状为球状或类球状，颗粒较均匀，粒度分布较窄；从图1(b)中可清楚的看出是壳/核结构，颗粒表层厚度在5nm左右，厚度比较均匀，包覆比较致密。

XRD衍射对碳包铁纳米粒子的成分进行分析，结果如图2所示。碳包铁纳米粒子内核为体心立方或面心立方结构的铁晶体，被类石墨结构的非晶碳层包裹，粒子中没有发现铁的碳化物和氧化物。

称取碳包铁纳米粒子50mg，置于50mL钢量瓶中，加入20mL体积百分比50％的硝酸水溶液，在加热板上200℃条件下加热30min，待碳包铁碳层解脱后，过滤溶液中的碳，定容后用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测定铁含量，测得铁的质量百分含量为60％。

(2)将碳包铁纳米粒子应用于富集分离重金属离子

A、采用Cr标准溶液、Ni标准溶液、Cd标准溶液、Pb标准溶液(均可从国家标准物质研究中心购买得到)配制5mg/L的Cr、Ni、Cd、Pb混合溶液，用0.1mol/L的盐酸溶液或0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值；

B、将步骤(1)制备的50mg碳包铁纳米粒子加入步骤A制备的Cr、Ni、Cd、Pb混合溶液(10mL)中，震荡4min，采用磁分离装置收集得到吸附重金属离子的磁性碳包铁纳米粒子；其中磁分离装置如图3所示，分离装置由电源1和电磁铁2两部分，电磁铁2外表面包覆一层聚四氟乙烯薄膜3，为防止电磁铁在酸性介质中的腐蚀。

测定不同pH下的吸附率U。其计算公式为：U＝(C₀-C_f)/C₀，其中C₀和C_f分别为不同金属离子初始溶度和吸附分离后上清液检测浓度(Mg/L)。各元素随pH的吸附率见图4所示。同时计算最大吸附率对应pH条件下的吸附量Q，其计算公式为：Q＝[(C₀-C_f)V]/M，其中V为检测溶液体积(L)，M为碳包铁使用量(g)。

图4的结果表明，pH值对碳包铁粒子吸附率非常明显，在酸性介质中，吸附率较低，在碱性条件下，碳包铁纳米粒子对重金属离子的吸附率明显升高，当pH值接近10时，对Ni、Cd的吸附率接近100％。

C、接着配制20mg/L的Cr、Ni、Cd、Pb混合标准溶液，用0.1mol/L的NaOH调节pH值到10.0，每10mL混合标准溶液中加入50mg碳包铁纳米粒子，搅拌3～5min，磁分离后测定清液中待检元素浓度，计算混合溶液中碳包铁的吸附量。测得Cr、Ni、Cd、Pb吸附量分别为3.6mg/g、4.8mg/g、6.3mg/g和2.1mg/g。表明在混合溶液中碳包铁纳米粒子具有较高的吸附量，可满足痕量分析对固相萃取材料的要求。

D、配制酸性洗脱液，pH值为1～3硝酸水溶液或盐酸水溶液。对吸附重金属离子的磁性碳包铁纳米粒子进行洗脱，被吸附金属离子的回收率如表1所示：

表1不同pH值下的洗脱率

表1的结果表明，pH值越小，酸性溶液对金属离子的洗脱效果越好。

实施例2

(1)制备处理后的磁性碳包铁纳米粒子：按照1g碳包铁纳米粒子和40mL双氧水(体积百分比30％)的比例将双氧水和实施例1制备的碳包铁纳米粒子混合，超声波震荡1小时，磁分离后用去离子水把双氧水彻底洗掉，再放入烘箱中110℃下干燥4小时，以彻底去掉水分，得到处理后的磁性碳包铁纳米粒子。

(2)检测：

①吸附性能比较：配制不同pH值的5mg/L系列单标准溶液，在标准溶液中分别加入30mg经双氧水处理和未处理的碳包铁纳米粒子，超声震荡5min，外磁场分离后测定清液各元素浓度并计算吸附率。结果如图5所示，实验结果表明，经H₂O₂处理的碳包铁纳米粒子比未经H₂O₂处理的碳包铁纳米粒子具有更强的金属离子吸附能力。

②抗酸性试验：取20mg经双氧水处理的碳包铁纳米粒子和纳米三氧化二铁粒子置于50mL水介质中，用0.1mol/L的HCl溶液调节pH值，震荡30min后测定不同pH值下的Fe离子含量C_Fe，以此比较和表征两种纳米粒子的抗酸腐蚀性能。结果如图6所示，经双氧水处理的碳包铁纳米粒子在酸性条件下，铁溶出量很小。

③不同pH值对吸附率的影响：配制5.0mg/L的Cr、Ni、Cd、Pb、As混合标准溶液8份，用0.1mol/L的HCl溶液或NaOH溶液调节pH值(2～10)，溶液体积为10mL。每10mL溶液各加入30mg经H₂O₂处理的碳包铁纳米粒子，室温震荡10min，磁分离碳包铁粒子后，按照实验方法测定吸附后残余的各元素含量，计算不同pH条件下各元素的吸附率，如图7所示。结果表明，Cr、Ni、Cd、Pb、As在pH为8～9.5时可被定量吸附，当pH值大于9时，吸附率均超过90％，接近10时，吸附率接近100％。

④共存离子的影响：配制10mL1.0mg/L的Cr、Ni、Cd、Pb、As混合标准溶液，加入30mg双氧水处理后的碳包铁纳米颗粒，加入K(2000μg)、Na(2000μg)、Ca(2000μg)、Mg(1000μg)、Fe(500μg)、Zn(500μg)、Al(500μg)、Cu(100μg)、Mn(100μg)、P(100μg)、Sn(20μg)、Ti(20μg)、Si(20μg)等干扰离子，调节pH＝9.0，按照步骤③实验方法进行吸附和检测，考察共存离子的影响。结果表明，共存离子对Cr、Ni、Cd、Pb、As的富集检测无干扰，回收率均大于90％。

⑤方法的检出限和精密度

根据IUPAC的定义，经双氧水处理后的碳包铁纳米粒子分离富集后，本法对Cr、Ni、Cd、Pb、As的检出限(3σ)分别为：5.1，4.9，1.3，11.2和56.3ng/mL，相对标准偏差(RSD)分别为3.3％，4.2％，2.8％，6.9％和9.3％(n＝9)。

⑥样品测定按照国家标准GB 5009.81所规定的样品处理方法，将待检不锈钢食具容器用体积百分比4％醋酸溶液浸泡24h。取两份10mL浸泡液，其中一份加入一定量的Cr、Ni、Cd、pb、As标准溶液，将pH调至9后定容到25mL，另一份将pH调至9后直接定容到25mL。在每10mL待检液中分别加入30mg经双氧水处理过的碳包铁纳米颗粒，按照步骤③实验方法进行吸附和检测，通过外加磁场分离移取碳包铁纳米粒子并用pH值为1的HCl溶液进行洗脱，然后测定其溶液浓度，计算回收率。将处理后的样品进行检测，并计算回收率，各元素回收率在87％～106％之间，结果见表1。表明该方法可用于实际样品检测，准确度较高。

表1浸泡液分析结果及回收率

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)将含有待检重金属离子的液体样品的pH值调至8～10，然后加入磁性碳包铁纳米粒子，恒温震荡；

(2)分离吸附重金属离子的磁性碳包铁纳米粒子和样品基液，并将碳包铁粒子在酸性溶液中进行洗脱；

(3)采用重金属离子检验方法测定洗脱液中的金属离子含量，计算原样品中待检元素的含量：样品中待检元素含量X＝C/n，其中，C为洗脱液中被检测元素的含量，mg/L或ug/L；n为富集倍数，n＝V_b/V_a，V_b和V_a分别为液体样品体积量与洗脱液体积量。

2.根据权利要求1所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法，其特征在于：步骤(1)所述的重金属离子为Cr离子、Ni离子、Cd离子、As离子、Fe离子、Co离子或Pb离子中的至少一种。

3.根据权利要求1所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的pH值的调节为通过盐酸溶液或氢氧化钠溶液进行调节。

4.根据权利要求1所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子通过包含以下步骤的方法进行处理：将磁性碳包铁纳米粒子和体积百分比30％的双氧水按照1g∶40mL的比例混合，超声波震荡1小时；接着分离，洗涤，干燥。

5.根据权利要求1所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子的粒径为30～80nm；

步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子为铁的质量百分含量为20～80％；

步骤(1)中所述的磁性碳包铁纳米粒子的用量为10～100mg/10ml含有待检重金属离子的液体样品；

步骤(1)中所述的恒温震荡的条件为20～30℃震荡3～5min。

6.根据权利要求1所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的分离的方式为固相萃取柱分离、离心分离或外磁场分离；

步骤(2)中所述的酸性溶液的pH值为1～4；

步骤(2)中所述的酸性溶液为体积百分比1％～3％的盐酸水溶液或硝酸水溶液。

7.权利要求1～6任一项所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法应用于富集金属粒子进行检测。

8.实现权利要求1～6任一项所述利用磁性碳包铁纳米粒子富集重金属离子的方法的装置，其特征在于包括磁性碳包铁纳米粒子和磁分离装置；所述的磁分离装置包括电源和电磁铁两部分。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的电磁铁的外表面包覆一层聚四氟乙烯薄膜层。

10.权利要求8所述的装置应用于富集金属粒子进行检测。

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