Determination of copper(II) by flame atomic absorption spectrometry after its perconcentration by a highly selective and environmentally friendly dispersive liquid-liquid microextraction technique

Cu(II)-ioner reagerede med salophen, og der blev dannet et kompleks mellem dem under de eksperimentelle betingelser (Fig. 1) (Zeeb et al. 2011) (Zeeb et al. 2011). Cu-salophen-komplekset i et surt medium blev ekstraheret i det organiske opløsningsmiddel. For at opnå et højt analytisk signal og en høj berigelsesfaktor blev virkningerne af forskellige parametre som f.eks. opløsningens pH-værdi, ekstraktionsopløsningsmidlets type og volumen, dispergeringsopløsningsmidlets type og volumen og koncentrationen af det kelatdannende middel optimeret. Til optimering af ovennævnte parametre blev den univariate optimeringsstrategi anvendt.

Ph-effekt af pH

Ph-værdien spiller en vigtig rolle for dannelsen af Cu-salophen-komplekset og den efterfølgende ekstraktion. Derfor blev der udført en række eksperimenter ved at justere pH-værdien fra 1,5 til 7,0. De opnåede resultater (fig. 2) viser, at det analytiske signal for kobber er næsten konstant i pH-området fra 1,5 til 4. På baggrund af de opnåede resultater og for at opnå en høj selektivitet blev pH = 2,0 således valgt som den optimale pH-værdi.

Valg af ekstraktionsopløsningsmiddel

Typen af ekstraktionsopløsningsmiddel har en betydelig indvirkning på ekstraktionseffektiviteten. Ekstraktionsopløsningsmidlet skal have en lav opløselighed i vand, dets massefylde skal være højere end vand, og opløsningsmidlet skal have evnen til at ekstrahere de pågældende forbindelser (Naseri et al. 2008). I denne forbindelse blev effektiviteten af forskellige opløsningsmidler som f.eks. tetrachlormethan, chloroform og dichlormethan undersøgt. Da ekstraktionsopløsningsmidlernes opløselighed i vand er forskellig, var det nødvendigt at tilsætte en overskydende mængde ekstraktionsopløsningsmiddel for at genvinde et konstant volumen af den sedimenterede fase (60 ± 3 μL). Derfor blev 80, 110 og 140 μL tetrachlormethan, chloroform og dichlormethan med 1,30 mL acetone (som dispergeringsopløsningsmiddel) injiceret separat i 10,0 mL af prøveopløsningerne for at opnå et samlet volumen på 60 μL af den sedimenterede fase. De opnåede resultater (fig. 3) viste, at ekstraktionseffektiviteten af tetrachlormethan, chloroform og dichlormethan var henholdsvis 58 %, 94 % og 51 %. Følgelig blev chloroform valgt som det bedste ekstraktionsopløsningsmiddel.

Effekt af ekstraktionsopløsningsmidlets volumen

Effekten af ekstraktionsopløsningsmidlets volumen blev også undersøgt ved at fremstille blandinger af 1,30 mL acetone og forskellige volumener af chloroform. De opnåede resultater er vist i tabel 1. Som det fremgår af tabellen, var det analytiske signal og ekstraktionseffektiviteten næsten konstante i volumenområdet 70-120 μL chloroform, hvorefter de gradvist faldt. Dette skyldes, at for et ekstraktionsopløsningsmiddelvolumen på over 120 μL var den resulterende uklare opløsning ikke stabil, og størrelsen af kloroformdråberne var stor. Derfor faldt overfladearealet mellem ekstraktionsopløsningsmidlet og den vandige fase, hvilket forårsagede et fald i masseoverførslen og en effektiv ekstraktion af Cu-salophenkomplekset fra den vandige fase til kloroform. For at sikre en tilstrækkelig mængde chloroform til ekstraktion af en højere koncentration af kobber blev 120 μL chloroform valgt som det optimale volumen, og den sedimenterede fase var 70 μL.

Det skal bemærkes, at ved undersøgelse af effekten af ekstraktionsopløsningsmidlets volumen, da volumenet af den sedimenterede fase var variabelt, blev opløsningerne fortyndet op til 200 μL ved hjælp af forskellige mængder ethanol som fortyndingsopløsningsmiddel. Det var derfor nødvendigt at undersøge virkningen af volumenet af det fortyndende opløsningsmiddel på analysesignalet. I denne henseende blev Cu-salophenkomplekset ekstraheret i en serie af 10,0 mL vandprøver ved pH = 2,0 indeholdende 50,0 μg L-1 Cu(II)-ioner ved at injicere en blanding indeholdende 1,30 mL acetone og 120 μL chloroform i en serie af 10,0 mL vandprøver ved pH = 2,0 indeholdende 50,0 μg L-1 Cu(II)-ioner. Efter centrifugering blev 50,0 μL af den sedimenterede fase overført til et hætteglas, hvortil der blev tilsat 0,0, 20, 40, 60 og 80 μL chloroform. Derefter blev der tilsat henholdsvis 150, 130, 110, 90 og 70 μL ethanol til de ovennævnte opløsninger, indtil de samlede mængder på 200 μL var nået. Disse opløsninger blev aspireret til FAAS. De opnåede resultater var de samme (tabel 2). Ændringerne i forholdet mellem volumenet af den sedimenterede fase og volumenet af ethanol havde således ingen virkning på analysesignalet.

Valg af dispergeringsopløsningsmiddel

I DLLME-metoden skal dispergeringsopløsningsmidlet være blandbart med vand og ekstraktionsopløsningsmidlet. Derfor blev virkningen af blandbare opløsningsmidler såsom acetone, methanol, ethanol og acetonitril på analysesignalet (ekstraktionseffektiviteten) af Cu(II)-ioner undersøgt ved hjælp af blandinger af 1,30 mL af ovennævnte opløsningsmidler (som dispergeringsopløsningsmiddel) og 120,0 μL CHCl3 (som ekstraktionsopløsningsmiddel). De analytiske signaler (ekstraktionseffektivitet), der blev opnået for acetone, methanol, ethanol og acetonitril, var henholdsvis 0,140 (94 %), 0,108 (72 %), 0,118 (78 %) og 0,098 (65 %) (fig. 4). Det maksimale analytiske signal (ekstraktionseffektivitet) af Cu(II)-ioner blev opnået ved anvendelse af acetone som dispergeringsopløsningsmiddel. Derfor blev acetone anvendt som dispergeringsopløsningsmiddel i alle de efterfølgende forsøg.

Effekt af dispergeringsopløsningsmidlets volumen

Efter valg af acetone som dispergeringsopløsningsmiddel er dets volumen en af de vigtige faktorer, der indgår i DLLME, som skal optimeres. Til dette formål blev der fremstillet opløsninger med forskellige mængder acetone (0,88-1,88 mL) indeholdende 120 μL CHCl3, som blev underkastet de samme DLLME-procedurer. De opnåede resultater (fig. 5) viste, at det analytiske signal (ekstraktionseffektivitet) steg med stigende acetonevolumen op til 1,50 mL, hvorefter det forblev konstant. Når der blev anvendt et lavt acetonevolumen, kunne det ikke dispergere CHCl3 ordentligt, og der blev ikke dannet en stabil, uklar opløsning. Som følge heraf blev ekstraktionseffektiviteten reduceret. Med en gradvis forøgelse af dispergeringsopløsningsmidlets volumen, som skyldes dannelsen af mindre dråber af chloroform, øgedes overfladearealet mellem ekstraktionsopløsningsmidlet og den vandige fase imidlertid. Dette fænomen førte til en stigning i ekstraktionseffektiviteten. På baggrund af de opnåede resultater og for at skabe en mere stabil uklar opløsning blev 1,68 mL acetone derfor valgt som det optimale volumen.

Effekt af salophenkoncentration

Effekten af koncentrationen af salophen, som kompleksdanner, på analysesignalet ved ekstraktion af Cu(II)-ioner ved DLLME blev undersøgt i koncentrationsområdet 5.0 × 10-6-3,0 × 10-5 M. De opnåede resultater viste, at signalet for Cu(II)-ioner steg med stigningen i salophenkoncentrationen op til 1,5 × 10-5 M, hvorefter det forblev konstant (fig. 6). I dette arbejde blev en salophenkoncentration på 2,0 × 10-5 M valgt som den optimale koncentration for at undgå interferens.

Effekt af reaktionstid for kompleksdannelse

Reaktionstiden for kompleksdannelsen kan defineres som den tid, der går mellem tilsætning af salophenopløsning til prøveopløsningen og indsprøjtning af ekstraktionsopløsningsmidlet (chloroform) opløst i dispergeringsopløsningsmidlet (acetone). Dette blev undersøgt i tidsintervallet 0-15 min (fig. 7). De opnåede resultater viste, at reaktionen var hurtig, og at reaktionstiden derfor ikke havde nogen indflydelse på analysesignalet.

Effekter af ekstraktionstid og centrifugeringstid

Ekstraktionstiden er en af de vigtigste faktorer, der er involveret i alle ekstraktionsprocedurer. I DLLME defineres ekstraktionstiden som intervallet mellem indsprøjtning af blandingen af organiske opløsningsmidler (dispergerings- og ekstraktionsopløsningsmidler) og start af centrifugeringen. Virkningen af ekstraktionstiden blev vurderet i intervallet 1-20 min under konstante forsøgsbetingelser. De opnåede resultater (fig. 8) viste, at ekstraktionstiden ikke havde nogen væsentlig indflydelse på analysesignalet. Disse resultater viste, at efter dannelsen af den uklare opløsning var overfladearealet mellem ekstraktionsopløsningsmidlet og den vandige fase uendeligt stort, og at det resulterende Cu(II)-salophenkompleks hurtigt blev overført til ekstraktionsopløsningsmidlet. Derfor er den foreslåede DLLME-metode tidsuafhængig, hvilket kan være en af dens vigtigste fordele.

Centrifugeringstiden blev også vurderet til at være mellem 1 og 10 min ved 5000 rpm. De opnåede resultater viste, at analysesignalet steg med stigningen i centrifugeringstiden op til 3 min, hvorefter det forblev konstant, hvilket indikerer en fuldstændig adskillelse af chloroform til bunden af centrifugeringsrøret. For at sikre sedimentation (fuldstændig adskillelse) af ekstraktionsopløsningsmidlet blev der i alle de videre forsøg valgt en centrifugeringstid på 5 min som centrifugeringstid. I den foreslåede metode var det mest tidskrævende trin centrifugeringen af prøveopløsningen i ekstraktionsproceduren.

Indflydelse af ionisk styrke

Indflydelsen af ionisk styrke på ekstraktionen af Cu-salophenkomplekset blev undersøgt ved hjælp af kaliumnitrat som salthævningsmiddel i koncentrationsområdet 0-1,0 M. De opnåede resultater viste, at saltkoncentrationen ikke havde nogen indflydelse på analysesignalet (ekstraktionseffektiviteten). I alle koncentrationer af KNO3 var ekstraktionseffektiviteten 100 % (fig. 9). Disse resultater antydede muligheden for at anvende DLLME-metoden til kobberseparation fra saltholdige opløsninger.

Undersøgelse af interferencer

FAAS-teknikken har en høj selektivitet, men nogle arter kan interferere med ekstraktionstrinnet og ændre ekstraktionseffektiviteten af kobber. For at undersøge virkningen af de potentielle interfererende ioner blev opløsninger indeholdende 50,0 μg L-1 Cu(II)-ioner og forskellige mængder fremmede ioner behandlet i overensstemmelse med den anbefalede procedure. Den tolerable koncentration af fremmede ioner blev anset for at være den koncentration, hvor der blev målt mindre end ± 5 % afvigelse i analysesignalet i forhold til det tilfælde, hvor den forstyrrende ion ikke var til stede. De opnåede resultater er opsummeret i tabel 3. Disse resultater viste, at de fleste ioner ikke interfererede, selv om de var til stede i mængder 1000 gange større eller mere end kobber.

Hg2+-, Sn2+- og Pb2+-ionerne reagerede med fosfat-ionerne (dvs., ionen i bufferopløsningen) og udfældet.

Analytiske parametre

De analytiske egenskaber ved den foreslåede metode blev beregnet under de optimerede betingelser. For et prøvevolumen på 10,0 mL udviste kalibreringskurven en linearitet i intervallet 3,0-120 μg L-1 under de optimale betingelser. Regressionsligningen for kobberbestemmelse var ΔA = 2,9003C + 1,8 × 10-2, hvor ΔA er analysesignalet (forskellen mellem absorbansen af prøve- og blindopløsningen (ΔA = As – Ab) ved 324,8 nm), og C er kobber(II)-ionkoncentrationen i opløsningen (μg mL-1). Korrelationskoefficienten (R2) for den opnåede ligning for kalibreringskurven var 0,9998, hvilket indikerer en god linearitet i det nævnte koncentrationsområde. Påvisningsgrænsen baseret på et signal/støj-forhold på 3 (3σ) var 0,6 μg L-1. Den ligning, der blev opnået ved direkte aspiration i FAAS uden prækoncentreringsproceduren, var ΔA = 0,059 C + 1,3 × 10-2 (R2 = 0,9997 og et lineært område på 0,250-10,0 μg mL-1). Berigningsfaktoren (EF), beregnet som forholdet mellem hældningen af kalibreringskurven for analyterne efter ekstraktion og den før ekstraktion (Şatıroğlu og Arpa 2008), blev fundet at være 49 for 10,0 mL af prøveopløsningen.

Baseret på volumenet af den organiske fase (200 μL) og prøvevolumenet (10,0 mL) blev en prækoncentrationsfaktor på 50 bestemt. Ligheden mellem prækoncentrationsfaktoren og berigelsesfaktoren angiver, at den kvantitative ekstraktion er afsluttet.

Da der i de rapporterede metoder er anvendt forskellige mængder af prøveopløsningen, er de berigelsesfaktorer, der er opnået ved disse metoder, ikke sammenlignet. Derfor foretrækkes forbrugsfaktoren på berigelsesfaktoren. Forbrugsindekset (CI) er defineret som det vandige prøvevolumen (i mL), der forbruges for at nå en enhed EF: CI = Vs/EF, hvor Vs er den vandige prøvevolumen (Lemos et al. 2007). For den foreslåede metode blev denne parameter fastsat til 0,20 mL. En lav værdi for denne parameter indikerer en gunstig effektivitet af metoden.

For at undersøge reproducerbarheden af den foreslåede metode gav seks gentagelsesmålinger af 5,0, 20,0 og 50,0 μg L-1 Cu(II)-ioner relative standardafvigelser på henholdsvis 4,1 %, 1,5 % og 1,8 %.

Tabel 4 indeholder en oversigt over de analytiske karakteristika for DLLME-metoden til kobberbestemmelse.

Analyse af reelle prøver

Analyse af vandprøver

Den foreslåede metode blev anvendt til bestemmelse af Cu(II)-ioner i prøver af ledningsvand (Shahrood og Jajarm, Iran) og kildevand (Ali-kilde i Damghan, Iran) ved hjælp af standardtilsætningsteknikken. Genfindingen af kobber fra vandprøverne tilsat Cu(II)-ioner blev også undersøgt. De opnåede resultater er vist i tabel 5. Der blev opnået tilfredsstillende genfindingsværdier for de spikede kobber(II)-ioner, hvilket bekræfter nøjagtigheden og anvendeligheden af den foreslåede DLLME-FAAS-metode til bestemmelse af kobber i vandprøver.

Analyse af en risprøve

For at evaluere anvendeligheden af den foreslåede metode til bestemmelse af kobber i fødevareprøver blev en type ris fra det nordlige Iran udvalgt og analyseret. Til dette formål blev 10,00 g af risen opløst i henhold til den procedure, der er rapporteret af Zeeb et al. 2011, og overført til en 100-mL målekolbe. Derefter blev 20,0 mL af den forberedte risprøveopløsning, 1,25 mL fosfatbufferopløsning (pH = 2,0) og 50 μL salophenopløsning (0,010 M) overført til en 25-mL målekolbe og fortyndet til mærket med dobbelt destilleret vand. Koncentrationen af kobber i 10,0 mL af denne opløsning blev bestemt efter den foreslåede metode ved hjælp af standardkurveteknikken. Resultaterne af genfindingsforsøgene for forskellige mængder af Cu er opsummeret i tabel 6. Resultaterne viser, at genfindingsværdierne i intervallet 96-105% er rimeligt gode til sporanalyse, og de beregnede t-værdier er mindre end de t-kritiske værdier på et konfidensniveau på 95%. De opnåede resultater bekræfter gyldigheden af den udviklede metode.