Bestimmung von Kupfer(II) durch Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie nach seiner Anreicherung durch eine hochselektive und umweltfreundliche dispersive Flüssig-Flüssig-Mikroextraktionstechnik

Cu(II)-Ionen reagierten mit Salophen, und es bildete sich unter den Versuchsbedingungen ein Komplex zwischen ihnen (Abb. 1) (Zeeb et al. 2011). Der Cu-Salophen-Komplex wurde in einem sauren Medium in das organische Lösungsmittel extrahiert. Um ein hohes analytisches Signal und einen hohen Anreicherungsfaktor zu erreichen, wurden die Auswirkungen verschiedener Parameter wie der pH-Wert der Lösung, Typ und Volumen des Extraktionslösungsmittels, Typ und Volumen des Dispergierlösungsmittels und die Konzentration des Chelatbildners optimiert. Für die Optimierung der oben genannten Parameter wurde die univariate Optimierungsstrategie verwendet.

Einfluss des pH-Wertes

Der pH-Wert spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung des Cu-Salophen-Komplexes und der nachfolgenden Extraktion. Aus diesem Grund wurde eine Reihe von Experimenten unter Einstellung des pH-Wertes von 1,5 bis 7,0 durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse (Abb. 2) zeigen, dass das analytische Signal für Kupfer im pH-Bereich von 1,5 bis 4 nahezu konstant ist. Auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse und zur Erzielung einer hohen Selektivität wurde pH = 2,0 als optimaler pH-Wert gewählt.

Auswahl des Extraktionslösungsmittels

Die Art des Extraktionslösungsmittels hat einen erheblichen Einfluss auf die Extraktionseffizienz. Das Extraktionslösungsmittel muss eine geringe Löslichkeit in Wasser haben, seine Dichte sollte höher sein als die von Wasser und das Lösungsmittel sollte die Fähigkeit haben, die interessierenden Verbindungen zu extrahieren (Naseri et al. 2008). In diesem Zusammenhang wurde die Effizienz verschiedener Lösungsmittel wie Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform und Dichlormethan untersucht. Da die Löslichkeit der Extraktionslösungsmittel in Wasser unterschiedlich ist, musste eine überschüssige Menge des Extraktionslösungsmittels hinzugefügt werden, um ein konstantes Volumen der sedimentierten Phase (60 ± 3 μl) zu erhalten. Daher wurden 80, 110 und 140 μl Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform und Dichlormethan mit 1,30 mL Aceton (als Dispergierlösungsmittel) getrennt in 10,0 mL der Probenlösungen injiziert, um ein Gesamtvolumen von 60 μL der sedimentierten Phase zu erhalten. Die erzielten Ergebnisse (Abb. 3) zeigten, dass die Extraktionseffizienz von Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform und Dichlormethan 58 %, 94 % bzw. 51 % betrug. Folglich wurde Chloroform als bestes Extraktionslösungsmittel ausgewählt.

Auswirkung des Volumens des Extraktionslösungsmittels

Die Auswirkung des Volumens des Extraktionslösungsmittels wurde ebenfalls untersucht, indem Mischungen aus 1,30 mL Aceton und verschiedenen Volumina Chloroform hergestellt wurden. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Aus dieser Tabelle geht hervor, dass das analytische Signal und die Extraktionseffizienz im Volumenbereich von 70-120 μl Chloroform nahezu konstant waren und dann allmählich abnahmen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei einem Extraktionslösungsmittelvolumen von mehr als 120 μl die resultierende trübe Lösung nicht stabil war und die Größe der Chloroformtröpfchen groß war. Daher verringerte sich die Oberfläche zwischen dem Extraktionslösungsmittel und der wässrigen Phase, was zu einer Verringerung des Stofftransfers und einer effizienten Extraktion des Cu-Salophen-Komplexes aus der wässrigen Phase in Chloroform führte. Um ein ausreichendes Chloroformvolumen für die Extraktion einer höheren Kupferkonzentration zu gewährleisten, wurden 120 μl Chloroform als optimales Volumen gewählt, und die sedimentierte Phase betrug 70 μl.

Es ist zu beachten, dass bei der Untersuchung der Auswirkung des Volumens des Extraktionslösungsmittels, da das Volumen der sedimentierten Phase variabel war, die Lösungen bis zu 200 μL mit verschiedenen Volumina von Ethanol als Verdünnungslösungsmittel verdünnt wurden. Daher war es notwendig, die Auswirkung des Volumens des Verdünnungslösungsmittels auf das analytische Signal zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde in einer Serie von 10,0 mL Wasserproben mit einem pH-Wert von 2,0, die 50,0 μg L-1 Cu(II)-Ionen enthielten, der Cu-Salophen-Komplex durch Injektion einer Mischung aus 1,30 mL Aceton und 120 μL Chloroform extrahiert. Nach der Zentrifugation wurden 50,0 μl der sedimentierten Phase in ein Fläschchen überführt, dem 0,0, 20, 40, 60 und 80 μl Chloroform zugesetzt wurden. Dann wurden 150, 130, 110, 90 bzw. 70 μl Ethanol zu den oben genannten Lösungen hinzugefügt, bis ein Gesamtvolumen von 200 μl erreicht war. Diese Lösungen wurden in die FAAS eingesaugt. Die erhaltenen Ergebnisse waren identisch (Tabelle 2). Somit hatten die Änderungen des Verhältnisses zwischen dem Volumen der sedimentierten Phase und dem Volumen des Ethanols keinen Einfluss auf das analytische Signal.

Auswahl des Dispergierlösungsmittels

Bei der DLLME-Methode sollte das Dispergierlösungsmittel mit Wasser und dem Extraktionslösungsmittel mischbar sein. Daher wurde die Auswirkung von mischbaren Lösungsmitteln wie Aceton, Methanol, Ethanol und Acetonitril auf das analytische Signal (Extraktionseffizienz) von Cu(II)-Ionen unter Verwendung von Mischungen aus 1,30 mL der oben genannten Lösungsmittel (als Dispergierlösungsmittel) und 120,0 μL CHCl3 (als Extraktionslösungsmittel) untersucht. Die analytischen Signale (Extraktionseffizienzen) für Aceton, Methanol, Ethanol und Acetonitril betrugen 0,140 (94 %), 0,108 (72 %), 0,118 (78 %) bzw. 0,098 (65 %) (Abb. 4). Das maximale analytische Signal (Extraktionseffizienz) von Cu(II)-Ionen wurde mit Aceton als Dispergierlösungsmittel erzielt. Daher wurde Aceton in allen folgenden Experimenten als Dispersionsmittel verwendet.

Einfluss des Volumens des Dispergierlösungsmittels

Nach der Auswahl von Aceton als Dispergierlösungsmittel ist sein Volumen einer der wichtigen Faktoren bei der DLLME, der optimiert werden muss. Zu diesem Zweck wurden Lösungen mit unterschiedlichen Volumina an Aceton (0,88-1,88 mL), die 120 μL CHCl3 enthielten, hergestellt und den gleichen DLLME-Verfahren unterzogen. Die Ergebnisse (Abb. 5) zeigen, dass das analytische Signal (Extraktionseffizienz) mit zunehmendem Aceton-Volumen bis zu 1,50 mL zunahm, danach blieb es konstant. Bei Verwendung eines geringen Acetonvolumens konnte CHCl3 nicht richtig dispergiert werden, und es bildete sich keine stabile trübe Lösung. Folglich verringerte sich die Effizienz der Extraktion. Mit einer schrittweisen Erhöhung des Volumens des Dispergierlösungsmittels vergrößerte sich jedoch aufgrund der Bildung kleinerer Chloroformtröpfchen die Oberfläche zwischen dem Extraktionslösungsmittel und der wässrigen Phase. Dieses Phänomen führte zu einer Steigerung der Extraktionseffizienz. Daher wurden auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse und zur Herstellung einer stabileren trüben Lösung 1,68 mL Aceton als optimales Volumen gewählt.

Auswirkung der Salophen-Konzentration

Die Auswirkung der Konzentration von Salophen als Komplexbildner auf das analytische Signal bei der Extraktion von Cu(II)-Ionen mittels DLLME wurde im Konzentrationsbereich von 5.0 × 10-6-3,0 × 10-5 M untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das Signal für Cu(II)-Ionen mit steigender Salophenkonzentration bis zu 1,5 × 10-5 M zunahm und dann konstant blieb (Abb. 6). In dieser Arbeit wurde eine Salophenkonzentration von 2,0 × 10-5 M als optimale Konzentration gewählt, um jegliche Interferenz zu vermeiden.

Einfluss der Reaktionszeit auf die Komplexbildung

Die Reaktionszeit für die Komplexbildung kann als die Zeit zwischen der Zugabe der Salophenlösung zur Probenlösung und der Injektion des Extraktionslösungsmittels (Chloroform), gelöst im Dispergierlösungsmittel (Aceton), definiert werden. Dies wurde in einem Zeitbereich von 0-15 min untersucht (Abb. 7). Die Ergebnisse zeigen, dass die Reaktion schnell abläuft, so dass die Reaktionszeit keinen Einfluss auf das analytische Signal hat.

Auswirkungen der Extraktionszeit und Zentrifugationszeit

Die Extraktionszeit ist einer der wichtigsten Faktoren bei allen Extraktionsverfahren. Bei der DLLME ist die Extraktionszeit definiert als das Zeitintervall zwischen der Injektion des Gemischs organischer Lösungsmittel (Dispergiermittel und Extraktionsmittel) und dem Beginn der Zentrifugation. Die Auswirkung der Extraktionszeit wurde in einem Bereich von 1-20 min unter konstanten Versuchsbedingungen untersucht. Die erzielten Ergebnisse (Abb. 8) zeigten, dass die Extraktionszeit keinen signifikanten Einfluss auf das Analysesignal hatte. Diese Ergebnisse zeigten, dass nach der Bildung der trüben Lösung die Oberfläche zwischen dem Extraktionslösungsmittel und der wässrigen Phase unendlich groß war und dass der resultierende Cu(II)-Salophen-Komplex schnell in das Extraktionslösungsmittel überführt wurde. Daher ist die vorgeschlagene DLLME-Methode zeitunabhängig, was einer ihrer wichtigsten Vorteile sein kann.

Die Zentrifugationszeit wurde ebenfalls mit 1 bis 10 min bei 5000 U/min bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass das analytische Signal mit zunehmender Zentrifugationszeit bis zu 3 min anstieg und dann konstant blieb, was auf eine vollständige Abtrennung des Chloroforms am Boden des Zentrifugenröhrchens hinweist. Um die Sedimentation (vollständige Abtrennung) des Extraktionslösungsmittels zu gewährleisten, wurde in allen weiteren Experimenten eine Zentrifugationsdauer von 5 min gewählt. Bei der vorgeschlagenen Methode war der zeitaufwendigste Schritt die Zentrifugation der Probenlösung im Extraktionsverfahren.

Einfluss der Ionenstärke

Der Einfluss der Ionenstärke auf die Extraktion des Cu-Salophen-Komplexes wurde unter Verwendung von Kaliumnitrat als Aussalzungsmittel im Konzentrationsbereich von 0-1,0 M untersucht. Die erzielten Ergebnisse zeigten, dass die Salzkonzentration keinen Einfluss auf das analytische Signal (Extraktionseffizienz) hatte. Bei allen Konzentrationen von KNO3 betrug die Extraktionseffizienz 100 % (Abb. 9). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die DLLME-Methode zur Abtrennung von Kupfer aus salzhaltigen Lösungen eingesetzt werden kann.

Untersuchung von Interferenzen

Die FAAS-Technik hat eine hohe Selektivität, aber einige Spezies können den Extraktionsschritt stören und die Extraktionseffizienz von Kupfer verändern. Um die Auswirkung potenzieller Störionen zu untersuchen, wurden Lösungen, die 50,0 μg L-1 Cu(II)-Ionen und verschiedene Mengen an Fremdionen enthielten, nach dem empfohlenen Verfahren behandelt. Dabei wurde die tolerierbare Konzentration von Fremdionen berücksichtigt, d. h. die Konzentration, bei der weniger als ± 5 % Abweichung des Analysesignals im Vergleich zu dem Fall gemessen wurde, in dem das störende Ion nicht vorhanden war. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Diese Ergebnisse zeigen, dass die meisten Ionen nicht stören, selbst wenn sie in Mengen vorhanden sind, die 1000-mal größer oder mehr als Kupfer sind.

Die Hg2+-, Sn2+- und Pb2+-Ionen reagierten mit den Phosphat-Ionen (d.h.

Analytische Parameter

Die analytischen Eigenschaften der vorgeschlagenen Methode wurden unter den optimierten Bedingungen berechnet. Für ein Probenvolumen von 10,0 mL zeigte die Kalibrierkurve unter den optimalen Bedingungen eine Linearität über den Bereich von 3,0-120 μg L-1. Die Regressionsgleichung für die Kupferbestimmung lautete ΔA = 2,9003C + 1,8 × 10-2, wobei ΔA das analytische Signal (die Differenz zwischen der Absorption der Probe und der Blindlösung (∆A = As – Ab) bei 324,8 nm) und C die Kupfer(II)-Ionenkonzentration in der Lösung (μg mL-1) ist. Der Korrelationskoeffizient (R2) der erhaltenen Kalibrierkurvengleichung betrug 0,9998, was auf eine gute Linearität in dem genannten Konzentrationsbereich hinweist. Die Nachweisgrenze auf der Grundlage eines Signal-Rausch-Verhältnisses von 3 (3σ) betrug 0,6 μg L-1. Die durch direkte Ansaugung im FAAS ohne Anreicherungsverfahren erhaltene Gleichung lautet ΔA = 0,059 C + 1,3 × 10-2 (R2 = 0,9997 und ein linearer Bereich von 0,250-10,0 μg mL-1). Der Anreicherungsfaktor (EF), berechnet als das Verhältnis der Steigung der Kalibrierungskurve der Analyten nach der Extraktion zu derjenigen vor der Extraktion (Şatıroğlu und Arpa 2008), wurde für 10,0 mL der Probenlösung mit 49 angegeben.

Auf der Grundlage des Volumens der organischen Phase (200 μL) und des Probenvolumens (10,0 mL) wurde ein Anreicherungsfaktor von 50 bestimmt. Die Gleichheit des Anreicherungsfaktors und des Voranreicherungsfaktors zeigt an, dass die quantitative Extraktion abgeschlossen ist.

Da bei den berichteten Methoden unterschiedliche Volumina der Probenlösung verwendet wurden, sind die bei diesen Methoden erzielten Anreicherungsfaktoren nicht vergleichbar. Daher wird der Verbrauchsfaktor dem Anreicherungsfaktor vorgezogen. Der Verbrauchsindex (CI) ist definiert als das wässrige Probenvolumen (in ml), das verbraucht wird, um eine Einheit des EF zu erreichen: CI = Vs/EF, wobei Vs das wässrige Probenvolumen ist (Lemos et al. 2007). Für die vorgeschlagene Methode wurde dieser Parameter mit 0,20 mL ermittelt. Ein niedriger Wert für diesen Parameter deutet auf eine günstige Effizienz der Methode hin.

Um die Reproduzierbarkeit der vorgeschlagenen Methode zu untersuchen, ergaben sechs Wiederholungsmessungen von 5,0, 20,0 und 50,0 μg L-1 Cu(II)-Ionen die relativen Standardabweichungen von 4,1 %, 1,5 % bzw. 1,8 %.

Eine Zusammenfassung der analytischen Merkmale der DLLME-Methode zur Kupferbestimmung ist in Tabelle 4 dargestellt.

Analyse von realen Proben

Analyse von Wasserproben

Die vorgeschlagene Methode wurde zur Bestimmung von Cu(II)-Ionen in Proben von Leitungswasser (Shahrood und Jajarm, Iran) und Quellwasser (Ali-Quelle in Damghan, Iran) durch die Standardadditionstechnik angewendet. Die Wiederfindungsraten von Kupfer aus den mit Cu(II)-Ionen dotierten Wasserproben wurden ebenfalls untersucht. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. Es wurden zufriedenstellende Wiederfindungsraten für die aufgestockten Kupfer(II)-Ionen erzielt, was die Genauigkeit und Anwendbarkeit der vorgeschlagenen DLLME-FAAS-Methode für die Kupferbestimmung in Wasserproben bestätigt.

Analyse einer Reisprobe

Um die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Methode für die Bestimmung von Kupfer in Lebensmittelproben zu bewerten, wurde eine Reissorte aus dem Norden des Iran ausgewählt und analysiert. Zu diesem Zweck wurden 10,00 g des Reises nach dem von Zeeb et al. 2011 beschriebenen Verfahren aufgelöst und in einen 100-mL-Messkolben überführt. Anschließend wurden 20,0 mL der vorbereiteten Reisprobenlösung, 1,25 mL der Phosphatpufferlösung (pH = 2,0) und 50 μL der Salophenlösung (0,010 M) in einen 25-mL-Messkolben überführt und mit bidestilliertem Wasser bis zur Marke verdünnt. Die Kupferkonzentration in 10,0 mL dieser Lösung wurde mit der vorgeschlagenen Methode unter Verwendung der Standardkurventechnik bestimmt. Die Ergebnisse der Wiederfindungsversuche für verschiedene Kupfermengen sind in Tabelle 6 zusammengefasst. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Wiederfindungsraten im Bereich von 96-105 % für die Spurenanalyse recht gut sind, und die berechneten t-Werte liegen unter den t-kritischen Werten auf dem 95%-Konfidenzniveau. Die erzielten Ergebnisse bestätigen die Gültigkeit der entwickelten Methode.