Określanie miedzi(II) metodą płomieniowej absorpcyjnej spektrometrii atomowej po jej perconcentration by a highly selective and environmentally friendly dispersive liquid-liquid microextraction technique

Jony Cu(II) reagowały z salofenem, i w warunkach doświadczalnych tworzył się między nimi kompleks (Rys. 1) (Zeeb i wsp. 2011). Kompleks Cu-salofen w środowisku kwaśnym był ekstrahowany do rozpuszczalnika organicznego. W celu uzyskania wysokiego sygnału analitycznego i współczynnika wzbogacenia optymalizowano wpływ różnych parametrów, takich jak pH roztworu, rodzaj i objętość rozpuszczalnika ekstrakcyjnego, rodzaj i objętość rozpuszczalnika dyspergującego oraz stężenie czynnika chelatującego. Do optymalizacji wyżej wymienionych parametrów zastosowano strategię optymalizacji jednoczynnikowej.

Wpływ pH

Wartość pH odgrywa ważną rolę w tworzeniu kompleksu Cu-salofen i późniejszej ekstrakcji. Z tego powodu przeprowadzono serię eksperymentów regulując wartość pH w zakresie od 1,5 do 7,0. Uzyskane wyniki (Rys. 2) pokazują, że sygnał analityczny dla miedzi jest prawie stały w zakresie pH 1,5-4. Tak więc na podstawie uzyskanych wyników oraz w celu uzyskania wysokiej selektywności, jako optymalne pH wybrano pH = 2.0.

Wybór rozpuszczalnika ekstrakcyjnego

Rodzaj rozpuszczalnika ekstrakcyjnego ma istotny wpływ na wydajność ekstrakcji. Rozpuszczalnik ekstrakcyjny musi charakteryzować się niską rozpuszczalnością w wodzie, jego gęstość powinna być większa niż wody, a rozpuszczalnik powinien mieć zdolność do ekstrakcji interesujących nas związków (Naseri i wsp. 2008). W związku z tym zbadano skuteczność różnych rozpuszczalników, takich jak tetrachlorek węgla, chloroform i dichlorometan. Ponieważ rozpuszczalność rozpuszczalników ekstrakcyjnych w wodzie jest różna, konieczne było dodanie nadmiernej ilości rozpuszczalnika ekstrakcyjnego w celu odzyskania stałej objętości fazy sedymentacyjnej (60 ± 3 μL). Dlatego do 10,0 mL roztworów próbek wstrzykiwano oddzielnie 80, 110 i 140 μL tetrachlorku węgla, chloroformu i dichlorometanu z dodatkiem 1,30 mL acetonu (jako rozpuszczalnika dyspergującego), aby uzyskać całkowitą objętość 60 μL fazy sedymentacyjnej. Uzyskane wyniki (Rys. 3) wykazały, że skuteczność ekstrakcji tetrachlorku węgla, chloroformu i dichlorometanu wynosiła odpowiednio 58%, 94% i 51%. W związku z tym, chloroform został wybrany jako najlepszy rozpuszczalnik ekstrakcyjny.

Wpływ objętości rozpuszczalnika ekstrakcyjnego

Wpływ objętości rozpuszczalnika ekstrakcyjnego zbadano również, przygotowując mieszaniny 1,30 mL acetonu i różnych objętości chloroformu. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 1. Jak widać w tej tabeli, sygnał analityczny i wydajność ekstrakcji były prawie stałe w zakresie objętości 70-120 μL chloroformu, a następnie stopniowo malały. Wynika to z faktu, że w przypadku objętości rozpuszczalnika ekstrakcyjnego większej niż 120 μL otrzymany mętny roztwór nie był stabilny, a wielkość kropli chloroformu była duża. Dlatego powierzchnia pomiędzy rozpuszczalnikiem ekstrakcyjnym a fazą wodną zmniejszała się, powodując zmniejszenie przenoszenia masy i wydajną ekstrakcję kompleksu Cu-salofen z fazy wodnej do chloroformu. Tak więc, aby zapewnić wystarczającą objętość chloroformu do ekstrakcji wyższego stężenia miedzi, jako optymalną objętość wybrano 120 μL chloroformu, a objętość fazy osiadłej wynosiła 70 μL.

Należy zauważyć, że w badaniu wpływu objętości rozpuszczalnika ekstrakcyjnego, ponieważ objętość fazy sedymentacyjnej była zmienna, roztwory rozcieńczano do 200 μL stosując różne objętości etanolu, jako rozpuszczalnika rozcieńczającego. W związku z tym konieczne było zbadanie wpływu objętości rozpuszczalnika rozcieńczającego na sygnał analityczny. W tym celu, w serii 10,0 mL próbek wody o pH = 2,0 zawierających 50,0 μg L-1 jonów Cu(II), ekstrahowano kompleks Cu-salofen poprzez iniekcję mieszaniny zawierającej 1,30 mL acetonu i 120 μL chloroformu. Po odwirowaniu 50,0 μL fazy sedymentacyjnej przeniesiono do fiolki, do której dodano 0,0, 20, 40, 60 i 80 μL chloroformu. Następnie do wyżej wymienionych roztworów dodawano odpowiednio 150, 130, 110, 90 i 70 μL etanolu, aż do uzyskania całkowitej objętości 200 μL. Roztwory te aspirowano do FAAS. Uzyskane wyniki były takie same (tabela 2). Tak więc zmiany w stosunku objętości fazy sedymentacyjnej do objętości etanolu nie miały wpływu na sygnał analityczny.

Dobór rozpuszczalnika dyspergującego

W metodzie DLLME rozpuszczalnik dyspergujący powinien być mieszalny z wodą i rozpuszczalnikiem ekstrakcyjnym. Dlatego zbadano wpływ mieszających się rozpuszczalników takich jak aceton, metanol, etanol i acetonitryl na sygnał analityczny (wydajność ekstrakcji) jonów Cu(II) stosując mieszaniny 1,30 mL wyżej wymienionych rozpuszczalników (jako rozpuszczalnika dyspergującego) i 120,0 μL CHCl3 (jako rozpuszczalnika ekstrakcyjnego). Sygnały analityczne (wydajności ekstrakcji) uzyskane dla acetonu, metanolu, etanolu i acetonitrylu wynosiły odpowiednio 0,140 (94%), 0,108 (72%), 0,118 (78%) i 0,098 (65%) (rys. 4). Maksymalny sygnał analityczny (wydajność ekstrakcji) jonów Cu(II) uzyskano stosując aceton, jako rozpuszczalnik dyspergujący. Dlatego we wszystkich kolejnych eksperymentach jako rozpuszczalnik dyspergujący zastosowano aceton.

Wpływ objętości rozpuszczalnika dyspergującego

Po wybraniu acetonu jako rozpuszczalnika dyspergującego, jego objętość jest jednym z ważnych czynników związanych z DLLME, który musi być zoptymalizowany. W tym celu przygotowano roztwory o różnych objętościach acetonu (0,88-1,88 mL) zawierające 120 μL CHCl3 i poddano je podobnym procedurom DLLME. Otrzymane wyniki (Rys. 5) wykazały, że sygnał analityczny (wydajność ekstrakcji) wzrastał wraz ze wzrostem objętości acetonu do 1,50 mL, po czym utrzymywał się na stałym poziomie. W przypadku zastosowania małej objętości acetonu, nie mógł on prawidłowo rozpraszać CHCl3 i nie powstawał stabilny mętny roztwór. W związku z tym wydajność ekstrakcji była obniżona. Jednak wraz ze stopniowym zwiększaniem objętości rozpuszczalnika dyspergującego, na skutek tworzenia się mniejszych kropel chloroformu, zwiększała się powierzchnia między rozpuszczalnikiem ekstrakcyjnym a fazą wodną. Zjawisko to prowadziło do wzrostu wydajności ekstrakcji. Dlatego też, na podstawie uzyskanych wyników oraz w celu utworzenia bardziej stabilnego mętnego roztworu, jako optymalną objętość wybrano 1,68 mL acetonu.

Wpływ stężenia salofenu

Wpływ stężenia salofenu, jako czynnika kompleksującego, na sygnał analityczny w ekstrakcji jonów Cu(II) metodą DLLME badano w zakresie stężeń 5.0 × 10-6-3,0 × 10-5 M. Uzyskane wyniki wykazały, że sygnał dla jonów Cu(II) wzrastał wraz ze wzrostem stężenia salofenu do 1,5 × 10-5 M, a następnie utrzymywał się na stałym poziomie (Rys. 6). W niniejszej pracy stężenie salofenu wynoszące 2,0 × 10-5 M zostało wybrane jako stężenie optymalne, aby zapobiec interferencji.

Wpływ czasu reakcji na tworzenie kompleksu

Czas reakcji na tworzenie kompleksu można zdefiniować jako czas spędzony pomiędzy dodaniem roztworu salofenu do roztworu próbki a wstrzyknięciem rozpuszczalnika ekstrakcyjnego (chloroform) rozpuszczonego w rozpuszczalniku dyspergującym (aceton). Badano to w zakresie czasowym 0-15 min (rys. 7). Uzyskane wyniki wykazały, że reakcja przebiegała szybko, a więc czas reakcji nie miał wpływu na sygnał analityczny.

Wpływ czasu ekstrakcji i czasu wirowania

Czas ekstrakcji jest jednym z najważniejszych czynników występujących we wszystkich procedurach ekstrakcji. W DLLME czas ekstrakcji jest definiowany jako czas pomiędzy wstrzyknięciem mieszaniny rozpuszczalników organicznych (dyspergator i rozpuszczalniki ekstrakcyjne) a rozpoczęciem wirowania. Wpływ czasu ekstrakcji oceniano w zakresie 1-20 min w stałych warunkach doświadczalnych. Uzyskane wyniki wskazują, że czas ekstrakcji nie miał istotnego wpływu na sygnał analityczny. Wyniki te wskazują, że po utworzeniu mętnego roztworu powierzchnia pomiędzy rozpuszczalnikiem ekstrakcyjnym a fazą wodną jest nieskończenie duża, a powstały kompleks Cu(II)-salofen jest szybko przenoszony do rozpuszczalnika ekstrakcyjnego. Dlatego zaproponowana metoda DLLME jest niezależna od czasu, co może być jedną z jej najważniejszych zalet.

Oceniono również, że czas wirowania wynosił od 1 do 10 min przy 5000 rpm. Uzyskane wyniki wykazały, że sygnał analityczny wzrastał wraz ze wzrostem czasu wirowania do 3 min, a następnie utrzymywał się na stałym poziomie, wskazując na całkowite oddzielenie chloroformu na dno probówki wirowniczej. W celu zapewnienia sedymentacji (całkowitego oddzielenia) rozpuszczalnika ekstrakcyjnego, jako czas wirowania we wszystkich dalszych doświadczeniach wybrano 5 min. W proponowanej metodzie najbardziej czasochłonnym etapem było odwirowanie roztworu próbki w procedurze ekstrakcji.

Wpływ siły jonowej

Badano wpływ siły jonowej na ekstrakcję kompleksu Cu-salofen stosując azotan potasu jako czynnik wysalający w zakresie stężeń 0-1,0 M. Uzyskane wyniki wykazały, że stężenie soli nie miało wpływu na sygnał analityczny (wydajność ekstrakcji). We wszystkich stężeniach KNO3 wydajność ekstrakcji wynosiła 100% (rys. 9). Wyniki te sugerowały możliwość zastosowania metody DLLME do separacji miedzi z roztworów słonych.

Badanie zakłóceń

Technika FAAS charakteryzuje się wysoką selektywnością, ale niektóre gatunki mogą zakłócać etap ekstrakcji i zmieniać wydajność ekstrakcji miedzi. W celu zbadania wpływu potencjalnych jonów przeszkadzających, roztwory zawierające 50,0 μg L-1 jonów Cu(II) i różne ilości jonów obcych poddano obróbce zgodnie z zalecaną procedurą. Za tolerowane stężenie jonów obcych przyjęto takie stężenie, przy którym zmierzono mniej niż ± 5% odchylenia sygnału analitycznego w porównaniu z przypadkiem, w którym jon przeszkadzający był nieobecny. Uzyskane wyniki zestawiono w tabeli 3. Wyniki te wykazały, że większość jonów nie interferowała, nawet jeśli występowały w ilościach 1000-krotnie większych lub większych niż miedź.

Jony Hg2+, Sn2+ i Pb2+ reagowały z jonami fosforanowymi (tj.

Parametry analityczne

Właściwości analityczne proponowanej metody zostały obliczone w zoptymalizowanych warunkach. Dla objętości próbki 10,0 mL, krzywa kalibracyjna wykazywała liniowość w zakresie 3,0-120 μg L-1 w optymalnych warunkach. Równanie regresji dla oznaczania miedzi wynosiło ΔA = 2,9003C + 1,8 × 10-2, gdzie ΔA to sygnał analityczny (różnica między absorbancją próbki i roztworów ślepej próby (∆A = As – Ab) przy 324,8 nm), a C to stężenie jonów miedzi(II) w roztworze (μg mL-1). Współczynnik korelacji (R2) uzyskanego równania krzywej kalibracyjnej wynosił 0,9998, co wskazywało na dobrą liniowość w wymienionym zakresie stężeń. Granica wykrywalności w oparciu o stosunek sygnału do szumu równy 3 (3σ) wynosiła 0,6 μg L-1. Równanie otrzymane przez bezpośrednią aspirację w FAAS bez procedury wstępnego zatężania wynosiło ΔA = 0,059 C + 1,3 × 10-2 (R2 = 0,9997 i zakres liniowy 0,250-10,0 μg mL-1). Współczynnik wzbogacenia (EF), obliczony jako stosunek nachylenia krzywej kalibracyjnej analitów po ekstrakcji do krzywej przed ekstrakcją (Şatıroğlu i Arpa 2008), wynosił 49 dla 10,0 mL roztworu próbki.

Na podstawie objętości fazy organicznej (200 μL) i objętości próbki (10,0 mL) wyznaczono współczynnik prekoncentracji 50. Równość współczynnika prekoncentracji i współczynnika wzbogacenia wskazuje na zakończenie ekstrakcji ilościowej.

Ponieważ w przedstawionych metodach stosowano różne objętości roztworu próbki, współczynniki wzbogacenia uzyskane w tych metodach nie są porównywane. Dlatego współczynnik zużycia jest preferowany w stosunku do współczynnika wzbogacenia. Współczynnik konsumpcji (CI) definiuje się jako objętość próbki wodnej (w mL) zużytą do osiągnięcia jednostki EF: CI = Vs/EF, gdzie Vs jest objętością próbki wodnej (Lemos et al. 2007). W przypadku proponowanej metody parametr ten wyniósł 0,20 mL. Niska wartość tego parametru wskazuje na korzystną skuteczność metody.

W celu zbadania odtwarzalności proponowanej metody, sześć powtórzonych pomiarów 5,0, 20,0, i 50,0 μg L-1 jonów Cu(II) dało względne odchylenia standardowe wynoszące odpowiednio 4,1%, 1,5%, i 1,8%.

Podsumowanie charakterystyki analitycznej metody DLLME do oznaczania miedzi przedstawiono w tabeli 4.

Analiza próbek rzeczywistych

Analiza próbek wody

Zaproponowana metoda została zastosowana do oznaczania jonów Cu(II) w próbkach wody wodociągowej (Shahrood i Jajarm, Iran) oraz wody źródlanej (źródło Ali w Damghan, Iran) techniką dodatku standardowego. Zbadano również odzysk miedzi z próbek wody wzbogaconych jonami Cu(II). Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 5. Uzyskano satysfakcjonujące odzyski miedzi(II), potwierdzające dokładność i możliwość zastosowania proponowanej metody DLLME-FAAS do oznaczania miedzi w próbkach wody.

Analiza próbki ryżu

W celu oceny możliwości zastosowania proponowanej metody do oznaczania miedzi w próbkach żywności, wybrano i poddano analizie rodzaj ryżu z północnego Iranu. W tym celu 10,00 g ryżu rozpuszczono zgodnie z procedurą opisaną przez Zeeb et al. 2011 i przeniesiono do kolby miarowej o pojemności 100 ml. Następnie 20,0 mL przygotowanego roztworu próbki ryżu, 1,25 mL roztworu buforu fosforanowego (pH = 2,0) i 50 μL roztworu salofenu (0,010 M) przeniesiono do kolby miarowej o pojemności 25 mL i rozcieńczono do kreski wodą podwójnie destylowaną. Stężenie miedzi w 10,0 mL tego roztworu oznaczano zaproponowaną metodą z zastosowaniem techniki krzywej wzorcowej. Wyniki eksperymentów odzysku dla różnych ilości Cu zestawiono w tabeli 6. Wyniki te wskazują, że odzyski w zakresie 96-105% są dość dobre dla analizy śladowej, a obliczone wartości t są mniejsze od wartości krytycznych t na 95% poziomie ufności. Uzyskane wyniki potwierdzają słuszność opracowanej metody.

.