大学化学, 2021, 36(6): 2006036-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202006036

师生笔谈

基于砷形态的分离/富集加深学生对“分布分数”的理解

何蔓, 陈贝贝, 胡斌,

Deepen the Understanding of "Distribution Fraction" with Separation/Enrichment of Arsenic Species as Examples

He Man, Chen Beibei, Hu Bin,

通讯作者: 胡斌, Email: binhu@whu.edu.cn

收稿日期: 2020-06-8   接受日期: 2020-06-29  

Received: 2020-06-8   Accepted: 2020-06-29  

Abstract

Based on the dissociation equilibrium constants of six arsenic species, including arsenic acid, arsenite, monomethyl arsenate, dimethylarsenic acid, arsenicone and betaine, and corresponding distribution fraction at different pH, the retention differences in chromatographic/non chromatographic separation process, and the possible reasons for simultaneous enrichment of these species are discussed. It was used as an example to improve the teaching of the basic concept of "distribution score" in the course of analytical chemistry, and to achieve the teaching goal of deepening cognition, firmly mastering and stimulating interest.

Keywords： Distribution fraction ; Dissociation equilibrium constant ; Arsenic species ; Analytical chemistry

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何蔓, 陈贝贝, 胡斌. 基于砷形态的分离/富集加深学生对“分布分数”的理解. 大学化学[J], 2021, 36(6): 2006036-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202006036

He Man. Deepen the Understanding of "Distribution Fraction" with Separation/Enrichment of Arsenic Species as Examples. University Chemistry[J], 2021, 36(6): 2006036-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202006036

分析化学是化学专业本科生的四大基础课之一，涵盖的内容非常广泛。该课程的教学目的在于：要求学生掌握分析化学的基本理论，准确树立“量”的概念，了解定性、定量分析方法(包括化学分析和仪器分析)，培养其分析问题和解决问题的能力。分析化学涉及的基本概念非常多，在讲授课本知识的同时，教师可结合基本概念在生活、科研工作中的应用实例，加深学生对其的理解和掌握。下面将以不同砷形态的“分布分数”为例，阐述分析化学教学过程中理论和实践相结合的教学实践。

1 分析化学教学中的“分布分数”

学生最初接触“分布分数”是在“酸碱滴定法”章节中：一元酸/碱或多元酸/碱在溶剂(通常为水溶液)中以不同形式存在，这些组分/型体的平衡浓度随溶液中H+浓度的变化而变化。“分布分数”被定义为“溶液中某酸碱组分的平衡浓度占其总浓度的分数”[1]，通常采用代数法，基于一元酸/碱或多元酸/碱的解离平衡常数(pKa)和溶液的pH计算得到。除了计算之外，学生还应该掌握依据酸/碱性物质的pKa和溶液pH快速判断其在溶液中存在形式的技巧。如，对于一元弱酸HA而言，其解离平衡常数为pKa，那么当介质的pH < pKa − 2时，HA的分布分数接近100%，它主要以HA中性分子的形式存在；当介质的pH > pKa + 2时，A−的分布分数接近100%，它主要以A−阴离子的形式存在。

2 不同砷形态的分布分数及其在砷形态分离/富集中的应用

砷以多种存在形式广泛分布于自然界中，表 1列举了五种重要砷形态的pKa信息。在环境水体中，砷的主要存在形式是三价砷As(Ⅲ)和五价砷As(Ⅴ)；在细菌、酵母等微生物的作用下，无机砷将转变为有机砷，通过食物链进入到人体中。无机砷的毒性大于有机砷，被认为是强毒性和致癌性化合物；因此，砷的形态分析已成为分析科学研究的热点之一。目前，进行砷形态分析最有效的手段是高效液相色谱(HPLC)-等离子体质谱(ICP-MS)联用技术；此外，为了避免复杂基体干扰、提高方法对目标砷形态的灵敏度，在砷形态分离检测之前通常需要辅以合适的样品前处理技术。需要强调的是，在针对目标砷形态构建分离和/或富集方法的过程中，其pKa和在不同pH介质中的分布分数是重要的参考信息。

表1   几种重要砷形态的解离平衡常数(pKa) [2]

形态pKa1pKa2pKa3
亚砷酸As(Ⅲ)9.2312.113.4
砷酸As(Ⅴ)2.196.9811.5
单甲基砷酸(MMA)4.18.7
二甲基砷酸(DMA)6.2
砷甜菜碱(AsB)2.18

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2.1 四种砷形态的色谱分离——以阴离子交换色谱为例

阴离子色谱柱是HPLC分离分析砷形态中最常用的色谱分离固定相，而流动相的pH通常选择为6左右；在此条件下，四种砷形态的色谱分离图如图 1所示。

图1

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图1   四种砷形态的色谱分离图

  色谱柱：PRP-X100，Hamilton (250 mm × ID 4.1 mm, 10 μm； 流动相：6.66 mmol∙L−1 NH4H2PO4 + 6.66 mmol∙L−1 NH4NO3, pH 6.2) [3]


基于各形态在pH = 6的分布分数，我们可以推测它们的存在形式，并依此解释它们的洗脱顺序：

在pH = 6的介质条件下，As(Ⅲ)主要以不带电荷的H3AsO3形式存在，在阴离子色谱柱上无保留；

DMA以HA和A−各占一半的形式存在，在阴离子色谱柱上有一定保留；

MMA完全以HA−的形式存在，在阴离子色谱柱上的保留强于DMA；

部分As(Ⅴ)已经以HA2−的形式存在，是这几种形态中保留最强的，所以最后流出。

可以看出，这几种砷的形态基于pKa的差异在色谱柱上实现了相互分离。

2.2 无机砷形态的非色谱分离——以氨基功能化硅胶材料为例

在介质pH 2–9范围内，As(Ⅲ)和As(Ⅴ)在氨基改性硅胶上的吸附行为如图 2所示[4]。当pH在3–9范围内时，该材料对As(Ⅴ)的吸附率大于90%，而在pH为2–9时对As(Ⅲ)基本不吸附。基于分布分数对这一现象进行解释如下：

图2

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图2   As(Ⅲ/Ⅴ)在氨基改性硅胶吸附剂上的吸附行为(左)及其在pH 2–8范围内的分布分数(右)[4]


在pH 2–9范围内，改性硅胶中的氨基被质子化(带正电荷)，而As(Ⅲ)主要以H3AsO3的中性分子存在，所以吸附率很低；

当pH > 3以后，As(Ⅴ)主要以带负电荷的H2AsO4−和HAsO42−形式存在，其与改性硅胶材料中质子化氨基之间的静电作用增强，吸附率增大。

因此，可以利用氨基功能化材料，在较宽pH范围内实现无机砷形态As(Ⅲ/Ⅴ)的分离。

2.3 多种砷形态的同时富集——以混合模式吸附剂为例

由表 1可以看出，六种砷形态性质差别较大。在中性条件下，As(Ⅲ)呈中性，As(Ⅴ)和MMA带负电，DMA和AsB呈两性，AsC带正电；很难找到单一功能化的萃取材料对它们实现同时吸附/富集。陈贝贝等[5]实验发现，在pH = 6条件下，含巯基功能团的γ-巯丙基三甲氧基硅烷(γ-MPTS)在吸附材料中的加入明显改善As(Ⅲ)的吸附，部分磺化聚苯乙烯(PSP)的添加对AsC的吸附有明显改善，而带负电的As(Ⅴ)、MMA以及两性的DMA、AsB在氨基功能化涂层上均有恒定的吸附。基于此，制备了基于γ-MPTS、N-(β-氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷(AAPTS)和PSP的混合萃取材料，实现了六种砷形态的同时富集(图 3)。

图3

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图3   2–12范围内六种砷形态在混合模式吸附涂层上的保留行为[5]


对其可能的吸附机理进行讨论如下：

当pH > 4之后，As(Ⅴ)和MMA主要以阴离子形式存在，与质子化的氨基产生静电作用；当pH > 8后，氨基逐渐去质子化，对As(Ⅴ)和MMA的作用力逐渐降低。因此，As(Ⅴ)和MMA在该材料上的最佳吸附pH范围为5–8。

当pH < 6时，DMA以中性分子形式存在，与涂层之间的主要作用力为疏水作用；当pH > 6时，DMA主要以阴离子形式存在，与涂层之间存在静电作用。

以两性状态存在的AsB，与涂覆材料之间存在静电作用和疏水作用。

AsC在溶液中带正电，与PSP上的磺酸基之间存在阳离子交换作用。

另外，As(Ⅲ)在pH 3–9的范围内有稳定的吸附主要基于其与γ-MPTS上巯基之间强亲和作用。

3 讨论及小结

酸性和碱性物质的解离平衡常数及其在不同pH条件下的分布分数信息，对于针对性地构建分离/富集和分析方法有着重要的作用。在教学过程中，应对学生进行适当引导，加深他们对这一概念的理解和掌握；同时，教学要遵循由浅入深和反复提及的原则。具体而言：

(1) 在酸碱滴定章节的授课过程中，重点放在阐述分布分数的定义、计算，以及基于此的不同类型溶液的pH的计算；不宜对分布分数的应用展开讨论。

(2) 在后续章节，寻找合适契机插入，如“酸碱指示剂”部分，可根据特定指示剂的解离平衡常数，让学生计算分布分数，学会有目的地调节介质pH，让指示剂以预想的形式存在；在“分离和富集方法”部分，让学生基于酸碱物质的解离平衡常数和分布分数，理解水相pH对两相液液萃取的影响，以及构建膜辅助三相液相萃取的基本原理；在仪器分析“液相色谱”部分，可以引导学生基于分布分数，思考某种分离模式下不同物质保留时间差异的根本原因。

(3) 在反复强化认知的过程中，大部分学生对“分布分数”这一概念会形成比较明晰的认识，对酸碱性物质的解离平衡常数更敏感，有助于培养其快速捕获信息、分析问题、解决问题的能力。

此外，常用教材上收录的解离平衡常数信息有限，在教学和科研过程中，对特定分析物的分布分数等相关参数，可以借助网络软件(如https://chemicalize.com/#/calculation)快速获取。

参考文献

武汉大学. 分析化学(上册)第6版., 北京: 高等教育出版社, 2016.

[本文引用: 1]

Reid M. S. ; Hoy K. S. ; Schofield J. R. M. ; Uppal J. S. ; Lin Y. W. ; Lu X. F. ; Peng H. Y. ; Le X. C. TrAC-Trend. Anal. Chem. 2020, 123, 115770.

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Sun G. X. ; Williams P. N. ; Zhu Y. G. ; Deacon C. ; Carey A. M. ; Raab A. ; Feldmann J. ; Meharg A. A. Environ. Int. 2009, 35 (3), 473.

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Chen D. H. ; Huang C. Z. ; He M. ; Hu B. J Hazard. Mater. 2009, 164 (2-3), 1146.

DOI:10.1016/j.jhazmat.2008.09.022      [本文引用: 2]

Chen B. B. ; Hu B. ; He M. ; Mao X. J. ; Zu W. Q. J. Chromatogr. A 2012, 1227, 19.

[本文引用: 2]

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