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2021.07.01
實(shí)驗(yàn)室中針對(duì)不同樣品,不同檢測(cè)方法,樣品的前處理手段也不盡相同,合理的選擇樣品預(yù)處理方法對(duì)后期樣品元素分析測(cè)定有種非常重要的影響。樣品的預(yù)前處理大部分在檢測(cè)分析過程中都占據(jù)了絕大部分的時(shí)間,可見預(yù)處理這一部分的重要性。
為什么大部分的樣品需要這樣的預(yù)處理才可以進(jìn)行分析呢?
由于大多數(shù)分析方法如原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電化學(xué)法、發(fā)射光譜法以及比色分析法等分析,均要求把分析試樣首先轉(zhuǎn)變成均勻的溶液,除少數(shù)分析手段如X射線熒光光譜儀、中子活法,火花源質(zhì)譜可直接分析固體樣品外。在化妝品檢驗(yàn)中質(zhì)地均勻的液體試樣(如香水、洗發(fā)液),有時(shí)樣品可以不經(jīng)預(yù)處理直接進(jìn)行測(cè)定,但在絕大多數(shù)情況下,必須經(jīng)過預(yù)處理,先制備成樣液,然后再進(jìn)行定量。預(yù)處理也可以簡(jiǎn)單的理解為將樣品進(jìn)行去雜的過程,能讓設(shè)備在更好檢測(cè)環(huán)境中分析出精確的數(shù)據(jù)。
剛開始說了樣品的多樣性,要怎么去選擇比較適合的方法,這個(gè)要根據(jù)試樣的待測(cè)元素以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等選用合適的手段,每一種前處理方法各有各的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì),靈活應(yīng)用可以事半功倍。
下面介紹實(shí)驗(yàn)室里頭有哪幾種常規(guī)的樣品前處理方法,需要的童鞋趕緊做筆記了。
一、干灰化法
干灰化是利用高溫除去樣品中的有機(jī)質(zhì)并且剩余的灰分用酸溶解,它包括在高溫下利用空氣中氧的高溫爐干灰化法<100~300℃下利用激化了的氧原子的等離子氧低溫灰化法,在高壓氧氣氛中燃燒灰化的氧彈法,在常壓氧氣中燃燒的氧瓶法等。這樣作為樣品的待測(cè)溶液,該法適用于食品和植物樣品等有機(jī)物含量多的樣品測(cè)定,不適用于土壤和礦質(zhì)樣品的測(cè)定。其中大多數(shù)金屬元素含量分析適用干灰化,但在高溫條件下,汞、鉛、鎘、錫、硒等易揮發(fā)損失,不適用。
1、高溫爐干灰化法
將樣品的器皿放在高溫爐內(nèi),利用高溫(450~850℃)分解有機(jī)物,這是古老也是簡(jiǎn)單的方法。利用高溫下空氣中氧將有機(jī)物碳化和氧化,揮發(fā)掉易揮發(fā)性組分;與此同時(shí),試樣中不揮發(fā)性組分也多轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w、氧化物或耐高溫鹽類。
高溫爐干灰化法是很復(fù)雜的反應(yīng)過程,經(jīng)干燥碳化的樣品變成多孔的含有無機(jī)成分的有孔焦炭,其氧化動(dòng)力學(xué)決定于物質(zhì)的性質(zhì),即所含的無機(jī)成分、多孔性及顆粒大小。由氧化純石墨得到的資料表明,當(dāng)溫度大于800℃,反應(yīng)的實(shí)際機(jī)制可以認(rèn)為:在比較緩慢的零級(jí)反應(yīng)之后,緊接著是非??斓囊患?jí)反應(yīng),在這個(gè)過程中C-C鍵被打斷,形成CO2。但是由于在灰化試樣所采用的的溫度(550℃左右)相對(duì)較低,而且存在著尚不了解的無機(jī)成分的催化作用,研究純石墨得到的資料是不能直接應(yīng)用于所涉及的復(fù)雜樣品的。
高溫爐灰化法的一般操作步驟分為干燥、碳化、灰化和溶解灰分殘?jiān)鼛讉€(gè)過程。由于試樣、測(cè)定元素、所用儀器設(shè)備以及操作者的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)不同,操作步驟及參數(shù)各不相同。
灰化的樣品首先必須徹底干燥,否則在高溫下能造成爆濺,使樣品丟失或沾污。為防止樣品在高溫爐內(nèi)燃燒,多預(yù)先在樣品放入爐之前用小火、電爐或紅外燈將其碳化。一般250~350℃間每小時(shí)50℃的升溫速度即可達(dá)到目的。含油脂較多的化妝品,也可以在350℃維持片刻至煙趕盡后再繼續(xù)升溫。
在灰化階段中,各無機(jī)成分受包圍它的環(huán)境基體的影響,有著不同的反應(yīng)和變化。有的形成了易揮發(fā)化合物而氣化損失;有的被還原為單體或氧化為氧化物;也有的被轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈叻悬c(diǎn)的鹽;有的還可與器皿組分產(chǎn)生反應(yīng)而被滯留。在利用高溫爐灰化樣品做定量測(cè)定時(shí),被揮發(fā)和被器皿滯留造成的損失受關(guān)注。
在高溫爐灰化過程中,氣化損失因元素在試樣中存在形式和元素性質(zhì)、灰化溫度、樣品氣體成分而異,利用放射性標(biāo)記同位素的實(shí)驗(yàn)表明,元素和元素存在的形式影響氣化損失。Hg是易氣化損失的元素,因?yàn)樗姆悬c(diǎn)是360℃,而其主要化合物在灰化溫度下或是被分解,或是揮發(fā)性的。某些元素的損失則是因其在樣品中存在的形式是揮發(fā)性的。如NBS果葉中Cr、As、Sb即使在200℃加熱24h,其氣化損失也大于20%。
氣化損失因灰化溫度而異,溫度增高,氣化損失一般加劇。血液中Pb在400℃可定量回收,而在500℃、700℃和900℃的回收則分別下降為69%、32%和3%。顯而易見,這是由于蒸氣壓隨灰化溫度而增加??紤]氣化損失時(shí),樣品量與表面積之比也是應(yīng)注意的問題。
待測(cè)元素被殘留于容器壁上不能浸提是造成灰化損失的第二原因。Corsuch將中子源照射的可可粉在石英器皿中于550℃和650℃下經(jīng)16h灰化,殘?jiān)盟嵋航?,用?譜儀測(cè)量殘留在石英器皿上元素的殘留量。結(jié)果表明,隨灰化溫度增高,不能被酸液浸提的殘留量也增加。650℃灰化時(shí)有22%的鉛被器皿滯留;而550℃則只有3%。如灰化時(shí)可在樣品中加入H2SO4、Mg(NO3)2、或MgAc2,可有效地減少器皿滯留量到4%以下。如用標(biāo)記的純Pb(NO3)2和不同化學(xué)試劑在上述同樣條件下觀察Pb被器皿的滯留,表明不同化學(xué)試劑對(duì)滯留的影響不同,范圍在0~59%。H3BO3、Al(NO3)3、Mg(NO3)2好,H3PO4、NaCl差。
試驗(yàn)也表明,有機(jī)成分存在與否對(duì)被器皿滯留有一定影響。Cu(NO3)2在有機(jī)物存在下,630℃灰化16h,不能被50%HCl或HCl-HNO3浸提的滯留率,由有機(jī)物不存在的0.5%增至6~7%。
與待測(cè)元素共存的基體組分雖可加速待測(cè)元素的揮發(fā)和被滯留,但實(shí)驗(yàn)也表明,加入一定化學(xué)品以改變?cè)嚇踊w組分,也可以給予好的效果。為加速有機(jī)物分解或增進(jìn)待測(cè)物回收而加入的化學(xué)品稱為“灰化助劑”。目前常用的灰化助劑有HNO3、Al(NO3)3、Mg(NO3)2、Ca(NO3)2等硝酸鹽,H3PO4、H3BO3、H2SO4、K2SO4及氧化鎂、醋酸鎂等。
2、等離子氧低溫灰化法
底溫灰化法是在低溫下(一般為<100~300℃)利用高能態(tài)活性氧原子氧化有機(jī)物。當(dāng)電場(chǎng)加到低壓的氧氣中,電場(chǎng)使空間中自由電子運(yùn)動(dòng)加速,而低壓使分子間相互碰撞幾率減少,從而易于獲得高動(dòng)能。高速電子碰撞氧分子,使外層電子電離。這些電離出的電子又被加速,發(fā)生連鎖反應(yīng),產(chǎn)生大量電子。這些高能級(jí)的電子與氧分子相撞,使氧分子獲得高能量而解離,形成含有化學(xué)活性極高的氧原子的氧等離子體。
氧等離子體中氧原子的濃度約為百分之幾到20%,產(chǎn)率與氧的純度有關(guān)。極純氧的氧原子產(chǎn)率不高,約為0.3%~0.6%。加入少量氮?dú)饣驓錃饪梢栽黾友踉拥漠a(chǎn)率。
等離子氧低溫灰化有機(jī)物與普通燃燒法不同,普通燃燒法是通過加熱使有機(jī)物的C-H或C-C鍵斷裂,生成原子態(tài)氫或烷基自由基,它們碰到氧分子而被氧化。等離子體低溫灰化是等離子氧中的原子態(tài)氫吸引氫或插入C-C鍵引發(fā)的。試樣表面的烷基和羰基馬上與分子態(tài)或原子態(tài)氧結(jié)合,生成過氧化物自由基。試樣表面逐漸被不穩(wěn)定過氧化物覆蓋,同時(shí)慢慢分解,生成各種氧化物并產(chǎn)生反應(yīng)熱。多數(shù)情況下,表面分子被這些反應(yīng)熱切斷,稱為易揮發(fā)的低溫分子碳化合物,釋放到氣相。在氣相中,它們非常容易被氧化為CO2。
由于等離子體氧的低溫灰化是從試樣表面進(jìn)行的,因此為加速氧化過程,試樣必須盡量地粉碎,而且應(yīng)該用底部面積大的試樣舟,將試樣薄薄的鋪在上面以增加表面積,有機(jī)試樣氧化時(shí),試樣表面形成了一層金屬氧化物。這種金屬氧化物有較強(qiáng)的催化原子態(tài)氧再結(jié)合的作用,使原子態(tài)氧濃度在這種氧化物層中急劇降低。故一般低溫灰化裝置,氧化的樣品厚度,只能達(dá)到2~3mm。在樣品中加攪拌等操作可以防止表面層的形成,有利于加速氧化速度和深度。增加高頻功率能提高爐腔溫度也可以加速灰化速度,但試樣溫度同時(shí)也上升。生物試樣大約在150℃以上開始脫水,分解。脫水或發(fā)泡時(shí),因小規(guī)模爆裂,試樣會(huì)濺到樣品舟外,使無機(jī)成分回收率降低和易揮發(fā)元素?fù)p失。為防止溫度上升超過150℃,每種灰化裝置可使用的高頻功率值因試樣性質(zhì)、分析成分而異??捎没一崽沁M(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。因蔗糖在140~150℃開始分解,變成褐色,調(diào)節(jié)功率使蔗糖快速無色燃燒即可。
試樣放置位置也影響灰化速度。樣品室各部位所處的高頻線圈的電場(chǎng)強(qiáng)度不同,而原子態(tài)氧的濃度幾乎與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。樣品灰分含量明顯的影響灰化速度,這是因?yàn)樵嚇颖砻嫔傻幕覍臃恋K了原子態(tài)氧與有機(jī)物接觸。因此,基本不含無機(jī)成分的樣品,灰化速度恒定不變,燃燒減量曲線為直線。而含有無機(jī)成分的樣品隨著時(shí)間的延長(zhǎng),灰化速度減慢。若加上攪拌裝置,則可使灰化速度接近零級(jí)反應(yīng),縮短灰化時(shí)間。
等離子體氧低溫灰化法灰化溫度較低是否可完全免除易揮發(fā)元素的揮發(fā)損失,或元素被器皿的滯留損失?王勇先等用標(biāo)記的鼠血清、鼠肝、野蔥、人發(fā)進(jìn)行等離子體氧低溫灰化,觀察Fe、Co、Cs、Sr、Se回收率。結(jié)果表明,所觀察的元素除硒以外,均獲得完全的回收,四種試樣的Fe、Co、Cs、Sr、Se元素的浸出率很完全。Gleit將標(biāo)記化合物加入血液觀察元素的回收率,試驗(yàn)表明Au、Ag、Hg、I有揮發(fā)損失,Sb、As、Cs、Co、Cu、Cr、Fe、Pb、Mn、Mo、Se、Na、Zn能定量回收。
3、氧彈法
氧彈法是將氧氣壓入氧彈,使有機(jī)物迅速燃燒灰化,然后用無機(jī)酸或其他適宜的溶劑(或熔劑)處理,以使待測(cè)元素全部轉(zhuǎn)入溶劑中。它可以灰化已干燥的有機(jī)物,但樣品量不可大于規(guī)定,以免燃燒不完全發(fā)生爆炸。一般300mL容積的氧彈可以灰化1g以下的樣品。用本法灰化樣品,多數(shù)元素的回收率在90%左右。
本法氧化樣品雖快速,不存在易揮發(fā)元素丟失等優(yōu)點(diǎn),特別適宜測(cè)定Hg、Se、I等的樣品前處理,但需一定裝置,在國(guó)內(nèi)尚少見使用。當(dāng)分解樣品會(huì)有大量鹵素和硫,需在不銹鋼彈體內(nèi)部加鉑內(nèi)襯以防對(duì)彈體腐蝕。
4、氧瓶法
氧瓶法是試樣在充氧的玻璃瓶?jī)?nèi)燃燒后,用溶劑吸收待測(cè)元素的簡(jiǎn)單快速方法。由于其氧氣壓力為大氣壓,瓶?jī)?nèi)氧量對(duì)樣品燃燒的溫度和時(shí)間有影響,本法適用于少量有機(jī)物中易氧化元素的測(cè)定如Hg、I等。
二、濕式預(yù)處理
目前濕法消解的樣品可分為三大類:有機(jī)物含量高的樣品、有機(jī)物含量低的樣品、簡(jiǎn)單易消解的樣品。針對(duì)不同樣品選擇酸體系也不一樣!鹽酸適合在80℃以下的消解體系,硝酸適合在80-120℃的消解體系,一般情況下硫酸適合在340℃左右的消解體系,鹽酸-硝酸的混酸適合在95-110℃的消解體系,硝酸-高氯酸的混酸適合在140-200℃的消解體系,硝酸-硫酸的混酸適合120-200℃的消解體系,硝酸-雙氧水適合95-130℃的消解體系。濕式處理法包括常壓下的濕灰化法,高壓下的消解法以及浸提法等。
1、濕法消解法
濕灰化法又稱濕消解法,此法利用氧化性酸和氧化劑對(duì)有機(jī)物進(jìn)行氧化、水解,以分解有機(jī)物。俄國(guó)化學(xué)家對(duì)濕灰化法機(jī)制的見解是:灰化過程實(shí)質(zhì)上是連續(xù)的氧化-水解過程。先在C原子上引入了含氧的取代基促進(jìn)有機(jī)物水解,使有機(jī)物降解為碎片和揮發(fā)性含碳分子。他們對(duì)多種取代基進(jìn)行了研究,認(rèn)為當(dāng)存在或有可能形成基團(tuán)時(shí),即可產(chǎn)生水解;這個(gè)基團(tuán)可從極化的雙鍵加水形成,而極化強(qiáng)度(即水解容易程度)受α和β碳原子取代基的影響。在α和β碳原子上存在相似的取代基,則將削弱這種作用。當(dāng)用H2SO4-HNO3和H2SO4-H2O2這類混合物灰化時(shí),結(jié)合上面提出的機(jī)制,可以看到H2SO4是脫水劑,容易產(chǎn)生雙鍵。硝基是強(qiáng)的電子接受者;H2O2是提供OH的好試劑。低pH能對(duì)很多已部分氧化的化合物的水解起催化作用,如果也考慮進(jìn)去的話,顯然使用這種溫柔合體系是與提出的機(jī)制能非常地吻合。
濕消化中常用的氧化性酸和氧化劑有H2SO4、HNO3、HClO4和H2O2。單一的氧化性酸在操作中或不易完全將試樣分解或者在操作時(shí)容易產(chǎn)生危險(xiǎn),在日常工作中多不采用,代之以兩種或兩種以上氧化劑或氧化性酸的聯(lián)合使用,發(fā)揮各自的作用,使有機(jī)物能夠高效而又平穩(wěn)的消解。
濕灰化和干灰化一樣有待測(cè)元素被揮發(fā)損失的問題,但嚴(yán)重性和機(jī)制不同。由于濕式法反應(yīng)溫度較低,而且應(yīng)用了大量的酸,可以期望將所有元素轉(zhuǎn)化為不揮發(fā)的形式,但某些元素仍存在揮發(fā)損失問題。例如,Hg、Se在還原條件下或出現(xiàn)碳化時(shí),被還原而揮發(fā)損失。在試樣含有氯時(shí),Ge、As變成GeCl4和AsCl3(沸點(diǎn)分別為83.1℃和132℃)揮發(fā)損失等等,應(yīng)給予注意。
2、加壓濕消解法
利用壓力以提高酸的沸點(diǎn)和加速樣品的消解,加壓濕消解法較常規(guī)HNO3-HClO4或HNO3-H2SO4法的優(yōu)點(diǎn)是省時(shí)、設(shè)備簡(jiǎn)單,便于處理大批樣品,不爆沸,不需要通風(fēng)設(shè)備等,并可以減除易揮發(fā)元素的損失,已日益受到人們的重視。加壓濕消解法,一般說來,有機(jī)物未被徹底降解,尤其是具有芳香族結(jié)構(gòu)的組分,因此可能尚不適宜用于極譜和色譜定量方法。由于使用裝置的不同而分為壓熱法、封管法和聚四氟乙烯壓力罐法。
3、壓熱法
將樣品置于玻璃三角瓶?jī)?nèi),加入一定濃度的酸,在高壓鍋中2個(gè)大氣壓下分解浸提。壓熱法只能將樣品中有機(jī)物部分分解,因此樣品的性質(zhì)及顆粒對(duì)浸提效率有一定影響,要求氧預(yù)先粉碎,用3mol/LHCl于121℃處理發(fā)樣及動(dòng)物試樣4小時(shí),其Cd的結(jié)果與HNO3-HClO4方法結(jié)果一致,但某些植物樣結(jié)果偏低。用1+1HNO3在2個(gè)大氣壓下壓熱4小時(shí),土樣中Zn、Mn、Cu、Cr、Ca、Cd、Mg的測(cè)定結(jié)果與HNO3-HClO4方法結(jié)果一致,但Sb、Ni、Na、Al結(jié)果約低5.4~10.8%,表明壓熱法對(duì)某些樣品和元素有較好的分解浸提效果。
4、封管法和聚四氟乙烯壓力罐法
封管法也叫微波消解法是在密閉容器內(nèi)于壓力和熱的條件下對(duì)樣品進(jìn)行消解。將樣品的消解液置于硬質(zhì)玻璃管中,熔封,置烘箱中加熱,由于操作手續(xù)復(fù)雜,玻璃耐壓性較差,已被近年發(fā)展的聚四氟乙烯壓力罐法所取代。聚四氟乙烯壓力罐法是利用聚四氟乙烯的化學(xué)惰性、易切割性和中等耐熱性做成嚴(yán)密的內(nèi)襯管,配合外部的不銹鋼密封套組成易啟閉的耐壓耐酸的壓力罐。由于此法除具有加壓濕消解法的一般優(yōu)點(diǎn)外,尚有試劑用量少,樣品消化時(shí)間短,無容器吸附現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn),目前已被廣泛應(yīng)用于各分析領(lǐng)域,并被接受為標(biāo)準(zhǔn)方法,如美國(guó)AOAC,規(guī)定此法為測(cè)定食物中As、Cd、Hg、Pb、Se、Zn等元素的樣品分解方法。
由于樣品的分解受試樣、消化液(酸)的組成、溫度和容器內(nèi)的壓力的影響,因此,根據(jù)試樣選擇適宜的消化液、樣品和酸用量、液體體積容積比,是得到安全的和良好的消解結(jié)果的重要因素。在消解過程中,罐內(nèi)的壓力還很難測(cè)出,它受罐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)過程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等因素的決定。如某些樣品,由于硝酸分解生成的氧化氮?dú)怏w而產(chǎn)生過高壓力。為安全進(jìn)行操作,樣品量應(yīng)有嚴(yán)格限制。樣品量因容器而異,一般說容量20mL左右,樣品加入量不應(yīng)超過0.3~0.5g,對(duì)未知樣品應(yīng)先取50~100㎎進(jìn)行試分解,然后試探著逐漸增加試樣量。用高氯酸分解有機(jī)樣品時(shí),為防止爆炸,應(yīng)分階段加熱,80~90℃、2h,然后130~150℃加熱,生物樣品選用HNO3分解時(shí),加入酸不可立即蓋蓋子??杉尤肷倭縃2SO4以溶解釋放的NO2。樣品/酸之比應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)。樣品和酸的容積不能超過內(nèi)筒容積的1/2,在1/3左右。
5、浸提法
浸提法的原理是利用浸提液能解離某些與待測(cè)元素結(jié)合的鍵,并對(duì)待測(cè)元素或待測(cè)元素的組分有良好的的溶解力,而從試樣中將含有待測(cè)元素的部分浸提出。這是一種比較簡(jiǎn)單、安全,并且在某種情況下具有特殊意義的樣品預(yù)處理方法。由于浸提法未經(jīng)激烈反應(yīng),被它浸提的僅限于以游離形式存在或結(jié)合鍵易被破壞的元素,或能溶于浸提液的含待測(cè)元素的分子。這類方法已用于土壤、植物、食物、全血、血清及化妝品等一系列試樣中某些元素的測(cè)定。本法獲得的結(jié)果,因浸提液、樣品和元素不同而具有不同的含義,如用0.8mol/l的HNO3浸提全血中Pb、Cd,并用原子吸收法測(cè)定,可以得到血中總的Pb、Cd含量。用0.1mol/lHCl、1mol/lHCl在室溫(23℃)下對(duì)0.5g經(jīng)干燥研磨過20目的桔葉浸提24h,其中K、Na、Ca、Mg可以代表樣品中總量,而沸水浸煮20min,K、Na結(jié)果與總量一致而Ca、Mg僅浸提出21~30%和60~63%,表明桔葉中K、Na以易流動(dòng)的可溶于水的狀態(tài)存在,而Ca以有機(jī)絡(luò)合物或與組織膜結(jié)合形式存在。用1mol/lHCl或1mol/lHNO3,按1g土樣加10ml浸提液震蕩提取30min,可以100%回收吸附的Cd,而pH為7的1%NH4AC只能回收61%。但用后者浸提液浸提土樣,其測(cè)定結(jié)果與蘿卜,萵苣吸收利用的鎘有顯著相關(guān)(P<0.05),表示可以用pH為7的1%HN4AC測(cè)定土壤中植物可利用鎘?;瘖y品衛(wèi)生化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法(GB7917-87)在測(cè)定粉類、霜、乳等化妝品中汞和鉛,采用了浸提法,取得與濕灰化法完全的效果。金屬化學(xué)形態(tài)分析中,也多采用浸提法以保持原來化學(xué)形態(tài)。
浸提法因元素、樣品基體、樣品顆粒大小、浸提液種類、濃度、浸提時(shí)間及浸提溫度等參數(shù)的變化而影響浸提的元素形態(tài)和量。因此,使用這類方法要結(jié)合樣品實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒔?jīng)過預(yù)試驗(yàn)。
以上為樣品預(yù)處理常用的幾種方法,如果對(duì)濕法前處理消解想深入了解,關(guān)注格丹納官網(wǎng)或者微信公眾號(hào)(gz_gdana),更多有關(guān)石墨消解儀、電熱板及氮吹濃縮儀等前處理設(shè)備及方法。