AAS分析测试中样品前处理的基本方法和有关分析测试方法

2021年4月12日 10:15:03 来源: 分析测试百科
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作者:李昌厚

(中国科学院上海营养与健康研究所 上海 200233

(原中国科学院上海生物工程研究中心)

  摘要

  本文讨论了在原子吸收分光光度计(AAS)分析检测工作中的两个非常重要的问题:第一、AAS样品前处理中的四种最基本的处理方法和8类样品的前处理方法,是涉及到了多个领域具有共性的样品前处理方法;第二、AAS对不同样品的检测方法;介绍了7类样品最重要的常规分析检测方法。

0、前言

  分析测试工作中的样品前处理是一个非常复杂的问题、是分析测试工作中最重要的环节之一,也是主要分析检测误差来源之一[1],必须引起所有分析测试工作者的高度重视。很多年轻的科技工作者,往往在样品前处理问题上出现各种问题;特别是在本文所述的这些样品的前处理和具体测试方法上,更是使很多科技工作者措手不及,不知道如何进行样品前处理和进行具体测试工作。而样品前处理所需要的分析时间,有时可达到整个样品分析测试工作的60%以上、所带来的分析误差可能达到总分析误差的30%以上[1]。所以,作者在本文中对这些问题进行了小结。本文主要根据仪器学理论和作者的实践,总结了AAS分析测试工作中样品前处理的四种基本方法;对常见的、具有代表性的8类样品前处理的基本方法,做了较详细的介绍;同时,讨论了常规分析检测中,不同的7类样品的基本检测方法。这些方法都具有可操作性,可供AAS使用者及其有关的科技工作者参考。

1AAS一般样品前处理中最主要的4种基本方法

  1)湿法消解法:在样品为0.1000 ~ 0.5000 g左右时, 一般常用的混合酸和使用时的比例为:

  (1)HNO3:HCLO3=5:1;(2)HNO3: H2SO4=5:1;(3)HNO3:HCl=5:1;(4)纯HNO3

  注:消解时对容易挥发(丙酮,乙醚,乙醇等)和易燃易爆的物质不能存在样品中;

  湿法消解法使用非常广泛,大家都非常熟悉,具体操作此不赘述。

  2)干灰化法:样品量一般为2.000~5.000 g、不易挥发时的处理方法:

  样品放置在瓷坩埚中,先加几滴水湿润,加少许浓硝酸,在小火中加热炭化,然后转移到马弗炉在550℃左右灰化2~4小时。冷却后取出(无色或淡色),用其它酸加HNO3(1:1)溶解,视不同样品而异,过滤、定容,置10 mL、25 mL,50 mL待用。

  3)高压罐法(聚四氟塑料制成有盖罐状):

  样品小于0.3000 g时,加混合酸6 mL,加HF(H2O2) 1 mL 盖紧高压罐盖,在160℃情况下加热5小时后,冷却、过滤、定容待用。

  4)微波消解法:一般工作中常用的混合酸有:(1)HNO3:HCLO3;(2)HNO3:H2SO4;(3)纯HNO3

  注:具体消解时使用哪种酸,应该视不同样品而异。请读者酌情选用。

2AAS分析测试中8类不同样品的前处理方法

  1)土壤样品的前处理方法

  (1)土壤的采集:取具有代表性的土壤,风干粉碎过100目,待处理。

  (2)土壤全量分析的样品处理:采用常用的混合酸(读者酌情),具体处理方法如下:

  ①湿消解法: 混合酸10 mL于50 mL烧杯中(0.3000 g),在电热板上加热,1小时后加HF酸,直至冒白烟,去酸,用无离子水定容待用。

  ②高压罐消解:称取0.3000 g土壤于罐中,加混合酸6 mL,加1 mL HF盖紧盖,于150℃下,在烘箱内加热5小时后,取出、冷却后定容50 mL待用。

  ③浸提法(适用于直接被植物吸收的元素):

  A、土壤交换性碱性基(K、Na、Ca、Mg):10.000 g土壤加100 mL1M乙酸铵于塑料瓶中,浸提室温在20~25℃,振荡1小时后,静止2小时,过滤,此溶液为待测液。

  B、土壤有效微量元素(Cu、Fe、Mo、Zn、Mn、B):酸性土壤,用0.1N HCL浸提。中性土壤,用0.05M EDTA 浸提(1:10),浸提室温20~25℃,振荡1小后备用。

  ④干灰化法:(适合高温元素):称取0.3000 g土壤于瓷坩埚中,少许水湿润,在电炉上炭化,然后放到马弗炉中,加热到500~650℃,5~7小时后,样品成灰白色。冷却,用HCL溶解样品,无离子水定容到25 mL待用。

  2)植物样品的前处理方法

  提取具有代表性的样品,洗净吸干,于105℃杀青10分钟。然后于70℃烘干,冷却粉碎过60目待用。一般可采用干灰化消解法,湿化消解法及微波消解法等进行处理(请读者视不同测定元素而定)。

  (1)干灰化法:(不适合挥发性元素,如:Se、Hg、Ge、Pb、Cd等)

  取干样1.000~5 g(鲜样2.000 ~ 10.000 g),于50 mL的瓷坩埚内,微热炭化,转移到马弗炉中(550℃)灰化止白(2~6小时),冷却后用酸溶解,用无离子水定容到50 mL待用。

  (2)湿消解法:取干样0.3000 g,加混合酸10 mL,在电热板上加热,1小时后加H2O1 mL,继续加热,直冒白烟为止。加酸溶解(测Cr用HCL)冷却后用无离子水定容到50 mL,过滤待用。

  (3)高压罐消解法:(S、Cd、Pb、Hg等)取0.3000 g样品,加混合酸6 mL加H2O1 mL,盖紧盖,在150℃消解5小时,冷却后定容过滤到50 mL备用。

  (4)微波消解法(见本文“1”;4))

  3)部分食品样品的前处理方法

  (1)干灰化法(淀粉,骨胶类样品):干样小于1.000~2.000 g,鲜样10.000 g左右,500~600℃,4~8小时。含多糖,脂类等时间可以适当长些;蛋白质纤维类则适当短些。

  (2)湿消解法:主要常用三种酸:HNO3,反应温和,对蛋白质分解较好;H2SO4高沸点强氧化性,对碳水化合物、脂肪消解较好,H2SO4和H2O2尽量少用。常用的混合酸有:①HNO3+H2SO4;②HNO3+HCLO4;③HNO3+H2O2,用量视样品量酌情而定,一般样品0.3000 g左右 ,加混合酸10 mL左右即可。

  (3)高压罐消解法:(适合易挥发元素如Se、Cd、As、Hg等)样品0.1000 ~ 0.2000 g,加混合酸6 mL即可。

  (4)微波消解法(见本文“1”)。

  4)部分血制样品前处理方法

  (1)全血:早上空腹抽静脉血,放入预先准备的抗凝剂(0.1 mg肝素钠)中,据需要进行前处理后待用。

  (2)血浆:试管中加10 g/L枸绿酸钠0.8 mL,加空腹血3.2 mL,在2000~3000r min-1的离心机上离心15~20 分钟,上层微黄液即可。

  (3)血清:加空腹血4 mL,静置2小时,3000r min-1下离心20分钟,上清微黄即可待用。

  血清的消解方法:取血清0.5 mL于50 mL 烧杯中,加混合酸3 mL(硝酸:高氯酸),盖上表面皿。静置过夜后于电热板上加热,待冒白烟止。冷却后加HCL 1 mL,加热到近沸点,冷却后定容于25 mL容量瓶中备用。血清中部分不同的重金属元素的具体前处理方法,见本文“3、7)”。

  5)部分中药材保健品样品的前处理方法

  (1)直接稀释溶解法:适合能溶于水和有机溶剂的样品;常用酸和氧化剂有:HNO3,H2SO4,HCLO4,HNO+ HCLO4;HNO+ HCLO4+H2SO4;H2SO4+ H2O2;HNO3+ H2O2;HCLO4+ H2O2

  (2)干灰化法:马弗炉 500~800℃,4~6小时。

  (3)湿灰化法:采用合适的酸消解,视不同样品而异。

  ①植物的花叶类:HNO3,或HNO3+HCLO4(5+1)

  ②植物的根茎类:少许加H2SO4,H2O2

  (4)高压罐消解法(适合易挥发元素如Se,Cd,As,Hg,等):优点:试剂用量少,空白值低,污染少

,适于花叶类中药;在105℃杀青10 分钟,然后在70℃烘干,粉碎过60目。称取0.3000 g左右样品,加混合酸6 mL,加1 mL H2O2,盖上盖在150℃下放置小时,冷却过滤,定容止25 mL待用

  (5)微波消解法(见本文“1”所述)。

  6)矿物、冶金类样品前处理方法

  (1)此类样品大多用混合酸消解:①HNO3+HF;②H2SO4;③HCLO4+HF;④HCL+HNO3;⑤HCL+HNO3+HF;⑥HCL+HNO3+HF+HCLO4。其中应用最多的是⑤、⑥,H2SO4与HCLO4可提高分解温度,最后用HNO3为介质测定,用HF与其他混合酸消解对含有硅酸的矿物可以达到完全分解。

  (2)除硅以外的元素测定:加混合酸,用HCLO4除去HF使形成SiF4,残渣用HCL或HNO3溶解。

  (3)测定硅元素:用酸分解后,在溶液中测定Si。

  (4)含硫化物矿石:先加HCL分解,再加HNO3和偏硼酸在900℃分解硅酸盐矿石,然后用稀HNO3定容,该溶液可测定Si、Al、K、Na、Fe、Mg、Ca等元素。

  7)石油化工类样品前处理方法

  (1)直接进样测定:样品直接测定或加有机溶剂测定;

  (2)无机酸萃取测定:

  ①灰化法:高温干灰化法,低温湿消解法

  ②萃取法:关键是在样品中加氧化剂使金属与碳链断裂,再用无机酸为萃取剂,分离样品中痕量元素。(注:玻璃器皿的污染用铬酸洗液浸泡,必要时用塑料瓶萃取。常用萃取剂:HCL、HNO3、MIBK甲磺酸等溶液)。

  8)环境分析样品前处理方法

  (1)灰化

  ①湿消解法:不同混合酸消解;

  ②干灰化法:高温用马弗炉450~550℃。低温用150~200℃;

  (2)萃取:一般用以下三种方法萃取;①溶剂萃取;②固相萃取;③超临界萃取。溶剂萃取是最典型的分离浓集法,方法简便,快速,选择性好,回收率高;常用有机溶剂富集:主要有APDC (比咯烷基二硫代氨基甲酸铵)、MIBK(4-甲基-2-戊酮)、NaDDC(二乙基二硫代氨基甲酸钠)。

  在AAS法的环境分析中,大多采用螯合萃取富集金属原子;例如:Pb、Cd、Cu、Zn等。

  (3)吸附法:一般有三种吸附法

  ①物理法:是非选择性,吸附力是范徳华力。

  ②化学法:起化学反应的过程中,活性炭对金属离子的吸附。

  ③交换吸附法:吸附与带异种电荷,吸附剂表面发生静电引力(离子交换)。

   此吸附法的特点:可从大量样品中分离富集多种微量元素,简单,快速,试剂用量少。

  (4)离子交换法

  是离子交换剂与溶液中离子(阴阳)之间发生交换反应,而达到分离的目的,在环境分析中常用痕量元素的分离、富集;按官能团不同,可分阳离子、阴离子交换树脂和螯合型树脂。

  (5)沉淀法

  所谓沉淀法,就是在溶液中加入某种物质,在一定条件下形成沉淀,使溶液中被测元素同时沉淀下来,从而达到分离,富集目的。常用组分沉淀形态有:氢氧化物,硫化物,氧化磷酸盐,铬酸盐,有机螯合物等。例如:氢氧化物沉淀形态:加100~200m g FeCl3到10 L水样中,沉淀过夜过滤,弃除滤液,共存淀物用盐酸溶解(pH=7)待测。

3、部分样品的AAS分析检测方法

  1Pb Cd AsMoCr等的测试(石墨炉AAS法):

  Pb:取样1.0 mL 用1%HNO3稀释到10 mL待测。线性范围 0~20n g/mL,干燥温度 80~100℃,灰化温度200℃ ,原子化温度 1500℃

  Cd:取样1.0 mL 用无离子水稀释到10 mL待测。线性范围 0.1~0.4 n g/mL,干燥温度 80~100℃,灰化200℃ ,原子化 1800℃

  As:取样1.0 mL加100 μL Ni(2mg/mL) 用1% HNO3稀释到10 mL 待测。 线性范围0~4 ng/mL,干燥温度80~100℃,灰化温度200℃,原子化温度 2200℃。

  Mo:(土壤pH大于7.5会影响植物对 Mo 的吸收,不能用HCL稀释样品,否则产生Mo CL2而挥发):

取样1.0 mL用1% HNO3稀释到10 mL待测 。 以Pd作为改进剂,线范围0~20 ng/mL,干燥温度 80~100℃,灰化温度1200 ℃,原子化温度 2600℃。

  Cr:取样1 mL 用无离子水稀释到100 mL,酌情取样测试。 线性范围 0~40 ng/mL,干燥温度 80~100℃,灰化1000℃ ,原子化 2600℃

  2)植物样品中的SeNa CaMg等的分析测试

  植物样品洗净擦干,于150℃杀青10分钟,然后于70℃烘干,粉碎过目待测。

  (1)牧草中的Se的测试:取样1 mL加改进剂Ni(NO32 100 μL(3 mg/mL),用1% HNO3 0.1%曲通(1:1)稀到10 mL,酌情取样测试。 线性范围 0~20 ng/mL,干燥温度 80~100℃,灰化温度1000℃ ,原子化温度 2400℃。

  (2)植物中的K、Na的测试:称取样品0.2000 g于聚乙烯瓶内,加入混合酸10 mL,在90℃恒温水浴提取一定时间,然后过滤定容到50 mL,酌情取样测试。

  (3)植物中的Ca、Mg的测试:样品在550℃灰化,用盐酸溶解(1+1)定容到50 mL (5% CsCl2改进剂2 mL)酌情取样测试。

  3)中药样品中的Cd Pb测试方法

  中药粉碎过60目,称取0.3000 g样品于高压罐中加混合酸6 mL盖紧盖,于150℃下加温5小时,冷却后过滤定容25 mL,酌情取样测试。

  (1)Cd:样品稀释10倍(无离子水),线性范围0.1 ~ 0.4 ng/mL,干燥温度 80~100℃,灰化温度200℃ ,原子化温度 1500℃。

  (2)Pb:样品稀释10倍,线性范围1~4 ng/mL, 0.1%HNO3稀释样品后待测。干燥温度 80~100℃,灰化温度200℃ ,原子化温度 2400℃

  4)蘑菇、茶叶中的 Be的测试方法(可以采用横向加热AAS法)

  样品洗净擦干,在105℃下杀青,70℃烘干,冷却后粉碎,过60目待用。

  称取1.0000 g样品于150 mL烧杯中,加15 mL HNO3,1 mL H2SO4,盖上表面皿,低温消解,冒白烟时取下冷却,定容到25 mL 酌情取样测试。测试结果:Be线性范围0~8 ng/mL。测试时仪器条件:干燥温度130℃,灰化温度1500℃,原子化温度2300℃。

  5)饮料中的 Ge的测试(可以采用横向加热平台石墨管)

  测试结果:线性范围可达0~200 ng/mL,Ni(NO3)2改进剂50 μg/mL,1% HNO3介质。仪器条件:干燥温度130℃,灰化温度800℃, 原子化温度2000℃。

  6)钢渣中的Ca检测(一般用火焰AAS法)

  样品过200目,称取0.0500 g于50 mL聚四氟乙烯坩埚中,先用少量水湿润、采用水:硝酸:氢氟酸=5:8:6,加热到全溶,再加硫酸2 mL,继续加热,直到冒白烟,用水定容到50 mL待用。因钢渣中一般含铌,干扰钙的分析。加改进剂Triton-100(20%),Vc(0.1 M/L)2% HNO3,效果都很好。

  7)血样中部分金属元素的测定方法

  人体血液中含有各种微量物质;例如:无机盐、各种代谢物、O2、激素、酶、抗体、微量元素等等。一般通过各种方法可以检测到这些微量物质。特别是对人体有益、有毒、有害的重金属元素,可以用AAS检测,具体消解方法见“2、3)、(3)”。例如:

  (1)血清中Cu的测定(火焰AAS法):取0.8 mL血清,用1% HNO3稀释到10 mL即可取样测试。

  (2)血清中As的测定(石墨炉AAS法):用1% HNO3稀释,以Ni (NO3)2作基体改进剂测试。

  (3)血清中Cd测定(石墨炉AAS法):取血清2 mL于50 mL烧杯中,慢慢加入1 mL HNO3,放10分钟后加H2O0.5 mL,在电热板上加热20分钟后,再加0.5 mL H2O2,直至淡黄色为止,再加无离子水4 mL溶解后,酌情取样测试。

  (4)白蛋白中Fe、Cu测定(火焰AAS法):取1 mL样品,加混合酸7 mL于50 mL烧杯中,加盖置于电热板上加热(150℃),直到冒白烟为止。而后定容到25 mL,酌情取样测试。

  (5)全血中锗的测定:(石墨炉AAS法):取1.0 mL静脉血,以0.2% Triton-100稀释4倍,进样量20 μL。为提高灵敏度,用锶(30 μg)+硝酸铵(10 μg)混合液作基体改进剂。测试时采用灰化温度1000℃,原子化温度2500℃。

  致谢:本文写作过程中,得到了上海交通大学农学院周林爱高级工程师的帮助,作者特此致谢。

4、主要参考文献

  [1]阎军 胡文祥,《分析样品制备》,北京:解放军出版社,2003

  [2]陈小华 汪群杰,《固相萃取技术与应用》,北京:科学出版社,2010

  [3]李昌厚著,《原子吸收分光光度计及其应用》,北京:科学出版社,2010

  [4]李昌厚著,《仪器学理论与实践》,北京:科学出版社,2008

  [5] 曹文明(Wilmar Global R&D Center)学术报告:《粮油食品分析前处理及快速检测技术应用研究进展》,2017/09,上海仪器联盟样品前处理学术讨论会

  [6]李昌厚,保证分析检测数据可靠性的一些关键问题,分析测试百科网,2021-02-26

  [7]李昌厚,用好AAS的几个关键问题,分析测试百科网,2020-08-17

  作者简介

  李昌厚,男,1963年毕业于天津大学精密仪器系,中国科学院上海营养与健康研究所(原中国科学院上海生物工程研究中心)原仪器分析室主任、兼生命科学仪器及应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授;终身享受国务院政府特殊津贴。

  主要研究方向:分析仪器及其应用研究;长期从事光谱仪器(紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、激光拉曼光谱等仪器)、色谱仪器(高效液相色谱、气相色谱等仪器)及其应用研究;特别对《仪器学理论》、各类分析仪器的可靠性设计、影响各类分析仪器可靠性的性能技术指标的测试方法、以及如何评价分析仪器和如何用好分析仪器等有关问题有精深研究。

  以第一完成者身份,完成科研成果15项。由中国科学院组织专家鉴定;其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平,2项填补国内空白;以第一完成者身份获得国家和省部级(中国科学院、科技部、上海市)科技成果奖5项(含国家发明奖1项);发表论文183篇,出版专著5本。

  曾任中国仪器仪表学会理事、中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届付理事长;全国物理光学、光谱仪器、高速分析技术等专业委员会副主任、国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”多项重大仪器及其应用专项的技术专家组组长或成员、上海市科学仪器专家组成员、《光学仪器》副主编、《生命科学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等数十个学术团体的领导职务和成员。曽经先后担任过多个国内外从事各类光谱、色谱等仪器研发、生产和有关媒体等高科技企业和学术团体的技术专家顾问,为他们联合召开的各类技术交流会、各类技术培训会等讲课、做学术报告600多次以上。