样品预处理技术

样品预处理技术——常规消解方法大多数分析方法如原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电化学法、发射光谱法以及比色分析法等分析，均要求把分析试样首先转变成均匀的溶液，除少数分析手段如X-荧光、中子活法，火花源质谱可直接分析固体样品外。在化妆品检验中质地均匀的液体试样（如香水、洗发液），有时样品可以不经预处理直接进行测定，但在绝大多数情况下，必须经过预处理，先制备成样液，然后再进行定量。待测元素在样品中含量一般是很低的，而样品机体成分及试样中含有的大量水分会对测试带来困难。消解除去试样中有机成分或从试样中浸提出待测成分的方法很多。有干法、湿法；有在密闭系统中；有高压，也有的在低压下；有用无机的酸碱试剂，也有用有机溶剂等等。这些方法各有其特点，应根据试样的待测元素以及实验设备等选用。在选用分析方法进行元素分析时，应结合试样性质、待测元素和定量方法等对以下几个问题加以权衡：如样品预处理过程是否安全？是否对所用的器皿有影响？所用方法对样品的分解效果如何？所用试剂是否会定量产生干扰？是否造成了不能忽略的沾污？预处理方法能否导致待测元素的损失或产生该元素的不溶性化合物等等。1.干灰化法干灰化是在供给能量的前提下前提下直接利用氧以氧化分解样品中有机物的方法。它包括在高温下利用空气中氧的高温炉干灰化法＜100〜300°C下利用激化了的氧原子的等离子氧低温灰化法；在高压氧气氛中燃烧灰化的氧弹法；在常压氧气中燃烧的氧瓶法等。1.1高温炉干灰化法将样品的器皿放在高温炉内，利用高温（450〜850C）分解有机物，这是最古老也是最简单的方法。利用高温下空气中氧将有机物碳化和氧化，挥发掉易挥发性组分；与此同时，试样中不挥发性组分也多转变为单体、氧化物或耐高温盐类。高温炉干灰化法是很复杂的反应过程，经干燥碳化的样品变成多孔的含有无机成分的有孔焦炭，其氧化动力学决定于物质的性质，即所含的无机成分、多孔性及颗粒大小。由氧化纯石墨得到的资料表明，当温度大于800°C，反应的实际机制可以认为：在最初比较缓慢的零级反应之后，紧接着是非常快的一级反应，在这个过程中C-C键被打断，形成C02。但是由于在灰化试样所采用的的温度（550C左右）相对较低，而且存在着尚不了解的无机成分的催化作用，研究纯石墨得到的资料是不能直接应用于所涉及的复杂样品的。高温炉灰化法的一般操作步骤分为干燥、碳化、灰化和溶解灰分残渣几个过程。由于试样、测定元素、所用仪器设备以及操作者的习惯和经验不同，操作步骤及参数各不相同。灰化的样品首先必须彻底干燥，否则在高温下能造成爆溅，使样品丢失或沾污。为防止样品在高温炉内燃烧，多预先在样品放入炉之前用小火、电炉或红外灯将其碳化。一般250〜350C间每小时50C的升温速度即可达到目的。含油脂较多的化妆品，也可以在350C维持片刻至烟赶尽后再继续升温。在灰化阶段中，各无机成分受包围它的环境基体的影响，有着不同的反应和变化。有的形成了易挥发化合物而气化损失；有的被还原为单体或氧化为氧化物；也有的被转变为有高沸点的盐；有的还可与器皿组分产生反应而被滞留。在利用高温炉灰化样品做定量测定时，被挥发和被器皿滞留造成的损失最受关注。在高温炉灰化过程中，气化损失因元素在试样中存在形式和元素性质、灰化温度、样品气体成分而异，利用放射性标记同位素的实验表明，元素和元素存在的形式影响气化损失。Hg是最易气化损失的兀素，因为它的沸点是360C，而其主要化合物在灰化温度下或是被分解，或是挥发性的。某些元素的损失则是因其在样品中存在的形式是挥发性的。如NBS果叶中Cr、As、Sb即使在200C加热24h，其气化损失也大于20%。气化损失因灰化温度而异，温度增高，气化损失一般加剧。血液中Pb在400C可定量回收，而在500C、700C和900C的回收则分别下降为69%、32%和3%。显而易见，这是由于蒸气压随灰化温度而增加。考虑气化损失时，样品量与表面积之比也是应注意的问题。待测兀素被残留于容器壁上不能浸提是造成灰化损失的第二原因。Corsuch将中子源照射的可可粉在石英器皿中于550°C和650°C下经16h灰化，残渣用酸液浸提，用Y-谱仪测量残留在石英器皿上元素的残留量。结果表明，随灰化温度增高，不能被酸液浸提的残留量也增加°650°C灰化时有22%的铅被器皿滞留；而550C则只有3%。如灰化时可在样品中加入H2SO4、Mg(NO3)2、或MgAc2，可有效地减少器皿滞留量到4%以下。如用标记的纯Pb(NO3)2和不同化学试剂在上述同样条件下观察Pb被器皿的滞留，表明不同化学试剂对滞留的影响不同，范围在0〜59%。H3BO3、A1(NO3)3、Mg(NO3)2最好，H3PO4、NaCl最差。试验也表明，有机成分存在与否对被器皿滞留有一定影响。Cu(NO3)2在有机物存在下，630C灰化16h，不能被50%HC1或HC1-HNO3浸提的滞留率，由有机物不存在的0.5%增至6〜7%。与待测元素共存的基体组分虽可加速待测元素的挥发和被滞留，但实验也表明，加入一定化学品以改变试样基体组分，也可以给予好的效果。为加速有机物分解或增进待测物回收而加入的化学品称为“灰化助剂”。目前最常用的灰化助剂有HNO3、A1(NO3)3、Mg(NO3)2、Ca(NO3)2等硝酸盐，H3PO4、H3BO3、H2SO4、k2so4及氧化镁、醋酸镁等。按其作用，灰化助剂可分为以下几类：作为辅助氧化剂加速对有机物氧化，HNO3是这类的代表。在灰化快结束时使用，可加速除去尚残留的微量碳分。但如加入过早，即尚有较多的有机物时，往往在再次灰化时可导致残渣燃烧和丢失。但测定Cr、Cd等元素不可使用，因为能促成挥发损失。稀释剂。当有机物逐渐被分解为可挥发的简单的氧化物时，器皿和灰分中待测组分的接触和反应的几率也随之增加。为减少这种接触，在试样中加惰性化学品如氧化镁以稀释灰分，可以减少它们被器皿的滞留和提高回收率，故这类灰化助剂适用于灰分少的样品。既是氧辅助剂又是稀释剂。例如Mg(NO3)3、Al(NO3)2等轻金属的硝酸盐，这类硝酸盐在高温下是不稳定的可以分解为轻金属的氧化物和NO2和02。前者是惰性氧化物，起惰性稀释剂的作用；后者则有助于有机物的氧化分解，适用糖分多的样品和测定As、Sb等样品。(4)改变待测元素化合物形式。例如H2SO4、K2SO4、H3BO3、NaOH等。最简单的例子是向样品加入H2SO4,使易挥发的PbCl2转变成难挥发的PbSO4或将氯离子转变为氯化氢而赶走。NaOH曾被用来沉淀铁为氢氧化铁或转锌为锌酸盐；H3BO3可以防止Pb(NO3)2被器皿滞留并使PbCl2定量回收，是因为硼与硅和铅反应形成了硼-硅-铅玻璃，而防止铅被挥发，同时由于氧化硼形成二相的化合物，在酸的作用下，可以使Pb定量的转入溶液，而防止了被石英器皿滞留。溶解灰化残渣中元素时，应根据待测元素的灰化产物的溶解性能选择溶剂，一般多用稀HC1或HNO3，或先用(1+1)HCl使各种元素转化为氯元素再用稀硝酸溶解，直接用浓HNO3处理，容易使某些元素钝化而难以全部转入溶液。美国公职分析家协会的官方分析方法(AOAC)规定，测Ti时需用Na2SO4和H2SO4，溶解灰分的Ti。1.2等离子氧低温灰化法在高温下，由于待测元素可气化挥发和与器皿之间产生反应，使科学家们考虑将样品在低温下氧化分解得可能性，1962年Gleit首次提出等离子氧低温灰化法，成功地克服了高温炉灰化存在的元素损失；目前已较广泛试用于各个分析领域。底纹灰化法是在低温下(一般为＜100〜300°C)利用高能态活性氧原子氧化有机物。当电场加到低压的氧气中，电场使空间中自由电子运动加速，而低压使分子间相互碰撞几率减少，从而易于获得高动能。高速电子碰撞氧分子，使外层电子电离。这些电离出的电子又被加速，发生连锁反应，产生大量电子。这些高能级的电子与氧分子相撞，使氧分子获得高能量而解离，形成含有化学活性极高的氧原子的氧等离子体。氧等离子体中氧原子的浓度约为百分之几到20%，产率与氧的纯度有关。极纯氧的氧原子产率不高，约为0.3%〜0.6%。加入少量氮气或氢气可以增加氧原子的产率。等离子氧低温灰化有机物与普通燃烧法不同，普通燃烧法是通过加热使有机物的C-H或C-C键断裂，生成原子态氢或烷基自由基，它们碰到氧分子而被氧化。等离子体低温灰化是等离子氧中的原子态氢吸引氢或插入C-C键引发的。试样表面的烷基和羰基马上与分子态或原子态氧结合，生成过氧化物自由基。试样表面逐渐被不稳定过氧化物覆盖，同时慢慢分解，生成各种氧化物并产生反应热。多数情况下，表面分子被这些反应热切断，称为易挥发的低温分子碳化合物，释放到气相。在气相中，它们非常容易被氧化为CO2。由于等离子体氧的低温灰化是从试样表面进行的，因此为加速氧化过程，试样必须尽量地粉碎，而且应该用底部面积大的试样舟，将试样薄薄的铺在上面以增加表面积，有机试样氧化时，试样表面形成了一层金属氧化物。这种金属氧化物有较强的催化原子态氧再结合的作用，使原子态氧浓度在这种氧化物层中急剧降低。故一般低温灰化装置，氧化的样品厚度，只能达到2〜3mm。在样品中加搅拌等操作可以防止表面层的形成，有利于加速氧化速度和深度。增加高频功率能提高炉腔温度也可以加速灰化速度，但试样温度同时也上升。生物试样大约在150°C以上开始脱水，分解。脱水或发泡时，因小规模爆裂，试样会溅到样品舟外，使无机成分回收率降低和易挥发元素损失。为防止温度上升超过150C，每种灰化装置可使用的高频功率最大值因试样性质、分析成分而异。可用灰化蔗糖进行预试验。因蔗糖在140〜150C开始分解，变成褐色，调节功率使蔗糖快速无色燃烧即可。试样放置位置也影响灰化速度。样品室各部位所处的高频线圈的电场强度不同，而原子态氧的浓度几乎与电场强度成正比。样品灰分含量明显的影响灰化速度，这是因为试样表面生成的灰层妨碍了原子态氧与有机物接触。因此，基本不含无机成分的样品，灰化速度恒定不变，燃烧减量曲线为直线。而含有无机成分的样品随着时间的延长，灰化速度减慢。若加上搅拌装置，则可使灰化速度接近零级反应，缩短灰化时间。等离子体氧低温灰化法灰化温度较低是否可完全免除易挥发元素的挥发损失，或元素被器皿的滞留损失？王勇先等用标记的鼠血清、鼠肝、野葱、人发进行等离子体氧低温灰化，观察Fe、Co、Cs、Sr、Se回收率。结果表明，所观察的元素除硒以外，均获得完全的回收，四种试样的Fe、Co、Cs、Sr、Se元素的浸出率很完全。Gleit将标记化合物加入血液观察元素的回收率，试验表明Au、Ag、Hg、I有挥发损失，Sb、As、Cs、Co、Cu、Cr、Fe、Pb、Mn、Mo、Se、Na、Zn能定量回收。1.3氧弹法氧弹法是将氧气压入氧弹，使有机物迅速燃烧灰化，然后用无机酸或其他适宜的溶剂（或熔剂）处理，以使待测元素全部转入溶剂中。它可以灰化已干燥的有机物，但样品量不可大于规定，以免燃烧不完全发生爆炸。一般300mL容积的氧弹可以灰化1g以下的样品。用本法灰化样品，多数元素的回收率在90%左右。本法氧化样品虽快速，不存在易挥发元素丢失等优点，特别适宜测定Hg、Se、I等的样品前处理，但需一定装置，在国内尚少见使用。当分解样品会有大量卤素和硫，需在不锈钢弹体内部加铂内衬以防对弹体腐蚀。1.4氧瓶法氧瓶法是试样在充氧的玻璃瓶内燃烧后，用溶剂吸收待测元素的简单快速方法。由于其氧气压力为大气压，瓶内氧量对样品燃烧的温度和时间有影响，本法适用于少量有机物中易氧化兀素的测定如Hg、I等。2.湿式处理法湿式处理法包括常压下的湿灰化法，高压下的消解法以及浸提法等。2.1湿灰化法湿灰化法又称湿消解法，此法利用氧化性酸和氧化剂对有机物进行氧化、水解，以分解有机物。俄国化学家对湿灰化法机制的见解是：灰化过程实质上是连续的氧化-水解过程。先在C原子上引入了含氧的取代基促进有机物水解，使有机物降解为碎片和挥发性含碳分子。他们对多种取代基进行了研究，认为当存在或有可能形成基团时，即可产生水解；这个基团可从极化的双键加水形成，而极化强度（即水解容易程度）受a和B碳原子取代基的影响。在a和B碳原子上存在相似的取代基，则将削弱这种作用。当用h2so4-hno3和h2so4-h2o2这类混合物灰化时，结合上面提出的机制，可以看到h2so4是脱水剂，容易产生双键。硝基是强的电子接受者；H2O2是提供OH的好试剂。低pH能对很多已部分氧化的化合物的水解起催化作用，如果也考虑进去的话，显然使用这种温柔合体系是与提出的机制能非常地吻合。湿消化中最常用的氧化性酸和氧化剂有h2so4、hno3、HCIO4和h2o2。单一的氧化性酸在操作中或不易完全将试样分解或者在操作时容易产生危险，在日常工作中多不采用，代之以两种或两种以上氧化剂或氧化性酸的联合使用，发挥各自的作用，使有机物能够高效而又平稳的消解。湿灰化和干灰化一样有待测元素被挥发损失的问题，但严重性和机制不同。由于湿式法反应温度较低，而且应用了大量的酸，可以期望将所有元素转化为不挥发的形式，但某些元素仍存在挥发损失问题。例如，Hg、Se在还原条件下或出现碳化时，被还原而挥发损失。在试样含有氯时，Ge、As变成GeCl4和AsC13（沸点分别为83.1°C和132°C）挥发损失等等，应给予注意。2.2加压湿消解法利用压力以提高酸的沸点和加速样品的消解，早在18世纪即被应用。加压湿消解法较常规hno3-hcio4或hno3-h2so4法的优点是省时、设备简单，便于处理大批样品，不爆沸，不需要通风设备等，并可以减除易挥发元素的损失，已日益受到人们的重视。加压湿消解法，一般说来，有机物未被彻底降解，尤其是具有芳香族结构的组分，因此可能尚不适宜用于极谱和色谱定量方法。由于使用装置的不同而分为压热法、封管法和聚四氟乙烯压力罐法。2.3压热法将样品置于玻璃三角瓶内，加入一定浓度的酸，在高压锅中2个大气压下分解浸提。压热法只能将样品中有机物部分分解，因此样品的性质及颗粒对浸提效率有一定影响，要求氧预先粉碎，用3mol/LHCl于121C处理发样及动物试样4小时，其Cd的结果与HNO3-HClO4方法结果一致，但某些植物样结果偏低。用1+1HNO3在2个大气压下压热4小时，土样中Zn、Mn、Cu、Cr、Ca、Cd、Mg的测定结果与HNO3-HClO4方法结果一致，但Sb、Ni、Na、Al结果约低5.4〜10.8%,表明压热法对某些样品和元素有较好的分解浸提效果。2.4封管法和聚四氟乙烯压力罐法封管法是在密闭容器内于压力和热的条件下对样品进行消解的最古老的方法。将样品的消解液置于硬质玻璃管中，熔封，置烘箱中加热，由于操作手续复杂，玻璃耐压性较差，已被近年发展的聚四氟乙烯压力罐法所取代。聚四氟乙烯压力罐法是利用聚四氟乙烯的化学惰性、易切割性和中等耐热性做成严密的内衬管，配合外部的不锈钢密封套组成易启闭的耐压耐酸的压力罐。由于此法除具有加压湿消解法的一般优点外，尚有试剂用量少，样品消化时间短，无容器吸附现象等优点，目前已被广泛应用于各分析领域，并被接受为标准方法，如美国AOAC规定此法为测定食物中As、Cd、Hg、Pb、Se、Zn等元素的样品分解方法。由于样品的分解受试样、消化液（酸）的组成、温度和容器内的压力的影响，因此，根据试样选择适宜的消化液、样品和酸用量、液体体积容积比，是得到安全的和良好的消解结果的重要因素。在消解过程中，罐内的压力还很难测出，它受罐内化学反应过程和反应动力学等因素的决定。如某些样品，由于硝酸分解生成的氧化氮气体而产生过高压力。为安全进行操作，样品量应有严格限制。样品量因容器而异，一般说容量20mL左右，样品加入量不应超过0.3〜0.5g,对未知样品应先取50〜100mg进行试分解，然后试探着逐渐增加试样量。用高氯酸分解有机样品时，为防止爆炸，应分阶段加热，80〜90°C、2h,然后130〜150°C加热，生物样品选用HNO3分解时，加入酸不可立即盖盖子。可加入少量h2so4以溶解释放的NO2。样品/酸之比应经过试验。样品和酸的容积不能超过内筒容积的1/2，最好在1/3左右。2.5浸提法浸提法的原理是利用浸提液能解离某些与待测元素结合的键，并对待