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蒸气发生-原子荧光法元素分析详解 -砷(As)

来源:海光仪器 阅读数:424 时间:2018-02-26 13:29:35

即日起我们将定期推送原子光谱方面的各种分析方法干货知识,欢迎广大分析工作者关注。今天推送的是“蒸气发生-原子荧光法元素分析详解 -砷(As)”。


01

概述


蒸气发生-原子荧光光谱法已经推广应用多年,目前在国内各个行业发挥着越来越重要的作用。随着应用领域的不断拓展,广大的分析工作者在实际工作过程中的遇到的问题也越来越多。

气液分离系统作为将生成的蒸气态元素与液体分离的关键器件,对后续的气态物质传输、原子化及原子荧光的检测起到至关重要的作用。对于某些消解不完全或存在干扰组分的样品,在气液分离系统中产生的泡沫或者由于剧烈反应而导致的压力波动足以影响到气态物质的分离、传输和原子化过程的稳定,最终导致测量结果的不稳定。在最糟糕的情况下,产生的泡沫直接进入原子化器,甚至导致原子化器加热炉丝的损坏。因此,确认在样品的前处理环节将有机组分彻底消解完全是取得准确测试结果的第一步。

对于原子荧光检测的元素,均属于迁移性较大的易挥发性元素。样品前处理过程中,需要格外关注待测组分是否可能在样品前处理过程中因为高温或生成气态物质而损失,导致测量结果偏低的情况出现;同时还需要关注试剂空白和避免交叉污染情况的出现,防止出现“假阳性”结果。

由于原子荧光的测量对象均处于痕量及超痕量浓度(ng/mL),因此原子荧光仪器使用环境空气中存在的重金属对测量结果的影响不容忽视,尤其是某些易挥发性元素如汞、锌等元素造成的局部环境污染现象。

对于国内外的原子荧光光谱仪器,由于普遍采用了高效率的蒸气发生进样技术和光学结构简单的非色散光学系统,使得该类仪器对砷、镉、铅、汞等典型重金属元素即使波段在紫外区也具有较高的灵敏度相应,这是该类仪器的长处所在。

但是,由于蒸气发生是基于化学反应机理的进样技术,因此反应介质、反应条件、样品基体、环境温湿度等均会影响蒸气发生反应的进样效率和检测。在选择蒸气发生条件时,需要对各个条件进行综合考虑,才能做到蒸气发生反应的进样效率高效、稳定,否则原子荧光检测结果的可靠性就无从谈起。蒸气发生进样技术,就像其它原子光谱仪器的进样工具“雾化器”一样,如果“雾化器”的雾化效率低,且重复性无法保证的话,那么分析结果的可靠性也不可能达到预期的效果。蒸气发生过程中,对于液相干扰,无论是影响了发生效率还是影响了蒸气发生的速率,都需要采取相应的措施加以抑制。

非色散光学系统是原子荧光仪器的突出优点,采用日盲型光电倍增管,光学系统结构简单,成本低,易于维护,且光信号损失少。但是,非色散就意味着没有分光系统,光谱干扰的影响无法消除是其致命缺点。虽然原子荧光谱线简单,但是作为检测器的光电倍增管,不能主动地选择所需要接收的谱线,因此光谱干扰现象在现有的原子荧光仪器中,是不可避免的。由于原子荧光光谱分析中所使用的激发光源的强度要比产生的荧光信号高几个数量级,因此光源带来的杂散光是一个不可避免的干扰源。在原子化器的上方由于水汽形成的微珠对激发光源的散射造成的干扰也是光谱干扰源之一。此外,蒸气发生过程中伴生的一些气态物质也会在光源的激发下产生一些带状分子荧光光谱干扰测定;氩氢火焰的·OH背景发射(图1)也会产生一定的光谱干扰。双原子分子和一些蒸气发生过程中产生的伴生气体以及易挥发的有机溶剂,如甲醇/乙腈等,由于较大的分子截面,也会增加荧光猝灭的机率,导致灵敏度下降。对于大部分蒸气发生元素,虽然蒸气发生过程中生成的H2是维持氩氢火焰的必需要素,但也并不意味着氢气浓度越高越好。较多的氢气会导致荧光猝灭效应加剧,对生成的气态物质起到了稀释作用,同时会产生更多的·OH背景发射干扰。



气相干扰在生成的气态物质传输过程中的影响基本上可以忽略;而在原子化过程中的气相干扰在·H最多的区域,造成的干扰最小。石英炉原子化器温度的稳定对原子化效率的稳定至关重要,测试结果的稳定性在很大程度上依赖于原子化器的恒温控制,氩氢火焰对原子化器温度上升的贡献不容忽视。

原子荧光测量属于痕量及超痕量分析,较高的浓度不但会导致蒸气发生效率降低、气体传输效率和原子化效率均无法保证,还会造成严重的记忆效应和曲线弯曲。

对于提高工作效率的多元素同时测量,需要针对具体情况对分析条件作出“妥协”。需要明确指出的是,即使在不考虑灵敏度大幅度损失的情况下,也不是所有的元素都能够随意组合,实现多元素同时测量的。

原子荧光光谱分析法有上述诸多因素需要考虑,每一个元素的分析条件都不尽相同,本文对砷元素的蒸气发生条件和检测过程中的注意事项作出了分别阐述,希望能够对广大的分析工作者具有一定的借鉴意义。


02

砷(As)元素


不同形态毒性差异不同:

无机态砷毒性大于有机态砷,三价砷毒性大于五价态砷;有机态砷中,甲基砷毒性大于其他有机态砷,砷甜菜碱、砷胆碱和砷糖基本没有毒性。


砷在地壳中的自然丰度列第 20位,大约是 3mg/kg。在水圈中,它的含量相应就低的多,海水中砷的浓度大约是 2μg/L 左右,淡水中则有很大的变化范围,一般是 0.4-80 μg/L。砷作为常见的有毒有害元素,一直倍受人们关注。砷摄入过多可引起急性中毒,长期低剂量暴露可引起慢性砷中毒,诱发各种皮肤病并可导致肝肾功能受损,甚至导致癌症。砷的毒性与砷的赋存形态密切相关,不同形态的砷毒性相差甚远。砷元素存在多种形态,如三价无机砷(As(III))、五价无机砷(As(V))、五价一甲基砷(MMA(V))、五价二甲基砷(DMA(V))、砷甜菜碱(AsB)、砷胆碱(AsC)、砷糖(AsS)等。在主要的砷化物中, As(III)和As(V)毒性较大,而MMA(V)和DMA(V)毒性较小, AsB和AsC则被认为没有毒性。As(III)、As(V)、MMA、DMA、AsB、AsC和AsS对实验小白鼠的半数致死量(LD50)分别为14、20、700~1800、700~2600、>10000、>6500、>8000mg/kg。砷元素具有两面性,砷同时也是人们早期用于治疗一些感染性疾病、寄生虫以及梅毒的药物,近年来,又用于癌症和白血病的治疗。食物或水中微量的无机砷进入人体之后,能与带巯基(SH)的酶生成稳定的螯合物,使得很多的酶活性降低或消失,严重干扰细胞的生物功能、结构和正常代谢。海产品,如鱼类、贝类、虾、蟹等,含有高达几到几十 mg/kg 的砷,但是人类食用这些海产品已有数千年,并未出现中毒症状。其原因在于,海产品虽然含砷量高,但所含的大都是毒性较小的有机砷,如砷糖、砷甜菜碱、砷胆碱等。


03

检测过程中的注意事项

3.1  样品前处理及蒸气发生    

砷是当前蒸气发生原子荧光光谱检测法中应用最多,分析方法最为成熟的元素之一。砷元素存在多种形态,其分别在最优化条件下的蒸气发生效率不尽相同,如表1所示。

表1  各种砷形态的蒸气发生效率

As(III)具有最高的蒸气发生效率,而AsB和AsS的蒸气发生效率基本为零,因此在灵敏度响应上存在很大差异。

以DMA、MMA和As(III)的蒸气发生、原子化及原子荧光检测过程(图2)为例,在和KBH4反应后,生产二甲基胂、甲基胂和砷化氢气体。三者在氩氢火焰中均原子化为基态砷原子,被砷空心阴极灯激发的特征谱线照射后,产生原子荧光信号,作为定量依据。


由于样品中的砷存在多种不同形态,需要对样品进行后续处理,转化为能够直接上机测量的溶液状态的As(III),才能获得最佳的灵敏度响应和准确的测量数据。在样品前处理过程中,首先要做的是对样品进行消解,去除有机质,使样品中所有的砷形态全部转化为溶液状态的无机态砷;其次,需要加入还原剂和掩蔽剂,将无机态的砷全部转化为As(III),并抑制干扰的发生。

AsS不具备蒸气发生能力,但是在和强酸混合时,会部分分解为DMA,如图3所示。


由于DMA也具有蒸气发生能力,因此在GB5009.11-2003中所涉及的部分海产品无机砷检测时,会存在假阳性的结果。该方法对无机砷检测而言,不是特异性检测方法,部分有机砷形态也会同时干扰测量,造成结果偏高的现象。针对上述问题,只能采用高效液相色谱-原子荧光联用的方式加以解决,将所测量的砷形态经过色谱有效分离后,再检测。 

在样品前处理过程中,根据样品类型,无论是选择湿法或干法进行消解,均需要注意消解过程对待测砷元素数据准确性的影响。容器自身含有的组分带来的砷污染问题、消解用酸或硫脲的砷本底值较高的问题、消解过程中温度与试剂的选择是否会导致砷元素的损失问题、砷元素是否已经完全转化为无机砷以及消解后的消解液基体是否会对砷的还原和蒸气发生过程产生影响等,都是需要综合考虑的问题。需要特别指出的是,在涉及动物性海产品尤其是鱼类和软体动物的前处理时,由于砷主要以砷甜菜碱的形式存在,而砷甜菜碱具有较好的化学稳定性,HNO3HClO4消解体系无法将其完全分解,需要加入H2SO4提高消解液的温度或者采用高温灰化法处理。

As(V)还原为As(III),可以选择常用的还原剂,一般为硫脲、抗坏血酸和L-半胱氨酸等,或者采用混合还原剂如硫脲-抗坏血酸、硫脲-KI、KI-抗坏血酸、盐酸羟胺-草酸-KI等。As(V)和硫脲、KI反应的方程式如下:

五价的砷酸根离子和硫脲反应生成三价的亚砷酸根离子和甲脒化二硫;和I反应则需要在酸性环境下,生成亚砷酸根离子和I3。硫脲-抗坏血酸或硫脲是应用最多的还原剂和和掩蔽剂,一般浓度为0.5%~2%(m/v)之间,一般预还原时间为30min,当环境温度较低(≤20℃)时, 需要相应延长还原时间或者采用低温水浴加速还原。

亚砷酸根离子的蒸气发生反应目前普遍采用碱性条件下的KBH4作为还原剂,浓度范围一般为1%~2%(m/v),碱的浓度一般为0.1%~1%(m/v)之间。KBH4溶液作为强还原型试剂,即使在碱性条件下也会逐渐分解,产生氢气。此类试剂一般建议现用现配,经过真空过滤的溶液能够在一定程度上改善其稳定性。由于该类溶液存在碱性介质,会对玻璃产生腐蚀,建议避免使用玻璃容器储存。

亚砷酸根离子与KBH4在较宽的酸度范围内,例如从9~10mol/L的盐酸溶液到接近中性的缓冲液,都可以反应生成AsH3,而且能保证较高的蒸气发生效率。盐酸是砷的蒸气发生条件使用频率最高的酸,浓度一般在0.5~5mol/L。高酸度有利于加速KI对As(V)的还原,同时提高蒸气发生体系的抗干扰能力。但是,如果酸度大于5~6mol/L,强酸性环境下则对仪器设备的腐蚀较为严重;试剂消耗量大;试剂本底值偏高;蒸气发生反应过于剧烈,影响AsH3气体传输的稳定性;此外Ar-H火焰背景噪声明显增大也会影响测量结果的可靠性。除了盐酸外,硫酸、磷酸、硝酸和王水等也被用于砷的蒸气发生。

在常见的蒸气发生元素中,砷的蒸气发生反应过程比较不易受到干扰。过渡元素、贵金属元素和其它蒸气发生元素均会抑制AsH3的生成与释放。强氧化剂的存在会影响As(V)的还原,S2F的存在会影响AsH3的生成。对于干扰离子所造成的影响,可以通过添加掩蔽剂、选择性萃取、吸附、沉淀等手段加以消除。

如果样品中的有机质没有消解完全,则在蒸气发生反应过程中会产生大量泡沫,严重时会溢出至石英炉原子化器,影响AsH3气体的传输和后续的检测。

3.2  检测

砷元素的检测原理如下:

(1)  经过蒸气发生反应生成的AsH3在Ar-H火焰中离解生成的基态原子;

(2)  基态原子在砷空心阴极灯光源的照射下,产生共振荧光;

(3)  共振荧光被光电倍增管所接收、放大转换为数字信号,依据浓度与荧光值间的线性关系进行定量检测。

Ar-H火焰的稳定存在是AsH3离解的先决条件,如果火焰波动较大或不稳定均会影响测量结果的准确性。原子化器高度的选择需根据仪器类型而定,实际上选择不同的酸度、KBH4浓度和载气流量,就可以控制火焰的大小与高度,而无需调节原子化器高度。氩气流量的较小时,对AsH3气体的携带能力不够,会导致测量数据的不稳定;氩气流量的较大时,在改善测量结果稳定性的同时也造成了Ar-H火焰中As原子浓度的稀释,导致灵敏度下降。仪器长时间运行时,气体传输管路中如果存在凝结的水珠,则会对气体的传输产生影响,进而影响火焰的稳定性,需要引起注意。

原子荧光检测砷元素属于痕量及超痕量检测,在低浓度时,存在良好的检测结果和线性关系;而在较高浓度时,激发态原子发射的共振线自吸收严重,曲线发生弯曲。因此,在进行砷的测量时,需要根据仪器具体情况和样品中砷含量选择合适的分析条件。在灵敏度允许的情况下,较小的负高压可以获得更加稳定的测量数据。