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原子吸收光谱法在重金属铅镉分析中的应用进展

2008-12-10点击:1658
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原子吸收光谱法在重金属铅镉分析中的应用进展

李燕群

(广东省冶金产品质量监督检测中心,广东广州 510640)

摘 要:综述了近年来原子吸收光谱法在重金属元素铅、镉分析中的应用进展。从样品预处理、分离富集、测定方法等方面进行了归纳和评述,对未来发展趋势进行了展望:以提高方法的选择性,简化样品前处理过程,选择简便、快速的分离富集技术为发展方向,同时随着原子吸收光谱技术的提高以及与一些分离富集系统联用技术的不断成熟和进步,将拓展原子吸收光谱法在测定不同种类样品中铅、镉元素的应用研究。

关键词:;;原子吸收光谱法;应用;进展

 随着经济和科学的发展,人们越来越关注环境和自身健康问题。铅、镉是环境中主要的无机污染元素,它的累积性、不可逆转性和隐蔽性,严重危及人和动物的健康甚至生命。已有大量材料证实铅对造血系统、肾脏和神经系统有明显的损害。镉对大多数生物也是有毒的,研究表明,慢性镉中毒会引起肾功能障碍,长期摄入微量镉,在器官累积后,可能引起疼痛病或骨软化症。最典型的例子就是日本之神通州的镉污染使当地居民遭受毒害造成了震惊世界的十大公害之一———疼痛病[1 ] 。由于这两种元素在低浓度时都会对人体产生毒害,因此铅和镉对人体健康的危害越来越被人们重视,特别是欧洲议会和理事会所颁布的《关于电气电子设备中限制使用某些有害物质指令》(Ro HS) 以及《关于废弃电气电子设备的指令》(WEEE) ,对有害物质的检测无疑是近期国际分析化学界所关注的焦点。因此,快速、准确测定重金属含量与了解最新的动态变化,对采取相应措施和控制手段,保护环境显得至关重要,而建立土壤、环境、生物、食品等类样品中铅、镉的分析方法,对铅、镉含量的准确测定具有十分重要意义。1955 ,原子吸收分光光度计诞生后,迅速应用于分析化学的各个领域。国内大规模的应用在20 世纪90 年代开始,应用最广泛的是冶金、地质勘探、质检监督、环境监测、疾病控制等[2 ] 。原子吸收光谱法由于具有灵敏度高,应用成熟以及相对便宜等优点,是目前测定重金属含量最主要的方法,在重金属元素分析中得到了广泛的应用。本文从样品的预处理、分离富集和测定方法等方面对原子吸收光谱法在重金属铅、镉分析中的应用作了总结和评述。

1  样品预处理

目前测定铅、镉所用的样品处理方法主要有干灰化法、酸消解法、微波消解法、浸提法、超声波振荡直接消解法等。

111  干灰化法

干灰化法是传统的样品处理方法之一。准确称取样品于瓷坩埚中,先小火在可调式电炉上炭化至无烟,移入马弗炉500 灰化810 h 至样品呈灰白状,冷却,用稀酸溶解灰分。文献[ 324 ]曾报道用此法对食品和饲料样品进行处理,测定样品中铅镉,获得满意的结果。而徐娟等[5 ] 试验了食用植物魔芋粉末的不同消化方法,发现马弗炉干法灰化导致低熔点镉的损失且由于温度在炉体中的分布不均衡,容易导致部分样品灰化不完全(坩埚内有黑色灰化残留物) ,建议测定铅镉时以湿法消解为好。

112  酸消解法

酸消解法是最典型的湿法消解法,也是最常用的一种分解方法。所用的酸以盐酸、硝酸、高氯酸为主,其它还有氢氟酸和过氧化氢。由于此法具有操作方便、设备简单、价格便宜等优点,在测定铅、镉的样品中,常用此法消解样品,并取得满意的效果(见表1)

 

113  微波消解法

微波消解是近年来发展起来的一种崭新、高效的样品预处理技术。其原理是利用微波对溶液中极性分子(酸、水) 2 450 MHz 电磁场中重新快速定向排列,该过程可产生分子间强烈碰撞和相互摩擦,溶液很快达到沸点,同时微波能引起酸与样品之间较大的热对流,促进酸与样品更有效接触,在加压的条件下,酸的氧化反应速率增加,使样品迅速溶解,一般510 min 可消解一个样品[22 ]

微波消解法采用全密封的聚四氟乙烯消化罐高温高压消化,即样品在密闭容器中较高压力、温度、强酸和氧化剂作用下通过微波加热使样品高效快速消解。此方法具有样品消解快,试剂消耗少,空白值低,消化过程无玷污,回收完全等优点,基本避免了样品污染和元素损失,保证了测定结果的准确可靠。一次消解可以满足多种元素测定,是目前理想、成熟的样品消解方法[23 ] 。由于微波消解法优点突出,在分析领域越来越受到重视,在测定铅、镉的样品中也得到广泛应用和认可(见表2)

 

114  其它消解方法

酸浸提消解法、超声波振荡物理溶样等方法也应用于测铅、镉样品的消解。蒋瑾华等[36 ] 利用模拟酸性汗液浸提皮革制品中的铅镉等重金属元素,弄清皮革制品在汗渍浸的情况下重金属对人体的危害。范文秀等[37 ] 对文具(铅笔、蜡笔、课本、作业本) 等学习用具进行酸浸提测定文具中可溶性铅和镉,对某些易粉碎、易溶解形成乳浊液样品,超声波振荡处理样品是较好的物理溶样方法。李海涛等[ 38 ] 曾用超声波物理溶解方法处理食品样品彩蛋,测定食品中痕量铅镉,此法也应用于土壤、板栗等[39240 ] 样品的前处理,发现超声波处理样品,悬浮液稳定时间长,样品分散均匀,进样速度快。

2  分离富集

由于环境、食品等类样品中铅、镉含量都很低,直接测定较为困难,因此样品处理后一般需要预分离富集。目前,多采用的分离富集方法有液2液萃取、色谱分离、共沉淀、浊点萃取、固相萃取等。

211  液液萃取

2液萃取是常规的分离富集方法,其中溶剂萃取是实现分离富集目的的一种有效方法,此法操作简便、快速,设备简单,常被用于痕量元素的分离富集。文献[ 20 ]采用碘化钾2甲基异丁酮萃取富集土壤试样中铅和镉,用原子吸收光谱法测定有机相,测定镉CV 小于414 %,方法回收率为9015 %9114 % ,测定铅的CV 小于410 % ,方法回收率为8513 %9912 %,适用于土壤中铅、镉的测定。艾军等[41 ] 提出一种在合适的萃取条件下,采用吡咯烷二硫代氨基甲酸铵(APDC) 为螯合剂,甲基异丁酮(MIB K) 萃取剂定量螯合萃取铅,并将流动注射在线萃取技术与原子吸收光谱法相结合,方法简便、精密度好,应用于湖水中铅的测定。候晋等[42 ] 对化妆品中痕量元素的萃取富集效果进行试验,经用82羟基喹啉、双硫腙、吡咯烷二硫代氨基甲酸铵(APDC)242甲基戊酮3 种萃取体系比对试验,发现82羟基喹啉氯仿溶液萃取效果最好,且最佳p H 810910 之间,萃取2次以上萃取效果良好。卢爱民等[43 ] 采用析相萃取技术是基于将络合物(52Br2PADAP ) 溶于乙醇,以辛醇作为提取剂,调节水相p H 816 左右,有机相辛醇以很小的微珠形成析出,有机相的析出,导致生成的铅络合物被萃取至有机相中,当相比为015215 ,其富集倍数可达50 ,其中提取剂的选择很重要,有机提取剂应不溶于水,溶于有机溶剂,同时有一定粘度,以便络合物的聚拢成珠。以辛醇为提取剂能满足实验的需要,而且对环境污染也较小,与未经溶剂萃取的方法相比,线性斜率提高了约20 ,用于环境水样的测定。

2.2  色谱分离

色谱分离也是一种常用的分离富集方法。重金属铅、镉分离富集所用的色谱柱主要有离子交换柱和C18 柱等,离子交换柱分为阳离子交换柱和阴离子交换柱。冷家峰等[ 44 ] NP 型螯合树脂富集水中痕量铅、镉,调节试液为p H 517 ,使铅、镉保留在树脂上,115 mol/ L 硝酸以610mL/ min 快速洗脱树脂上的铅镉。YZ50102 型微型柱也是基于阴离子交换机理的分离柱,铅易与卤素离子形成阴络离子,文献[ 45 ]用此法分离富集硫酸镍电解液中的微量铅。张秀尧[46 ] 应用自合成的Amberlite XAD24 键合的52磺酸282羟基喹啉螯合树脂,p H 9 条件下样品流速为810mL/ min ,90 s 采样,015 mol/ L 盐酸洗脱,获得36 倍的富集,是一种可应用于水中痕量铅富集的有效方法。离子交换纤维具有交换容量大,交换和解脱速度快并且能以线、织物、无纺布等多种形式使用,以满足交换工艺不同要求等优点,在金属回收方面已有广泛应用。成晓玲[47 ] 通过强酸型离子交换纤维柱,在同一水样中同时富集和洗脱了铜、铅、镉、镍,方法简便易行,回收率在9611 %10515 %之间。反向固定相C18 以其相当高的富集倍率和作为洗脱剂对仪器的腐蚀小等特点,被广泛用做微柱填充料。Ruzick[48 ] 、苏星光等[49 ]以自制C18 微型柱,分别以二乙基二硫代氨基甲酸钠(DDTC) 、吡咯烷二硫代氨基甲酸铵(APDC)为螯合剂进行了研究,获得令人满意的效果,但使用单一螯合剂进行富集,p H 值要求高,反应操作不易控制,为了改进此富集方法,文献[50 ]采用DDTC APDC 混合物为螯合剂,填充C18 的色谱预处理商品小柱PT2C18 柱为预富集柱,甲醚为洗脱剂,成功测定了环境样品中铅和镉。实验证明,采用此法富集铅、镉,不但富集效率比使用单一螯合剂高,而且适宜样品富集的p H 值范围较宽,在实际应用中很容易控制。1 min 富集412mL ,富集倍率铅为2118 、镉为1818

2.3  共沉淀共沉淀预富集是原子吸收光谱法有效的样品前处理技术之一,同其它前处理方法相比,该技术具有富集倍数高,不接触有机试剂,环境污染小等优点,而共沉淀捕集剂的选择是决定共沉淀预富集试验有效性的关键因素。近年来新型共沉淀捕集剂不断涌现,越来越多应用于各种样品中痕量和超痕量元素的分离富集。YPO4 作为一种新型共沉淀捕集剂,最先由日本化学家Shigehero Ka2gaya 等提出,它克服了一般无机共沉淀捕集剂结构疏松、选择性低以及需在碱性条件下沉淀,且只能用于水样、碱金属和碱土金属中痕量元素分离富集的不足,能够在弱酸性条件下对铅和铁选择性共沉淀却对铬、锰、钴、镍、铜、锌及碱金属和碱土金属几乎不沉淀,并且结构紧密,便于离心分离。根据此特性,苏耀东[51 ] 等尝试用YPO4 共沉淀分离富集过渡金属盐硫酸钴中痕量铅,共沉淀受p H 值、YCl3 H3 PO4 用量的影响,H3 PO4 用量要远远高于YCl3 用量,才能确保磷酸钇在酸性条件下形成并保持稳定,结果表明p H 310410 ,YPO4 能够定量共沉淀硫酸钴溶液中的铅。Nd ,Y同属镧系元素,镧系元素具有类似性质,马红梅[ 52 ] 据此特性,研究了镧系元素Nd 的磷酸盐在酸性条件下选择共沉淀分离富集环境水样中痕量铅,取得满意的结果。

2.4  浊点萃取

浊点萃取是近年来出现的一种新兴的环保型液2液萃取技术,它不使用挥发性的有机溶剂,不影响环境,以表面活性剂胶束水溶液的溶解性和浊点现象为基础,通过改变实验参数如溶液p H值、温度等引发相分离,将疏水性物质与亲水性物质分离,具有经济、安全、高效、简便等优点,已广泛用于生命科学和环境科学的研究中[ 53 ] 。肖珊美[54 ] 基于表面活性剂的浊点现象,以双硫腙为螯合剂,Triton X2114 为表面活性剂的浊点萃取环境水样中痕量铅,p H 810 TritonX2114 (φ=0105 %) 20μmol/ L 双硫腙存在下富集10 mL样品溶液,富集倍率为1911 ,该法也可用于其他样品痕量元素的测定。文献[ 55 ] 利用浊点萃取法,以吡咯烷二硫代氨基甲酸铵(APDC) 为螯合剂, Triton X2100 为表面活性剂,通过70 恒温水浴3 h ,铅络合物被萃取到表面活性剂相并与水相分离,从而富集高盐样品中痕量铅。实验表明,此法既可以分离试样中的高含量基体,并能高倍数地富集到痕量铅,从而解决高含量基体对测

定过程中带来的干扰及痕量铅的检出限问题。

2.5  固相萃取

固相萃取法(SPE) 是常规的分离富集方法之一,具有富集数高,需要溶剂少,操作简单等优点,因而得到广泛应用。纳米材料是近年来受到广泛重视的一种新的功能材料,随着表面原子粒径的减小,表面原子数迅速增大,表面积、表面能和表面结合能也随之增大,具有很强的不饱和性,易与其它原子结合而趋于稳定。由于其表面原子能够与金属离子以静电作用相结合,因此纳米材料对许多金属离子具有很强的吸附性能,是一种较理想的分离富集材料。文献[ 56 ] 采用纳米Al2O3微柱分离富集试样中铅和镉,利用固相Al2O3 材料具有两性的特点,当溶液的p H > 710 ,由于表面被OH2离子所覆盖,带负电荷,因而可以选择性吸附Pb2 + Cd2 + ,反之,流动相为酸性介质时,吸附在纳米材料表面上的Pb2 + Cd2 + 可被释放出来。作者系统地研究了动态条件下纳米Al2O3 材料对铅、镉离子的吸附性能及影响金属离子吸附和解吸的主要因素,并将所提出的方法应用于环境样品(水、煤飞灰) 中痕量铅、镉的测定。

3  测定方法

3.1  石墨炉原子吸收光谱法( GFAAS)石墨炉原子吸收光谱法具有灵敏度高,检出限低的优点,是目前测定痕量重金属含量的最主要的方法(见表3) ,与适当的分离富集方法相结合的联用技术,大大拓展了该技术的应用范围。蒋红梅等[ 56 ] 将纳米氧化铝微柱分离系统与原子

吸收光谱法联用,用于测定环境水样的痕量铅和镉,并将此法应用于煤飞灰等环境样品的检测中。自1974 Brady 等首次应用悬浮体进样技术以来,固体样品和悬浮体直接进样技术得到迅速发展。悬浮体进样具有减少样品处理过程、污染小、检出限低的特点,特别适合于痕量元素的分析。悬浮体进样GFAAS 已应用于直接测定板栗中微量铅[ 39 ] 。孙汉文等[40 ] 以琼脂为悬浮剂,磷酸二氢铵为基体改进剂,研究了土壤悬浮液的稳定性和基体改进剂效应及干扰效应,建立了以悬浮体进样2基体改进剂效应石墨炉原子吸收法测定土壤中痕量铅和镉的新方法。文献[ 57 ]利用直接固体进样石墨炉原子吸收光谱仪测定Ro HS 指令中铅和镉,并应用于塑料中铅和镉的测定,测定微克和毫克级固体样品的精密度在119 %1418 %之间。样品碎片称量后经固体进样器直接进入原子化器中进行分析,过程简单,避免样品分解步骤,建立了一种实用快速的分析方法。

石墨炉原子吸收法测定痕量元素,常因样品基体复杂,背景吸收干扰严重。尤其是样品若未经消化而直接进样,其基体干扰更为严重,对分析结果的准确性带来极大影响。因基体改进剂在控制和消除背景吸收、灰化损失、分析物释放不完全、分析排出速度的变化等方面起着重要的作用,所以加入合适的基体改进剂是消除基体的干扰,降低空白值的有效手段。铅、镉均属较易挥发的元素,在不加基体改进剂的情况下,铅、镉分别在600 ,300 有灰化损失,加入合适的基体改进剂可适当提高灰化温度,有利于原子化,同时也克服或降低待测元素的挥发损失,而提高灰化温度,可将基体驱尽,从而达到消除干扰的目的[25 ,36 ,40 ] 。铅、镉的基体改进剂有多种,其中最常用的基体改进剂有硝酸铵、酒石酸、抗坏血酸、磷酸、磷酸二氢铵、硝酸镁、二氯化钯等[58 - 61 ] 。在检测过程中,根据样品的需要,常加入一种基体改进剂或多种基体改进剂的混合物来提高灰化温度,消除基体干扰。文献[26 ]利用磷酸二氢铵为铅和镉的基体改进剂,加基体改进剂后,吸收峰形尖而窄,相对标准偏差比不加基体改进剂降低了10 ,精密度和灵敏度明显提高,从而大大提高分析结果准确度。而文献[ 38 ]应用磷酸铵,硝酸镁、硝酸铵作为铅的基体改进剂,在测铅试验中单独使用上述各种基体改进剂效果不明显,而联合基体改进剂效果颇佳,大大提高了铅的灵敏度。由于基体改进剂增强石墨炉内气氛的还原能力,降低了背景吸收,使铅化合物原子化更完全,所以基本消除了基体干扰,背景吸光度由015 以下降到0105 以下,RSD23 %降为313 %。利用抗坏血酸作为镉的基体改进剂后,提高了测定镉的灵敏度,这主要是由于抗坏血酸热分解生成气态碳能增强石墨炉内气氛的还原能力,从而导致镉化合物更完全原子化。

3.2  火焰原子吸收光谱法( FAAS)

火焰原子吸收光谱法具有较高的灵敏度,相对费用较低,易实现在线分析等优点。在重金属元素的分析中应用很广泛(如表4) 。范文秀等[4 ]建立火焰原子吸收连续测定饲料中的铅和镉的方法,此法无须富集、萃取,操作简便,前处理简单,可一次完成铅和镉的测定,适合批量测量的需要,方法灵敏、准确。文献[ 62 ]利用火焰原子吸收法土壤中铜、锌、铅、镉、镍等重金属元素,采用干式消解法对土壤样品进行处理,用酸浸提后上机测定,其测定结果与国家标准分析方法结果无显著性差异,对标准样品测定结果准确。而文献[ 16 ]建立了混合酸处理采集在滤膜(滤筒) 上的悬浮颗粒物(或烟尘) 样品,火焰原子吸收法直接测定试液中铅、镉的快速测试方法,方法精密度较好。火焰原子吸收法是测定铅、镉的常用方法。但有时对于铅镉含量较低的样品,其检出限一般难以满足分析的要求,难以实现直接测定,而需进行样品的预分离富集,溶剂萃取2原子吸收光谱法测定是最常用的方法之一。文献[ 20 ,42 ]都是利用有机溶剂分离富集试样中铅、镉后,把有机相导入火焰原子吸收中进行测定。文献[ 51252 ]用共沉淀捕集剂选择性分离富集样品中痕量铅,建立火焰原子吸收光谱法测定铅的方法,此法排除了基体的干扰,具有灵敏度、精密度好,富集倍数高等特点。

1975 年丹麦学者Ruzicka 等首次提出流动注射分析( Flow Injection Analysis , FIA ) 技术

以来,以其应用广、效率高、低消耗、高精度、简单、价廉等显著优点,开创了分析化学的一个全新领域。1979 Wolf 等将流动注射与火焰原子吸收法联用,使分析速度提高23 ,样品消耗大大降低。近年来配有微型柱的流动注射在线分离系统与原子吸收的联用技术,以其灵敏度高,选择性好,抗干扰能力强,分析自动化等特点被广泛应用于痕量元素的测定[53 ] ,常与火焰原子吸收联用的在线预富集系统有流动注射液2液萃取[41 ] 、在线螯合树脂[ 44 ,46 ] 、流动注射离子交换富集[50 ] 等方法。流动注射在线分离富集的应用,提高了原子吸收的灵敏度和选择性,方法简便、快速,是重金属元素分析的有力工具,也是测定铅、镉含量常用的方法。

氢化物发生2原子吸收光谱法测定铅的原理是,测试液是经铁氰化钾氧化将二价铅转化为四价铅形态的酸性溶液,用载气压力作为自动化能源,自动定量吸入硼氢化钾、测试液和载液3 种溶液,吸满后,载待测试液的载液和硼氢化钾() 溶液开始稳流流动,汇合后发生化学反应,反应液和生成的气体氢化物( PbH4 ) 被载气带入气液分离管,混合气进入电热石英管被原子化,由主机测定吸光度。由于样品中铅在溶液中被硼氢化钠还原为气体铅化氢,并被载气载入电热石英吸管原子化器(温度约800900 ) ,分解为基态铅原子,因此该法可很容易与试样中其它物质分离,从而消除干扰。同时生成铅化氢的过程也是样品富集的过程,具有灵敏度高,干扰小,选择性高,操作简便等优点,适合于样品中微量铅的分析[10 ] 。文献[ 63 ]通过改进原有雾化器,建立了氢化物发生辅助雾化的原子吸收吸光法,与传统雾化法相比,该法能使更多的铅进入原子化区,测铅的灵敏度提高了1314 倍。张丽萍[10 ] 等建立了流动注射氢化物发生原子吸收光谱法测定发铅,方法灵敏度高,选择性好,对人发物质进行测定,结果与认定值符合。文献[ 7 ,63 - 64 ]分别采用盐酸2铁氰化钾2硼氢化钾、草酸2铁氰化钾2硼酸化钾反应体系,探讨了硼氢化钾用量、酸介质、氧化剂等影响因素对食醋、食品、蔬菜样品中铅的测定,发现铁氰化钾作为氧化剂,可掩蔽干扰离子,抗干扰能力强。

4  结论与展望

原子吸收光谱法作为一种成熟而实用的分析方法,已广泛应用于冶金、地质、化工、石油、医学、生物、农业、食品、环保等领域中铅、镉等重金属元素的检测。为简化和提高效率,今后选择简便、快速的分离富集技术和高灵敏度、高选择性的检测方法仍是不断探索和实践的方向。固体直接进样是一种新的现代分析技术,无需样品处理,节省了大量人力、物力,但需要解决的问题是缺少相应的标准样品,虽然目前尚不普遍,但不失为一种有效的分析方法和充满着吸引力和期待的课题。可以说,未来的发展主要集中在提高方法的选择性,尽可能简化或省去样品的前处理过程而直接测定,而测定仪器设备也需更加自动化和智能化。随着原子吸收光谱法技术的提高以及与一些分离富集系统的联用技术不断成熟和进步,将大大拓展原

子吸收光谱法在更多种类中铅、镉元素的分析和应用研究。

 

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Development and application of atomic absorption spectrometry in analysis of lead and cadmium

L I Yan2qun

( Guangdong Metallurgical product’s Quality Surveillance and Inspection Center , Guangzhou 510640 , China)

Abstract : The development and application in analysis of lead and cadmium by atomic absorption spec2t romet ry in recent year s were reviewed. The preparation of samples , separation and enrichment , de2termination for lead and cadmium were int roduced in detail and t he t rend was predicted. Advancingt he selection of met hod , predigesting t he preparation of sample , selecting handy and fast technique ofseparation and enrichment should be a research direction 1 With enhancement of t he technique of a2tomic absorption spect romet ry and advancement of t he combining technique of separation and enrich2ment system , t he applied researches of determining lead , cadmium in all kinds of samples by atomicabsorption spect romet ry should be expanded1

Key words : lead ; cadmium ; atomic absorption spect romet ry ;application ;development

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