研究有機(jī)元素微量分析的儀器化和自動化

黃玉貴

（貴州省流通環(huán)節(jié)食品安全檢驗中心，貴州貴陽 550002）

研究有機(jī)元素微量分析的儀器化和自動化

黃玉貴

（貴州省流通環(huán)節(jié)食品安全檢驗中心，貴州貴陽 550002）

針對現(xiàn)階段有機(jī)元素微量分析存在的“手藝性”問題，結(jié)合有機(jī)元素微量分析實際情況，分別對有機(jī)元素微量分析的儀器化與自動化進(jìn)行了深入分析，提出相應(yīng)的元素檢測方法，為提高元素檢測精度提供參考。

有機(jī)元素微量分析；儀器化；自動化

典型有機(jī)元素微量分析主要將重量法作為核心，之后還引入了諸如容量法等一系列新分析方法，但這些方法始終都沒有脫離“手藝性”工作范疇。因此，為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，有機(jī)元素微量分析需要實現(xiàn)儀器化與自動化。

1 有機(jī)元素微量分析儀器化

目前，廣泛應(yīng)用的商品元素分析儀均將氣相色譜法作為基礎(chǔ)。借助氣相色譜法對元素的微量分析進(jìn)行設(shè)計，雖然在原理上較為簡單清晰，但想要真正實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，還需對瞬間進(jìn)樣與充分燃燒分解間存在的矛盾進(jìn)行處理。

在有機(jī)化合物當(dāng)中，許多組成元素經(jīng)過氧化與還原反應(yīng)之后生成的各種產(chǎn)物都能借助色譜法進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。以迎頭色譜法為例，它主要使用擴(kuò)散的形式對分解產(chǎn)物進(jìn)行收集，在這種方式下可充分利用經(jīng)典燃燒系統(tǒng)，規(guī)避了燃燒不充分與快速進(jìn)樣之間存在的矛盾。該方法在部分難溶化合物當(dāng)中較為適用，但也存在誤差來源廣等缺陷，如擴(kuò)散室沾污與吸附等。

轉(zhuǎn)化方法主要目的在于將水這一氫元素燃燒主要產(chǎn)物，通過特定的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為容易進(jìn)行色譜分離的乙炔、氫氣等物質(zhì)。在多孔高分子固定相出現(xiàn)和應(yīng)用以后，打破了傳統(tǒng)模式下難以對水進(jìn)行氣相色譜檢測的格局，所以轉(zhuǎn)化方法當(dāng)前已很少使用。而差示檢測法主要將熱導(dǎo)池視為核心檢測方式，即根據(jù)燃燒產(chǎn)物當(dāng)中逐次排除的二氧化碳與水之后得出的檢測信號的差值獲取必要分析數(shù)據(jù)[1]。

直接法指的是將燃燒生成的產(chǎn)物注入到色譜柱當(dāng)中，然后以不同組分峰面積與峰高為依據(jù)實施定量計算。該方法的關(guān)鍵在于要給出具備一定重現(xiàn)性特征的瞬時進(jìn)樣?？紤]到熱導(dǎo)檢測裝置無法在氧氣條件下使用，為對二氧化碳、水和氮氣進(jìn)行同時檢測，通常需要將氦作為載氣。具體操作過程中還存在下列參數(shù)要求：燃燒溫度不得低于1 000℃，另外當(dāng)分析對象為氧元素時，燃燒溫度不能低于1 100℃；實際受熱面積應(yīng)保持在30～50cm2/mg范圍內(nèi)；燃燒時間不能超過1s[2]。載氣中需要混入一定量的氧氣，同時將樣品量限制在1mg以內(nèi)，以此確保燃燒充分。因不同物質(zhì)熱導(dǎo)系數(shù)不同，所以要存在相應(yīng)的校正因子，特殊情況下還要配置相應(yīng)工作電流。直接法對精度有著極高的要求，常規(guī)操作中載氣實際流速、工作溫度與樣品稱重等的最大誤差不能超出0.1%。該方法存在兩個缺陷，其一為要使用標(biāo)準(zhǔn)樣品對響應(yīng)值進(jìn)行重復(fù)校正；其二為子載氣價格較高。

2 有機(jī)元素微量分析自動化

2.1 基本環(huán)節(jié)

（1）樣品選取與稱重自動化；

（2）燃燒分解過程自動化；

（3）檢測方式儀器化；

（4）數(shù)據(jù)采集與處理自動化；

（5）數(shù)據(jù)分析過程控制自動化。

2.2 多方法平行操作

當(dāng)前還沒有一種方法可以同時得出所有組成元素包含的分析數(shù)據(jù)。針對碳?xì)浜推渌s元素在線分析，可聯(lián)合使用電子微量天平和分時計算機(jī)，將分析報告?zhèn)鬏斨两K端設(shè)備，也可對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。Maciak等對氟、硫和鹵元素自動化分析進(jìn)行了設(shè)計。其中，氟與硫主要使用比色法實施測定；鹵素測定則主要使用滴定法。分析過程以6min為一個循環(huán)，將滴定脈沖數(shù)視作定量主要依據(jù)。此設(shè)計重點為能使燃燒分解的產(chǎn)物以定量的形式轉(zhuǎn)移至各個滴定系統(tǒng)，同時借助相應(yīng)的檢測方法。充分利用多方法平行操作設(shè)計模式，每種元素都能使用很多種檢測方式，也能根據(jù)實際要求進(jìn)行擴(kuò)展。

2.3 多元素綜合測定

若能在一次稱量以后只使用一種分析方法即可測定多種元素，則能在很大程度上提升檢測效率，即為多元素的綜合測定。在此方法中，針對有機(jī)物雜元素，經(jīng)過燃燒分解以后，采取將高效離子交換作為前期的離子色譜，利用分光光度等具體方法，可以在很短的時間內(nèi)定量檢測各類雜元素。

Hara熱裂解硫化法同樣是綜合測定的代表方法之一[3]。試樣在硫化鈉與硫同時存在的條件下，于氦氣中實施加熱促使其發(fā)生熱裂解，然后使用離子色譜與氣相色譜等對產(chǎn)物實施檢測。該方法具有能同時檢測氧元素實際含量的優(yōu)勢，但也存在具體檢測過程中需分別配置兩套色譜系統(tǒng)的缺陷。除此之外，Sells等充分參考已有的研究成果，提出一套可同時檢測八種元素的分析方法。Sullivan也提出和Hara熱裂解硫化法基本相的催化裂解檢測方法，該方法可以對九種不同的元素進(jìn)行同時檢測。

3 結(jié)束語

總的來說，無論是有機(jī)元素微量分析儀器化還是自動化，都存在取樣量過小這一實際問題，所以對樣品本身均勻性有著很高的要求。為有效增大實際取樣量，需解決自動控制燃速與快速燃燒等相關(guān)問題。另外，隨著金屬有機(jī)化學(xué)不斷發(fā)展，對元素分析課題也將提出更多新要求。針對這些問題，需要從不同的角度開展分析研究，從而使有機(jī)元素微量分析儀器化、自動化得到持續(xù)深化與完善。

[1] 陳耀祖，吳林友.有機(jī)官能團(tuán)微量分析的進(jìn)展[J].遼寧大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，10（3）：33-40.

[2] 胡振元.有機(jī)元素微量分析的儀器化和自動化[J].有機(jī)化學(xué)，2015，11（5）：395-400.

[3] 段惠，李鐵生，曲冠芝，等.有機(jī)元素微量分析氣相色譜法研究——1.碳、氫、氮的測定[J].分析化學(xué)，2014，11（4）：324-328.

Research on Organic Matter Microanalysis Instrumentation and Automation

Huang Yu-gui

Aiming at the “craft” problem of organic element microanalysis at present，this paper analyzes the instrumentation and automation of organic element microanalysis in combination with the actual analysis of organic elements，and puts forward the corresponding element detection method，And provide reference for improving the detection accuracy of elements.

organic element；microanalysis；instrumentation；automation

062-1

A

1003–6490（2017）03–0114–02

2017–02–11

黃玉貴（1989—），男，貴州畢節(jié)人，助理工程師，主要研究方向為農(nóng)藥分析方法開發(fā)。