原子熒光光譜法測(cè)定砷過(guò)程中還原反應(yīng)條件的優(yōu)化

丁冬梅 楊 華 李 煒

(天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,天津 300191)

砷廣泛存在于自然界中,環(huán)境中的砷主要以四種價(jià)態(tài)(-3、0、+3、+5)存在[1],砷和砷的化合物一般可通過(guò)水、大氣和食物等途徑進(jìn)入人體,造成危害,引起皮膚色素沉著、肝腎功能障礙及皮膚癌、肺癌等多種癌癥等,如20世紀(jì)50年代末,中國(guó)臺(tái)灣出現(xiàn)的鳥(niǎo)腳病就是由于當(dāng)?shù)鼐用耖L(zhǎng)期飲用含砷較高的地下水造成的。因此,在環(huán)境領(lǐng)域,準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境中砷的含量尤為重要。

目前,測(cè)定環(huán)境中砷的方法很多,常用的方法有硼氫化鉀-硝酸銀分光光度法、二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法、溴酸鉀滴定法[2]、電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法[3]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法和原子熒光光譜法,其中原子熒光光譜法因具備操作便捷、靈敏度高、背景干擾少、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛應(yīng)用[4]。原子熒光光譜法測(cè)定樣品中的總砷,其工作原理分為三個(gè)步驟:首先將樣品進(jìn)行消解反應(yīng),使砷以高價(jià)態(tài)(五價(jià))的形態(tài)存在,然后對(duì)消解液進(jìn)行預(yù)處理,即加入硫脲作為還原劑,使高價(jià)態(tài)的砷全部還原成低價(jià)砷(三價(jià)),最后再進(jìn)入原子熒光分析儀進(jìn)行測(cè)定。由此可見(jiàn),能否將五價(jià)砷全部還原為三價(jià)砷對(duì)測(cè)定起到重要作用。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)第一步樣品消解和最后一步儀器測(cè)定研究頗多,如:樣品前處理消解方式及影響因素[5-6];以水作載流[7]、控制儀器干擾因素,提高儀器的靈敏度與標(biāo)準(zhǔn)曲線線性等[8-9]。對(duì)第二步硫脲還原反應(yīng)過(guò)程雖然也有研究,但這些研究都僅局限于某方面影響因素的研究,且均未建立可借鑒性的、適合日常工作需要的實(shí)驗(yàn)條件,如對(duì)硫脲還原性與溫度的關(guān)系、硫脲-抗壞血酸的掩蔽效果、硫脲用量等的研究[4,5,7,10-12],同時(shí)又均未涉及此過(guò)程中鹽酸加入量對(duì)硫脲還原效果的影響;另外,在現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光光譜法 第2部分:土壤中總砷的測(cè)定》(GB/T 22105.2—2008)未提到此過(guò)程的影響因素,所以在實(shí)際操作中易發(fā)生因經(jīng)驗(yàn)不足等造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低的現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確測(cè)定砷的含量,本文以原子熒光光譜法測(cè)定土壤中的總砷為例,著重研究第二步硫脲對(duì)砷的還原反應(yīng)過(guò)程,采用正交實(shí)驗(yàn)方式,從反應(yīng)溫度、鹽酸加入量、硫脲用量、反應(yīng)時(shí)間等四個(gè)方面研究此反應(yīng),旨在建立可行的還原反應(yīng)條件,以滿足實(shí)際工作需要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備

AFS-9562原子熒光光度計(jì)和10 mL具蓋聚四氟試管(北京海光儀器有限公司);自動(dòng)控溫石墨消解儀,配備50 mL具旋蓋帶刻度、透明PP材質(zhì)平底塑料管(加拿大SCP SCIENCE公司);Millipore Elix5型純水機(jī)(美國(guó)Millipore公司);0.1～1.0 mL可調(diào)移液槍(德國(guó) Eppendorf公司);水浴鍋。

1.2 化學(xué)試劑

砷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(100 mg/L,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心);濃HCl、HNO3均為MOS級(jí)(天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);載流(5%HCl溶液);還原劑NaOH(5 g/L)-KBH4(20 g/L)的混合溶液,用時(shí)現(xiàn)配;10%硫脲-抗壞血酸(100 g/L);土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07405、GBW07447、GBW07452,購(gòu)自中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘探研究所,標(biāo)準(zhǔn)值范圍分別為(412±16)、(10.7±0.5)、(11.8±0.9) mg/kg。

1.3 校準(zhǔn)曲線的繪制

逐級(jí)稀釋砷元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液至100 μg/L,再分別移取0、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL至100 mL容量瓶中,加入10%硫脲-抗壞血酸10 mL,再用濃度為10%鹽酸定容,標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度為0、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 μg/L。

1.4 儀器測(cè)定條件

儀器工作條件見(jiàn)表1。

表1 儀器測(cè)定條件

1.5 土壤的消解

以實(shí)際土壤樣品為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn),稱取0.5 g(精確至0.000 1 g)土壤質(zhì)控樣于50 mL塑料管中,加入10 mL王水(1+1),稍微旋上蓋子,不要旋緊,搖勻后置于自動(dòng)控溫石墨消解儀上,在100 ℃下消解2 h,期間搖動(dòng)2～3次,冷卻后用去離子水定容,自然沉降過(guò)夜或離心后,取上清液進(jìn)行預(yù)處理還原反應(yīng)后待測(cè)[13]。同時(shí)做平行樣品和空白樣品實(shí)驗(yàn)。

1.6 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以硫脲用量A(mL)、鹽酸加入量B(%)、反應(yīng)溫度C(℃)、反應(yīng)時(shí)間D(min)為因素,分別選擇三水平,采用正交表L9(34)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)。見(jiàn)表2和表3。

表2 還原反應(yīng)因素水平表

表3 正交實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照表3正交實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每次測(cè)定平行樣品3個(gè),砷的測(cè)定均值結(jié)果見(jiàn)表4,各因素對(duì)砷含量影響的測(cè)定值見(jiàn)表5。

表4 土壤樣品中砷的含量

表5 各因素對(duì)砷含量影響的測(cè)定值

采用極差法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,由表5中極差R值大小可知:

1)在四個(gè)因素選擇的水平內(nèi),影響砷的測(cè)定結(jié)果的主次關(guān)系為A>B>D>C,即硫脲用量的影響最為顯著,其次是鹽酸加入量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度。

2)由表5得出的最佳預(yù)處理?xiàng)l件組合為A3B3C3D3,由此,將預(yù)處理?xiàng)l件初步設(shè)定為硫脲用量為2 mL,鹽酸加入量為10%,反應(yīng)溫度為25 ℃,反應(yīng)時(shí)間30 min,并以此為基礎(chǔ),按照各因素對(duì)砷測(cè)定結(jié)果影響由大到小的順序,固定其他三種因素,分別進(jìn)行單因素多水平檢驗(yàn),以確定最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件。

2.2 各單因素水平檢驗(yàn)

2.2.1 硫脲用量檢驗(yàn)

固定三個(gè)因素,鹽酸加入量10%、反應(yīng)時(shí)間30 min、反應(yīng)溫度25 ℃,改變不同硫脲用量。分別于10 mL聚四氟試管中加入不同硫脲用量,即分別加入0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00 mL,再各加入0.5 mL土壤消解液,定容靜置后測(cè)定。測(cè)定3個(gè)平行樣,均值結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 硫脲用量對(duì)土壤測(cè)定值的影響Figure 1 Effect of thiourea dosage on soil measured values.

由圖1可見(jiàn),加入硫脲與未加入硫脲的結(jié)果明顯不同,未加入硫脲的測(cè)定值與加入硫脲的測(cè)定值差距很大;在0.5～3.0 mL,隨著硫脲用量的增加,砷的測(cè)定值增大;當(dāng)硫脲用量在2.0～3.0 mL時(shí),測(cè)定值基本一致;在2.0 mL處出現(xiàn)平臺(tái)拐點(diǎn),在2.5和3.0 mL處測(cè)定值相同且達(dá)到最大?；趯?shí)驗(yàn)成本考慮,故選擇2.0 mL硫脲用量為實(shí)驗(yàn)用量。

2.2.2 鹽酸加入量檢驗(yàn)

固定三個(gè)因素,硫脲用量2.0 mL、反應(yīng)時(shí)間30 min、反應(yīng)溫度25 ℃,改變不同酸度。分別在10 mL聚四氟試管中加入0.5 mL土壤消解液,再用不同濃度的鹽酸定容至10 mL,即分別加入鹽酸0、0.25、0.50、0.75、1.00、2.00、4.00 mL,相當(dāng)于加入的鹽酸濃度為0、2.5%、5.0%、7.5%、10%、20%、40%,搖勻待測(cè)。每次測(cè)定3個(gè)平行樣品,均值結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 鹽酸用量對(duì)土壤測(cè)定值的影響Figure 2 Effect of hydrochloric acid dosage on soil measured values.

由圖2可見(jiàn),隨著鹽酸加入量的增加,砷的測(cè)定值為增大趨勢(shì)。在加入量為0時(shí),砷的測(cè)定值最低,此時(shí)測(cè)試液中實(shí)際的酸度并不為0,而是扣除消解反應(yīng)用量之后剩余的酸度,按實(shí)驗(yàn)步驟計(jì)算,此處的實(shí)際酸度應(yīng)不足2.5%;在加入鹽酸濃度為10%時(shí)為最大值,隨后在20%和40%處為降低趨勢(shì),這可能是鹽酸具有易揮發(fā)性造成的,鹽酸濃度越高揮發(fā)量越多,使得砷隨之揮發(fā)失去越多。但是,即使及時(shí)進(jìn)行測(cè)定,而且測(cè)定值與10%處相當(dāng),也不應(yīng)選擇過(guò)高的酸度,這是因?yàn)楦邼舛人嵋阂讓?duì)儀器進(jìn)樣管等部件性能造成損害,同時(shí)基于樣品酸度與校準(zhǔn)曲線酸度相近的原則,故選擇鹽酸加入量為10%。

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間檢驗(yàn)

固定三個(gè)因素,硫脲用量2.0 mL、鹽酸加入量10%、反應(yīng)溫度25 ℃,改變不同的反應(yīng)時(shí)間。在10 mL聚四氟試管中加入0.5 mL土壤消解液,定容靜置待測(cè)。靜置時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60、70 min。每次測(cè)定3個(gè)平行樣品,均值結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)土壤測(cè)定值的影響Figure 3 Effect of reaction time on soil measured values.

由圖3可見(jiàn),在10 min處,測(cè)定值最低為10.1 mg/kg;在20～70 min,砷的測(cè)定均值為10.7 mg/kg,波動(dòng)范圍為10.6～10.8 mg/kg,基本處于平臺(tái)狀態(tài)。這顯示出,只要靜置時(shí)間多于20 min,測(cè)定值即可達(dá)到最大,此時(shí)可以結(jié)束預(yù)處理反應(yīng),進(jìn)行下一步儀器測(cè)定。故選擇最短反應(yīng)時(shí)間20 min,以利于提高工作效率。

2.2.4 反應(yīng)溫度檢驗(yàn)

固定三個(gè)因素,硫脲用量2.0 mL、鹽酸加入量10%、反應(yīng)時(shí)間20 min,改變不同反應(yīng)溫度。在10 mL聚四氟試管中加入0.5 mL土壤消解液,定容,分別于反應(yīng)溫度為15、20、25、30、35 ℃下進(jìn)行反應(yīng)后待測(cè)。每次測(cè)定3個(gè)平行樣品,均值結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 溫度對(duì)土壤測(cè)定值的影響Figure 4 Effect of temperature on soil measured values.

由圖4可見(jiàn),在15 min處,測(cè)定值最低為10.2 mg/kg;在20～35 ℃,砷的測(cè)定值波動(dòng)范圍為10.5～10.6 mg/kg,近似于平臺(tái)狀態(tài)。由此可知,只要滿足本實(shí)驗(yàn)三個(gè)固定因素,在20～35 ℃ 即可測(cè)得砷的最大值。故正交實(shí)驗(yàn)最終選擇的實(shí)驗(yàn)條件是:硫脲用量2.0 mL、鹽酸加入量10%、反應(yīng)時(shí)間20 min、溫度20～35 ℃。溫度不選擇單一數(shù)值,是因?yàn)榇藴囟确秶檬浅Ｒ?jiàn)的室溫范圍,較寬的溫度范圍使得實(shí)驗(yàn)操作具有靈活性和可行性。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品驗(yàn)證

按照正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件:硫脲用量2.0 mL、鹽酸加入量10%、反應(yīng)時(shí)間20 min、溫度23 ℃,用三個(gè)不同含量的標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,每個(gè)樣品做3個(gè)平行樣,計(jì)算平均值分別為:413、10.6、11.8 mg/kg,均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi);精密度分別為2.2%、2.4%、4.2%,均滿足質(zhì)控要求。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品測(cè)定

3 結(jié)論

在高價(jià)態(tài)砷和硫脲的還原反應(yīng)中,實(shí)驗(yàn)條件對(duì)砷的測(cè)定有直接影響,即與反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、硫脲的用量和鹽酸加入量呈一定相關(guān)性,所以在實(shí)驗(yàn)測(cè)定中必須要根據(jù)硫脲的用量、鹽酸加入量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間建立適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件,才能確保反應(yīng)進(jìn)行得完全、結(jié)果準(zhǔn)確。當(dāng)然,這種預(yù)處理實(shí)驗(yàn)條件不限于環(huán)境樣品,還可包括食品、飼料等樣品。

另外,需要注意的是對(duì)于高含量的樣品,應(yīng)該在稀釋適當(dāng)倍數(shù)后,即待測(cè)液的濃度落在校準(zhǔn)曲線范圍內(nèi),再進(jìn)行預(yù)處理,這樣才能保證有足夠的硫脲參與反應(yīng),獲得準(zhǔn)確結(jié)果。