原子熒光光譜法測定砷過程中還原反應條件的優化

丁冬梅 楊 華 李 煒

(天津市生態環境監測中心,天津 300191)

砷廣泛存在于自然界中,環境中的砷主要以四種價態(-3、0、+3、+5)存在[1],砷和砷的化合物一般可通過水、大氣和食物等途徑進入人體,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50年代末,中國臺灣出現的鳥腳病就是由于當地居民長期飲用含砷較高的地下水造成的。因此,在環境領域,準確監測環境中砷的含量尤為重要。

目前,測定環境中砷的方法很多,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射光譜法[3]、電感耦合等離子體質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、線性范圍寬等優點而受到廣泛應用[4]。原子熒光光譜法測定樣品中的總砷,其工作原理分為三個步驟:首先將樣品進行消解反應,使砷以高價態(五價)的形態存在,然后對消解液進行預處理,即加入硫脲作為還原劑,使高價態的砷全部還原成低價砷(三價),最后再進入原子熒光分析儀進行測定。由此可見,能否將五價砷全部還原為三價砷對測定起到重要作用。國內學者對第一步樣品消解和最后一步儀器測定研究頗多,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準曲線線性等[8-9]。對第二步硫脲還原反應過程雖然也有研究,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驗條件,如對硫脲還原性與溫度的關系、硫脲-抗壞血酸的掩蔽效果、硫脲用量等的研究[4,5,7,10-12],同時又均未涉及此過程中鹽酸加入量對硫脲還原效果的影響;另外,在現行國家標準《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光光譜法 第2部分:土壤中總砷的測定》(GB/T 22105.2—2008)未提到此過程的影響因素,所以在實際操作中易發生因經驗不足等造成實驗結果偏低的現象。為了準確測定砷的含量,本文以原子熒光光譜法測定土壤中的總砷為例,著重研究第二步硫脲對砷的還原反應過程,采用正交實驗方式,從反應溫度、鹽酸加入量、硫脲用量、反應時間等四個方面研究此反應,旨在建立可行的還原反應條件,以滿足實際工作需要。

1 實驗部分

1.1 儀器設備

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

1.2 化學試劑

砷標準儲備溶液(100 mg/L,國家標準物質研究中心);濃HCl、HNO3均為MOS級(天津風船化學試劑科技有限公司);載流(5%HCl溶液);還原劑NaOH(5 g/L)-KBH4(20 g/L)的混合溶液,用時現配;10%硫脲-抗壞血酸(100 g/L);土壤標準物質GBW07405、GBW07447、GBW07452,購自中國地質科學院地球物理地球化學勘探研究所,標準值范圍分別為(412±16)、(10.7±0.5)、(11.8±0.9) mg/kg。

1.3 校準曲線的繪制

逐級稀釋砷元素標準儲備溶液至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,標準曲線濃度為0、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 μg/L。

1.4 儀器測定條件

儀器工作條件見表1。

表1 儀器測定條件

1.5 土壤的消解

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

1.6 正交實驗設計

以硫脲用量A(mL)、鹽酸加入量B(%)、反應溫度C(℃)、反應時間D(min)為因素,分別選擇三水平,采用正交表L9(34)設計正交實驗。見表2和表3。

表2 還原反應因素水平表

表3 正交實驗過程

2 結果與討論

2.1 正交實驗結果

按照表3正交實驗方案進行實驗,每次測定平行樣品3個,砷的測定均值結果見表4,各因素對砷含量影響的測定值見表5。

表4 土壤樣品中砷的含量

表5 各因素對砷含量影響的測定值

采用極差法對正交實驗結果進行統計分析,由表5中極差R值大小可知:

1)在四個因素選擇的水平內,影響砷的測定結果的主次關系為A>B>D>C,即硫脲用量的影響最為顯著,其次是鹽酸加入量、反應時間和反應溫度。

2)由表5得出的最佳預處理條件組合為A3B3C3D3,由此,將預處理條件初步設定為硫脲用量為2 mL,鹽酸加入量為10%,反應溫度為25 ℃,反應時間30 min,并以此為基礎,按照各因素對砷測定結果影響由大到小的順序,固定其他三種因素,分別進行單因素多水平檢驗,以確定最優的實驗條件。

2.2 各單因素水平檢驗

2.2.1 硫脲用量檢驗

固定三個因素,鹽酸加入量10%、反應時間30 min、反應溫度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,定容靜置后測定。測定3個平行樣,均值結果見圖1。

圖1 硫脲用量對土壤測定值的影響Figure 1 Effect of thiourea dosage on soil measured values.

由圖1可見,加入硫脲與未加入硫脲的結果明顯不同,未加入硫脲的測定值與加入硫脲的測定值差距很大;在0.5～3.0 mL,隨著硫脲用量的增加,砷的測定值增大;當硫脲用量在2.0～3.0 mL時,測定值基本一致;在2.0 mL處出現平臺拐點,在2.5和3.0 mL處測定值相同且達到最大?；趯嶒灣杀究紤],故選擇2.0 mL硫脲用量為實驗用量。

2.2.2 鹽酸加入量檢驗

固定三個因素,硫脲用量2.0 mL、反應時間30 min、反應溫度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,相當于加入的鹽酸濃度為0、2.5%、5.0%、7.5%、10%、20%、40%,搖勻待測。每次測定3個平行樣品,均值結果見圖2。

圖2 鹽酸用量對土壤測定值的影響Figure 2 Effect of hydrochloric acid dosage on soil measured values.

由圖2可見,隨著鹽酸加入量的增加,砷的測定值為增大趨勢。在加入量為0時,砷的測定值最低,此時測試液中實際的酸度并不為0,而是扣除消解反應用量之后剩余的酸度,按實驗步驟計算,此處的實際酸度應不足2.5%;在加入鹽酸濃度為10%時為最大值,隨后在20%和40%處為降低趨勢,這可能是鹽酸具有易揮發性造成的,鹽酸濃度越高揮發量越多,使得砷隨之揮發失去越多。但是,即使及時進行測定,而且測定值與10%處相當,也不應選擇過高的酸度,這是因為高濃度酸液易對儀器進樣管等部件性能造成損害,同時基于樣品酸度與校準曲線酸度相近的原則,故選擇鹽酸加入量為10%。

2.2.3 反應時間檢驗

固定三個因素,硫脲用量2.0 mL、鹽酸加入量10%、反應溫度25 ℃,改變不同的反應時間。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。靜置時間分別為10、20、30、40、50、60、70 min。每次測定3個平行樣品,均值結果見圖3。

圖3 反應時間對土壤測定值的影響Figure 3 Effect of reaction time on soil measured values.

由圖3可見,在10 min處,測定值最低為10.1 mg/kg;在20～70 min,砷的測定均值為10.7 mg/kg,波動范圍為10.6～10.8 mg/kg,基本處于平臺狀態。這顯示出,只要靜置時間多于20 min,測定值即可達到最大,此時可以結束預處理反應,進行下一步儀器測定。故選擇最短反應時間20 min,以利于提高工作效率。

2.2.4 反應溫度檢驗

固定三個因素,硫脲用量2.0 mL、鹽酸加入量10%、反應時間20 min,改變不同反應溫度。在10 mL聚四氟試管中加入0.5 mL土壤消解液,定容,分別于反應溫度為15、20、25、30、35 ℃下進行反應后待測。每次測定3個平行樣品,均值結果見圖4。

圖4 溫度對土壤測定值的影響Figure 4 Effect of temperature on soil measured values.

由圖4可見,在15 min處,測定值最低為10.2 mg/kg;在20～35 ℃,砷的測定值波動范圍為10.5～10.6 mg/kg,近似于平臺狀態。由此可知,只要滿足本實驗三個固定因素,在20～35 ℃ 即可測得砷的最大值。故正交實驗最終選擇的實驗條件是:硫脲用量2.0 mL、鹽酸加入量10%、反應時間20 min、溫度20～35 ℃。溫度不選擇單一數值,是因為此溫度范圍正好是常見的室溫范圍,較寬的溫度范圍使得實驗操作具有靈活性和可行性。

2.3 標準土壤樣品驗證

按照正交實驗優化的實驗條件:硫脲用量2.0 mL、鹽酸加入量10%、反應時間20 min、溫度23 ℃,用三個不同含量的標準土壤樣品進行條件實驗驗證,每個樣品做3個平行樣,計算平均值分別為:413、10.6、11.8 mg/kg,均在標準值范圍內;精密度分別為2.2%、2.4%、4.2%,均滿足質控要求。驗證結果見表6。

表6 標準土壤樣品測定

3 結論

在高價態砷和硫脲的還原反應中,實驗條件對砷的測定有直接影響,即與反應溫度、反應時間、硫脲的用量和鹽酸加入量呈一定相關性,所以在實驗測定中必須要根據硫脲的用量、鹽酸加入量、反應溫度和反應時間建立適當的反應條件,才能確保反應進行得完全、結果準確。當然,這種預處理實驗條件不限于環境樣品,還可包括食品、飼料等樣品。

另外,需要注意的是對于高含量的樣品,應該在稀釋適當倍數后,即待測液的濃度落在校準曲線范圍內,再進行預處理,這樣才能保證有足夠的硫脲參與反應,獲得準確結果。