簡述幾種綠色分析化學(xué)方法在檢驗檢測實驗室的應(yīng)用

王劍松

重慶市計量質(zhì)量檢測研究院 重慶 401123

1 前言

近年來,隨著對產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境安全的日益重視,中國檢驗檢測市場迎來了巨大的發(fā)展機(jī)會。據(jù)中國認(rèn)監(jiān)委提供的數(shù)據(jù)[1]:截至2016年底,我國檢驗檢測機(jī)構(gòu)數(shù)量為33235家,全年實現(xiàn)營業(yè)收入2065.11億元,從業(yè)人員111.6萬人,檢測報告3.56億份；其中僅建筑建材、環(huán)境、食品3個領(lǐng)域的檢測機(jī)構(gòu)就占到了1.8萬家。檢測實驗室無論從數(shù)量,從業(yè)人員人數(shù)還是檢測樣品量都在不斷上升。

為了保障分析人員的健康和安全,減輕分析人員的勞動強(qiáng)度、減少化學(xué)廢液的產(chǎn)生,同時也降低分析廢液的處置費用,需要將綠色分析的理念和方法應(yīng)用到化學(xué)檢測實驗室,以支持檢驗檢測產(chǎn)業(yè)的長期健康可持續(xù)發(fā)展。

2 綠色分析化學(xué)概念

“綠色分析化學(xué)”是美國化學(xué)會Namiesnik教授在基于環(huán)境友好的綠色化學(xué)概念的基礎(chǔ)上提出來的,他認(rèn)為綠色分析需要首要關(guān)注和遵循以下原則[2]:

(1)在分析過程避免(至少大幅度減少)使用化學(xué)試劑,尤其是有機(jī)溶劑；

(2)在分析過程,要減少氣體、液體和固體廢物的產(chǎn)生；

(3)在分析過程中,避免使用劇毒(包括生態(tài)毒性)的試劑(例如,最好用其它試劑取代苯)；

(4)減少每個樣品分析的所需的人力和能耗。

3 綠色分析化學(xué)方法在檢測實驗室的應(yīng)用

3.1 樣品前處理環(huán)節(jié)的綠色分析化學(xué)方法 萃取、消解是最為傳統(tǒng)的樣品前處理方法。其中,萃取常常用于樣品中待測組分的分離及濃縮,以便進(jìn)行有機(jī)物濃度分析,實際操作時會用到大量的有機(jī)溶劑,分析人員的勞動強(qiáng)度也很大,還有長時間接觸揮發(fā)性有機(jī)物的風(fēng)險；

目前,對于樣品中待測組分的分離與濃縮,已經(jīng)發(fā)展出了多種回收率高、提取效率高、不用或者只需少量有機(jī)溶液,諸如加壓溶劑萃取、微波萃取、快速溶劑萃取、超臨界流體萃取(SFE)以及固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)、液膜萃取(LM)等多種方法和設(shè)備。以超臨界流體萃取(SFE)為例,該方法普遍采用CO2為溶劑(在萃取極性化學(xué)物質(zhì)時,需要添加少量甲醇),常常用于食品、環(huán)境樣品以及藥物分析。

在目前的技術(shù)條件下,有些參數(shù)的分析方法,按照精密度、準(zhǔn)確度、靈敏度、分析速度、回收率等常規(guī)評價指標(biāo)的要求,還離不開有機(jī)溶劑作為萃取液,就需要采用毒性較低、環(huán)境危害性相對較小的化學(xué)試劑和方法。

除了采用綠色試劑和設(shè)備進(jìn)行干擾物分離等方法實現(xiàn)樣品前處理,目前,吳海龍[3]等提出了采用化學(xué)計量學(xué)方法的“數(shù)學(xué)分離”技術(shù),可以在減少物理或化學(xué)分離的情況下,利用多維數(shù)陣的成分分解算法,消除干擾物質(zhì)的影響,獲得較為準(zhǔn)確的待測組分?jǐn)?shù)據(jù)。

消解在樣品成分分析、食品、水、土壤等樣品的重金屬含量分析等方面的應(yīng)用非常普遍；環(huán)境分析方面,最重要的水污染參數(shù)化學(xué)需氧量(COD)的分析,也需要對待測水樣進(jìn)行消解。傳統(tǒng)的消解方法有濕法消解、熔融消解、高溫干法分解等；濕法消解在環(huán)境、食品樣品應(yīng)用最為普遍,在實際操作時基本都會用到硫酸等大量的強(qiáng)腐蝕性無機(jī)酸,消解過程還會產(chǎn)生酸霧等污染物。微波消解儀是目前應(yīng)用非常普遍的一種綠色樣品處理設(shè)備,消解儀利用微波的熱效應(yīng),相對于傳統(tǒng)加熱消解方式,微波消解技術(shù)具有樣品分解速度快、試劑消耗少、工作強(qiáng)度低、污染小等優(yōu)點,密閉微波消解還避免了酸霧的產(chǎn)生,有利于分析人員的健康安全。

3.2 分析環(huán)節(jié)的綠色化學(xué)分析方法 分析環(huán)節(jié)的綠色分析技術(shù),根據(jù)是否需要樣品前處理、化學(xué)試劑以及自動化程度,大致可以分為三類:

第一類是不需要或者僅需要簡單樣品處理(研磨、分散等物理方法),也不需要或者僅需要少量化學(xué)試劑的分析技術(shù)。

近年來,拉曼光譜、近紅外光譜以及激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)應(yīng)用于糧食、食品、土壤、礦物、水質(zhì)的分析日益增多,這類分析方法共同的特點是可以直接測定液體、固體、半固體和膠狀體等不同形態(tài)的樣品,不需要對樣品采取破壞性處理方式。隨著化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展,適用于這些測量原理的數(shù)學(xué)模型日益完善,分析速度加快,也減輕了分析人員的勞動強(qiáng)度。

第二類是相對于常規(guī)化學(xué)分析方法,減少了試劑和樣品用量,同時也相應(yīng)減少了分析廢液的技術(shù)。

流動注射分析技術(shù)(FIA)和微流控技術(shù)是這類分析技術(shù)的代表。流動注射分析是一種非穩(wěn)態(tài)的化學(xué)分析技術(shù),儀器通過把一定體積的試樣溶液注入到一個流動著的試劑溶液(或水)載流中,與載流中的試劑混合、反應(yīng),再進(jìn)入到流通檢測器進(jìn)行測定分析及數(shù)據(jù)處理。流動注射分析試樣、試劑的用量,每次僅需數(shù)十微升至數(shù)百微升,僅為常規(guī)分析方法的幾十分之一。而且,采用流動注射原理的分析儀器自動化程度高,還可以極大減輕分析人員的勞動強(qiáng)度。

第三類是以減輕分析人員勞動強(qiáng)度和保障人身健康安全為目的的自動分析技術(shù)和設(shè)備。

包括實驗室全自動分析設(shè)備,如自動稱量、移液、稀釋、進(jìn)樣等儀器設(shè)備以及在線分析儀器(on-line analyzer)。在線分析儀器是一種特殊的自動化分析設(shè)備,儀器可以實時、原位、自動分析待測樣品的數(shù)據(jù),并連續(xù)輸出信號。在線分析儀器技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)過程控制、環(huán)境大氣、水質(zhì)自動監(jiān)測方面發(fā)揮了越來越多的重要作用。

最后一點,根據(jù)綠色分析化學(xué)原理,檢驗檢測實驗室在選用儀器和設(shè)備時,還應(yīng)當(dāng)考慮到儀器和設(shè)備的能耗,盡量選用低能耗(綠色)產(chǎn)品；以降低實驗室能耗,從而降低碳排放。

4 結(jié)語

化學(xué)分析在提供人們所需的科學(xué)數(shù)據(jù)的同時,也是一種污染排放源。在樣品采集、樣品處理、分析測試和廢液處理的整個過程中,均會使用或產(chǎn)生一些有害的、環(huán)境不友好的物質(zhì)。綠色分析化學(xué)根據(jù)綠色分析方法和技術(shù)設(shè)計,可以從源頭上有效減輕化學(xué)分析對環(huán)境的影響,減輕分析人員的勞動強(qiáng)度、保障分析人員的健康安全。無污染或者少污染的綠色分析化學(xué)方法將會在檢驗檢測實驗室得到更加廣泛的應(yīng)用。