氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李華敏，彭淑女，陳招斌，楊利民

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(廈門大學(xué))，福建 廈門 361005

儀器分析實驗課不僅是化學(xué)專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程之一，也是材料、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品、農(nóng)業(yè)等專業(yè)的重要課程之一。原子光譜實驗是儀器分析實驗的一個重要組成部分，國內(nèi)多數(shù)高校都開設(shè)了原子吸收光譜(AAS)實驗[1]和原子發(fā)射光譜(AES)實驗[2]等原子光譜實驗。

汞、砷、銻、鉍、鍺、錫、鉛、硒、碲等元素的含量是環(huán)境保護、衛(wèi)生防疫、城市給排水、地質(zhì)普査等與國計民生息息相關(guān)的部門的重要檢測項目。這些元素的激發(fā)譜線大部分在紫外區(qū)，用火焰原子吸收分光光度法、石墨爐原子吸收分光光度法甚至電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)測量靈敏度低，測定這些元素有很大的困難，常無法滿足一般樣品分析需求。

氫化物發(fā)生‐原子熒光光譜法(HG-AFS)，是利用某些能產(chǎn)生初生態(tài)氫的還原劑或通過化學(xué)反應(yīng)，將樣品溶液中的待測元素組分還原為揮發(fā)性共價氫化物，然后借助載氣流將其導(dǎo)入原子熒光光譜分析系統(tǒng)進行測量。氫化物發(fā)生進樣法可以使分析元素能夠與可能引起干擾的樣品基體分離，消除了基體干擾；與溶液直接噴霧進樣相比，進樣效率幾乎高了 100%，氫化物可以在氬-氫火焰中得到很好的原子化，所以對于砷、銻、鉍、鍺、錫、鉛、硒和碲這8種易形成氣態(tài)氫化物的元素以及汞(形成原子)可以得到很好的檢出限，很高的靈敏度。氫化物發(fā)生-原子熒光分光光度計因此被專門用于砷、硒和汞等測定[3–6]，成為眾多分析測試實驗室的常規(guī)測試分析儀器，得到廣泛推廣和應(yīng)用，已經(jīng)建立了衛(wèi)生防疫、水質(zhì)分析和環(huán)境等系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)。然而，該儀器在本科實驗教學(xué)中普及程度并不高。

為了讓學(xué)生掌握氫化物發(fā)生-原子熒光分光光度計的工作原理及其使用方法，掌握氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法的定量分析方法，了解不同原子光譜法的工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域，本實驗中心于2016年參考國標(biāo)(GB/T 5750.6–2006)開設(shè)了“氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測定水樣中砷的含量”教學(xué)實驗[7]，作為化學(xué)相關(guān)專業(yè)本科生儀器分析實驗的一個實驗內(nèi)容，共4個學(xué)時。

1 實驗?zāi)康?/h2>

(1) 掌握氫化物發(fā)生-原子熒光分光光度計的工作原理及其使用方法。

(2) 掌握氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測定砷的定量分析方法。

(3) 理解儀器條件對分析方法的靈敏度和準(zhǔn)確度等的影響，掌握最佳實驗條件的選擇方法。

(4) 掌握分析方法學(xué)的建立，學(xué)會處理和分析數(shù)據(jù)。

2 實驗原理

原子熒光光譜法是用激發(fā)光照射含有一定濃度的待測元素的原子蒸氣，從而使基態(tài)原子躍遷到激發(fā)態(tài)，受激原子在去激發(fā)回到較低能態(tài)或基態(tài)過程中發(fā)射出一定波長的光輻射即原子熒光。通過測定所發(fā)射的原子熒光的強度即可求得待測元素的含量[8,9]。

若激發(fā)光源發(fā)射的單色光是平行、均勻的光束且強度穩(wěn)定，則照射到原子化器上的入射光強度是穩(wěn)定的，可認為是一常數(shù)。假設(shè)原子化器產(chǎn)生原子蒸氣是理想氣體，忽略自吸效應(yīng)。那么，熒光強度與基態(tài)原子濃度成正比，即：

式中：Iaf為熒光強度；Ioa為激發(fā)光強度；φa為熒光量子效率，它表示單位時間內(nèi)發(fā)射熒光光子數(shù)與吸收激發(fā)光光子數(shù)的比值，一般小于1；A為熒光照射在檢測器上的有效面積；L為吸收光程長度；N為單位長度內(nèi)的基態(tài)原子數(shù)；ε為峰值摩爾吸光系數(shù)。

當(dāng)實驗條件固定時，N與試樣溶液中待測元素的濃度c成正比。所以在固定實驗條件下，原子熒光強度與試樣中待測元素濃度成線性關(guān)系。即：

式中α為常數(shù)。

原子熒光光譜定量分析的基本方程式，僅僅適用于低濃度的原子熒光分析。隨著原子濃度的增加，由于譜線展寬效應(yīng)(主要是多普勒變寬和勞倫茨變寬)、自吸和散射等因素的影響，使工作曲線出現(xiàn)彎曲偏離線性。

本實驗中，氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測定自來水樣中的砷，是先通過硫脲-抗壞血酸將水樣中的砷全部還原成砷(III)，在鹽酸介質(zhì)中，砷(III)與硼氫化鉀反應(yīng)生成砷化氫，由載氣(氬氣)將砷化氫帶入石英原子化器中，過量氫氣和氬氣在點火裝置作用下形成氬-氫火焰，砷化氫受熱解離成原子態(tài)砷。在特制砷空心陰極燈的照射下，基態(tài)砷原子被激發(fā)至高能態(tài)，在去活化回到基態(tài)時，發(fā)射出特征波長的熒光，得到的熒光信號被日盲光電倍增管接收，然后經(jīng)放大，解調(diào)再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到分析結(jié)果，如圖1所示。在一定濃度范圍內(nèi)，其熒光強度與砷含量成正比，通過測量砷熒光強度即可求得砷含量。

圖1 氫化物發(fā)生-原子熒光分光光度計結(jié)構(gòu)圖

3 儀器與試劑

儀器：AFS-8230型原子熒光分光光度計(北京吉天儀器有限公司)；高強度砷空心陰極燈(北京吉天儀器有限公司提供)；高純氬氣鋼瓶(99.99%)。

試劑：鹽酸(優(yōu)級純)，硼氫化鉀(含量> 95%，分析純)，氫氧化鉀(分析純)，硫脲(分析純)，抗壞血酸(分析純)，以上試劑均購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。1000 mg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)貯備液購于國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。所用水為去離子水。自來水樣為實驗室現(xiàn)場采集。

4 實驗步驟

4.1 試劑的配制

(1) 還原劑：2% KBH4溶液(0.2% KOH介質(zhì))，稱取1.0 g KOH溶于500 mL去離子水中，再加入10.0 g KBH4，溶解后混勻。現(xiàn)用現(xiàn)配。

(2) 載流：5%鹽酸，量取50 mL濃鹽酸，用去離子水定容至1000 mL。

(3) 1 : 1鹽酸，量取100 mL鹽酸與100 mL去離子水混勻。

(4) 硫脲-抗壞血酸溶液，稱取硫脲和抗壞血酸各10 g溶解于100 mL去離子水中。現(xiàn)用現(xiàn)配。

(5) 1.0 mg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)使用溶液，移取 1000 mg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)貯備液 100 μL 于 100 mL 容量瓶中，用去離子水定容并搖勻。

4.2 水樣的采集

打開實驗室中的自來水，先放3–5 min，再用實驗室準(zhǔn)備的塑料瓶采集水樣。

4.3 儀器的預(yù)熱

按照儀器的使用方法啟動儀器，打開氬氣鋼瓶和儀器操作軟件，調(diào)節(jié)各實驗參數(shù)，點燃原子化器爐絲，預(yù)熱20–30 min。儀器實驗參數(shù)如表1所示。

表1 儀器測定參數(shù)

4.4 標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的配制

于5個50 mL容量瓶中，各加入5.0 mL的1 : 1鹽酸和5.0 mL硫脲-抗壞血酸溶液，然后分別加入1.0 mg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)使用液0、0.10、0.20、0.40、0.50 mL，然后用去離子水定容并搖勻。

4.5 水樣試液的配制

于50 mL容量瓶中加入25.00 mL自來水樣，再依次加入5.0 mL 1 : 1鹽酸和5.0 mL硫脲-抗壞血酸溶液，然后用去離子水定容并搖勻。

4.6 原子熒光分光光度計最佳儀器條件的選擇

配制 4.00 μg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)溶液，改變儀器條件的參數(shù)，測定不同條件下 4.00 μg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)溶液的熒光強度。

4.7 熒光強度的測定

配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液放置至少10 min以后，按儀器的使用方法逐個測量并記錄各標(biāo)準(zhǔn)系列溶液和試液的熒光強度。繪制砷的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線計算出試液中砷的含量，并計算水樣中砷含量。

4.8 檢出限、定量限和精密度的測定

將儀器測量方法改換成Statistics模式，其余儀器條件不變(注：檢出限、定量限與精密度的測定在設(shè)定好的條件下不間斷連續(xù)測量完成)。連續(xù)測量標(biāo)準(zhǔn)空白溶液15次，取后11次測量的數(shù)據(jù)儀器自動計算標(biāo)準(zhǔn)偏差SD，測量上述標(biāo)準(zhǔn)系列，做一工作曲線，計算斜率K。連續(xù)測定10.00 μg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)溶液15次，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。

4.9 實驗處理與實驗報告

學(xué)生利用Origin軟件處理實驗數(shù)據(jù)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，計算回歸方程、回歸系數(shù)。學(xué)生按要求獨立完成一份實驗報告，包括實驗?zāi)康摹嶒炘?、具體的實驗步驟、原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析和實驗討論。

5 結(jié)果與討論

本文以實驗教師某次準(zhǔn)備實驗記錄數(shù)據(jù)為例，對實驗過程和結(jié)果進行如下總結(jié)和討論。

5.1 原子熒光分光光度計最佳實驗條件的選擇

在原子熒光分析實驗中，測定條件的選擇直接影響分析的靈敏度、準(zhǔn)確度及干擾消除程度，因此正確選擇和嚴格控制實驗條件是很重要的。原子熒光分光光度計的實驗條件包括空心陰極燈燈電流、載氣流量、屏蔽氣流量、光電倍增管負高壓和原子化器高度等很多方面，更改某一參數(shù)時，儀器一般需要一定時間進行自動設(shè)置，如果每個參數(shù)都進行優(yōu)化的話，會消耗很多時間，難以在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)完成實驗。為了讓學(xué)生了解儀器最佳實驗條件的選擇方法，實驗中考查了載氣流速對熒光強度的影響，以便選擇最佳的載氣流速。

氬氣將氫化物反應(yīng)生成的砷化氫吹出氣液分離器，帶入原子化器中將砷化氫原子化。氬氣不僅是載氣，還是氬-氫火焰的組成部分。載氣流速太小，不能形成氬-氫火焰，所以載氣流速從300 mL?min?1開始。用 4.00 μg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)溶液，固定其他儀器條件，以不同的載氣流速(300、400、500、600和700 mL?min?1)測定相應(yīng)的熒光強度。實驗結(jié)果如圖2所示，載氣流速為400 mL?min?1時，熒光強度最強。載氣流速過低，難以迅速將砷化氫帶入原子化器，會產(chǎn)生氣相干擾，火焰不穩(wěn)定。載氣流速過高則稀釋了砷化氫和氫氣，產(chǎn)生的基態(tài)砷原子蒸氣在原子化器中停留時間短，熒光強度也會降低。所以本實驗選擇載氣流速設(shè)置為400 mL?min?1。

圖2 載氣流速對砷熒光強度的影響

在儀器工作條件選擇環(huán)節(jié)中，更改參數(shù)可直接觀察到測量結(jié)果的變化，可啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生對不同條件下得到的實驗結(jié)果進行比較和討論，有利于學(xué)生加深對基礎(chǔ)知識、原理的掌握和理解，培養(yǎng)學(xué)生的觀察和思維能力。

5.2 分析方法學(xué)的測定

5.2.1 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的建立

配制0.00、2.00、4.00、8.00和10.00 μg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別測定熒光強度。以砷濃度為橫坐標(biāo)，熒光強度為縱坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，如圖3所示，在0–10.00 μg?L?1濃度范圍內(nèi)，熒光強度與砷濃度有線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為0.9975。

圖3 測定砷的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

5.2.2 檢出限和定量限的測定

在光譜分析中，檢出限(limit of detection，LOD)是指能用該分析方法以給定置信度(通常取置信度99.7%)檢測出被測組分的最小量或最小濃度，通常是以LOD = 3 × SD/K計算，SD是連續(xù)測量標(biāo)準(zhǔn)空白溶液足夠多次的標(biāo)準(zhǔn)偏差，K是校正曲線的斜率。定量限(limit of quantitation，LOQ)是指用該分析方法能準(zhǔn)確定量被測組分的最小濃度，其測量結(jié)果具有一定準(zhǔn)確度和精密度，按公示LOQ =10 × SD/K計算。通過連續(xù)測量標(biāo)準(zhǔn)空白溶液15次，取后11次測量的數(shù)據(jù)儀器自動計算標(biāo)準(zhǔn)偏差SD，測量標(biāo)準(zhǔn)溶液系列計算標(biāo)準(zhǔn)工作曲線斜率 K，計算出檢出限為 0.05 μg?L?1，定量限為 0.16 μg?L?1。

5.2.3 精密度的測定

精密度是指多次重復(fù)測定同一量時各測定值之間彼此相符合的程度，它反映了分析方法存在的隨機誤差的大小，常用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示。連續(xù)測定10.00 μg?L?1砷標(biāo)準(zhǔn)溶液15次，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1%。

在儀器分析實驗教學(xué)中，增加方法學(xué)考查的內(nèi)容，如線性范圍、檢出限、定量限和精密度等，讓學(xué)生學(xué)會建立完整的分析方法學(xué)，將來學(xué)生步入社會之后，才能在以后的工作崗位中任勝分析方面的工作，面對陌生的分析物才能知道如何分析[10]。

5.3 自來水樣的分析

利用建立的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線計算出試液中砷的含量，進而計算出原自來水中砷的含量為0.09 μg?L?1，高于方法的檢出限 0.05 μg?L?1，但低于方法的定量限 0.16 μg?L?1，說明該自來水樣中含有砷含量，但濃度< 0.16 μg?L?1。根據(jù)國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749–2006)，生活飲用水中砷限量為0.01 mg?L?1，說明本地的自來水中砷含量遠遠小于國家標(biāo)準(zhǔn)中要求的限量值，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

通過對實驗結(jié)果的分析，學(xué)生了解了檢出限和定量限的意義。在檢測工作中，當(dāng)樣品測定值低于定量限，高于檢出限時，按“<定量限”出具報告，并給出定量限的量值；當(dāng)樣品測定值低于方法檢出限的測量值，按“未檢出”出具結(jié)論，并給出檢出限的量值。并學(xué)會如何通過查找資料，運用所學(xué)基礎(chǔ)知識積極思考，去解決學(xué)習(xí)和生活中遇到的實際問題，培養(yǎng)學(xué)以致用的意識。

6 思考題

(1) 在測定砷的含量時，為什么加硫脲-抗壞血酸溶液？

(2) 若試樣中同時含有三價砷和五價砷，怎樣才能分別測出它們各自的含量？

(3) 原子吸收分光光度計和原子熒光分光光度計在構(gòu)造上有何異同點？

7 實驗教學(xué)建議

實驗配制溶液過程中，會用到高濃度鹽酸等腐蝕性溶液，須叮囑學(xué)生需要佩戴防護手套等防護用具操作。本實驗所用的玻璃器皿在使用之前均需要用10% HNO3浸泡過夜，再依次用自來水、去離子水洗滌干凈，必須專門專用，謹防被污染。

本實驗自2016年以來已經(jīng)運行4輪，分成每6人一個大組，2人一個小組共同完成實驗，原子熒光分光光度計有1臺，采用循環(huán)模式進行實驗教學(xué)，共4個學(xué)時。學(xué)生在規(guī)定的實驗教學(xué)時間內(nèi)自己動手操作，練習(xí)了移液、定容等配制溶液相關(guān)實驗基本技能，再上機操作實驗。通過本實驗，學(xué)生基本掌握了原子熒光光譜法的實驗原理、定量方法以及分析條件的優(yōu)化，學(xué)會了建立完整的分析方法學(xué)，包括校正曲線的線性范圍，方法的檢出限、定量限和精密度等，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力。在實驗過程中我們也強調(diào)了對原子熒光分光光度計的維護和保養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生對大型儀器的維護概念和意識，并初步培養(yǎng)學(xué)生的科研意識和能力。

8 結(jié)語

本文介紹了將氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法實驗作為本科儀器分析實驗的一個教學(xué)內(nèi)容，在4年(2016–2019年)的教學(xué)實踐中取得了良好的教學(xué)效果。通過對自來水樣中元素砷的測定，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實驗技能，還可以進一步引導(dǎo)學(xué)生完成其他元素的測定和對其他實際樣品的測定，使學(xué)生主動去探究和學(xué)習(xí)原子熒光光譜法在分析檢測中的應(yīng)用，深入理解體會不同原子光譜方法的特點和應(yīng)用領(lǐng)域。學(xué)生畢業(yè)后，不管是繼續(xù)深造還是工作，能比較容易地依靠儀器分析實驗所學(xué)知識選擇相應(yīng)的分析方法來滿足實際需求。