原子荧光光谱法测定砷过程中还原反应条件的优化

丁冬梅 杨 华 李 炜

(天津市生态环境监测中心,天津 300191)

砷广泛存在于自然界中,环境中的砷主要以四种价态(-3、0、+3、+5)存在[1],砷和砷的化合物一般可通过水、大气和食物等途径进入人体,造成危害,引起皮肤色素沉着、肝肾功能障碍及皮肤癌、肺癌等多种癌症等,如20世纪50年代末,中国台湾出现的鸟脚病就是由于当地居民长期饮用含砷较高的地下水造成的。因此,在环境领域,准确监测环境中砷的含量尤为重要。

目前,测定环境中砷的方法很多,常用的方法有硼氢化钾-硝酸银分光光度法、二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法、溴酸钾滴定法[2]、电感耦合等离子原子发射光谱法[3]、电感耦合等离子体质谱法和原子荧光光谱法,其中原子荧光光谱法因具备操作便捷、灵敏度高、背景干扰少、线性范围宽等优点而受到广泛应用[4]。原子荧光光谱法测定样品中的总砷,其工作原理分为三个步骤:首先将样品进行消解反应,使砷以高价态(五价)的形态存在,然后对消解液进行预处理,即加入硫脲作为还原剂,使高价态的砷全部还原成低价砷(三价),最后再进入原子荧光分析仪进行测定。由此可见,能否将五价砷全部还原为三价砷对测定起到重要作用。国内学者对第一步样品消解和最后一步仪器测定研究颇多,如:样品前处理消解方式及影响因素[5-6];以水作载流[7]、控制仪器干扰因素,提高仪器的灵敏度与标准曲线线性等[8-9]。对第二步硫脲还原反应过程虽然也有研究,但这些研究都仅局限于某方面影响因素的研究,且均未建立可借鉴性的、适合日常工作需要的实验条件,如对硫脲还原性与温度的关系、硫脲-抗坏血酸的掩蔽效果、硫脲用量等的研究[4,5,7,10-12],同时又均未涉及此过程中盐酸加入量对硫脲还原效果的影响;另外,在现行国家标准《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光光谱法 第2部分:土壤中总砷的测定》(GB/T 22105.2—2008)未提到此过程的影响因素,所以在实际操作中易发生因经验不足等造成实验结果偏低的现象。为了准确测定砷的含量,本文以原子荧光光谱法测定土壤中的总砷为例,着重研究第二步硫脲对砷的还原反应过程,采用正交实验方式,从反应温度、盐酸加入量、硫脲用量、反应时间等四个方面研究此反应,旨在建立可行的还原反应条件,以满足实际工作需要。

1 实验部分

1.1 仪器设备

AFS-9562原子荧光光度计和10 mL具盖聚四氟试管(北京海光仪器有限公司);自动控温石墨消解仪,配备50 mL具旋盖带刻度、透明PP材质平底塑料管(加拿大SCP SCIENCE公司);Millipore Elix5型纯水机(美国Millipore公司);0.1～1.0 mL可调移液枪(德国 Eppendorf公司);水浴锅。

1.2 化学试剂

砷标准储备溶液(100 mg/L,国家标准物质研究中心);浓HCl、HNO3均为MOS级(天津风船化学试剂科技有限公司);载流(5%HCl溶液);还原剂NaOH(5 g/L)-KBH4(20 g/L)的混合溶液,用时现配;10%硫脲-抗坏血酸(100 g/L);土壤标准物质GBW07405、GBW07447、GBW07452,购自中国地质科学院地球物理地球化学勘探研究所,标准值范围分别为(412±16)、(10.7±0.5)、(11.8±0.9) mg/kg。

1.3 校准曲线的绘制

逐级稀释砷元素标准储备溶液至100 μg/L,再分别移取0、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL至100 mL容量瓶中,加入10%硫脲-抗坏血酸10 mL,再用浓度为10%盐酸定容,标准曲线浓度为0、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 μg/L。

1.4 仪器测定条件

仪器工作条件见表1。

表1 仪器测定条件

1.5 土壤的消解

以实际土壤样品为例进行实验,称取0.5 g(精确至0.000 1 g)土壤质控样于50 mL塑料管中,加入10 mL王水(1+1),稍微旋上盖子,不要旋紧,摇匀后置于自动控温石墨消解仪上,在100 ℃下消解2 h,期间摇动2～3次,冷却后用去离子水定容,自然沉降过夜或离心后,取上清液进行预处理还原反应后待测[13]。同时做平行样品和空白样品实验。

1.6 正交实验设计

以硫脲用量A(mL)、盐酸加入量B(%)、反应温度C(℃)、反应时间D(min)为因素,分别选择三水平,采用正交表L9(34)设计正交实验。见表2和表3。

表2 还原反应因素水平表

表3 正交实验过程

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果

按照表3正交实验方案进行实验,每次测定平行样品3个,砷的测定均值结果见表4,各因素对砷含量影响的测定值见表5。

表4 土壤样品中砷的含量

表5 各因素对砷含量影响的测定值

采用极差法对正交实验结果进行统计分析,由表5中极差R值大小可知:

1)在四个因素选择的水平内,影响砷的测定结果的主次关系为A>B>D>C,即硫脲用量的影响最为显著,其次是盐酸加入量、反应时间和反应温度。

2)由表5得出的最佳预处理条件组合为A3B3C3D3,由此,将预处理条件初步设定为硫脲用量为2 mL,盐酸加入量为10%,反应温度为25 ℃,反应时间30 min,并以此为基础,按照各因素对砷测定结果影响由大到小的顺序,固定其他三种因素,分别进行单因素多水平检验,以确定最优的实验条件。

2.2 各单因素水平检验

2.2.1 硫脲用量检验

固定三个因素,盐酸加入量10%、反应时间30 min、反应温度25 ℃,改变不同硫脲用量。分别于10 mL聚四氟试管中加入不同硫脲用量,即分别加入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,定容静置后测定。测定3个平行样,均值结果见图1。

图1 硫脲用量对土壤测定值的影响Figure 1 Effect of thiourea dosage on soil measured values.

由图1可见,加入硫脲与未加入硫脲的结果明显不同,未加入硫脲的测定值与加入硫脲的测定值差距很大;在0.5～3.0 mL,随着硫脲用量的增加,砷的测定值增大;当硫脲用量在2.0～3.0 mL时,测定值基本一致;在2.0 mL处出现平台拐点,在2.5和3.0 mL处测定值相同且达到最大。基于实验成本考虑,故选择2.0 mL硫脲用量为实验用量。

2.2.2 盐酸加入量检验

固定三个因素,硫脲用量2.0 mL、反应时间30 min、反应温度25 ℃,改变不同酸度。分别在10 mL聚四氟试管中加入0.5 mL土壤消解液,再用不同浓度的盐酸定容至10 mL,即分别加入盐酸0、0.25、0.50、0.75、1.00、2.00、4.00 mL,相当于加入的盐酸浓度为0、2.5%、5.0%、7.5%、10%、20%、40%,摇匀待测。每次测定3个平行样品,均值结果见图2。

图2 盐酸用量对土壤测定值的影响Figure 2 Effect of hydrochloric acid dosage on soil measured values.

由图2可见,随着盐酸加入量的增加,砷的测定值为增大趋势。在加入量为0时,砷的测定值最低,此时测试液中实际的酸度并不为0,而是扣除消解反应用量之后剩余的酸度,按实验步骤计算,此处的实际酸度应不足2.5%;在加入盐酸浓度为10%时为最大值,随后在20%和40%处为降低趋势,这可能是盐酸具有易挥发性造成的,盐酸浓度越高挥发量越多,使得砷随之挥发失去越多。但是,即使及时进行测定,而且测定值与10%处相当,也不应选择过高的酸度,这是因为高浓度酸液易对仪器进样管等部件性能造成损害,同时基于样品酸度与校准曲线酸度相近的原则,故选择盐酸加入量为10%。

2.2.3 反应时间检验

固定三个因素,硫脲用量2.0 mL、盐酸加入量10%、反应温度25 ℃,改变不同的反应时间。在10 mL聚四氟试管中加入0.5 mL土壤消解液,定容静置待测。静置时间分别为10、20、30、40、50、60、70 min。每次测定3个平行样品,均值结果见图3。

图3 反应时间对土壤测定值的影响Figure 3 Effect of reaction time on soil measured values.

由图3可见,在10 min处,测定值最低为10.1 mg/kg;在20～70 min,砷的测定均值为10.7 mg/kg,波动范围为10.6～10.8 mg/kg,基本处于平台状态。这显示出,只要静置时间多于20 min,测定值即可达到最大,此时可以结束预处理反应,进行下一步仪器测定。故选择最短反应时间20 min,以利于提高工作效率。

2.2.4 反应温度检验

固定三个因素,硫脲用量2.0 mL、盐酸加入量10%、反应时间20 min,改变不同反应温度。在10 mL聚四氟试管中加入0.5 mL土壤消解液,定容,分别于反应温度为15、20、25、30、35 ℃下进行反应后待测。每次测定3个平行样品,均值结果见图4。

图4 温度对土壤测定值的影响Figure 4 Effect of temperature on soil measured values.

由图4可见,在15 min处,测定值最低为10.2 mg/kg;在20～35 ℃,砷的测定值波动范围为10.5～10.6 mg/kg,近似于平台状态。由此可知,只要满足本实验三个固定因素,在20～35 ℃ 即可测得砷的最大值。故正交实验最终选择的实验条件是:硫脲用量2.0 mL、盐酸加入量10%、反应时间20 min、温度20～35 ℃。温度不选择单一数值,是因为此温度范围正好是常见的室温范围,较宽的温度范围使得实验操作具有灵活性和可行性。

2.3 标准土壤样品验证

按照正交实验优化的实验条件:硫脲用量2.0 mL、盐酸加入量10%、反应时间20 min、温度23 ℃,用三个不同含量的标准土壤样品进行条件实验验证,每个样品做3个平行样,计算平均值分别为:413、10.6、11.8 mg/kg,均在标准值范围内;精密度分别为2.2%、2.4%、4.2%,均满足质控要求。验证结果见表6。

表6 标准土壤样品测定

3 结论

在高价态砷和硫脲的还原反应中,实验条件对砷的测定有直接影响,即与反应温度、反应时间、硫脲的用量和盐酸加入量呈一定相关性,所以在实验测定中必须要根据硫脲的用量、盐酸加入量、反应温度和反应时间建立适当的反应条件,才能确保反应进行得完全、结果准确。当然,这种预处理实验条件不限于环境样品,还可包括食品、饲料等样品。

另外,需要注意的是对于高含量的样品,应该在稀释适当倍数后,即待测液的浓度落在校准曲线范围内,再进行预处理,这样才能保证有足够的硫脲参与反应,获得准确结果。