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高等分析化学Advanced Analytical Chemistry,第一章 痕量分析概述 1.1 绪论痕量分析问题的提出(1)材料科学 许多材料允许的杂质含量 0.1ng/g(ppb),最纯的单晶硅杂质含量需 0.3pg(10-12g)/g(0.3ppt)。材料的表面特征、微区及微粒等分析的物质都是痕量级的。(2)环境科学 新的合成化合物以10%左右的年增加速度上升。环境污染物严重地威胁着人类的健康。这些污染物浓度很低时就会对人和生物造成很大的危害。环境中的有害物质是分布在大量的无害混和物当中,而且形态差异微小,但毒性相距甚远。2,3,7,8-四氯二恶英比2,3,6,9-四氯二恶英毒性高1000倍,2,3,7,8-四氯二恶英有22种异构体,环境中的含量仅为10-12g/g(ppt)。As2O3、Cd、稀土元素污染物浓度很低时也都会对人和生物体造成很大的危害。是优先监测污染物。,(3)生命科学 许多生物或生命过程是通过痕量的金属元素产生的,对这些痕量的金属元素的分析浓度可小到10-15g(fg)/g。而且许多需分析的物质深入到细胞、蛋白质、肽、生物酶中,使分析难度更大。微量(痕量)元素在生物体中有四大作用：a)激活酶(如Co、Zn、Cu等)。没有这些痕量元素,生物酶是无法发生生理作用的。b)参与生成激素(如I2)。c)进行氧的输送(如Fe)。d)参与核酸的合成和代谢作用。因此,在生命科学中,痕量元素的分析就十分重要。,1.2 痕量分析与微量分析 痕量分析与微量分析是不相同的两个概念,既有区别又有联系。痕量分析：测定的组分的浓度C=10-210-6g/g(浓度10-6g/g,即1g/g,称为1ppm)时,这种分析叫作“痕量分析”。当测定的组分的浓度C10-6 g/g时,这种分析叫作“超痕量分析”。痕量分析是相对于常量分析而言的,用强度(浓度)来分类。但痕量分析所用试样量可以较小,但也有可能还比较大,如用1g10g,110mL试样等。微量分析：它是一种分析技术。是以所需测试的试样量的多少来分类。试样的浓度可高,也可以很低。根据试样量的多少,微量分析可分为4个级别：,分析技术 固体试样量(m g)液体试样量(mL)常量分析 100 10 半微量分析 10100 11 微量分析 0.110 0.011 超微量分析 0.1 0.01 因此“痕量分析”与“微量分析”是两个完全不同的概念。而不是同一概念的两个级别。但由于在痕量分析的实际操作中试样用量往往很小,从量上考虑是“痕量分析”,从分析技术上看往往又是微量分析,所以很容易造成混淆。分光光度法可进行痕量分析,但所用试液量较多,不一定属于微量分析范畴。,1.3 检出限与灵敏度(1)检出限 分析方法能作出响应的试样最低浓度或含量叫作检出限。若响应信号与浓度或含量是线性关系(如分光光度法等大多数仪器分析法的信号与合量间均符合此关系)：y=bx+a则检出限定义为：y为最小值(分光光度法的y为0.001)时对应的x(即被测样浓度)的值。(2)灵敏度 试样的浓度或含量变化1个单位时,响应信号的变化量。即信号y对试样含量的变化率dy/dx。若响应信号y与浓度或含量x是线性关系：y=bx+a 灵敏度为直线的斜率b。这也是两个完全不同的概念。在分析化学(包括仪器分析)中,检出限主要决定于外部条件,如仪器的种类、质量的优劣或滴定法中终点指示剂的选择等；灵敏度主要决定于内部条件,如显色系统的选择、平衡关系等。,1.4 痕量分析对外部条件的要求 1.4.1 洁净分析实验室(1)空气净化 实验室的主要污染源是室内外大气中颗粒物、水蒸气和其它 干扰物质。对进入实验室的空气必须进行净化。净化系统和流程如下：大气水洗冰冻 调湿、调温 预过滤 HEDP过滤器活性炭吸附 A区 B区 C区 A区：一般实验室,洁净等级为100000级。即每立方英尺中,0.5m的颗粒100000颗,5m的颗粒65颗。,B区：用于无机痕量分析。不能用于有机痕量分析。洁净等级为100级。即每立方英尺中,0.5m的颗粒100颗,不得有5m的颗粒。C区：可用于有机痕量分析,洁净等级也为100级。即每立方英尺中,0.5m的颗粒100颗,不得有5m的颗粒。活性炭吸附主要是排除大气中的有机物气体或微粒。关键设备为HEDP过滤器。它原是专门防止放射性尘埃排放的。它对0.3m微粒的额定过滤效率为99.97%,实际上HEDP过滤器商品对0.3m微粒的过滤效率己达到99.99%。,(2)室内设施 材料选择要合适,不用多孔性材料,防止由吸附造成污染；密封性要好；尽量少与外界直接流通；不使用颜料,防止颜料微粒飘浮污染；所有交接处全部设计成弧形,不产生尖端积尘。(3)安全措施 有防火设施,不准吸烟,还需有安全监测系统(特别是火灾监测系统)。(4)湿度恒定 保持湿度为50%,否则会对称量等产生影响,造成误差。1.4.2 工作人员 工作人员进入实验时要更换实验室专用的衣服、鞋子、帽子，戴手套。,1.4.3 容器及材料 对制造容器的材料总要求：a)化学稳定性好,不易与环境中的物质(O2、H2O、CO2等)、常用的溶剂和试剂(如酸、碱)反应。b)纯度高,防止材料中的杂质干扰痕量组分的分析。c)热稳定性好。总的来说,制造容器的材料的选择顺序依次是：聚四氟乙烯(聚乙烯(石英 铂金 硬质玻璃。,各种制容器的材料优缺点如下：(1)硬质玻璃(非普通钠玻璃)主要成分：SiO2 80%；B2O3 11%；Na2O 4.5%；Al2O3 2.0%；BaO 0.3%；TiO2 0.05%。优点：有较好的化学和热稳定性；价格低廉。缺点：玻璃中的化学组分易被溶剂浸出,成为严重的干扰源；玻璃表面会吸附被测组分,造成较大的损失(相对于痕量分析而言)误差；易被氢氟酸、强碱液和热浓磷酸等试剂强烈腐蚀。(2)石英 优点：主成分为SiO2,其他金属杂质含量极低,均小于10-5%,可满足痕量分析的要求；除氢氟酸、热浓硫酸外,它对其他无机酸均有很好的化学稳定性；有良好的化学稳定性,可长时间在10001100oC下工作；膨胀系数很小,可承受骤冷骤热。,(3)刚玉 一般不用于痕量分析。(4)铂 优点：耐化学腐蚀性特别强,不与任何单一的无机酸反应,对碱金属盐或其他盐类也有很强的耐蚀性。但使用中必须注意下列几点：(a)铂可以溶解于王水、氯水和溴水。(b)铂在高温下易与某些金属形成低熔点的合金,所以不可用铂金器皿灼烧Hg、Pb、Cu、Au、Si、Zn、Cd、As、Al、Bi、Fe和C的单质试样。(c)贵金属Cu、Ag、Au的化合物高温下可分解为相应的单质,这类物质也不能用铂器皿进行高温处理。(d)氢气在红热温度下可穿透铂层,因此不可将铂器皿在还原焰中加热。铂器皿在痕量分析中主要用于有机物的干灰化和物质的灼烧,也可用作高纯氢氟酸蒸馏的提纯材料。,(5)聚乙(丙)烯 优点：高压聚乙烯仅含极微痕量的金属杂质,可用作溶液和试剂的贮存器皿；对酸、碱、盐均有较高的稳定性。缺点：聚乙(丙)烯耐热性差,聚乙烯,60oC、聚丙烯110oC时开始变软,120oC以上聚乙烯制品易变形。所以使用温度一般不超过60oC或110oC。最高也不可超过120oC；抗氧化性能较差,在氧化剂如浓硝酸、浓硫酸和光的长时间作用下,易出现裂缝；某些有机溶剂,如乙醚、丙酮等会使其溶胀并溶解,因此,对某些有机溶剂不适用；密封性稍差,易挥发组分会有所损失,如NH3、H2S,聚乙(丙)烯容器对其也不适用。聚丙烯还不适用于氢氧化钠等强碱溶液。聚丙烯可引入无机杂质,所以只适于用作实验室水管、水槽、台面。,(6)聚四氟乙烯 聚四氟乙烯有塑料王之称。优点：不与任何无机酸碱反应,也不与任何的单一的有机溶剂反应,化学稳定性和抗化学腐蚀能力是所有材料中最强的；热稳定性远高于聚乙(丙)烯,软化温变为350oC,使用温度可达250oC；纯度可很高,仅含10-7的Al、Ca、Cu、Fe、Mg、Si。缺点：导热性较差,导致试样分解的周期明显加长；密封性也稍差。,1.4.4 容器的清洗 由于容器表面吸附的杂质或溶出的杂质有时是被测物的若干倍,干扰严重,所以容器的清洗是很重要的。常用的清洗试剂、清洗的污染物、适用的材料列于下：清洗试剂 被清洗污染物 容器的材料 6molL-1的稀HCl 吸附的金属杂质 玻璃、石英、塑料 HCl(1+1)+0.15%H2O2 有机物 玻璃、石英、塑料 热洗涤剂 油 脂 玻璃、石英、塑料 10%NaOH+2%H2SO4 油 脂 玻璃、石英、金属 重铬酸洗液 油 脂 玻璃、石英 甲酸-H2O2-H2O(6+1+3)残留污染物 金属、石英、特氟隆 510%的HF 硅薄膜 金属、塑料 1020%的HNO3浸泡 吸附的金属杂质 玻璃、石英、HCl(塑料1+1)+6%H2O2(1+1)加热 吸附的金属杂质 玻璃、石英、塑料 HNO3-HCl(3+1),煮沸 吸附的金属杂质 聚四氟乙烯,1.5 试剂的纯化 现代分析中,检出限日益降低。分析技术(主要是分析仪器的高速发展)的发展使试样用量越来越少。在分析1ppb(10-9g/g或10-9g/mL)的被测组分时,数据很难重现,精密度相当差。分析海水中的微量元素时,可相差几倍到几十倍。造成这种结果的原因是多种多样,其中试剂的不纯尤其是常用的水、无机酸的不纯是一个非常重要的原因。商品高纯度试剂的质量不断提高,绝大多数杂质已可控制在210ppb(10-9g/mL),刚生产的纯水的电导率可达5.510-2scm-1,已接近理论值5.410-2scm-1。但在贮存2周后,由于CO2的溶解,电导率可上升10倍；30天后,某些元素杂质含量也会增加510倍。这些都不能满足某些痕量分析或超痕量分析的要求。由于贮存、运输过程中会导致试剂中杂质含量增加,所以,实验室对试剂的纯化就具有非常现实的意义。,1.5.1 水的纯化 一般的蒸馏水是将水加热至沸腾,收集蒸汽并经冷凝,获得蒸馏水,称为一次蒸馏水。水沸腾时,水泡不断地从容器底部上升至液面并破裂。这种破裂使存于水泡中的微粒冲入水蒸汽中,使蒸汽中带有杂质,使一次蒸馏水纯度不高,重要的体现是其电导率不是很小；水蒸汽的上升将会导致未蒸馏的液体沿器皿内壁向上爬行,混入蒸馏水,这都会造成蒸馏水的明显沾污。即使反复蒸馏,纯度改善也不大。造成蒸馏水的明显沾污的原因就是因为水沸腾了。水不沸腾制得的蒸馏水的纯净度明显高于普通蒸馏水和多次蒸馏水。这种蒸馏水叫着“亚沸蒸馏水”。,为使蒸馏水更纯容器必须用石英或聚四氟乙烯材料制造。为防止水泡从容器底部上升至液面并破裂,改底即加热为上部幅射加热,不沸腾。因为不沸腾,水蒸汽上升缓慢,避免水沿壁向上爬而混入蒸馏水。亚沸水中杂质含量很少(Pg(10-12g)/g),如：Pb Ba Sn Cd Ag Zn Cu Fe Cr K Na Ca石英亚沸水 13 19 3 3 91 9 150 6 200 91聚四氟乙烯 亚沸水 30 70 20 40 500 300 2000 10 600 亚沸蒸馏法也可用来提纯高沸点的酸。经亚沸法纯化的水或试剂应存于聚四氟乙烯容器内,原则上必须立即使用,贮存最多不超过一个星期。,1.5.2 其他试剂纯化方法(1)等压蒸馏法(等温蒸馏法)适用于挥发性比较大的酸、碱类或其他试剂的纯化,如：HCl、HF、CH3COOH、NH3水等。(画图)将两烧杯(石英、聚乙烯或聚四氟乙烯材质)放入一大玻璃干燥器中,一杯放分析纯的浓盐酸,另一杯放不同体积的纯水,HCl蒸气不断蒸发并被纯水吸收,平衡3天后,可得不同浓度的盐酸。平衡纯化后盐酸的浓度=浓盐酸浓度体积/(浓盐酸体积纯水体积)同样的方法3天可制得30%、5天可制得50%的氢氟酸,铅含量可从140ng/g下降至0.2ng/g,甚至可降至0.08ng/g。也可制备4.5molL-1的NH3水。此法的最大缺点是不能制备高浓度的酸和碱。,(2)汞阴极电解法 汞阴极电解法的作用是清除试剂中的金属离子杂质。从原理上讲,汞阴极电解法可以纯化任何溶于水的试剂。控制阴极电位较低并保持恒定,在此电位下可被还原的杂质金属离子均可除去。如：Cr可降至2ngL-1、Mn可降至12ngL-1、Fe可降至12ngL-1、Zn可降至14ngL-1、Co可降至2ngL-1。在一个大容器底部放入汞,作汞池。上面放入需纯化的试剂。Ag/AgCl为阳极,用铂丝连接阳极和汞池阴电极。以恒速将惰性气体如N2通入溶液,除去氧,以防还原为单质的金属离子再次被氧化为金属离子。用参比电极控制汞池的电位低于1.5V。在如此低的电位下,许多金属杂质离子都可被还原为单质,并立即与汞生成汞齐而与溶液相分离。,在排放纯化后的试剂时,应从高于汞池最高液面的出口处流出,不可流经汞池。否则纯化后的试剂会与汞齐中的杂质单质接触而产生二次污染。排放时也不要切断电路,保持汞池的电位低于1.5V,防止还原后的金属与汞生成的汞齐又被环境氧化为金属离子又从汞池中自发进入试剂溶液。用此法已成功地纯化了醋酸钠(钾)、硼酸、邻苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、氯化钠(钾)、高氯酸钠(钾)、碳酸钠等。,(3)低温升华法 除水以外的液体可通过冷冻得到干燥的固体。在抽真空 的前题下,使温度、压力低于“三相点”时,可通过“升华”纯化试 剂。此法的优点是：a)低温条件下,试剂的反应活性大大降低；b)容器沾污较少；c)去除溶解性的离子态杂质的能力很高；d)任何不同时升华的固体微粒和不溶解的物质均可清除,而蒸馏法可增大其溶解性而不易除去。例如磷酸中含Pb量为15g/g,采用P2O5三次升华法纯化,可使Pb0.1ng/g。此法特别适用于反应活性高、易吸水潮解、腐蚀性大、毒性大的试剂的纯化。可用此法纯化的试剂有：99%的HAc、15%的氨水、苯、三溴甲烷、四氯化碳、环己烷、甲酸、二恶烷、95%的肼(NH2NH2)、15%的H2O2、AsF3、AsCl3、8-羟基喹啉、水、Sb2O5、POCl3、SiBr4、WF6等。杂质含量可达(ngmL-1)：Co0.4、Cr2、Cu2、Fe2、Mn0.9、Ni0(即：未检出)。,(4)区域熔融法 相当于高温熔融重结晶。加热熔融试剂,在冷却结晶过程中,大部分杂质会残留在熔融体中。(5)溶剂萃取法 该法常用于纯化各种螯合剂。这些螯合剂在分析化学中常常作为显色剂、萃取剂、掩蔽剂、沉淀剂、络合性吸附剂、修饰剂、荧光和化学发光剂。该法还可以纯化盐类水溶液,如缓冲溶液等；对于试剂中有机杂质或痕量杂质单质也可用萃取法除去。,(6)直接合成法 有些试剂合成并不困难,如果以高纯度的试剂为原料,在洁净实验室中可以合成高纯度试剂。吡咯烷二硫代甲酸铵(APDC)的萃取性能与二乙基二硫代氨基甲酸盐(DDC)相似,可由提纯后的吡咯烷、二硫化碳、氨合成制得。经分馏法可得到高纯APDC。(7)分配及层析法 a)柱层析分离法 将一些固定相如Al2O3、硅胶、硅藻土等装在一根柱子里，装柱的方法有干法和湿法2种。将需分离的样品溶液由柱顶加入。溶液中各组分会被吸附在柱上端的固定相上。然后将流动相又称洗脱剂或展开剂从柱顶端加入、洗脱。随着展开剂由上而下的流动，被分离的组分将会在吸附剂表面不断产生吸附解吸，再吸附再解吸或溶解于固定液溶解于流动相，再溶解于固定液溶解于流动相的过程。由于两个组分溶解、吸附性质的差异，因此，两组分在柱中移动的速度不同，而达分离的目的。在固体相中溶解度小的或被固定相吸附小的组分将先流出层析柱。,柱层析能不能分离两组分,主要是固定相和展开剂的选择。固定相吸附剂应具有较大的吸附面积和相当的吸附能力；不与展开剂和样品中的组分产生化学反应；不溶于展开剂及有一定粒度且均匀。展开剂的选择与吸附剂吸附能力的强弱和被分离的物质的极性有关。一般讲，用吸附能力较弱的吸附剂来分离极性较强的物质时，应选用极性较大的展开剂，例如醇类、酯类。用吸附能力较强的吸附剂分离极性较弱的物质时，应选用极性较小的展开剂,如石油醚、环己烷等。常用的展开剂的极性从小到大的顺序为：石油醚环乙烷四氯化碳甲苯二氯甲院氯仿乙醚乙酸乙酯正丙醇乙醇甲醇水。,b)薄层层析分离法 薄层层析分离法是一种应用广泛、简单、迅速、效果好、灵敏度高的分离方法，尤其是在有机物、医药、生物制品的分离中，更是常用的方法。将固定相均匀地铺在玻璃板或其他惰性材质的平薄板上并适度压紧；或将固定相制成悬浮液,滴加在薄板上,然后挥发去溶剂。将待测样“点”在薄层板的一端。层析缸中装上适量的展开剂,将固定相的靠近点样端浸入展开剂，但样品点不得浸入展开剂。将薄层板与水平方向成1020（卧式）或6070（立式）夹角放入层析缸。由于薄层板上固定相的毛细管作用，展开剂将由下向上移动，并推动样品由下向上移动。由于各组分被固定相吸附能力或溶解能力的差异，经过一段时间的展开，拉开了不同组分间的距离。当展开剂移至某一高度时，则停止展开，取出薄板。达到分离目的。,一般讲，当固定相和展开剂确定后，每一种物质在这种薄层层析系统中均有固定的比移值。若样品的某一个点的Rf与标准样的Rf相一致，则可推断样品中有很大的可能存在标准样的组分。若Rf不一致，则可以肯定样品中没有标准样的组分。比移值是必要条件，而不是充分条件。薄层展开后，若样品中各组分是有色的，则薄层板上会有各种颜色斑点，可以从斑点中心测量x、y 并计算Rf。但大多数组分是无色的，则必须采用其他方法使其显色。显色方法有非破坏性和破坏性2类，最常用的显色方法有：喷蒸法：熏蒸某种显色剂。如金属离子在硅胶G板上，可用正丁醇:1.5molL-1HCl:乙酰基丙酮为100:20:0.5混合液为展开剂，展开后喷以KI，待薄层干后，以NH3熏，再以H2S熏，则会出现棕黑色到黄色的斑点；CuS棕黑色；PbS棕色；CdS黄色；Bi2S3棕黑色；HgS棕黑色。Rf依次增加。,紫外灯照射法：若样品组分有荧光，则可用紫外灯照射，薄板上出现荧光斑点。如抗生素中的强力霉素在硅胶G薄板上，用pH=7的0.1molL-1的EDTA二钠盐饱和的醋酸乙酯溶液为展开剂。展开后空气中干燥薄板，用氨气熏蒸，在366nm紫外灯下可观察到荧光。碘蒸汽法：有机物样品展开后可置于碘蒸汽中，一定时间后取出，由于有机物溶解碘而使样品斑点显棕黄色。c)纸层析法 纸层析原理和薄层层析原理相同，它利用的仅是被测物的溶解特点而不是吸附特性。层析分离在特殊的滤纸上进行，但固定相不是滤纸，而是滤纸表面吸附的水。操作过程、显色办法均与薄层层析相近，只不过层析纸是垂直悬挂的。纸层析也是一种简单的分离办法，但它的分离效率不如薄层层析高。,