金属元素样品预处理2014-10

电感耦合等离子发射光谱或质谱的基本原理及其应用——样品预处理ICP-AES/ICP-MS在理论研究中的应用重金属在环境介质中迁移转换规律研究重金属形态分析重金属在自然界的环境行为和生态效应研究重金属的生态风险评价

环境污染物的迁移转化过程

物理过程:蒸发、渗透、凝聚、吸附、放射元素蜕变等化学过程：氧化-还原、水解、配位或螯合、光化学氧化生物过程：生物体吸收、生物代谢等。

汞在环境中迁移转化过程

Hg进入土壤后95%以上可被土壤持留或固定，土壤黏土矿物和有机质强烈吸附汞。非微生物转化：2Hg+=Hg2++Hgo微生物转化：Hg2+（甲烷形成菌）→CH3Hg+→CH3-Hg-CH3HgS（硫杆菌）→Hg2+（抗汞菌）→Hg0

生成的甲基汞具有亲脂性，能在生物体内积累富集，其毒性比无机汞大100倍。烷基汞中只有甲基、乙基和丙基汞为水俣病的致病性物质。伴随着价态、结合态的变化典型重金属在土壤-植物体系中

的积累和迁移

砷(As)

土壤中砷形态：水溶态、吸附态和难溶态，前二者又称可给态砷，可被植物吸收：有机态砷→被植物吸收→体内降解为无机态→通过根系、叶片的吸收→体内集中在生长旺盛的器官

如水稻：根>茎叶>谷壳>糙米在我国，砷作为锡的伴生矿由于利用价值不高，70%以上都成了被废弃的尾矿。截至2008年，我国至少有116.7万吨的砷被遗留在环境中，这就相当于百万吨的砒霜被散落在旷野中，任雨水冲刷，注入河流，渗进土壤……

微生物还可以参与无机砷的转化：

许多微生物都可使亚砷酸盐氧化成砷酸盐；而甲烷菌、脱硫弧菌、微球菌等都还可以使砷酸盐还原成亚砷酸盐。

2010年12月2日，美国航空航天局（NASA）宣布，在加州莫诺湖发现了一种GFAJ-1细菌，其以砷代替磷元素构筑生命分子，“砷基生命”的发现引起了轰动，为寻找外星人提供了新思路。C、H、O、N、S、PorAs？

存在于0-15米土壤表层积累，主要以Cd3(PO4)2、Cd(OH)2和CdS的形式存在。在pH>7的土壤中分为可给态、代换态和难溶态。

吸收形式：根>叶>枝>花、果、籽粒

蔬菜类叶菜中积累多，黄瓜、萝卜、番茄中少,镉进入人体，在骨骼中沉积，使骨骼变形，骨痛症。镉(Cd)

可溶态的含量很低，主要以Pb(OH)2、PbCO3、PbSO4铅的难溶盐形式存在。Pb2+可以置换黏土矿物上的Ca2+，在土壤中很少移动。植物吸收主要在根部，大气中铅可通过叶面上的气孔进入植物体内，如蓟类植物能从大气中被动吸附高浓度铅，现已确定为铅污染的指示作物。铅(Pb)

Pb问题成为社会关注的持续热点问题？生长实验结束后对植物和种植土壤进行重金属含量分析分析不同种类植物与种植土壤体系中重金属和营养元素分布情况：植物根植物茎植物叶植物中重金属迁移研究土壤根际效应？11选择哪台仪器呢？仪器对元素的测定能力仪器对元素的检出限能不能测？能测的含量有多低？12分析方法的选择确定待测元素名称估计待测元素含量少量的一个或几个元素FAASGAAS、AFC含量mg/L级别含量µg/L级别As,Hg,Se,Sn,Bi,Sb等AFC、ICPMS等研究As的形态砷形态分析仪(ASAS)难处理样品测定HgDMA80ICPMS多种元素ICP含量mg/L级别含量µg/L级别ICP、ICPMS仪器对待测样品要求直接进样分析：清洁水样、清洁气体样品湿式消解处理：工业废水或生活污水工业废气等先截流气体中颗粒物干灰化法后的固体样品（固废、土壤植物、动物等）

样品的预处理是环境分析过程中重要的关键性步骤，其基本要求和必需遵循的准则：①

尽量简便快捷，使试样中待测元素与共存组分分离；②最大限度的降低甚至消除各种共存物的干扰；③样品处理各个环节待测元素必须能定量的转移且无污染、无损失；④尽量减小空白值；⑤制备的测定试样符合仪器测量要求；⑥样品中待测元素含量满足测量信号――浓度线性范围。样品预处理重金属研究总量测定形态分析溶解态金属分析（浸提、淋洗实验）多相迁移、转换规律研究针对不同的研究内容，需要采用相应的样品预处理方法环境样品预处理技术

消解作用：

破坏有机物、溶解颗粒物，并将各种价态的待测元素氧化成单一高价态或转换成易于分解的无机化合物。

常用的消解方法有湿式消解法和干灰化法。1、样品的消解（总量测定）

常用的消解氧化剂有单元酸体系、多元酸体系和碱分解体系。最常使用的单元酸为硝酸。采用多元酸的目的是提高消解温度、加快氧化速度和改善消解效果。

（1）硝酸

（2）硝酸-硫酸

（3）硝酸-高氯酸

（4）硝酸-氢氟酸

（5）多元酸

（6）碱分解法

（7）干灰化法

（8）微波消解法硝酸/硫酸混酸消解过程硝酸-硫酸消解

两种酸都有较强的氧化能力，其中HNO3沸点低，而H2SO4沸点高（338℃）；热的浓H2SO4具有强的脱水能力和氧化能力，可以比较快地分解试样，破坏有机物；二者结合使用，可提高消解温度和消解效果。18硝酸-氢氟酸消解法

氢氟酸能与液态或固态样品中的硅酸盐和硅胶态物质发生反应，形成四氟化硅而挥发分离，因此，该混合酸体系应用范围比较专一，选择性比较高。但氢氟酸能与玻璃材质发生反应，消解时应使用聚四氟乙烯材质的烧杯等容器。SiO2+4HF=SiF4

↑+2H2O19微波消解技术及其发展历程1975年

Abu－Samra首次将微波能用于样品制备1982年

Matthes提出了封闭容器微波消解1986年

Kingston等应用计算机对高温高压下封闭容器微波消解的一些基本参数进行了定量研究，确定了消解酸与微波能之间的关系式，使这一技术有了突破性的进展。

微波是频率大约在300MHz-300GHz，即波长在lm~1mm范围内的电磁波，位于电磁波谱的红外辐射(光波)和无线电波之间。在工业及科学研究中，四种常用的微波频率是915±25，2450±13，5500±175，22125±125MHz，其中最常用的是2450MHz。常见的微波系统输出功率是600~700w，在5分内钟约释放出180kJ微波能。

微波消解原理微波消解的特点（1）

由于封闭容器的压力、酸的沸点升高，使封闭消解达到高温、高压，样品分解完全；

试剂用量少（几毫升），同时反应速度和酸溶效率随温度的上升而明显增加，大大缩短了消解所需时间；以聚四氟乙烯为材料的微波溶样器吸附力很小，不污染和吸附样品，也不吸收微波能量，因此减少了样品的空白值；样品消解时产生的酸雾保持在容器中，减少常规消解酸雾对环境的污染。同时可以消除或大大减少空气中灰尘污染样品的可能性；样品在消解过程中的损失和交叉污染的可能性大大降低,采用密闭消解溶样可以避免易挥发痕量元素的损失，如As、Hg、Cr、Sb等；微波密闭消解，能耗降低。微波消解的特点（2）消解装置微波消解条件举例

称取0.5g的土壤样品放入聚四氟乙烯的杯中，加入2ml氢氟酸，6ml盐酸，3ml硝酸，进行微波消解。微波消解程序如下：步骤时间（min）功率(W)温度(℃)162900室温～1804900180272900180～20059002003829002006900200～220466900220～200

微波消解结束后，将样品放在电热板上赶酸，待杯中酸赶尽后，加入1ml高氯酸，继续在电热板加热，用高氯酸将氢氟酸赶尽，以防氢氟酸腐蚀仪器。至杯中样品近干时，稍冷，再加入1＋2盐酸2ml使杯中固体残渣完全溶解。最后将样品完全转移在容量瓶中，定容在25ml。定容后的溶液用ICP测试其中重金属的含量。

强气流微波快速灰化系统/微波马弗炉

PHOENIX能够进行各种有机物和无机物的灰化、磺化、熔融、烘干以及灼烧残渣、烧失量等的测试。

固体样品前处理与保存——以土壤样品为例固体样品脱水、干化处理

样品风干样品冷冻干燥磨碎和过筛

风干后的土样用有机玻璃棒或木棒碾碎后，过2mm尼龙筛，去除2mm以上的砂砾和植物残体。

1927年国际土壤学会规定通过2mm孔径的土壤用作物理分析，通过1mm或0.5mm孔径的土壤用作化学分析。样品分取：将风干的细土反复按四分法弃取，最后留下足够分析用的数量（重金属测定，可留约100g）。圆锥四分法：将样品置于洁净、平整的台面上，堆成圆锥形，每铲自圆锥的顶尖落下，使均匀地沿锥尖散落，注意勿使圆锥中心错位，反复转堆至少三次，使充分混均，然后将圆锥顶端压平成圆饼，用十字分样板自上压下，分成四等分，任取对角的两等分，重复操作数次，直至不少于1kg试样为止。在进行各项有害特性测定前，可根据要求的样品量进一步缩分。

四分法缩分

混匀四等分

取两分

再混匀四等

取两分

至设计采样量粉碎、研磨设备

用于样品的粉碎研磨制样。大气颗粒物粒径切割器TPPM10PM2.5PM1.0土壤样品的保存土壤样品消解

采用单元酸、二元酸、多元酸和干灰化消解体系，但多元酸消解时，消解酸的用量及其加入酸的顺序就显得更为重要。应用举例：（污泥样品）采用HNO3-HClO4/HF消解体系，逐个加酸，首先加10mlHNO3，放在电热板上加热至近干；然后加10-15mlHClO4，放到电热板上加热至近干；最后加5mlHF，放在电热板上加热至近干。加热时均加蒸发皿保持回流，当消解液呈灰白色时消解过程结束。定容消解液至合适体积。

1、EPA200.82、客户方法3、全消解方法ElementsLOR(mg/Kg)910910910Cr<0.1118.13182.85318.86277.18360.7227.8As<0.531.1347.3361.3275.4882.9106.6Sb<0.11.172.5421.5814.6427.923.2三种方法消解方法的比较：EPA200.8(半消解)：

0.5g湿土加硝酸1:12ml、盐酸1:45ml石墨炉消解半小时，定容到50ml客户方法：1g湿土浓硝酸1ml浓盐酸10ml水19ml石墨炉消解到15ml后定容50ml国标方法（全消解）：0.1g干土10ml浓盐酸煮至3ml,加5ml硝酸和5ml氢氟酸,3ml高氯酸加盖加热1小时，开盖加热至不冒烟，加1:1的硝酸3ml,电热板消解定容50ml.序号项目测定方法监测范围mg/kg所用仪器1Cd土样经盐酸－硝酸－高氯酸消解后，(1)萃取－火焰原子吸收法测定(2)石墨炉原子吸收分光光度法测定≥0.025≥0.005原子吸收分光光度计2Hg土样经硝酸－硫酸－五氧化二钒或硫－硝酸－高锰酸钾消解后，冷原子吸收法测定≥0.004测汞仪（汞蒸气吸收253.7nm的紫外光）3Cu土样经盐酸－硝酸－高氯酸消解后，火焰原子吸收分光光度法测定≥1.0可见光分光光度计（440nm）4Pb土样经盐酸－硝酸－氢氟酸－高氯酸消解后，萃取－火焰原子吸收法测定石墨炉原子吸收分光光度法测定≥0.4≥0.06可见光分光光度计（510nm）5Cr土样经硫酸－硝酸－氢氟酸消解后，高锰酸钾氧化，二苯碳酰二肼分光光度法测定加氯化铵液，火焰原子吸收分光光度法测定≥1.0≥2.5可见光分光光度计6Zn土样经盐酸－硝酸－高氯酸消解后，火焰原子吸收分光光度法测定≥0.5可见光分光光度计（538nm）7Ni土样经盐酸－硝酸－高氯酸消解后，火焰原子吸收分光光度法测定≥2.5原子吸收分光光度计8Mn硝酸－氢氟酸－高氯酸消解后，原子吸收法测定0.005原子吸收分光光度计上海公园水体底泥中重金属分布规律比较植物样品预处理

植物样品采集后要及时杀青，杀青的作用是：避免植物发霉，并减少植株体内由酶的催化作用而造成有机质的严重损失。

杀青方法：把采集的植物鲜样（采集植物地下样品时，需要将植物表面的土壤洗尽，然后晾干）放入大的纸质信封中，放入烘箱，先在105℃时烘半小时，然后将烘箱温度调到60℃，至植物样品烘干为止。将烘干的植物样品用粉碎机粉碎，然后过40目筛，得到的粉碎样品留作备用；其他与土壤样品相同。土壤中重金属形态分析

国际理论化学与应用化学协会（IUPAC）定义：形态分析指确定分析物质的原子和分子组成形式的过程，即指元素的各种存在形式，包括游离态、共价结合态、络合配位态、超分子结合态等定性和定量的分析。所谓形态，包括价态、化合态、结合态和结构态等四个方面。固体样品重金属元素形态研究方法

浸出法

形态多步提取法重金属形态与生物毒性的关联性（1）重金属以自然态转变为非自然态时，其毒性增加；（2）离子态的毒性常大于络合态的；（3）金属有机物的毒性大与金属无机物；（4）价态不同，毒性不同；（5）金属羰基化合物常常剧毒；（6）不同的化学形态，对生物体的可利用性也不同。

形态分析目的：

确定具有生物毒性的重金属含量。

《危险废物鉴别标准——浸出毒性鉴别》（GB5085.3-2007）所指浸出毒性是固态的危险废物遇水浸沥，其中有害的物质迁移转化，污染环境，浸出的有害物质的毒性称为浸出毒性。具体步骤：称取100g（干基）试样，置于浸出容积为2L（Φ130×160）具盖广口聚乙烯瓶中，加水1L（先用氢氧化钠或盐酸调pH至5.8～6.3）。振荡方法：

水平振荡法（GB5086.2-1997）：配制固液比为1∶10的试液，在室温条件下将瓶子垂直固定在水平往复振荡器上，调节振荡频率为110±10次/min，振幅40mm，在室温下振荡8h，静止16h。

翻转法（GB5086.1-1997）：

试样干基重量为70.0g；固液比为1∶10；翻转频率为30±2次/min；搅拌浸取时间为18h；静置时间为30min。通过0.45µm微孔滤膜过滤。浸出提取（毒性）方法pH对浸出毒性的影响

国标要求浸提液pH5.8~6.3。可考虑增加pH＝3.0（HCl）和pH＝10.0（NaOH）两种浸提液条件，以全面评价固体废物受中性、酸性和碱性水浸沥时其中有害的物质在迁移转化过程中对环境的污染。指标名称桃浦酸浸桃浦碱浸桃浦水浸水浸出毒性标准As0.0780.0590.0421.5Cd0.0740.2880.3080.3Cr0.3741.911.0410Cu3.0216.77.6050Hg0.1660.1680.1560.05Ni1.937.752.7410Pb0.3191.380.7163Zn52.484.542.050单位：mg/L《危险废物浸出毒性鉴别》规定14种监测项目的测定方法序号项目方法来源1汞、砷、硒、铋和锑原子荧光法HJ694-20142有机汞气相色谱法GB/T142043汞及其化合物(以总汞计)冷原子吸收分光光度法GB/T15555.14铅(以总铅计)原子吸收分光光度法GB/T15555.25镉(以总镉计)原子吸收分光光度法GB/T15555.26总铬(1)二苯碳酰二肼分光光度法GB/T15555.5(2)直接吸入火焰原子吸收分光光度法GB/T15555.6(3)硫酸亚铁铵滴定法GB/T15555.87六价铬(1)二苯碳酰二肼分光光度法GB/T15555.4(2)硫酸亚铁铵滴定法GB/T15555.78铜及其化合物(以总铜计)原子吸收分光光度法GB/T15555.29锌及其化合物(以总锌计)原子吸收分光光度法GB/T15555.210铍及其化合物(以总铍计)铍试剂Ⅰ光度法**—11钡及其化合物(以总钡计)电位滴定法*GB/T1467112镍及其化合物(以总镍计)(1)直接吸入火焰原子吸收法GB/T15555.9(2)丁二酮分光光度法GB/T15555.1013砷及其化合物(以总砷计)二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法GB/T15555.3美国EPA毒性特性溶出标准

（ToxicCharacteristicLeachingProcedure）

用pH值为2.88的醋酸溶液对样品浸提，固液比为1:20，在30r/min的旋转条件下，浸提时间为20小时。浸取过程要求温度在22摄氏度左右。

方法ZnCuNiPbHgCdCrAs国标5.202.802.860.030.00050.010.010.001TCLP32.83.905.800.020.00010.040.020.08污泥中重金属的浸出毒性

单位：mg/Lsee

EHSO(EnvironmentalHealth&SafetyOnline)

金属元素的形态分析法由Tessier于1979年提出，主要适用于土壤或底泥等基质中重金属的形态分析。

交换态碳酸盐结合态属于不稳定形态

Fe-Mn氧化物结合态

有机物结合态残渣态较稳定的形态Tessier五步提取法

可交换态

指吸附在颗粒物(主要成分是粘土颗粒及腐殖酸)上的重金属，水相中重金属离子的组成和浓度变化主要受这部分重金属吸附和解吸过程的影响。碳酸盐结合态

指与颗粒物中碳酸盐结合在一起或本身就成为碳酸盐沉淀的重金属。这部分重金属对pH值变化最为敏感，且在酸性条件下易溶解释放。铁锰氧化物结合态

铁锰氧化物以铁锰结合或凝结物形式存在于颗粒上，也有的呈胶膜状覆盖在颗粒上，其是微量重金属极好的吸着剂。与铁锰氧化物结合在一起的或本身就成为氢氧化物沉淀的这部分重金属称为铁锰氧化物结合态。这一部分重金属在氧化还原电位降低时容易释放出来。硫化物及有机结合态

指重金属硫化物沉淀及与各种形态有机质结合的重金属，这部分重金属被认为较稳定。残渣态

指存在于石英、粘土矿物等晶格里的重金属。其主要来源于天然矿物，通常不能被生物吸收，是生物无法利用的部分。

综上所述，前三种形态稳定性差，后两种形态稳定性强。也就是说，重金属污染物的危害主要来自前三种不稳定的重金属形态。具体步骤可交换态：

2g试样中加入16ml1mol/L的氯化镁（MgCl2），室温下振荡1h，离心10min（4000rpm），吸出上清液分析。

碳酸盐结合态：经步骤（1）处理后的残余物在室温下用16ml1mol/L的乙酸钠（Na