三价砷和五价砷在线预还原的原子荧光光谱形态分析方法及其装置

摘要

本发明提供一种三价砷和五价砷在线预还原的原子荧光光谱形态分析方法，该方法包括以下步骤：(a)将第一含砷样品与第一还原剂在65～75度温度下混合进行五价砷的还原；(b)将第二含砷样品与第二还原剂混合，并通过混合后产生的氢化物进行三价砷浓度测定；(c)将步骤(a)中五价砷还原完成后的溶液与第二还原剂混合，并通过混合后产生的氢化物进行总砷浓度测定。本发明还公开了使用这种方法的装置。本发明通过五价砷的在线预还原，有效解决价态间的干扰问题，避免离线还原中繁琐的人工前处理过程和耗时，实现砷形态的自动和快速分析。

说明书

技术领域：

本发明涉及元素的荧光光谱形态分析领域，特别涉及一种海水中三价砷和五价砷形态分析方法和装置，使用五价砷的在线预还原方式，实现三价砷和五价砷的定量分析。 

背景技术：

我国是一个人口众多，陆地资源匮乏，而拥有300多万平方公里专属区的海洋大国。海水是十分宝贵而有限的自然资源。当前，随着沿海地区社会经济迅速发展，海洋工程建设和海洋开发活动日益频繁，大量工业废水和生活污水通过河流、企业直接排污口和市政污水排污口等渠道排放入海。海水中的金属元素污染物，已成为影响人类生存与健康的重大问题。 

金属污染物的关键生态效应主要取决于该物质在环境中存在的金属污染物的形态，而不是其总量。随着人们对微量金属元素污染效应认识的不断深入，对相应微量金属污染元素的标准监测研究正在从总量测定向形态分析方向发展。 

本领域人士众所周知，海洋环境体系包括海水及江河入海口和陆源入海排污口中的金属污染物，可以通过水体为起点，进入到所形成的“水体-水体生物-人体”食物链循环体系中，使微量金属元素污染物在海洋相关的样品中不断富集，引起生物与全人类受害，致病甚至死亡。砷是海水污染及海洋环境监测中重要的监测元素。海水中主要存在亚砷酸(H3AsO3)和砷酸(H3AsO4)，此外有极少量的有机甲基砷。砷的毒性随形态不同有明显差异，无机砷的毒性较有机砷的毒性大。As(Ⅲ)是砷元素最毒的形态，As(Ⅴ)等的毒性依次减小。我国现有颁布执行的《海洋水质标准》和《海洋监测规范》中，尽管对于As等主要金属污染元素总浓度的标准测定方法已明确规定，但暂无海水中As、Hg等金属污染物形态分析的标准方法。因此，进行海洋环境体系中砷等形态分析方法的研究，能 够更好地评价海水污染程度，对进一步加强和完善各海洋环境体系中金属元素污染物的监测工作，保护海洋环境资源，防治污染损害，维护生态平衡，保障人体健康，促进社会和经济的可持续发展具有十分深远意义。 

目前，高效液相色谱(HPLC)同电感耦合等离子体光谱质谱(ICP-MS)联用技术，是检测微量金属元素形态最有效的分析方法，但是因其价格昂贵，较难在一般实验室普及。在国内，进行海洋环境体系砷等微量元素形态分析时，氢化物发生原子荧光光谱法因易于避免基体的干扰广见文献报道。但由于氢化物发生原子荧光光谱法反应体系需要一定的酸度来满足形成氩氢化火焰的要求，使得在进行三价砷分析时不可避免地带来五价砷的干扰，最终影响该方法的实际应用。 

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种海水中三价砷和五价砷在线预还原原子荧光光谱形态分析方法及其装置，与普通的离线还原海水中三价砷和五价砷原子荧光光谱形态分析方法相比，通过五价砷的在线预还原，有效解决价态间的干扰问题，避免离线还原中繁琐的人工前处理过程和耗时，实现砷形态的自动和快速分析。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： 

一种三价砷和五价砷在线预还原的原子荧光光谱形态分析方法，该方法包括以下步骤： 

(a)将第一含砷样品与第一还原剂在65～75度温度下混合进行五价砷的还原； 

(b)将第二含砷样品与第二还原剂混合，并通过混合后产生的氢化物进行三价砷浓度测定； 

(c)将步骤(a)中五价砷还原完成后的溶液与第二还原剂混合，并通过混合后产生的氢化物进行总砷浓度测定。 

进一步，所述第一含砷样品由过滤的海水样品与盐酸溶液混合获得。 

进一步，所述第二含砷样品由过滤的海水样品，经柠檬酸水溶液作为稀释剂稀释获得。 

进一步，所述第一含砷样品是五价砷标准溶液，所述第二含砷样品是三价砷标准溶液。 

进一步，所述第一还原剂是硫脲-抗坏血酸溶液。 

进一步，所述第二还原剂是硼氢化钾溶液。 

进一步，在所述步骤(b)和(c)中，所述混合还包括作为载体的盐酸溶液，同时参与氢化反应产生氢气。 

进一步，通过原子荧光光谱法进行三价砷浓度测定和总砷浓度测定。 

一种三价砷和五价砷在线预还原的原子荧光光谱形态分析装置，包括 

一恒温水浴混合系统，用于对溶液混合试管中的溶液进行恒温控制； 

一顺序注射氢化发生系统，用于通过顺序注射方式导入的溶液进行氢化反应生成氢化物气体； 

一原子荧光光谱检测系统，用于通过原子荧光光谱检测方式对所述顺序注射氢化发生系统生成的氢化物进行元素检测； 

一系统控制、数据采集和分析系统，用于控制顺序注射氢化发生系统，并将原子荧光光谱检测系统的检测结果传输到计算机并进行处理； 

所述恒温水浴混合系统和顺序注射氢化发生系统通过管道连接；所述顺序注射氢化发生系统与原子荧光光谱检测系统通过一用于将顺序注射氢化发生系统生成的氢化物气体输入至原子荧光光谱检测系统的管道连接。 

进一步，所述恒温水浴混合系统包括溶液混合试管和用于加热所述溶液混合试管的加热装置。 

进一步，所述顺序注射氢化发生系统包括氢化发生系统泵阀部件、氢化发生系统控制电路、氢化发生系统内部控制程序，其中氢化发生系统泵阀部件包括注射泵、储液管、多位选择阀、混合块、气液分离器、蠕动泵，各部件通过连接管依次连接；所述恒温水浴混合系统通过管道连接至顺序注射氢化发生系统中的多位选择阀。 

进一步，所述系统控制、数据采集和分析系统包括一安装海水砷形态分析工 作站软件的计算机系统，所述海水砷形态分析工作站软件包括顺序注射氢化发生系统控制功能模块、原子荧光光谱检测系统数据采集功能模块以及砷形态分析数据处理功能模块。 

进一步，所述管道是聚乙烯塑料管道。 

本发明的有益效果是提供的一种海水中三价砷和五价砷在线预还原原子荧光光谱形态分析方法及其装置，结合目前国内上海等沿海现代化国际大都市的海洋环境条件特点与实际需要，研究使用在线还原创新技术，顺序注射技术与氢化物发生原子荧光光谱法联用，借助全新程序优化设计，通过对反应体系酸度的精确控制，并使用在线还原方式，自动控制还原过程等方法，有效解决价态间的干扰问题，实现对海洋环境体系金属污染物砷元素的形态分析。该自控在线预还原系统采用顺序注射分析方法与原子荧光光谱法相结合，在线预还原过程动态可控，并自动进行样品前处理及测定，大大缩短分析时间，降低样品前处理或富集难度，在有效减少样品和相关试剂消耗同时可减小实验误差，该自控在线预还原系统具有过程动态可控、操作自动化、快速高效、有效减少样品和相关试剂消耗等优点，更适用于大批量测试和方法的普遍推广。 

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。 

图1为本发明装置的结构示意图； 

图2为本发明装置中的各系统之间的关系图； 

图3为五价砷离线还原和五价砷在线还原的标准曲线比较图； 

图4为三价砷浓度、总砷浓度测试信号图形。 

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明的实施方式。 

图2为本发明的一种三价砷和五价砷在线预还原的原子荧光光谱形态分析装置中各系统之间的关系图，该装置包括一用于对溶液混合试管中的溶液进行恒温 控制的恒温水浴混合系统23，所述恒温水浴混合系统23包括溶液混合试管和用于加热所述溶液混合试管的加热装置；一用于通过顺序注射方式导入的溶液进行氢化反应生成氢化物气体的顺序注射氢化发生系统17；一原子荧光光谱检测系统24，用于通过原子荧光光谱检测方式对所述顺序注射氢化发生系统生成的氢化物进行元素检测；一系统控制、数据采集和分析系统25，用于控制顺序注射氢化发生系统，并将原子荧光光谱检测系统的检测结果传输到计算机并进行处理，通过数据传输线与所述原子荧光光谱24检测系统连接；所述系统控制、数据采集和分析系统25包括一安装海水砷形态分析工作站软件的计算机系统，所述海水砷形态分析工作站软件包括顺序注射氢化发生系统控制功能模块、原子荧光光谱检测系统数据采集功能模块以及砷形态分析数据处理功能模块。 

所述恒温水浴混合系统23和顺序注射氢化发生系统17通过管道连接；所述顺序注射氢化发生系统17与原子荧光光谱检测系统24通过用于将顺序注射氢化发生系统17生成的氢化物气体输入至原子荧光光谱检测系统24的管道连接。 

图1为本发明一种三价砷和五价砷在线预还原的原子荧光光谱形态分析装置的示意图，恒温水浴混合系统23；包括氢化发生系统泵阀部件、氢化发生系统控制电路、氢化发生系统内部控制程序的顺序注射氢化发生系统17，其中氢化发生系统泵阀部件包括注射泵8、储液管9、多位选择阀10、混合块11、气液分离器12、蠕动泵13，各部件通过连接管依次连接；以及原子荧光光谱检测系统24。顺序注射氢化发生系统17的各个组成部分之间的连接如下：如图1所示，所述注射泵8的2号位与储液管9的一端相连接，所述多位选择阀10的入口和储液管9的另一端相连接，其1号位和混合块11的三个入口中的一个入口相连接，混合块11的出口与气液分离器12的入口相连接。 

另外，如图1所示，所述恒温水浴混合系统23和顺序注射氢化发生系统17中多位选择阀10的4号位通过一管道连接，所述的管道可以选择聚乙烯塑料管道；原子荧光光谱检测系统24与顺序注射氢化发生系统17中气液分离器12的两个出口中的一出口通过管道连接，该管道可以选择聚乙烯塑料管道。 

本发明的一种三价砷和五价砷在线预还原的原子荧光光谱形态分析方法，在采用上述方法之前，首先，需要准备如下试剂： 

(1)浓度为2％的盐酸，取50mL的浓度为12mol/L的浓盐酸于容量瓶中，用水定容至1000mL。盐酸为载液，同时参与氢化反应生成氢气。 

(2)浓度为2％的硫脲与浓度为1％的抗坏血酸的混合溶液，即称取(25.0±0.1)g硫脲和(12.5±0.1)g抗坏血酸用水溶解后稀释至250mL，获得100g/L硫脲-50g/L抗坏血酸混合溶液，作为五价砷还原的第一还原剂。此试剂在使用前配置。 

(3)浓度为2％的硼氢化钾溶液，即在干燥过的玻璃烧杯中称取(10.0±0.1)g硼氢化钾(KBH4)溶解于预先溶有(2.5±0.1)g氢氧化钾(KOH)的水溶液中，用水稀释至500mL，获得浓度为2％的硼氢化钾溶液，作为第二还原剂。此试剂在使用前配制。 

(4)0.1mol/L柠檬酸水溶液：称取21.0g单水柠檬酸，用水溶解并定容至1000mL。柠檬酸水溶液为获得第二含砷样品的稀释剂。 

(5)100.0μg/mL三价砷标准储备液：准确称取(0.1320±0.0001)g三氧化二砷(As2O3)于50mL烧杯中，用10mL 1mol/L氢氧化钠溶液溶解后，以1mol/L稀盐酸溶液调节至近中性，移入1000mL容量瓶中定容至刻度，混匀保存。 

(6)100.0μg/mL五价砷标准储备液：准确称取砷酸氢二钠(Na2HAsO4·7H2O)(0.4165±0.0001)g于50mL烧杯中，加入少量水溶解后，移入1000mL容量瓶中定容。 

(7)使用的100.0μg/L三价砷标准溶液：移取100μL三价砷标准储备液(6)于100mL玻璃容量瓶中，用水定容，摇匀，配置得到的100.0μg/L三价砷标准溶液可以作为第二含砷溶液，此试剂在使用前制备。 

(8)使用的100.0μg/L五价砷标准溶液：移取100μL五价砷标准储备液(7)于100mL玻璃容量瓶中，用水定容，摇匀，配置得到的100.0μg/L五价砷标准溶液可以作为第一含砷溶液，此试剂在使用前制备。 

(9)人工海水配制：称取26.726g氯化钠(NaCl)，2.260g氯化镁(MgCl2·6H2O)，3.248g硫酸镁(MgSO4·7H2O)，1.153g氯化钙(CaCl2)，0.198g碳酸氢钠(NaHCO3)，0.721g氯化钾(KCl)，分别用水溶解后，转入1000mL容 量瓶中，用水定容至刻度，摇匀，配置得到的人工海水作为海水样品。另外，配制人工海水所用试剂均为优级纯。 

上述海水样品经孔径0.45μm混合纤维素酯微孔滤膜过滤后，量取15.00mL置于25mL容量瓶中，加入(0.5253±0.0001)g单水柠檬酸，用水溶解并定容至刻度后充分摇匀得到的溶液，作为第二含砷样品。 

上述海水样品经孔径0.45μm混合纤维素酯微孔滤膜过滤后，量取15.00mL置于25mL容量瓶中，加入1.25mL浓度为12mol/L浓盐酸(HCl)，用水溶解并定容至刻度，充分摇匀得到的溶液，作为第一含砷样品。 

以上各种试剂的制备，包括其浓度和剂量等是适用于本发明的方法和装置的一具体实施例，其他合适浓度和剂量等的各种试剂的制备是本领域技术人员所能预期的。另外，上述海水样品为人工配制，用于本发明方法和装置的海水样品也可以选择自然的海水样品。 

其次，如图1中所示，将制备的各试剂按照如下方式配置到位： 

将放置在试剂瓶中的所配置的浓度为2％的盐酸31通过连接管连接至注射泵的1号位；将作为五价砷还原的第一还原剂的所制备的硫脲-抗坏血酸混合溶液32通过连接管连接至多位选择阀10的5号位；第二含砷溶液34通过连接管与多位选择阀10的3号位相连接；第一含砷溶液35通过连接管与多位选择阀10的2号位相连接；作为第二还原剂的浓度为2％的硼氢化钾溶液37与混合块的三个入口中的一个入口通过连接管连接，所述混合块的其他两个入口分别连接氩气15和多位选择阀的1号位。所述气液分离器12的一废液出口输导出废液36。 

然后，在相关试剂配置到位并连接好管路，打开与原子荧光光谱检测系统相连接的计算机和使用的海水砷形态分析工作站软件之后，进行三价砷和五价砷在线预还原的原子荧光光谱形态分析。 

第一步：第一含砷样品35的引入及在线预还原。顺序注射氢化发生系统17的氢化发生系统内部控制程序控制多位选择阀10转到2号位并由注射泵8吸取4.8ml第一含砷样品35，然后多位选择阀10转到5号位并由注射泵8吸取1.2ml硫脲-抗坏血酸溶液32到储液管9，然后将两次吸入的溶液一起注入恒温水浴混合系统23的溶液混合试管中，恒温水浴混合系统23的温度设定在摄氏65～75度温度范围内，最好是70度，此时混合溶液开始快速还原。 

第二步：第二含砷样品34的三价砷浓度测定。第一步结束后，混合溶液开始快速还原，由于完全还原至少需要3分钟，所以在这段等候还原的时间段里，可进行三价砷测定，以节约测量时间。顺序注射氢化发生系统17执行下列动作： 

1.先由注射泵8吸取3ml浓度为2％盐酸31； 

2.多位选择阀10转到3号位并由注射泵8吸取1.5ml第二含砷样品34； 

3.多位选择阀10转到1号位，注射泵8将吸入的溶液打出，开始进样，同时作为第二还原剂的硼氢化钾溶液7经蠕动泵13蠕动进样，氩气15、硼氢化钾溶液37、样品混合溶液在混合块11中混合反应； 

4.原子荧光光谱检测系统24对气液分离器12输出的氢化物进行测试，废液36经蠕动泵13排出，同时由海水砷形态分析工作站软件协调控制进行三价砷浓度测定； 

5.根据1-4程序重复测定三次。该重复测定次数由操作者根据所需数据的精确度确定。 

第三步：总砷浓度测定，即对步骤一恒温水浴混合系统23中的混合溶液进行总砷浓度测定。第二步结束后，三价砷浓度测定结束，同时恒温水浴混合系统23中的混合溶液也已达到完全还原，可以进行总砷浓度的测定。顺序注射氢化发生系统17执行下列动作： 

1.先由注射泵8吸取3ml浓度为2％盐酸31； 

2.多位选择阀10转到4号位并由注射泵8吸取恒温水浴混合系统23的混合试管中的完全还原的混合溶液1.5ml； 

3.多位选择阀10转到1号位，注射泵8将吸入的溶液打出，开始进样，同时硼氢化钾溶液37经蠕动泵13蠕动进样，氩气15、硼氢化钾溶液37、样品混合溶液在混合块11中混合反应。 

4.原子荧光光谱检测系统24对气液分离器12输出的氢化物进行测试，废液36经蠕动泵13排出，同时由控制程序协调控制进行总砷浓度测定； 

5.依1-4步重复测定三次。该重复测定次数同样也由操作者根据所需数据的精确度确定。 

图3为五价砷离线还原和五价砷在线还原的标准曲线比较图，图中五价砷离 线还原标准曲线方程为y＝0.1979x+0.1853，五价砷在线还原标准曲线方程为y＝0.1925x+0.1883，两种方法的偏差为SD＝[0.1979-(0.1979+0.1925)/2]/(0.1979+0.1925)/2＝0.35％，表明五价砷离线还原和五价砷在线还原的实际效果一致。 

图4为三价砷浓度、总砷浓度测试信号图形，图中26为三价砷浓度的三次测量图形，27为总砷浓度的三次测量图形。由此，海水样品或三价砷标准溶液中的三价砷浓度能被测定，并且通过总溶液中总砷浓度的测定，五价砷浓度＝总砷浓度-三价砷浓度，而获得海水样品或五价砷标准溶液中的五价砷浓度。本发明在第一含砷样品五价砷浓度测定时，并不需要预先将第一含砷样品中存在的五价砷经硫脲—抗坏血酸混合预还原试剂转化为三价砷后进样，而是在测量开始时直接进样，利用顺序注射氢化发生系统和恒温水浴混合系统对样品进行在线快速预还原，然后再利用顺序注射氢化发生系统引入还原后的溶液，直接进行氢化反应，并由原子荧光光谱检测系统进行测定。本发明使用五价砷的在线预还原方式，实现了三价砷和五价砷的定量分析。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不仅仅受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。