主题:环境分析化学发展趋势(转帖)

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作者: aresstable  发布日期: 2005-12-21  出自: http://emuch.net

一、引言
  各类资源的过分开发、能源的浪费、由之而来的气候变化、无序的城市化、有害化学物质的无控排放…导致全国生态环境的恶化已超过—般想象。十大环境祸患严重威胁人类。面对这种现实,保护环境必然成为当代环境工作者刻不容缓的职责,这也是国民经济持续发展的要求。
  许多环境问题直接或间接与化学物质有关,所以环境化学工作者就首当其冲:环境中有什么潜在有毒物质?它们来自何方?进入环境后有什么变化?可能造成什么危害?我们应当采取什么措施?新化学产品在进入环境前能采取什么办法防止或减少对环境的冲击?在这里环境分析责无旁贷,应起首要的作用。环境分析工作者就要利用各种分析手段提供合适的分析方法、阐明污染物质的组成、结构、状态以及含量,弄清问题的渊源,进而对紧迫情况及早提出预报与警告,促进新的安全流程或更替产品,以改善对环境及人类的冲击,并可联系其它学科,例如环境生物学、毒理学等的工作者共同努力,进行危险性评价、指出安全范围、建管理标准和控制防治措施等。
  环境分析化学是环境化学的一个重要组成部分,是开展环境科学研究不可缺少的基础。它是研究环境污染物质的组成、结构、状态以及含量的分析化学一个新分支。在某种意义上讲,环境科学的发展依赖于环境分析化学的发展。环境分析化学具有以下特点:(1)涉及范围广。涉及大气、溪流、湖泊、江河、海洋、土壤陆地系统、乃至生物圈等;(2)对象复杂。CA登录的化学品数目已逾1800万种,估计进入环境的已有10万种、要求对这些物质进行价态,形态分析,结构分析,系统分析,同类物、异构体分析。微区、薄层、表面分析等;(3)变异性。对环境系多层次、多介质、多元动态系统,要求分析研究对象的迁移变化等;(4)定量分析。除要求常规指标,如化学耗氧量(COD)、生物耗氧量(BOD)、溶解氧(DO)等例行测定项目外,还要求具体物种的痕量甚至超痕量分析,而后两者又显得越来越重要;(5)普遍性、实用性强。包括化工、钢铁、信息、交通、能源等各行各业均有关,有时要求十分迫切。由于以上原因,环境分析化学实际上动用丁现代分析化学的几乎所有的测试技术和手段。
二、环境分析样品前处理
(sample pretreatment methodologies in environmental analysis)
  由于环境样品具有被测物浓度低、组分复杂、干扰物质多、同种元素以多相形式存在、易受环境影响而变化等特点,通常都要经过复杂的前处理后才能进行分析测定。经典的前处理方法,如沉淀、络合、衍生、吸附、萃取、蒸馏、干燥、过滤、透析、离心、升华等,靠人工操作,重现性差,工作强度大,处理周期长,又要使用大量有机溶剂等。因此样品前处理预分离是环境分析中最薄弱的环节,而也是目前环境分析化学,乃至分析化学中一个重要的关键环节、前沿研究课题。它包括了各种前处理新方法与新技术的研究及这些技术与分析方法在线联用设备的研究两个方面。
新方法与新技术中较为成熟的有:
1、固相萃取法(solid-phase extraction,SPE)
  其原理是根据样品中不同组分在固相填料上的作用力强弱不同,被测组分与其它组分分离。主要用于处理环境水样及可溶的固体环境样品,也可用于捕集气体中的痕量有机物及气溶胶。改变洗脱剂组成、填料的种类及其它参数以达到不同分离的目的。早期以柱状固相填料为主,近年来出现了厚度为1mm左右新型薄膜填料,它们截而积大、流量高,特别适合于野外现场处理样品。
2、超临界流体萃取法(supported liquid memberane,SLM)
  该法利用超临界流体既有与液体相仿的高密度,具有较大的溶解能力,又有与气体相近的高扩散率,因此能有效地从固体内部将被测的溶质萃取出来。它特别适合于处理各种固体的环境样品。改变超临界流体的组成、温度、压力,可以有选择地把不同的组分从样品中先后连续萃取进行分离。既用于样品的前处理,也用于固体废弃物的治理。
3、固相微萃取法(solid-phase microsextraction,SPME)
  它用装在注射器针头内的熔融石英光导纤维作载体,表面用有机固定液作涂渍处理。当它浸在样品溶剂中时,被测物通过扩散吸附在它表面,然后转移至气相色谱仪的进样口进样,通过加热脱附,被测物随载气进入色谱校进行分离和测定。该法可用于处理各种气体和液体的环境样品,也可用于处理固体样品中的挥发性物质、通过改变固定液的类型与液层的厚度,可以改变方法的选择性,提高吸附量,易于自动化,可直接处理低于10-9级的水样,也便于和其它分析方法(例HPLC等)联用。表-1列出几种代表性的无、少溶剂样品前处理方法的比较。
表-1几种主要的无、少溶剂样品前处理方法
前处理方法 原理 分析方法 分析对象 萃取相 缺点
  顶空法(静态顶空法,捕吹法)利用待测物的挥发性 直接抽取样品顶空气体进行色谱分析;利用载气尽量吹出样品中待测物冷冻捕集或吸附集的方法收集被测物 挥发性有机物 气体 静态顶空法不能浓缩样品,定量需要校正,吹捕法易形成泡沫,仪器超裁
  超临界流体萃取 利用超临界流体密度高、粘度小对压力变化敏感的特征 在超临界状态下萃取待测样品,通过减压、降温或吸附收集后分析 烃类及非极性化合物,以及部分中等极性化合物 CO2、氨、乙烷、乙烯、丙烯、水等 萃取装置昂贵,不适于分析水样
  膜萃取 膜对待测物质的吸附作用 由高分子膜萃取样品中的待测物,然后再用气体或液体萃取出膜中的待测物 挥发、半挥发性物质,支载液膜萃取在不同pH值下能离子化的化合物 高分子膜、中空纤维 膜岁待测物浓度变化有滞后性,待测物受膜限制大
  固相萃取 固相吸附剂对待测物的吸附作用 先用吸附剂吸附在用溶剂洗脱待测物 各种气体液体及可溶的固体 盘状膜、过滤片、固相萃取伎 回收率低、固体吸附剂容易被堵塞
  固微相萃取 待测物在样品及萃取涂层之间的分配平衡 将萃取纤维暴露在用品或其顶空中萃取 挥发,半挥发性有机物 具有选择吸附性的涂层 萃取涂层易磨损,使用寿命有限
4、加速溶剂萃取法(简称ASE)
  这是一种全新的萃取方法,它可以显著提高样品前处理的速度。溶剂被泵入盛有样品的萃取池后,加温加压,数分钟后,萃取物从加热的萃取他中输送到收集瓶中供分析中。萃取步骤全程自动化,并且可以多次萃取,快速省时,溶剂消耗量少。以分析土壤中有机氯农药为例,首先要用大量有机溶剂将其从基体中提取出来。新近颁布和即将出台的环保法规对实验室使用溶剂在许多方面做出了严格的限制。为适应这种变化,加速溶剂萃取作为减少溶剂消耗量的固体样品前处理技术应运而生。与传统方法相比较,加速溶剂萃取更方便、快速、溶剂用量少,其重现性与超声萃取相当。并且避免了使用超声萃取所带来的多次清洗的问题。
表-2示出水中优先检测有机污染物600系列标准分析方法,经过适当的前处理步骤,便可发展为相应污染物在饮用水(500系列)和固体废弃物(8000系列)中的标准分析方法,这些方法与各自前处理的操作步骤实际上是相应的。
  表-2USEPA 500,600和8000系列方法编号对照表
    污染物名称 500系列
    (饮用水) 600系列
    (废水) 8000系列
    (固体废弃物) 主要分析方法
    挥发性卤代烃 502.1 601 8010 GC/OHD,ECD
    挥发性有机物 502.2 8015
    挥发性芳烃类 503.1 601 8020 GC/PID
    丙烯醛、丙烯腈 603 8030 GC/FID
    二溴乙烯,二氯氮丙烷 504
    酚类 604 8040 GC/FID’,EC
    有机卤化物,农药急PCBs 505
    联苯胺类 605
    邻苯二甲酸酯类 506 606 8060
    含N,P农药 507
    亚硝胺类 607 GC/NPD’TEA
    有机氯农药及PCBs 508/508A 608 8080 GC/ECD
    硝基芳烃及异佛尔酮 609 8090 GC/EC,FID
    多环芳烃类 610 8100 LC/UV,荧光,GC/FID
    卤代醚类 611 GC/OHD
    卤代烃类 612 8120 GC/ECD
    2,3,7,8-TCDD 613 GC/MS
    有机磷类 8140
    有机氯除草剂 515 8150
    挥发性有机物 524-2(60重) 624 8240 GC/MS
    半挥发性有机物 525 625 8250 GS/MS
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三、各种色谱技术的进展
1、毛细管气相色谱技术的不断发展和应用
  高灵敏度、高选择性气相色谱检测器和GC,MS的发展奠定了USEPA 1979年底公布的114种水中优先检测有机污染物分析方法的基础,而毛细管气相色谱的应用大大提高了分离效率和分析速度,使方法简化、净化损失减少,近20年来,毛细管柱管材由金属改变为玻璃,再发展为熔融石英,解决了管壁对分析的干扰和操作技术的可靠性。毛细管柱固定相、高分子液晶固定相、高分子冠醚新固定相的研制、柱表面去活性处理(如辐射处理),尤其是化学键合交联固定相的研制成功,使大批重要污染物(包括众多异构体)有了可靠的测定方法。采用无分流进样和柱上进样技术解决了柱容量小和热不稳定试样的分解问题。近几年来发展的0.53mm,0.75mm内径的宽口径毛细管柱进一步解决了柱容量小的问题,使它们直接与气提设备相接,简化了挥发性化合物的分析步骤,而且更有利于与灵敏度稍差的检测器匹配。组合柱技术、化学衍生技术(包括柱前、柱后)等,不但可提高分辨能力或灵敏度,并在一定程度上解决了某些挥发性较差的化台物的监测。高灵敏、高选择性的检测器仍在不断发展,例如化学发光检测器、TEA、离子化检测器、酶抑制剂荧光监测器等,再加上多维色谱的应用、多监测器联用,特别是GC与MS及其它仪器的联用,使GC在环境分析、色谱分析中仍将继续占据优势。徐晓白等综述了色谱技术研究我国大气污染的现状,对环境中潜在致癌物质,如多环芳烃和硝基多环芳烃进行了研究和探讨。并对我国若干城市大气中痕量元素的温室效应和有害有毒颗粒物进行了研究。目前EPA已将毛细管气相色谱作为常规监测技术,GC—TID(离子阱检测器)在提高灵敏度方面有特色。我国在这方面,无论是仪器的生产或毛细管柱的研制都有较好基础,今后可能在开辟色谱新技术,提高质量,降低价格以及系列处方固做出更多贡献。在1998年召开的第七次全国色谱学术报告会上发表了350多篇论文,其中1/6与环境样品有关,这也反应了我国色谱分析在环境分析化学中的重要作用。
  近年江桂斌研制的表面发射火焰光度检测方法(Quartz surface induced lurninescene-FPD)在国际上首次将由石英表面引发的发射(QSIL)原理用于定量分析,引起学术界的高度评价,并获国家发明专利。该研究工作提供了一种高灵敏度火焰光度检测器。和现有商品仪器相比,它有三个优点:(1)色谱柱直接插入燃烧头的顶端,避免了样品的扩散等造成的色谱峰展宽等现象。(2)改变了传统的氢火焰燃烧方式,使火焰的稳定性得到根本的提高。(3)通过改变火焰的发射介质,导致了发射机理的根本变化,获得了强度很大的发射光谱。与一般气相色谱火焰光度方法相比,灵敏度提高100—1000倍。用该系统已很好地分离和测定了各种介质中不同形态的有机锡化合物,最低检测限在30fg—2.3pg。另外,已证明这一原理可以推广到硫、磷化合物,有机硒,有机铅等化合物的定量分析。
  1997年在美国召开的“21世纪环境实验室” (environmental laboratory moving for the 21 century)研讨会后,对现场监测和可移动实验室的设计与研究,出现了一个新的发展方向。如便携式色谱仪已开始在现场环境分析中应用。1998年匹茨堡会议上,已出现了商品。我国也正在研制毛细管便携式色谱仪。在微型化过程中,常规色谱检测器的微型化技术是这一领域的制约因素。
  色谱进样技术:发展很快,枝头进样(oncolumn)、分流/无分流进样(split/splitless)吹捕法(purge and trap)进样等技术已成为实验室的常规方法。色谱校的发展也日新月异。法国研制的用一种平行的多毛细管往系(含有900根1m长,40μm内径的毛细管,涂层厚度为0.2μm)成功地分离和测定了多种有机锡化合物。分离时间由常规毛细管柱的5—10min缩短到30s。
2、高效液相色谱的广泛应用
  80年代以来,HPLC仪器的增长速度一直据首位,据估计1983年世界HPLC的销售额己超过GC。这是出于GC主要适用于测定较易挥发的污染物,但70%以上的化合物是低挥发性、大分子量或热不稳定的,不进行衍生化就不能直接用GC法测定,而HPLC法恰好弥补了这方面的不足,所以后者在环境分析中越来越多地得到应用。金祖亮曾统计Analytical Abstract引述文章的情况;1980年应用HPLC的文章数量仅为引用GC的文章数量的1/5,而到1989年则几近一半。HPLC的分辨率虽不如毛细管气相色谱(HRGC)。但也有用它一次直接分析32种优先检测污染物的成功例子,缩小柱径和采用3μm填料可提高分辨率。己制成的3—7cm商品柱的柱效可达5000一10000理论塔板/m,用它进行环境样品的常规分析,1min就能完成一次测定HPLC的柱后反应,检测灵敏度可达pg级,是目前迅速发展的领域。另外发展类似GC上用的更为通用型的检测器,例如HPLC-FID,HPLC-ECD,HPLC—TID,HPLC—NPD和HPLC-FPD等是另一倾向。
  微孔柱的应用促进了LC-MS的发展,由于溶剂的减少,与MS接口的问题迎刃而解,已可进行常规检测。不过由于用微孔柱分析速度较慢,其它的接口例如热喷射(thermospray),电喷雾(electrospray)、粒子束(particle beam)等接口技术配合更为理想。如用HPLC法分级预分离,在系统分析中能使被检出的污染物数目增加数倍。
3、超临界流体色谱的发展
  超临界流体在化学分离中的应用并与计算机技术的成功结合,制成了现代化的SFC仪,引起了分析界的兴趣。近年来商品毛细管SFC的问世在环境分析化学中得到较广泛的关注。由于该方法的特点是采用超临界的流体作为流动相,可填补GC与HPLC的空隙,适用于极性化合物、热不稳定、化学性质活泼、分子量高及挥发性化合物等复杂混合物的分离、测定,理论计算推断毛细管SFC分离效率与GC相近,而比HPLC高。因此SFC兼具GC与HPLC的优点。
  SFC常用的流动相为CO2,但现有更多的流体可供选用。还可能用不同流体及不同成分比的组合,因此分析方法可以有相当多样化选挥。还能起到选择萃取预分离的作用。这样既可节省溶剂,减少萃取时间,又可能减少预处理过程中引起的污染。
  目前,公认SFC可贵的另一主要原因是因为它能和一系列检测系统联用。一般说来,GC与HPLC的检测器在SFC上均可应用,常用的有FID,FPD,ECD,UV和荧光等。新的检测器,如化学发光硫检测器,测定硫化合物的灵敏度可达数十至100pg,线性范围为103。SFC与MS及FT-IR的联用亦已获得成功。目前,与—般EI,CI相似的质谱图可从SFC-FTIR获得,而且灵敏度尚佳。
  已报道应用SFC的对象有农药、染料、有机酸、表面活性剂及药物等。其中以农药及其代谢物测定的报告较多。
4、离子色谱(IC)的应用
  由于IC具有操作简便、快速、选择性好、灵敏度和推确度均较高,而且能进行多组分同时测定等优点,随着离子色谱的发展,已逐渐应用于环境分析。首先在阴离子分析方而,发展很快。近几年由于梯度淋洗、柱和检测器等的进一步发展,已能应用IC测定阳离子、过渡金属、金属络合物。区分不同价态、直至分析有机化合物等。
5、毛细管电泳
  近年来,毛细管电泳在环境化学中的应用正在逐步扩大,包括污染物与DNA加合物的分析、正辛酵—水分配系数的测定以及动物体内甲基汞的测定等,并且已发表了数篇综述,由于毛细管电泳的持点:样品需要量小,高分离效率,柱价格低,易清洗,试剂耗费量小,方法简单,分析时间短等,使其在分离环境污染物时拥有独特优势,可以作为一种与GC和HPLC相互补充的新的污染物分析手段。Yan等采用填充拄毛细管电色谱,在45min以内分离了16种EPA优先检测PAHs。采用CZE(毛细管区带电泳)模式可在24min内分离酚及其10种衍生物,改变分析条件可在5min内就能实现对12种酚类化合物的快速分离。也有关于分离二恶英TCDD,PCB异构体、光学异构体的报导,MEKC(micellar electrokinetic chromatography胶柬电动色谱)分离分析胶类化合物获得成功。毛细管电泳曾用来分离百草快和杀草快、磺酰脲、苯氧基酸等。此类工作既涉及除草剂对映体或异构体的分离,又包括分析农作物上除草剂的残留和水中的除草剂。目前毛细管电泳分离分析环境污染物的研究在不断深入和扩大,但很多工作集中在分离标准样品上,应用于实际环境样品分析的还相对较少。就其主要原因,主要是检测器灵敏度不够和要求新的样品预处理方法等。但总的来看前景是十分光明的。
ddh324
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shaweinan
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  环境问题关系到国计民生,关系到子孙后代,是一个非常重要的问题。就我国目前状况看,我们的环保事业尚需大量的人才,所以我认为你这样的境遇是我国环保事业的一大悲哀。
wu_fang
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我国的环境状态的确问题很严重,前一时期我们的经济发展在不同程度上是以牺牲环境为代价的,最为有代表性的例子就是山西的煤炭生产。
fyandy
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konglingdong
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本人也是学环保的。而且我就在山西。这里的环境地球人都知道不好,我们也想治理呀!可是,国家、政府都不拨钱,没法治理!电视、新闻说的再好听,什么国家拨钱、政府拨款,但钱总是到不了真正想干活的人手里,怎么能解决呀!!无奈!!等我毕业了,我也打算转行!!无奈!!
mabyxx
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是要注意了~~  我们汉江的水几乎年年水华了~~~
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人们对环境保护这个“新事物”的关注远远高于对环境问题的真正关注,悲哀啊! 什么时候我们国家也能真正把保护环境放在首位阿!
ballon
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