主题:【第十六届原创】国产原子荧光测汞问题讨论与解决(一个切实可行测准固体汞的原子荧光方法)

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skytoboo
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年度二等奖
  混了多年论坛,原子荧光版面最多的问题是“为什么我测的汞偏高?”我纠结了很久,还是打算公开讨论并切实解决这一问题,同时这也是一个精心设计,经过多次验证切实有效的测固体汞的方式,希望引起有经验用户,或者仪器应用工程师的建议与讨论,共同树立使用国产原子荧光测准固体汞的信心,助力中国制造。
一问题背景
  原子荧光光谱仪是化学实验分析领域,我国为数不多具有自主知识产权分析产品之一[1]我国是世界首台商业型原子荧光光谱诞生地,原子荧光具有检出限低,灵敏度高,干扰较少等独特优势[2],在多个领域广泛成功应用。而原子荧光测定汞,空白与残留问题一直受到热议[3][4]。随着固体测汞相关技术的成熟发展,多个领域得到成功应用[5][6][7],以及相关标准的出台,市场目光转投固体测汞仪,相关设备更换意味着社会总体支出增加,相当部分资金会流入国外专利优势分析设备,作者作为一名基层“搬砖”工,响应原创大赛“促进产业技术交流,提高仪器应用水平”主题,从个人视角提出一些个人分享或者操作,试图增强用户对原子荧光的操作水平,同时对原子荧光相关部件改进提供意见
二解决问题使用的主要原理

2.1汞残留

容器中什么形态的汞形成残留?


已知自然界存在的汞主要有:0价汞,甲基汞、乙基汞、二价汞。

汞的形态[8]



原子荧光实验室主要是二价汞残留,方法HJ694-2014HJ680-2013NY/T1121.10-2006GB/T22105.1-2008,均使用用强酸王水体系消解汞总量,样品中汞全部转化为溶液中二价汞,二价汞是容器接触的最终物质,所以认为二价汞是主要残留物质

2.2 汞的去除

为什么选择氯化亚锡浸泡?


主流容器浸泡去除汞方式
①强酸浸泡:硝酸浸泡过夜,王水煮沸,王水浸泡
②强氧化:重铬酸钾浸泡、高锰酸钾浸泡
③结合反应:加入金标液清洗,加入左旋半胱氨酸清洗。
方法①②③汞去除后,处理物均停留在原有容器中,强酸,强氧化剂对环境与操作人员并不友好,特别+6价铬对人健康具有重大威胁
还原去汞:还原去汞主要有化学还原和电化学还原两种。二价汞与强还原剂还原后直接生成0价汞气体排出,不存在二次污染可能且反应迅速

2.3 原子荧光的漫反射放大了偏差

为什么需要调整炉高?


如下图可知,理想设计原子荧光发射特征光谱,经原子化器目标元素吸收/发射,检测器于90°角接收跃迁发射的特征谱线。

实际工作中,阴极灯特征谱线并非平行光,特征谱线经过双面凸透镜形成汇聚光路聚焦,透过火焰,经原子化器白色陶瓷形成漫反射环境,最终进入检测器。由于汞元素灯稳定较差,发射特征谱线的波动会随着漫反射环境的放大作用,最终影响检测器信号,从而影响监测结果。故调整炉高以免反射特征谱线,同时提检测方法高硼氢化钠浓度至2%,提高原子化器中,产生的气柱高度。




未点火状态下,检测器信号如下:



点火状态下,产生原子荧光信号如下:




说明原子荧光漫反射干扰存在;检测器信号与原子化器高度拟合R2 = 0.968;原子化器高度大于13 cm时,检测器信号不再降低,表明此距离下原子化器白色陶片造成的荧光漫反射不再影响;点火运行时,原子化器高度越高产生的原子荧光信号越低(R2 = 0.947),说明光的漫反射是干扰是影响原子汞荧光值的重要影响原因,原子化器高度造成的汞漫反射,汞荧光值影响呈指数增长

实践应用土壤测汞案例

(重要提示:分析方法、仪器设置基于上述认知进行魔改)。
3.1方法优点:相较标准方法

①前处理超级快速(1小时)、②对操作人员友好(不涉及六价铬等强烈致癌试剂,主要使用盐酸、硝酸等常见试剂)③范围广泛(适合土壤、海洋沉积物、固废等不遇酸产生泡沫的样品)④稳定性高,原子荧光信号漂移减少,精密度高。
3.2样品前处理
①配置氯化亚锡溶液: 100ml烧杯中加入3~5g氯化亚锡固体,添加水至50ml刻度,获得白色氯化亚锡洗液。


②清洗50ml比色管:50ml比色管添加去离子水将近刻度(不用充满,预留空间),用滴管添加①氯化亚锡洗液,使50ml比色管变白,静置2分钟后弃去白色氯化亚锡液体,然后加入1ml浓硝酸清洗后弃去,最后加入去离子水冲洗干净获得无汞比色管。



③样品消解:准确称取土壤样品0.2500g50ml比色管中(阴干的比色管,样品不得大量贴住管壁),用一次性滴管加入3ml盐酸,1ml硝酸,4ml水。使用食用保鲜膜封口(不要求密封),沸水浴100°C(不要求摇晃),1小时候取出定容至刻度获得待测样品。



3.3曲线配置(汞标曲保存时间长)

      50ml容量瓶中加入3.2配置的①氯化亚锡溶液,约1ml(容量瓶显著变白即可),静置2分钟后弃去白色氯化亚锡液体,然后加入1ml浓硝酸清洗后弃去,最后加入去离子水冲洗干净获得无汞容量瓶。50ml容量瓶添加5ml盐酸作为基体配置汞标准曲线。(备注曲线配置完毕后可以放置隔天再测)

3.4仪器设置(关键设置,减少汞灯漂移漫反射放大信号,基线稳定性大大增强)

  调整炉高至15CM(炉高是指,空心阴极灯光线距原子化器的距离),配置10%盐酸基体的载流,配置2%的硼氢化钠,其他按照仪器操作规程测定。


四主要应用启示(这是我想对用户和厂商表达的)

①实验发现,经还原处理后的容量瓶,汞曲线可放置2周并未发现剧烈衰减迹象(多次测试,线性良好0.999)。传统认为汞及其容易挥发,实际并未观察到此现象,作者认为二价汞并不等同于元素汞,实际室温下液态二价汞的保存易挥发并未观察到此现象。
②仪器厂商需要关注原子化器光的漫反射问题,可能是解决汞信号波动的关键。
③电化学还原汞可以深入研究,可能是解决容器汞污染解决的绿色方向。

五参考文献

[1] 北京科创海光仪器有限公司. AFS-9700全自动双道注射泵原子荧光光度计[J]. 现代科学仪器,2009(6):5-6.

[2] 陈宇鸿,金春秋. 原子荧光光度计检定中的问题及解决方法[J]. 上海计量测试,2022,49(1):52-53. DOI:10.3969/j.issn.1673-2235.2022.01.017.

[3] 马雄丽. FAS930原子荧光光度计测汞空白影响因素及解决办法[J]. 中国化工贸易,2020,12(3):233,235.

[4] 朱广文. 原子荧光法测定汞过程中受污染原因及解决方法[J]. 环境保护与循环经济,2021,41(12):67-69. DOI:10.3969/j.issn.1674-1021.2021.12.017.

[5] 陈金凤. 固体测汞仪直接测定土壤中的汞含量[J]. 科技信息,2013(25):117-118. DOI:10.3969/j.issn.1001-9960.2013.25.087.

[6] 赵秀荣,张萍萍,罗明贵,. 碳酸钙固硫-固体进样测汞仪快速测定硫化铅精矿中的汞[J]. 中国无机分析化学,2022,12(5):1-6. DOI:10.3969/j.issn.2095-1035.2022.05.001.

[7] 王博,刘霁欣,张晓红,. 用于化妆品的固体进样-半定量汞速测仪的研制[J]. 分析化学,2018,46(7):1025-1031. DOI:10.11895/j.issn.0253-3820.181105.

[8] 水质 烷基汞的测定吹扫捕集/气相色谱-冷原子荧光光谱法(征求意见稿)》编制说明

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skytoboo
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这是一个适合固体废物,海洋沉积物,土壤等加酸不起泡的固体样品,欢迎大家进行再现性测试。

“汞容易挥发”这个江湖流传很久说法,实际工作中你可能会遇到一个或者多个现象:①土壤标准物质105°C烘数小时,而测定汞数据未见明显降低,②含汞污泥阴干后随着时间增长,汞测定数据降低,③标准物质自封袋放置半年,汞数据增加。

    翻开土壤标准物质研制相关论文,不难发现标准物质做过稳定化放置,这也许是烘干标准物质汞数据不变化的原因,而真实世界,土壤汞元素包含了离子,原子的混合物,二价汞及其容易吸附,且不像汞原子那么容易挥发。希望这个实验观察有助于大家使用原子荧光测定此目标物。
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2023/8/7 20:04:04 Last edit by skytoboo
wangjunyu
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skytoboo
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原文由 wangjunyu(wangjunyu1113) 发表:
这个清洗方式还是挺便捷的
提出的两个关键性操作,1去本底汞、2去漫反射造成的信号放大,二者是国产原子荧光解决原子荧光测汞的关键。
操作2,我觉得是硬件设计的问题,也是为啥老用户抛弃国产原子荧光,转投进口固体测汞仪(迈尔斯通、刘美克斯)的原因。
另外首先固体测汞仪也有自己的缺陷,有的测汞仪需要氧气,会有实验室安全风险(做汞的实验室大多数配备原子吸收,乙炔+氧气爆炸不亚于一个榴弹)
其次固体测汞需要催化管,这些是固定支出。
其三,固体测汞一个一个样品测定,单个样品预富集,解析时间5~10分钟,超过60个样品,并不见得比原子荧光有效率优势
其四,水浴消解,按照GB22105.2/.1 可以同时测砷,一个前处理,多个元素测定,国产原子荧光更具有优势。(AFS比ICP-MS测砷更有优势,MS测砷有氩干扰,通常结果偏大)

其五,价格优势,进口测汞仪灯价格近万,运行成本高。

我希望厂商关注光室漫反射增强本底基线的问题,汞是低温元素,汞阴极灯导致的基线漂移进口固体测汞仪/国产原子荧光均无法避免。已知空心阴极灯发射的不是平行光,国产原子荧光技术均高度同源,白色陶瓷盖板反射荧光问题有待解决。希望解决此问题后国产原子荧光上一个新的台阶。

这是一个联动的解决方式,我改变了分析方法氢化物的浓度,降低炉高导致的漫反射,牺牲了汞强度换取了精密性,任何技术手段都有遗憾,
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2023/8/8 9:37:56 Last edit by skytoboo
Ins_3c0ceb02
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如果是因为光的漫射导致的偏高,理论上水的质控样,是不是也应该偏高。 可目前遇见的水的盲样都很正常。
水的质控样品,直接配置,和标曲基体相同,盲样总是没问题。
但土壤的盲样,消解后基体复杂,基体干扰,导致偏高,因为什么干扰或者如何消除,难以解决。
这其中不知道和所说的漫射有没有联系。
skytoboo
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原文由 Ins_3c0ceb02(Ins_3c0ceb02) 发表:
如果是因为光的漫射导致的偏高,理论上水的质控样,是不是也应该偏高。 可目前遇见的水的盲样都很正常。
水的质控样品,直接配置,和标曲基体相同,盲样总是没问题。
但土壤的盲样,消解后基体复杂,基体干扰,导致偏高,因为什么干扰或者如何消除,难以解决。
这其中不知道和所说的漫射有没有联系。


你理解错了,折射放大是解决汞阴极灯不稳定的导致结果的干扰(低温元素灯用久了会基线漂移,解决荧光反射后基线漂移减少,有利于数据精密性和稳定性)。

土壤汞测准,就两个原因①污染,②曲线配置。

其实还有一个隐藏原因,你的质控浓度太低了,你需要换算成曲线浓度,若不在线上,你要综合考虑一下。

我不太相信基体复杂这个说法,是就是,不是就不是,太模糊不利于解决问题。

漫反射导致数据测定结果偏高是存在的,阴极灯能量不稳定,用了一段时间总体信号增长,结果值也会指数增加。

我没提及水是因为解决土测定,水真不是问题。

这里大篇幅说了漫反射的问题,主要是对厂商说的,所有原子荧光都是这个结构,还用石英棉,出厂全默认设置炉高10cm,用几次问题不大,用久了石英棉在盐酸作用下坍塌,炉高降低,……结果你懂的,每次使用荧光本底信号差异很大,又找不到原因,主要想引导说这个
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2023/8/15 16:43:14 Last edit by skytoboo
水墨芋
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qq250083771
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太牛叉了,此理论如果没人发表过,此文章必能夺得今年大奖,而且北核收录不在话下,现在北大有位邢教授好像在进行光谱方面的研究,有机会可以探讨
建议对于氯化亚锡这方面的实验研究可以继续深入
另外提醒作者注意,如果此方面见解无类似研究,注意保护知识产权哦
qq250083771
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国产仪器在解决汞污染方面个人见解确实做的有些差,常用解决办法就是清洗,浸泡,仪器专用等等,严重阻碍了国产仪器的发展,而且
软件方面的问题确实也是一大弊端
好久没看见这么优秀的文章了,多说了几句,纯属个人见解,并无针对厂家之意,如有不妥,请勿对号入座,请见谅
Insp_29d76721
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