第四节　样品前处理技术

分析仪器灵敏度的提高及分析对象基体的复杂化，对样品前处理提出了更高的要求。目前，现代分析方法中样品前处理技术的发展趋势是速度快、批量大、自动化程度高、成本低、劳动强度低、试剂消耗少、利于人员健康和环境保护、方法准确可靠，这也是评价样品前处理方法的准则。

样品前处理指样品的制备和对样品采用合适分解和溶解及对待测组分进行提取、净化、浓缩的过程，使被测组分转变成可测定的形式以进行定量、定性分析检测。若选择的前处理手段不当，常常使某些组分损失、干扰组分的影响不能完全除去或引入杂质。样品前处理的目的是消除基体干扰，提高方法的准确度、精密度、选择性和灵敏度。因此，样品前处理是分析检测过程的关键环节，只要检测仪器稳定可靠，检测结果的重复性和准确性就主要取决于样品前处理。方法的灵敏度也与样品前处理过程有着重要的关系。一种新的检测方法，其分析速度往往取决于样品前处理的复杂程度。

测定各类样品中的金属元素，一般需首先破坏样品中的有机物质。选用何种方法，在某种程度上取决于分析元素和被测样品的基体性质。本章主要介绍几种常用的前处理方法。

一、干灰化法

1.高温干灰化法

一般将灰化温度高于100℃的方法称为高温干灰化法。高温干灰化法对于破坏生化、环境和食品等样品中的有机基体是行之有效的。样品一般先经100～105℃干燥，除去水分及挥发物质。灰化温度及时间是需要选择的，一般灰化温度为450～600℃。通常将盛有样品的坩埚（一般可采用铂金坩埚、陶瓷坩埚等）放入马弗炉内进行灰化灼烧，冒烟直到所有有机物燃烧完全，只留下不挥发的无机残留物。这种残留物主要是金属氧化物以及非挥发性硫酸盐、磷酸盐和硅酸盐等。这种技术最主要的缺点是可以转变成挥发性形式的成分会很快地部分或全部损失。灰化温度不宜过低，温度低则灰化不完全，残存的小炭粒易吸附金属元素，很难用稀酸溶解，造成结果偏低；灰化温度过高，则损失严重。高温干灰化法一般适用于金属氧化物，因为大多数非金属甚至某些金属常会氧化成挥发性产物，如As、Sb、Ge、Ti和Hg等易造成损失。

食品样品分析中多采用高温干灰化法，一般控制在450～550℃进行干灰化，灰化温度若高于550℃会引起样品的损失。食品样品中铅和铬的分析，灰化温度一般在450～550℃范围内。但对于含氯的样品，由于可能形成挥发性氯化铅，需采取措施防止铅的损失。对于鸡蛋、罐头肉、牛奶、牛肉等多种食品中铅的分析，这种高温干灰化破坏有机物的方法是可行的。

高温干灰化法的优点是能灰化大量样品，方法简单，无试剂污染，空白低。但对于低沸点的元素常有损失，其损失程度取决于灰化温度和时间，还取决于元素在样品中的存在形式。

2.低温干灰化法

为了克服高温干灰化法因挥发、滞留和吸附而损失痕量金属等问题，常采用低温干灰化法。用电激发的氧分解生物样品的低温灰化器，灰化温度低于100℃，每小时可破坏1g有机物质。这种低温干灰化法已用于原子吸收测定动物组织中的铍、镉和碲等易挥发元素。低温等离子体灰化方法可避免污染和挥发损失以及湿法灰化中的某些不安全性。将盛有试样的石英皿放入等离子体灰化器的氧化室中，用等离子体破坏样品的有机部分，而无机成分不挥发。低温灰化的速度与等离子体的流速、时间、功率和样品体积有关。目前，氧等离子体灰化器已用于糖和面粉等样品的前处理。

二、湿式消解法

湿式消解法属于氧化分解法。用液体或液体与固体混合物作氧化剂，在一定温度下分解样品中的有机质，此过程称为湿式消解。湿式消解法与干灰化法不同。干灰化法是靠升高温度或增强氧的氧化能力来分解样品中的有机质，而湿式消解法则是依靠氧化剂的氧化能力来分解样品，温度并不是主要因素。湿式消解法常用的氧化剂有HNO₃、H₂SO₄、HClO₄、H₂O₂和KMnO₄等。湿式消解法又分为以下几种方法。

1.稀酸消解法

对于不溶于水的无机试样，可用稀的无机酸溶液处理。几乎所有具有负标准电极电位的金属均可溶于非氧化性酸，但也有一些金属例外，如Cd、Co、Pb和Ni与盐酸反应速率过慢，甚至钝化。许多金属氧化物、碳酸盐、硫化物等也可溶于稀酸介质中。为加速溶解，必要时可加热。

2.浓酸消解法

为了溶解具有正标准电极电位的金属，可以采用热的浓酸，如HNO₃、H₂SO₄、H₃PO₄等。样品与酸可以在烧杯中加热沸腾，或加热回流，或共沸至干。为了增强处理效果，还可采用钢弹技术，即将样品与酸一起加入内衬铂或聚四氟乙烯层的小钢弹中，然后密封，加热至酸的沸点以上。这种技术既可保持高温，又可维持一定压力，挥发性组分又不会损失。热浓酸溶解技术还适用于合金、某些金属氧化物、硫化物、磷酸盐以及硅酸盐等。若酸的氧化能力足够强，且加热时间足够长，有机和生物样品就完全被氧化，各种元素以简单的无机离子形式存在于酸溶液中。

3.混合酸消解法

混合酸消解法是破坏生物、食品和饮料中有机体的有效方法之一。通常使用的是氧化性酸的混合液。混合酸往往兼有多种特性，如氧化性、还原性和配位性，其溶解能力更强。

常用的混合酸是HNO₃-HClO₄，一般是将样品与HClO₄共热至发烟，然后加入HNO₃使样品完全氧化。可用于乳类食品（其中的Pb）、油（其中的Cd、Cr）、鱼（其中的Cu）和各种谷物食品（其中的Cd、Pb、Mn、Zn）等样品的灰化，对于毛发样品的消解也有良好的效果。

HNO₃-H₂SO₄混合酸消解样品时，先用HNO₃氧化样品至只留下少许难以氧化的物质，待冷却后，再加入H₂SO₄，共热至发烟，样品完全氧化。HNO₃和H₂SO₄适用于鱼（其中的Cd）、面粉（其中的Cd、Pb）、米酒（其中的Al）、牛奶（其中的Pb）及蔬菜和饮料（其中的Cd）等样品的灰化处理。HNO₃、H₂SO₄和HClO₄可用来灰化处理多种样品，如鱼、鸡蛋、奶制品、面粉、人发、胡萝卜、苹果、粮食等。HF-HNO₃（或HF-H₂SO₄）、HCl-HNO₃混合酸在消解样品时，HF、HCl能提供阴离子，而另一种酸具有氧化能力，可促进样品的消解。

湿式消解法中使用较为广泛的混合酸还有HNO₃-H₂O₂、HNO₃-H₂SO₄-H₂O₂。这些混合酸在测定面粉中的Al，鱼中的Cu、Zn和茶叶中的Cd时的样品处理中，都取得满意效果。

4.酸浸提法

酸浸提法是以酸从样品中提取金属元素的方法，是处理样品的基本方法之一。用HCl溶液可以提取多种样品中的微量元素。如在0.5g均匀食物或粪便中加入1mol·L^-1的HCl溶液6mL，放置24h，即可定量提取样品中的Zn。这种简易的提取法还可用来提取其他金属元素。如血浆在2mol·L^-1的HCl介质中于60℃加热1h，其中的Mn可被定量提取；全血及牛肝中的Cd、Pb、Cu、Mn、Zn可用1%HNO₃溶液定量提取；用三氯乙酸可从血清蛋白中提取出Fe和其他金属元素。实验结果表明，以酸浸提法处理样品的分析结果与使用混合酸HNO₃、H₂SO₄和HClO₄加热消解所得结果相一致。

5.微波溶样

微波是指波长为0.1mm～1m的电磁辐射。微波溶样是利用样品与酸吸收微波能量，并将其转化为热能而完成的。能量的转化过程也就是样品与酸被加热的过程。这种加热过程引起酸与样品间较大的热对流，搅动并消除已溶解的不活泼样品表层，促进酸与样品更有效地接触，因而加速了样品的分解。在微波溶样的过程中，样品与酸（必要时还有助剂）存放在聚四氟乙烯压力罐中，罐体不吸收微波，微波穿透罐壁作用于样品及酸液。快速变化的磁场诱导样品分子极化，样品极化分子以极快速度的排列产生张力，使得样品表面被不断破坏，样品表层分子迅速破裂，不断产生新的分子表层。通常压力罐内的最高温度和压力可达200℃和1.38MPa。在这样的高温高压环境下，样品的表面分子与产生的氧发生作用，达到反复氧化的目的，使样品迅速溶解；同时，氧化性酸及氧化剂的氧化电位也显著增大，使得样品更容易被氧化分解。因此，微波对样品与酸液之间的反应有很强的诱发和激活作用，能使反应在很短时间内达到相当剧烈的程度。这是其他溶样方法所不具备的。为了提高样品的溶解效率，以正交实验优化实验参数，如采用单一酸还是混合酸、微波功率、溶样时间及压力、样品量和样品的粒度、溶解样品的容器材料及体系的敞开或密封等。

微波溶样技术常用的消解液有HNO₃-H₂O₂、HNO₃-HClO₄、HNO₃-HCl-HClO₄、HNO₃-HClO₄-HF、HNO₃-HCl、HNO₃-H₂SO₄等。也有用碱液代替酸液的报道，如用LiOH和H₂O₂消解不同的矿物及金属氧化物的混合物样品，测定其中的Mo、W、Th、Cd和V等元素。微波溶样技术具有溶样时间短、试剂用量少、回收率高、污染小、样品溶解完全等优点。因此，在分析领域中的应用越来越广泛，现已用于生物、地质、植物、食品、中药材、环境以及金属等样品的溶解。

三、熔融分解法

某些样品用酸不能分解或分解不完全，常采用熔融分解法。熔融分解法将试样和熔剂在坩埚中混匀，于500～900℃的高温下进行熔融分解。利用熔融分解试样一般是复分解反应，通常也是可逆反应，因此必须加入过量的熔剂，以利于反应的进行。采用熔融分解法，只要熔剂及处理方法选择适当，任何岩石和矿样均可达到完全分解的目的，这是熔融分解法的最大优点。但是，由于熔融分解法的操作温度较高，有时高达1200℃以上，且必须在一定的容器中进行，这样除由熔剂带进大量金属离子外，还会带进一些容器材料，给以后的分析测定带来影响，甚至使某些测定不能进行。因此，在选择试样分解方法时，应尽可能地采用溶解的方法。对一些试样也可以先用酸溶解分解，剩下的残渣再用熔融分解法处理。

熔融分解法按所用熔剂的性质可分为酸熔和碱熔两类。酸熔采用的酸性熔剂为钾（钠）的酸性硫酸盐、焦硫酸盐及酸性氟化物等；碱熔采用的碱性熔剂为碱金属的碳酸盐、硼酸盐、氢氧化物及过氧化物等。分解样品的容器必须进行选择，以防止容器组分进入试液，给后面的分析带来误差，也可防止容器的损坏。对于酸熔，一般使用玻璃容器，若用氢氟酸时，应采用聚四氟乙烯坩埚，但处理样品温度不能超过250℃；若温度更高，则需使用铂坩埚。对于碳酸盐、硫酸盐、氟化物以及硼酸盐等样品，则应使用铂金坩埚；对于氧化物、氢氧化物以及过氧化物，宜用石墨坩埚和刚玉坩埚。

在样品分解过程中产生的误差可能来自以下几个方面：由于试剂的纯度；由于反应体系的敞开和加热，挥发性组分的损失；分解样品的容器选择不当而引入的杂质，以及由于分解条件不当而造成的损失。例如用H₃PO₄溶解时，加热时间过长而析出微溶的焦磷酸盐，同时也会腐蚀玻璃容器。

四、生物样品的预处理示例

对生物试样中微量无机成分的测定，通常采用原子吸收光谱法、等离子体原子发射光谱分析法和等离子体质谱法。生物样品包括动植物的组织、血液、尿液、水产品和奶制品等试样，一般采用混合酸（如HNO₃-H₂O₂、HNO₃-HClO₄）反复处理直至样品溶液呈淡黄色。植物样品风干或烘干，粮食样品经破碎过筛后称量，将样品放入马弗炉内进行灰化灼烧，冒烟直到所有有机物燃烧完全，只留下不挥发的无机残留物，呈灰白色，再用HNO₃或HCl溶解灰分，被测元素转入溶液中。常用的方法为高温干灰化法，温度控制在450～650℃。

例如，石墨炉原子吸收法测定粮食样品中的铅和镉时，样品处理方法如下：准确称取2.0～5.0g于105℃烘干的试样，置于坩埚中，在高温炉内用小火炭化至无烟后，冷却。小心滴加几滴HNO₃，使残渣湿润，然后用小火蒸干，再移入高温炉中于600℃灰化2h，冷却，取出。如灰化不完全，再按上述操作滴加HNO₃湿润残渣，小火蒸干，移入高温炉中，于600℃继续灰化直至样品全部变成白色残渣，冷却后取出。残渣先加少量二次石英亚沸蒸馏水湿润，再加入1mol·L^-1 HNO₃溶液2mL，转移至25mL容量瓶中，坩埚用二次蒸馏水少量多次冲洗，洗液并入容量瓶中，定容。同时做试剂空白。所用的试剂为优级纯。

五、岩石、土壤试样的预处理示例

测定岩石、土壤中微量元素时，试样的预处理方法可根据待测元素的种类选择上述分解方法。称取0.2000g样品置于聚四氟乙烯坩埚中，用少量蒸馏水将样品润湿，准确加入内标元素钯，其浓度为10.0mg·mL^-1。再加入1.0mL HClO₄、4.0mL HCl、2.0mL HNO₃、6.0mL HF，盖上坩埚盖，放在电热板上，温度控制在120℃回流1h，放置过夜。第二天取下坩埚盖，并将盖上的溶液用蒸馏水冲洗干净，在180℃的条件下加热蒸干。取下冷却后，加入1.0mL HClO₄和10mL蒸馏水，继续加热蒸干。将样品取下放入瓷盘中，冷却后加入1+1王水5.0mL，加热。待样品完全溶解后，取下冷却，用蒸馏水定容到10mL容量瓶中，摇匀待测。其测定可以用原子吸收光谱法以及电感耦合等离子体发射光谱法。采用多道电感耦合等离子体直读光谱仪，一次进样，可以同时测定Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、Ti、Mn及P等几十种元素，分析速度快，且精密度好。