以案例教學教給學生分析化學家的思維方式

李娜 劉鋒 李克安

(北京大學化學與分子工程學院 北京 100871)

以案例教學教給學生分析化學家的思維方式

李娜 劉鋒 李克安

(北京大學化學與分子工程學院 北京 100871)

以飲用水中微量As的分析為案例,說明在建立一個分析方法的過程中需要考慮的問題,以及如何評價所建立的分析方法,教給學生分析化學家的思維方式。

分析化學是測定物質的組成和結構的學科,也是研究分析方法的學科。一項分析化學任務從問題的提出到完成,一般要經過以下步驟:確定分析方法,樣品采集,樣品制備,樣品測定以及數據分析和結果報告。分析方法首先要有足夠的靈敏度和好的選擇性,這兩點實際上決定了分析方法的準確度。此外一個好的分析方法還需要在以下幾方面具有優勢:可自動化、快速以及經濟等。

在講授各種分析方法的原理時,應圍繞分析方法的靈敏度與選擇性以及其他分析化學特性,來介紹解決問題、達到分析目的的思維方式和方法。同時,通過一個或多個完整案例的分析,來幫助學生將學到的基本原理和方法運用到解決實際問題的分析測定工作中,這會使學生見山見水,對分析化學家解決問題的方式方法有更深的了解,在開展實際的分析工作時才可能像一個分析化學家那樣思考并解決問題。而教員也就起到了“navigator”的作用。

在近百年的分析化學文獻中,可以找到很多有代表性的案例。本文以水中As的測定方法為案例,具體說明在建立一個分析方法的過程中需要考慮的問題,以及如何評價所建立的分析方法。

1 確定要分析的問題

As在地殼的豐度為第 20位,在海水中的豐度為第 14位,在人體中的豐度為第 12位。As是有害元素,會引起多種嚴重疾病,許多國家和地區的飲用水中都可以檢測到超標量的 As。世界衛生組織限定了飲用水中As的最高含量不得超過 10μg·L-1。一些水源污染比較重的地方,在自來水廠進行水處理時則需分離除 As。因此,為了監測 As的處理效果,常常需要簡單、靈敏的 As的測定方法[1-2]。

對以下問題的回答能夠幫助分析化學家弄清楚所要解決的問題以及欲達到的目標:(1)水中存在的As的形態有哪些?(2)處理后的水中,As的濃度有多大?(3)在檢測過程中需要分析方法有多大的靈敏度和準確度?(4)水中是否存在其他可能干擾測定的物種?

被分析物的存在形態以及濃度水平決定了所選擇的分析方法。在天然水中,As主要以As(Ⅲ)和As(Ⅴ)無機離子形態存在,含量在每升幾十微克的水平。除了確定分析方法,還需要確定樣品中是否存在可能的干擾物種。如果沒有,則可以直接測定;如果有,則需要確立掩蔽或分離方法。有了以上信息,可進一步根據文獻調研結果,確定最合適的樣品處理方法以及最簡單和最便宜的定量分析方法。

關于飲用水中As的測定以及其他樣品中 As的測定方法,有各種類型的文獻可以參考。綜述性論文 (review)、專論 (monographs)、草案 (protocols)以及技術部門發布的實驗方案都能對于理解所要解決的問題、選定樣品制備步驟以及選擇分析方法等有很大的幫助。分析化學領域所涉及的文獻和數據庫包括:化學文摘 (Chem ical Abstracts),ISIWeb of Science ,美國化學會刊物 (American Chemical Society Publications),英國皇家化學會期刊及數據庫 (Royal Society of Chemistry Publishing),德國施普林格電子期刊及叢書 (SpringerLink),荷蘭 Elsevier ScienceDirect以及中國的維普(V IP Information)和中國知識資源總庫 (CNKI)。通過數據庫檢索可以知道 As的主要測定方法如下:(1)滴定分析法[3],如絡合滴定法[4]、碘容量法[5-6]和電位滴定法[7]等;(2)儀器分析法[8],如原子吸收和原子發射分光光度法、紫外-可見分光光度法、電分析方法以及色譜法等;(3)聯用技術如電感耦合等離子體 (ICP-MS)。在教學過程中,出于如下考慮選用了紫外可見分光光度法作為實例:(1)飲用水中 As的含量小于每升幾十微克,屬于微量范圍;(2)滴定分析法主要分析常量組分,其靈敏度不足以測定水中的微量 As; (3)紫外-可見分光光度法簡單,靈敏度可達到飲用水中微量As的測定要求,并適用于常規分析。同時該方法也是分析化學課堂上介紹的儀器分析方法之一。

下面以 2006年美國 Analytical Chem istry上發表的分光光度法測定水中痕量 As的工作[1]為具體案例,介紹建立分析方法的思路與步驟。關于紫外-可見分光光度法測定 As,該論文的作者對報道的分光光度法進行了總結:(1)鉬藍比色法[9]已被廣泛應用于 As的測定,其檢測限為 15μg·L-1。Dasgupta等[10]建立的基于發光二極管的分光光度法可以在mg·L-1水平磷酸根存在的條件下測定μg·L-1的As(Ⅲ)和 As(Ⅴ),通過預富集還可以進一步提高該方法的靈敏度[11]。(2)孔雀石綠 (MG+)可以與砷銻鉬藍形成離子締合物,據此可以建立測定水溶液中As的分光光度法[12]。乙基紫在聚乙烯醇存在下與砷鉬雜多酸顯色反應可測定水中μg·L-1水平的 As[13]。(3)利用乙基紫與砷鉬雜多酸可形成藍色微粒而建立的目視比色法和分光光度法[14],對 As的檢測限分別為 10μg·L-1和 4μg·L-1。

雖然上述文獻調研的結果表明,天然水中的As含量處于分光光度法的測定范圍,因此分光光度法可以用于水中As的測定。但是目前現有的方法仍需要提高檢測靈敏度,以便能夠對水廠處理后的水中As的濃度進行質量監測,這就是建立新的簡單分析方法以滿足特定情況的分析測試需要的原因之一。

2 選定分析方法

文獻中一般沒有現成的適合所要解決問題的方法,因此需要進行改進才能夠適合實際樣品的測定。在這個例子中,工作人員選擇了目視比色法以及分光光度法測定水中As。作者發現:在酸性條件下,乙基紫(EV+)與同多鉬酸鹽-四氯化碘生成的復合物反應形成不穩定的微粒[EV-MoO2ICl2]。而As與鉬酸鹽形成砷鉬酸鹽,之后 EV+與砷鉬酸鹽形成穩定的藍色微粒[(EV)3As Mo12O40]。[EV-MoO2I Cl2]進一步與[(EV)3As Mo12O40]形成穩定微粒,并在溶液中較好地分散成均一的紫色溶液。溶液的吸光度與 As的濃度呈線性關系[1,14]。

3 分析方法的建立以及評價

選定分析方法之后,經過條件優化,建立具有最佳靈敏度的方法。另一個要解決的問題是新方法的選擇性問題,只有具有好的靈敏度的同時又具有好的選擇性的分析方法,才能獲得準確的測定結果。這個例子中,作者研究了自來水中可能的共存離子對 As的測定的干擾 (表1)。通過獲得共存物質存在下As的回收率(recovery)來評價共存物質干擾的程度。從表 1可以看出,Fe(Ⅲ)、PO34-、SiO22-的干擾較嚴重,其他離子的存在對測定干擾不顯著。對于水中As的測定,如果不分離掉 PO34-,其最大允許量僅為As的 20倍。通過弱陰離子交換樹脂分離,水樣中 PO34-的最大允許量提高到 12000倍。對于 S iO22-,掩蔽前的最大允許量為 As的 130倍,通過NaCl(0.02mol·L-1)掩蔽,最大允許量提高到了 6600倍。而使用 EDTA掩蔽后,Fe(Ⅲ)的最大允許量為 6500倍。實驗表明,在使用離子交換分離 PO34-、使用 NaCl和 EDTA分別掩蔽 SiO22-和 Fe(Ⅲ)的情況下,測定方法具有很好的選擇性。

表1 共存離子對 As(10μg·L-1)測定的影響[1]

表2 自來水和地下水水樣中 As的分析結果[1]

方法的靈敏度和選擇性問題解決以后,還要對方法的準確度進行考察。分析方法的準確度可以通過如下方法評價: (1)測定標準樣品以確定方法是否存在系統誤差;(2)與其他方法的測定結果相比較;(3)標準加入法,測定回收率,以評價方法樣品制備過程以及基底是否帶來系統誤差。該例子中,由于水處理達標,自來水以及地下水樣品中的As低于方法的檢測限,作者用標準加入法測定了這兩種樣品中 As的回收率 (結果如表 2),結果為 96%～104%,表明作者所建立的方法可用于自來水與地下水中As的測定。作者也同時將廢礦中(2個樣品)和河水中(5個樣品)的As的測定結果與氫化物發生-原子吸收法(HG-AAS)的結果對比,對于大部分的樣品兩種方法的結果比較相近。測定結果如表 3所示。

分析方法的靈敏度通常用校準曲線的斜率表示,而檢測限表示在一定的置信水平下能夠測定到的最小濃度。一般地,試劑空白的標準偏差被認定為噪音信號,高于其 3倍的測定信號則被認為是由被分析物引起的(對應于 98.3%的置信水平),即為檢測限。校準曲線的線性范圍下限從檢測限開始,上限規定為實際曲線偏離擬合曲線的 5%時所對應的濃度。在這個例子中,作者所建立的目視比色法的校準曲線的上限為 20μg·L-1,檢測限為 1μg·L-1。而分光光度法的校準曲線的上限為 20μg·L-1,檢測限為 0.5μg·L-1。檢測限約降為已報道的分光光度法的 12%。比色法和分光光度法在靈敏度上均能達到對水廠處理出口端水中As的質量監測要求。

表3 廢棄礦水和河水水樣中 As的分析結果(2倍稀釋)[1]

4 被分析物的形態分析——分析方法的更高境界

通常情形下,一個有毒性的元素并不是其所有的化合態都有毒性,或者說并不是所有的化合態的毒性都是一樣的。如果一個分析方法能夠分別測定一個元素不同化合態的量,那分析結果將為科學研究、立法和決策等提供更有力的科學依據。As主要有 3種原子價 (-3,+3, +5),As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)廣泛存在于自然水體中,3價化合物一般比 5價化合物毒性大[15]。因此,分別測定兩種氧化態下的As的含量是必須的。從前面的測定的化學原理介紹中知道,前面的反應中As均是以 5價狀態參與顯色反應的,所以測定的結果僅是As(Ⅴ)的含量。在這個實例中,作者使用建立的方法對Amemasu河(41.59°N,140.46°E)上的4個不同位置的水樣中不同價態的As含量分別進行了分析。通過碘酸鉀預氧化的方法將 As(Ⅲ)全部轉化為As(Ⅴ),然后測定樣品中總的 As含量。同時在不經預氧化的情況下,直接測定 As(Ⅴ)的含量。As(Ⅲ)的含量由總As含量減去As(Ⅴ)含量獲得。測定結果如表 4。作者將使用所建立的分析方法的測定結果與氫化物發生-原子吸收法(HG-AAS)的結果對比,結果比較相近。

表4 河水中 As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)的分析(μg·L-1)[1]

以上實例給學生展示了建立一個分析方法所必須經過的步驟,希望這個實例能夠幫助學生了解建立分析方法的思路,使學生在掌握基本原理和方法的基礎上,具備一定的分析化學家的素養。

[1] Morita K,Kaneko E.Anal Chem,2006,78:7682

[2] Dasgupta P K.Talanta,2002,58:1

[3] W inkler P E.Helv Chim Acta,1927,10:837

[4] HafezM A H,KhalifaM E.Talanta,1997,44:787

[5] 冶金部部頒標準.鋼鐵化學分析方法,1965,YB35-64

[6] CampbellA D,Low C P.M ikrochim Acta,1980,1:139

[7] Metelka R,Slavikova S,Vytras K.Talanta,2002,58:147

[8] HungD Q,Nekrassova O,Compton R G.Talanta,2004,64:269

[9] Rupasinghe T,Cardwell T J,Cattrall R W,et al.Anal Chim Acta,2004,510:225

[10] Dasgupta P K,Huang H L,Zhang G F,et al.Talanta,2002,58:153

[11] Toda K,Ohba T,TakakiM,et al.Anal Chem,2005,77:4765

[12] Wu Q F,Liu P F.Talanta,1983,30:275

[13] 趙希珠,許生杰,袁秀順.環境化學,1987(5):70

[14] Morita K,Kanekot E.Anal Sci,2006,22:1085

[15] 張永忠,郭雄.國外醫學(醫學地理分冊),2007,28:49