一. 酸消解法
酸消解法包括敞口酸消解法和高压密闭酸消解法。
敞口酸消解法是应用最普遍的一种样品分解方法。利用各种酸的化学能力,将待测的金属元素从样品中溶解出来转移到液体中。
酸消解法常用的酸的种类和性质如下:
(1)硝酸HNO3 (相对密度1.42,70%水溶液,m/m), 沸点120°C
在常压下的沸点为120°C,在0.5MPa 下,温度可达176"C,它的氧化电位显著增大,氧化性增强。能对无机物及有机物进行氧化作用。金属和合金可用硝酸氧化为相应的硝酸盐,这些硝酸盐通常易溶于水。部分金属元素,如Au、Pt、 Nb、Ta、 Zr不被溶解。Al和Cr不易被溶解。硝酸可溶解大部分的硫化物。
(2)盐酸HCl (相对密度1.19,37%水溶液,m/m), 沸点110°C
盐酸不属于氧化剂,通常不消解有机物。盐酸在高压与较高温度下,可与许多硅酸盐及一些难溶氧化物、硫酸盐、氟化物作用,生成可溶性盐。许多碳酸盐、氢氧化物、磷酸盐、硼酸盐和各种硫化物都能被盐酸溶解。
(3)高氯酸HClO4 (相对密度1.67,72%水溶液,m/m),沸点130°C
HClO4是己知最强的无机酸之一。经常使用HClO4来驱赶HCl、HNO3和HF,而HClO4本身也易于蒸发除去,除了一些碱金属(K、Rb、Cs)的高氧酸盐溶解度较小外,其他金属的高氯酸盐类都很稳定且易溶于水。用HClO4分解的样品中,可能会有10%左右的Cr以CrOCl3的形式挥发掉,V也可能会以VOCl3的形式挥发。HClO4是一种强氧化剂,热的浓HClO4氧化性极强,会和有机化合物发生强烈(爆炸)反应,而冷或稀的HClO4则无,此情况。
因此,通常都与硝酸组合使用,或先加入硝酸反应一段时间后再加入高氯酸(HNO3的用量大于HClO4的4倍)。高氯酸大多在常压下的预处理时使用,较少用于密闭消解中,要慎重使用。在使用聚四氟乙烯(PTFE) 烧杯分解样品时,选用HClO4 赶酸可避免过高温度导致PTFE材料的不稳定。使用高氯酸可以维持整个样品消解过程中的氧化环境,从而减少Hg以及能形成氢化物的元素如As、Se、Sb、Bi、Te的损失,保证有机成分完全氧化分解,避免较高的有机含量增大溶液粘度,从而影响样品引入期间的传输和雾化效率。
(4)氢氟酸HF (相对密度1.15,48%水溶液,m/m),沸点112°C
HF本身易挥发,处理样品时HF很少单独使用,常与HCl、HNO3、HClO4等酸同时使用。
HF是唯一能与硅、二氧化硅及硅酸盐发生反应的酸,少量HF与其他酸结合使用,可有效地防止样品中待测元素形成硅酸盐。HF是一种弱酸,但由于它具有较强的络合性,所以可以与许多阳离子形成稳定的络合物,如生成H2SiF6,促使阳离子组分从硅酸盐晶格中释放出来,加热时H2SiF6分解成气态SiF4逸出,得到了不含硅的溶液。许多环境样品,如土壤、水系沉积物、河道底泥、污泥等,用HF分析样品可除去样品中大量的Si,有效地降低样品中的总溶解固体(TDS), 但同时B、As、Sb和Ge等根据不同的价态也将不同程度挥发。
HF具腐蚀性,会腐蚀玻璃、硅酸盐,不能使用玻璃或石英容器,经典的是采用铂器皿,但铂器皿较贵,目前实验室最常用的是聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯(特氟隆)等塑料器I皿。聚四氟乙烯是最合适的材料,它可以抗强氧化剂,而且允许加热到240°C,但温度高于200°C容器易变形。
另外,用HF处理过的样品中因存在HF,会腐蚀仪器中的玻璃或石英进样系统和炬管等,因此这类样品在测试之前需先除掉HF,通常用HCIO4或H2SO4赶酸。
(5)过氧化氢H2O2 (相对密度1.13,30%水溶液,m/m),沸点107°C
过氧化氢的氧化能力随介质的酸度增加而增加,H2O2分解产生的高能态活性氧对有机物质的破坏能力强,使用时通常先加HNO;预处理后再加入H2O2。组成H2O2的元素和水相同,以H2O2作为氧化剂不会向样品中引入额外的卤素元素,从而减少分析干扰。
(6)硫酸H2SO4 (相对密度1.84,98.3%水溶液,m/m), 沸点338°C
硫酸是许多有机组织、无机氧化物及金属等的有效溶剂,它几乎可以破坏所有的有机物。但在密闭消解时要严格监控反应温度,因为浓H2SO4在达到沸点温度时可以熔化聚四氟乙烯容器,浓H2SO4的沸点是338°C,而聚四氟乙烯的使用温度不能超过240°C。
所以,一般不单独用H2SO4,而是与HNO3起组合使用。由于H2SO4赶酸时间长、易引入硫元素的干扰,因此在环境监测中使用率不如上述几种强酸高。
常见的混合酸消解体系如下:
(1)王水,HCl : HNO;=3 : 1 (v/v)
王水是最常用的混合酸,两种酸混合后产生的氯化亚硝酰和游离氯是强氧化剂,王水需现用现配。王水可用来溶解许多金属,包括锑、铬和铂族金属等,植物体与废水也常使用它来进行消解。王水可从硅酸盐基质中酸洗出部分金属,但无法有效地完全溶解。除王水外,硝酸和盐酸还常以另外的比例混合在一起使用,所谓的勒福特(Lefort) 王水,也叫逆王水,是三份硝酸与一份盐酸的混合物,可用来溶解含有氧化硫或黄铁矿的环境样品。
(2) HNO3 : H2SO4常用的比例为1 : 1 (v/v)
这种混酸的最高温度仅比单纯HNO3时的最高温度高10°C左右。高温条件下,易于形成硫酸盐络合物,还具有脱水和氧化的性质。通常在完成最初的消化后,可加入双氧水以完成消化。但是,只有当溶液减少且冒SO2气体后才能添加双氧水。本方法可以有效消解如聚合物、脂肪等有机物质,但硫酸赶酸非常困难。
(3) HNO3: HF,常用比例为5: 1 (V/v)
这种混合酸对于溶解金属钛、铌、钽、锆、铪、钨及其合金特别有效,也可用来溶解铼、锡及锡合金、各种碳化物、氮化物及各种硅酸盐。
(4) HNO3、HCl、 HF、HClO4混酸
这种混酸是我国土壤中重金属监测分析标准方法中使用的消解方式,也是目前测定环境样品金属总量最常见的消解体系。
除了敞开式酸消解法外,高温、高压、长时间条件下的封闭酸溶法也得到广泛的应用。加压封闭酸消解法比常压酸消解法有了显著的改进,与其他方法相比,具有以下优点:
①密封容器内部产生的压力使试剂的沸点升高,因而消解温度较高。形成的高温高压环境保证了大多数难溶元素的完全分解,同时易挥发元素在密封条件下也不会损失。
②溶样过程中酸不挥发而在系统内反复回流,仅用很少量的纯化酸即可完成样品分解。不仅节约了成本,而且减少了分解期间所产生的有毒气体的量。
③由于减少了试剂用量且采用密封系统,环境污染的可能性也大大降低,从而保证了很低的空白值。但这种密封压力消解方法也有它的缺点。
比如,特殊难溶相仍存在分解不完全的问题:
由于在加压条件下,聚四氟乙烯呈现多孔性,酸蒸气会从聚四氟乙烯管壁逸出,钢套会被腐蚀生锈,容易产生污染(建议使用质纯的聚四氟乙烯作内衬,管壁要厚,封口螺纹要长,使用新式的钢套有聚四氟乙烯涂层的封闭溶样器系统);分解容器造价偏高;分解有机物时若采用高氯酸有爆炸危险;不能分解数量大的样品;不能观察试样的分解过程。尽管封闭溶样罐有这些缺点和危险,但这种技术可以快速分解用其他方法难以或不能溶解的难熔矿物,而且具有用酸量少、污染小、空白低的显著优势。
常用的封闭压力溶样法主要有两种:
一种是在密闭的硬质玻璃管中分解;
另一种是将一个聚四氟乙烯容器放在一个不锈钢外套内,样品在管内的容器中分解。
在封闭的玻璃管中溶解:溶剂和样品密封在硬质玻璃管内,玻璃管置于敞口或密封的钢筒内,加热使样品分解。在封闭的玻璃管中将样品加热到300°C可获得高达4000磅力英寸20的压力,因此,必须采取适当的防爆措施,如可在钢简内放置某些物质(干冰或水),加热时形成气体,在玻璃管与钢壳之间的空隙产生一定的压强。这个压强可控制到与玻璃管内部物质反应形成的压强近似,压强作用到玻璃管外壁上以抵消内壁压力。
应用较多的封闭压力溶样器,是将一个特氟隆内衬溶样器封装在一个耐高压的不锈钢罐中,在PTFE容器和盖之间形成高压气密封,加入样品和酸之后,用特制钳将罐拧紧,然后放到干燥箱中加热数小时甚至数天(放置时间长短依据不同类型样品的需求而定)。
注意温度最好不要超过200°C,因为温度高于200°C,PTFE内衬易变形。
封闭压力溶样器在20世纪50年代被广泛用于分析实践,但至今仍在普遍采用和发展之中。
这主要是因为:
①容易达到并保持在较高的温度和一定压力;
②聚四氟乙烯材料是最适合酸溶的容器,耐腐蚀,空白低;
③现代仪器分析方法的迅速发展要求样品溶液中的盐分不宜过高,所以熔融法一般尽量少采用;
④痕量、超痕量元素分析要求增加,而熔融法因试剂空白较高,且熔融产物可能与坩埚壁发生不利的反应;
⑤有了制备超纯酸的新方法,可将它用于分解样品;
⑥该种溶样方法得到的溶液可测定元素种类多,既可用于测定主量成分,也可用于测定微量、痕量和超痕量元素测定;
⑦有处理大批样品的能力。
对试样分解时容器的内部压力很难实际测出,只能靠推测,但至少比水的平衡蒸气压高。如果样品中有机物质含量高,要预先用硝酸消解一下 再密封,以防内部压力急剧上升,引起爆炸。样品和试剂的量不能超过内衬容量的30%,过多的溶液产生的压力可能会超过容器的安全额定压力。待溶样罐冷却至室温后再打开,打开时应放在通风橱内小心操作。
外套的铁锈会使PTFE内衬着色,可置于3~6 mol/L盐酸中加热除色,洗净后浸在热水里除去浸入的盐酸。不锈钢外套的锈迹可用草酸或草酸盐浸泡,用超声波清洗除去。最近,有新研制的商品封闭压力溶样器出售,这种新溶样器的不锈钢外套有聚四氟乙烯涂层,克服了钢套被酸腐蚀的现象,大大减少了分析元素的污染问题。
二. 熔融法
熔融法是一种分解效率很高的分解方法,将原来不易溶的样品转变成可溶于水或酸的物质。
该法主要靠高温下固体与熔剂间发生的多相反应。其主要缺点是要求使用相当过量的熔剂,试剂本身的杂质连同坩埚等被腐蚀下来的杂质会严重污染分析溶液。
同时,样品制备期间引入了大量盐类,这就要求在分析前必须高倍稀释,因而降低了方法检出限。
熔融法分三种:
①碱金属熔融( 使用碳酸盐、氢氧化物、过氧化物或硼酸盐);
②酸熔融(使用焦硫酸盐、氟氢酸盐、硼氟酸盐或氧化硼等),常用于地质样品的消解;
③氧化还原熔融(使用混合熔剂:氧化剂或还原剂加上碱熔使用的熔剂,以及在元素硫存在下的碱熔融),常用于贵金属的消解。
碱金属熔融法很多用于植物和生物样品的分解,但大量熔剂的加入使方法检出限增高。
使用碱金属熔剂还有两个缺点:
一是过量的易电离元素,尤其是K、Na等,会引起严重的基体效应(如信号抑制)。这种基体干扰的程度甚至超过可溶性总固体引起的干扰。
二是对于ICP-MS分析来说,可能引起严重的多原子离子干扰。
碳酸钠和碳酸钾及两者等当量的混合物是碱熔法中最常用的熔剂,三者的熔点分别是850°C、980°C和500°C,也可采用碳酸氢盐代替碳酸盐。
一般碳酸氢盐容易制成纯度高的物质,并且在300°C加热就会转变成碳酸盐。碳酸盐熔融法经常用于硅酸盐样品的分解。
对坩埚的腐蚀比较严重,因为碱金属碳酸盐熔解后有一部分解成碱金属氧化物,后者会严重腐蚀坩埚。碳酸盐熔融法中最常用的是铂或铂金坩埚,加铱或铑可增加铂的机械强度,而加金或锆可增加铂的抗化学浸蚀能力。碳酸盐熔融时,有些金属被挥发,如砷和硒部分挥发,而铊和汞完全挥发。
碱金属氢氧化物是另一种极有效果的碱性熔剂,NaOH和KOH的熔点分别是328°C和360°C。
由于熔解时氢氧化物释放出水会引起熔物的喷溅,所以一般先在熔点温度下将熔剂脱水,待重新固化后再将样品放在上面。
关于熔剂的用量,一般比试样过量10倍即可,时间一般需5~15min,但对于某些难分解的矿物样品要求较长时间。
过氧化钠也是一种最有效的碱熔试剂,除了具有很强的分解能力外,熔化时还具有很强的氧化能力,将许多种阳离子氧化成最高价态。过氧化钠对坩埚的腐蚀比较严重。可预先在坩埚内表层熔成一层碳酸钠层,然后再用于过氧化钠的熔融过程,这样可提高坩埚的抗腐蚀能力。
过氧化钠熔融法常用于稀土元素分析,需经阳离子交换树脂柱进行分离,流程较长。
对于那些在碱介质中生成易溶高价酸阴离子的元素,过氧化钠熔融法有一定优点。用水浸取熔融物时易将两性元素与弱碱性元素分离开。但由于过氧化钠不易提纯,试剂空白值较高,且热解石墨坩埚为层状结构,不易清洗,反复使用的过程中有些元素的空白值不易控制,故限制了将此法用于低含量元素的测定。另外,此流程所用热解石墨埚价格昂贵,易被氧化破损,成本较高。
有些样品中的某些元素(如重稀土等元素),无论采用敞开容器酸溶法或高压封闭酸溶法,都不能保证难溶相完全分解,因此可采用酸溶和微熔融法结合的方法来解决此类问题。
通常是先采用敞开酸溶法,将溶液过滤,剩余残渣再加入少量熔剂(比如,过氧化钠或偏硼酸锂等)进行熔融处理,之后将二者溶液合并进行测定。这种方法效果很好,既采用了酸溶法空白低,盐类少的优点,又利用了熔融法解决了极微量的难溶相,同时减少了全熔融法引入大量盐的缺点。