中 国 地 质 大 学
研究生课程论文封面
课程名称 环境分析化学
教师姓名 李季
研究生姓名 刘星
研究生学号 120131362
研究生专业 化 学
所在院系 生环国重
类别: B. 硕 士
日期: 2014 年 4 月 10 日
评 语
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环境中硒的分析技术
摘要
本文先简单介绍了环境中硒元素以及各种形态硒的分布情况。接下来就近年来国内外硒的分析方法进行了综述, 着重介绍了吸光光度法、荧光光度法、原子吸收光谱法、电化学分析法。再然后介绍了色谱法、中子活化法、电感耦合等离子体质谱法、仪器联用技术对硒的形态分析技术。
关键词：硒、形态分析、光谱法、电化学分析法、色谱法、联用技术、综述
目录
1 引言 .............................................................................................................................................. 1
2 分析方法....................................................................................................................................... 1
2. 1吸光光度法 . ....................................................................................................................... 1
2. 2 荧光光度法 . ...................................................................................................................... 2
2. 3 原子吸收光谱法 . .......................................................................................................... 3
2. 3. 1 石墨炉原子吸收光谱法 . .................................................................................. 3
2. 3. 2氢化物发生原子吸收光谱法 . ............................................................................... 3
2. 4 电化学分析法 . .............................................................................................................. 4
2. 4. 1 溶出伏安法 . ...................................................................................................... 4
2. 4. 2 极谱法 . .............................................................................................................. 4
2. 4. 3 电位分析法 . ...................................................................................................... 4
2.5色谱法 . ................................................................................................................................ 5
2.6中子活化法 . ........................................................................................................................ 5
2.7电感耦合等离子体一质谱法 . ............................................................................................ 5
2.8联用技术 . ............................................................................................................................ 6
参考文献........................................................................................................................................... 7
1 引言
硒(Se)是一种非金属元素。1817年，瑞典的贝采利乌斯从硫酸厂的铅室底部的粘物质中制得硒。硒与它的同族元素硫相比，在地壳中的含量很少呈分散状态，常与天然硫共生，主要以金属的硒化物存在。硒矿呈单质状态存在是非常少见的，我国的湖北恩施是全球目前唯一的硒单质成矿的地区。硒有多种同素异形体。还原硒的氧化物，得到橙色无定形硒; 缓慢冷却熔融的硒，得到灰色晶体硒; 在空气中让硒化物自然分解，得到黑色晶体硒。
在世界绝大多数地方的土壤中含有硒，如矿物、生物活动、海底石岩。硒的同素异形体有灰色或红色多种，硒在水中以无机的负二价、四价、六价及一些有机的形式存在，有极微量的元素硒也可能在固体的颗粒物上附着，天然水中一般有四价、六价的硒，大多数含量在1 u g/L以下，流经含硒量高的个别水体地层受含硒废水的污染，硒含量高达100 u g/L。含硒废水主要来自精炼铜、炼油、特种玻璃行业及制造硫酸。废水中往往含有各种价态的硒，含量为几十至数百微克/升。
在地下水和地表水中，硒的含量范围在0. 06-400 u g/L，有的甚至高达6000 u g/L。随着城市化的发展，硒污染水体的现象越来越严重，硒超标的水体也将日趋增多。工业废水中硒的主要来源存在于应用硒或生产硒的行业，如火力发电、炼油、冶炼含硒金属矿石、特种玻璃及颜料、制造硫酸等行业。另外，人体健康与其血硒浓度有很大关系，因此准确的对硒进行形态、定量分析是非常重要的。
2 分析方法
硒常用的分析方法有吸光光度法、荧光光度法、原子吸收光谱法、电化学分析方法等。
2. 1吸光光度法
吸光光度法通常利用硒(Ⅳ) 在酸性介质中与某些邻芳香二胺类试剂如3,3′-二胺基联苯胺(DAB) 、2,3-二氨基萘(DAN) 等反应生成难溶于水的有色配合物, 然后用环己烷或甲苯等溶剂将其萃取至有机相中再进行吸光度的测定, 该类显色反应对硒几乎是特效, 但由于灵敏度较低, 因此该法只能用于测定硒含量较高的样品。
利用硫氰酸盐和碱性染料作为显色体系测定硒的吸光光度法也有报道, 黄胜堂1研究了在表面活性剂吐温-80存在下, 硒(Ⅳ) 与碘化物和罗丹明B 可形成紫红色三元离子缔合物, 通过测定该缔合物在580nm 波长处的吸光度, 实现了血清、尿液中微量硒含量的测定, 其摩尔吸光
系数为4.66×105L ·mol -1 ·cm - 1。刘黎2的研究表明, 阿拉伯树胶作为表面活性对硒(Ⅳ)-I - -孔雀绿形成的配合物能起到很好的增溶增敏的作用, 据此, 测定了中草药灵芝和黄芪中硒的含量, 其摩尔吸光系数为2. ×105L ·mol - 1·cm -1 , 配合物的吸光度至少稳定24 h不变。
近年发展起来的催化动力学光度分析对于提高硒的光度分析灵敏度起到了积极的作用。催化光度法是利用硒催化加速或阻抑某一化学反应速度, 而速率大小与催化剂的浓度存在一定关系, 待反应进行一段时间后停止反应, 通过测定溶液吸光度, 进而实现硒的定量测定。该法灵敏、设备简单, 易于推广34。白林山等5研究了在室温25℃时硒对KBrO 3 氧化靛蓝胭脂红褪色反应的催化作用及氯化钠的活化作用, 测定了茶叶中硒的含量, 检出限为0. 02 mg·L -1。在硝酸介质中, 利用痕量硒(Ⅳ) 催化溴酸钾氧化罗丹明B 的褪色反应及动力学条件, 建立的动力学光度法测定痕量硒(Ⅳ) 的方法, 其灵敏度为0. 905μg ·L -1 , 测定范围0～96μg ·L - 1 , 已用于测定抗癌草药中的硒(Ⅳ) 的测定, 获得了满意的结果。
2. 2 荧光光度法
荧光光度法主要是利用硒(Ⅳ) 与2 ,3-二氨基萘(DAN) 在pH 1～2 的酸性条件介质中于高温下反应15～20 min ,通过测定硒(Ⅳ) 与DAN 生成的4 ,5-苯并苤硒脑的荧光强度实现硒的测定。谢建炜等研究发现在硒( Ⅳ) 与DAN 形成的配合物中加入β-环糊精和少量1 ,2-二溴丙烷，能形成强荧光强度的溶胶，应用这一体系, 可不经有机溶剂萃取直接用于水溶液痕量硒的测定。
荧光光度法灵敏度高, 其检出限可达0.01μg ·L -1 , 但分析时间长6, 且所需试剂DAN 毒性大, 价格昂贵, 稳定性较差, 溶液中不能有强氧化剂或还原剂共存, 否则, 测定前需加入掩蔽剂或进行预分离。在弱酸性条件下, 利用邻二氮杂菲与硒(Ⅳ) 反应形成的络合物在一定激发光波长下产生的荧光强度与硒(Ⅳ) 的浓度呈正比, 测定了样品中硒的含量, 检出限为10×10 - 9 mol ·L -1 ,线性范围0～8×10 mol·L -1 。
应用催化动力学测定硒常采用分光光度法。催化荧光法用于痕量硒的测定少见报道。本文发现在稀硝酸介质中, 溴酸钾氧化藏红T 使其荧光强度减弱, 硒(Ⅳ) 对此反应有抑制作用, 使其荧光强度增大。据此研究了反应的动力学条件及共存离子基于稀硝酸介质中溴酸钾氧化藏红T, 使其荧光猝灭, 硒(Ⅳ) 对此反应具有阻抑作用, 使荧光强度增大, 建立了催化荧光法测定痕量硒(Ⅳ) 的新方法。方法检出限为0. 12μg ·L -1 ,线性范围为0. 5～10μg ·L -1 。方法可用于测定水样中的硒(Ⅳ) 。近年来, 氢化物-发生原子荧光法( HG-AFS) 得到了广泛应用。与荧光法测硒相比, 该法具有简便、快速、干扰少等优点, 避免了环己烷、甲苯萃取等繁琐环节, 同时也减少DNA 等有机试剂对环境造成污染。氢化物发生-原子荧光法检出限比较低, 已用于食品7、合金8、生物样品9、环境水样等试样中硒的测定。为了进一步提高HG-AFS 法测定硒的灵敏度, 贾志刚10等采用断续流动注射氢化物发生荧光光谱法, 研究了十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂对硒氢化物产生的影响, 发展了一种灵敏度高、选择性好的测定硒的方法, 试验结果表明, 与在水相的测定结果(0. 079μg ·L -1) 相比, 在表面活性剂存在下, 荧光强度
可提高23 %,检出限可达0. 027μg ·L -1 。
2. 3 原子吸收光谱法
原子吸收光谱法是利用硒的基态原子吸收特定波长光的性质而进行定量分析, 由于常规火焰原子吸收光谱法灵敏度较低, 只能用于高含量硒的测定。原子吸收光谱法测定硒常采用的方法是石墨炉原子吸收光谱法和氢化物原子吸收光谱法。
2. 3. 1 石墨炉原子吸收光谱法
该法的检出限约为0. 005 μmol ·L -1 ,具有很高的灵敏度, 但由于硒是极易挥发性的一种元素, 用石墨炉原子吸收光谱法测定时, 在灰化阶段有严重的挥发损失, 因此测定结果的准确度一般比较差。Ediger 最早提出以镍为硒的基体改进剂, 使硒形成热稳定的硒化物, 从而有效地控制了硒的挥发损失, 提高了硒的灰化温度, 减少了基体干扰。目前, 常用的基体改进剂除了镍, 还有铜、铅、钼、银、镧、铜/ 锰、铜/ 铁、镍/ 锰、钯/ Vc 、钯/ 铜、铂/ 镍等, 任建成等11采用Pd (NO3 ) 22Triton X2100作为硒的基体改进剂, 使灰化温度可提高到1200℃, 吸光度提高2.92倍, 同时利用塞曼效应校正背景, 可有效地消除磷、铁等的光谱干扰, 成功测定了饮料中硒的含量。采用Ni (NO3) 22Triton X2100 作为硒的基体改进剂, 灰化温度可提高到1100 ℃, 有效的消除了背景干扰, 方法的检出限可达9. 7 pg·g -1 , 特征量达8.7 pg12 。
2. 3. 2氢化物发生原子吸收光谱法
硒元素的分析线处于远紫外区，在常规火焰原子吸收光谱法测定中将产生严重的背景吸收，使信噪比严重降低, 因此, 常规原子吸收光谱法测定硒的灵敏度较低, 很难满足实际需求。1969 年, Holak 利用氢化物发生技术测定了砷, 此后, 人们又将这一技术应用于硒、锑、铋、锗、铅、锡、碲的测定。其测定方法是在酸性介质中，选用适当的还原剂将硒( Ⅳ) 等还原为H 2Se 挥发性气体, 使待测元素与基体分离，干扰明显降低, 同时这些气体极易解离，在较低的温度下就可实现硒的原子化。目前, 常采用的还原剂为NaBH 4-HCl 或KBH 4-HCl 体系，常用的氢化物原子化器有火焰原子化器、外焰加热石英原子化器, 管内火焰原子化器、电热石英管原子化器和石墨炉原子化器13。氢化物发生-原子吸收光谱法测定硒的灵敏度可达0.2 nmol ·L -1。为了提高H G2AAS 测定的灵敏度和精确度, 张宝贵等14研制出一种新型的氢化物发生器, 该仪器的特点是在负压下产生和收集硒化氢并采用低压电加热使其原子化。由于该方法消除了普通HG-AAS 法使用载气所产生的稀释作用和在载气压力下硒化氢自反应液中释放不完全等因素的影响, 提高了测定的灵敏度。提高HG2AAS 测定硒灵敏度的另一途径是把反应生成的H 2Se 预富集, 再集中释放, 一般采用液氮冷阱捕集15, 检出限可达6.4×10 - 5μmol ·L - 1 。将流动注射技术与氢化物发生原子吸收光谱法联用16, 不仅可以减少干扰和试剂用量, 而且大大提高了分析的灵敏度和自动化程度, 分析速度可达30～70 个·h - 1水样17 。
2. 4 电化学分析法
电化学分析方法是利用硒(Ⅳ) 的氧化还原性进行测定的。主要有溶出伏安法、极谱法和电位分析法, 其中极谱法、溶出伏安法灵敏度高, 应用范围广。
2. 4. 1 溶出伏安法
溶出伏安法是采用三电极体系, 将待测离子通过电解富集到工作电极上, 然后在反相扫描电压作用下使富集的待测离子溶出, 从而实现测定。溶出伏安法测硒常采用阴极溶出伏安法, 工作电极采用悬汞电极, 其工作原理是:在酸性介质中, 硒(Ⅳ) 发生如下反应:
SeO 2-3 + 8H+ + 6e—H 2Se + 3H2O -
H 2Se + Hg —HgSe + 2H+ + 2e-
通过上述反应, 硒被沉积在电极表面, 然后, 在-0.45V(以Ag-AgCl 电极为参比电极) 反向电压下有一溶出峰, 根据峰高与硒浓度间的线性关系, 实现硒的定量测定, 灵敏度可达1×10-3μmol ·L -1。以悬汞电极为工作电极, 对人体具有一定的毒害性, 同时, 溶出峰形易分裂, 这对测定带来一定的困难。徐晖18等采用银电极为工作电极, 在酸性介质中于-0.35 V ( vs. SCE) 处电沉积硒, 然后, 在碱性介质中以40 mV·s -1的速度反相扫描至-0.85 V使硒溶出测定, 该法检出限为11.5 ng·L -1 ,无需富集, 实现了环境水样中痕量硒的测定。银电极较汞电极处理简单, 毒害小, 且能保证固体表面积具有良好的重现性。
2. 4. 2 极谱法
利用硒(Ⅳ) 在滴汞电极上产生一个非常灵敏的极谱波进行分析。汪模辉19等以HNO 3-HClO 4 为溶解试剂采用微波消解方法快速分解茶叶及大麻笋试样, 并以Na 2SO 3-NH 4 Cl-HClO 4-KIO 3 为底液, 采用二阶导数法测定, 试验表明, 硒的浓度在0～2.0μg ·L -1范围内, 浓度与峰电流呈良好的线性关系。微波脉冲催化极谱法是近年发展起来的一种极谱分析法, 井乐刚20等利用该方法测定了富硒大米中痕量硒, 检出限可达0. 1μg ·L -1。
2. 4. 3 电位分析法
离子选择性电极测定硒已有报道, 但大多数基于催化动力反应进行间接测定, 董文举21 等采用通用的硫离子选择性电极检测硫离子浓度的变化速率, 进行硒的催化动力学研究。直接测定SeO 2 -3 离子的电极比较少见, 蔡乾涛22等以4 ,6-二溴代苤硒脑为电活性物质, 邻苯二甲酸二丁酯为增塑剂,PVC 为支持体研制了一种亚硒酸根离子选择性电极, 电极对硒的检出限为1. 0×10 -3 mol·L -1 ;Ashtamkar 等23报道的SeO 2 -3 离子选择性电极以1 ,8-二氨基萘为电活性物质。利用硒的难溶化合物为敏感材料所研制的电极对溶液中硒(Ⅱ) 具有选择性响应, 借助于氢化物发生器将SeO 2 -3 转化的硒化氢, 通入N 2气将产生的H 2 Se 导入碱性溶液吸收
后再进行电位测定, 这样可使硒与基体分离, 从而提高测定结果的准确度。电极制备简便, 使用寿命长, 检出限为3. 5×10 - 4 mol·L - 1 ,可用于食品中硒的测定。电位分析法测定硒的灵敏度比较低, 一般只用于高含量试样分析, 对于低含量硒的样品, 可预富集后再进行测定。
2.5色谱法
色谱法是一种以分离平衡为基础的分离方法，它采用固定相和流动相不同的特点，当两相做相对运动时，反复多次利用混和物中所有组分分配平衡的差异使彼此分离。色谱法中对硒进行分析的方法有高效液相色谱法（HPLC ）、气相色谱法（GC ）、离子交换色谱法和薄层色谱法，但比较常用的是高效液相色谱法和气相色谱法。高效液相色谱法是测定环境中硒的有效方法，主要用来分析有机态硒，它具有高压、高速、高灵敏度的特点。Lindemann
的研究中，提出用HPLC/MS-MS联用的方法测定硒的形态。叶毓琼等24指出，Bel 用HPLC 的方法测定了某种抗肿瘤药中硒鸟苷含量，使用的色谱柱为Partisil-105cx ，咖啡因做内标，于245mm 处检测。气相色谱法具有高选择性，高效，高灵敏度，简便快速和耗费低的特点，它主要测定挥发性的烷基Se （Ⅳ），如甲基硒、乙基硒等，其它形态的硒需氧化还原为Se （Ⅳ），再通过反应转变为烷基Se （Ⅳ），萃取分离在有机相中，直接进入色谱检测。靳利娥用气相色谱法测定枸杞中的硒，认为该法简单、灵敏、选择性高，其方法的检测限可达
8. 6×10-11g ，回收率为101.95~104.7%。
2.6中子活化法
中子活化法(NAA)的优点是所需样品量极微，对样品无损伤、准确，并能同时分析多种元素，灵敏度很高，对硒的检出限可达10-8～10-9g 。 Sun YC25等利用中子活化法测定了Se(IV)的含量。
2.7电感耦合等离子体一质谱法
电感耦合等离子体一质谱法(ICP-MS)是20世纪80年代发展起来的一种理想的多元素同时检测技术，在痕量元素分析中具有独特的优越性。但是复合离子干扰使得传统的ICP-MS 测硒时一般只能检测丰度较低的82Se ，灵敏度受到限制，目前新型的质谱仪在四极杆滤质器前添加碰撞池系统，能有效地消除复合离子的干扰，使测定结果更准确。Anderson S L26等通过采用样品交替进入氢化物发生器或气动雾化装置，再用ICP-MS 分别测定了能或不能形成氢化物的硒含量。Santosa Sj27等利用连续流动-HG-ICP-MS 测定了海水中的Se(1V)，并且以甲醇为基体改进剂提高了测定灵敏度，检出限为0．5 ng·L 。
2.8联用技术
与单一的检测技术相比，联用技术通常能将高灵敏度的检测技术和高选择性的分离技术相结合，具有更强的分析能力，并有助于硒形态分析的灵敏度和准确度的改善28。目前，具有高分辨能力的技术(如色谱、毛细管电泳等) 和高灵敏度的检测技术(如ICP_MS等) 相结合，在痕量硒的分析中已得到充分应用。这种联用技术是直接测定，可以避免差减法所带来的误差。(1)毛细管电泳技术毛细管电泳(Capillary E1ectrophoresis，简写CE) 又称高效毛细管电泳(HPCE)是20世纪80年代问世的一种高效液相分离法，具有简单、高效、快速和微量等特点，这些特点使得它迅速成为一种极为有效的分离技术，已经被用于环境样品中硒化合物的分离。Mickalke B 29等比较了CE ／ICP-MS 和CE-电喷雾离子化质谱(ESI-MS)两种方法对于硒的形态[硒代蛋氨酸(SeMet)，硒代胱氨酸(SeCys)和硒代胱胺(SeCM)]分析的优缺点，发现CE ／ICP-MS 系统的检出限比CE ／ESI-MS 系统好102～103倍。Lu C yE42]30等采用CE ／HG-AFS 在线联用技术分析了Se(VI)与Se(1V)，且Se(Ⅵ) 通过在线还原后测定，检出限分别为Se(Ⅵ)33μg ·L-1和Se(IV)25μg ·L 一1。高效液相色谱技术高效液相色谱(HPLC)在常温下操作，避免了GC 中不稳定化合物的热分解。同时，它具有更多的可调试验参数，使它适合于绝大多数硒化合物的分离分析。FAAS 、GFAAS 、HG-AAS 、HG-AFS 和ICP_MS是常用的检测器。 (3)气相色谱技术气相色谱法(GC)适合于挥发性有机硒化合物的分离分析，具有较高的灵敏度和选择性，但与试剂的选择密切相关。Gomezariza J L 31等对三种Se(IV)的衍生试剂作了比较，发现用4-氯-1，2-苯乙烯二胺时GC-MS 测定的灵敏度最高。
参考文献
1
2
3
4
5
6
7
8
9 黄胜堂. 高灵敏. 数理医药学杂志[J ] , 1999 ,12 (2) :153. 刘黎. 化学研究与应用[J ] , 2000 ,12 (2) :218. 许卉, 贺萍. 分析化学[J ] , 1999 ,27 (5) :540. 刘长久, 严进. 分析化学[J ] , 1997 ,25 (5) :615. 白林山, 胡晓翠. 现代仪器[J ] , 2001 ,5 :56. Rodriguez E M , Sana M T , Romero C D. Talanta [J ] , 1994 ,41 (12) :2025. 周虹, 赵虹, 胡奇林, 等. 宁夏大学学报[J ] , 2001 ,22 (4) :419. 袁园, 郭小伟, 童开源. 分析化学[J ] , 1998 ,26 (3) : 259 . 邹菁, 张平, 杨志刚, 等. 分析试验室[J ] , 1998 ,17 (5) :84.
张苒. 现代科学仪器[J ] , 2000 , (6) :45.
任建成, 王怀友, 张晓凯, 等. 光谱学与光谱分析[J ] , 1997 ,17 (4) :92.
周林爱, 潘雅玲, 方舟舫. 光谱学与光谱分析[ J ] , 2004 ,21 (1) :76.
孙汉文. 原子吸收光谱技术[M] . 北京:中国科学技术 出版社, 1992. 119 .
张宝贵, 王新省, 彭霓虹, 等. 中国环境监测[ J ] , 1995 ,11 (5) :21.
邓世林, 李新凤, 郭小林. 分析试验室[J ] , 2003 ,22 (2) :54. [1**********]5
16 Tao G H , Hansen E H H. Analyst [J ] , 1994 ,119 (3) :333.
17 Berg C M G2Van2Den , Khan S H. Anal Chim Acta [J ] , 1990 ,231 (2) :221.
18
19
20
21
22
23 徐晖, 张必成, 王升富. 环境化学[J ] , 2001 ,20 (4) : 386. 汪模辉, 郎春燕, 雷琴. 分析试验室[J ] , 2001 ,20 (4) : 22. 井乐刚, 阿城, 王静. 食品科学[J ] , 2002 ,23 (9) :22. 董文举, 周漱萍, 李建伟, 等. 河南师范大学学报[J ] ,1994 ,22 (3) :44. 蔡乾涛, 纪月玲, 施文赵, 等. 华中理工大学学报[J ] ,1992 , (2) :153. Ashtamkar S M , Thakkar N V. Society for Advance2 ment of Elect rochemical Science and Technology[J ] ,2000 ,35 (3) :107.
24
25
26
27
28
29
30
31 孙汉文. 原子吸收光谱技术[M] . 北京:中国科学技术出版社, 1992. 119 . Sun Y C，Yang J Y．Anal Chim Acta[J]，1999，395(3)：293—300． Anderson S L，Pergantis SA Talanta[J]，2003，60(4)：821-830． Santosa S J，Mokudai H，Tanaka S．J Anal At Spectrom[J]，1997，12(4)：409—415． 牟仁祥，陈铭学，朱智伟．光谱实验室[刀，2004，21(1)：27-35． Mickalke B，Schramel O，Kettrup A Fresnius J Anal Chem[J]，1999，363(5／6) ：456—459． Lu C Y，Yan X P．Electmphoresis[J]，2005，26(1)：155-160，2005． Gomezariza J L，Pozas J A，Giraldez L，et a1．Talanta [J]，1999，49(2)：285—292． 7