以案例教学教给学生分析化学家的思维方式

李娜 刘锋 李克安

(北京大学化学与分子工程学院 北京 100871)

以案例教学教给学生分析化学家的思维方式

李娜 刘锋 李克安

(北京大学化学与分子工程学院 北京 100871)

以饮用水中微量As的分析为案例,说明在建立一个分析方法的过程中需要考虑的问题,以及如何评价所建立的分析方法,教给学生分析化学家的思维方式。

分析化学是测定物质的组成和结构的学科,也是研究分析方法的学科。一项分析化学任务从问题的提出到完成,一般要经过以下步骤:确定分析方法,样品采集,样品制备,样品测定以及数据分析和结果报告。分析方法首先要有足够的灵敏度和好的选择性,这两点实际上决定了分析方法的准确度。此外一个好的分析方法还需要在以下几方面具有优势:可自动化、快速以及经济等。

在讲授各种分析方法的原理时,应围绕分析方法的灵敏度与选择性以及其他分析化学特性,来介绍解决问题、达到分析目的的思维方式和方法。同时,通过一个或多个完整案例的分析,来帮助学生将学到的基本原理和方法运用到解决实际问题的分析测定工作中,这会使学生见山见水,对分析化学家解决问题的方式方法有更深的了解,在开展实际的分析工作时才可能像一个分析化学家那样思考并解决问题。而教员也就起到了“navigator”的作用。

在近百年的分析化学文献中,可以找到很多有代表性的案例。本文以水中As的测定方法为案例,具体说明在建立一个分析方法的过程中需要考虑的问题,以及如何评价所建立的分析方法。

1 确定要分析的问题

As在地壳的丰度为第 20位,在海水中的丰度为第 14位,在人体中的丰度为第 12位。As是有害元素,会引起多种严重疾病,许多国家和地区的饮用水中都可以检测到超标量的 As。世界卫生组织限定了饮用水中As的最高含量不得超过 10μg·L-1。一些水源污染比较重的地方,在自来水厂进行水处理时则需分离除 As。因此,为了监测 As的处理效果,常常需要简单、灵敏的 As的测定方法[1-2]。

对以下问题的回答能够帮助分析化学家弄清楚所要解决的问题以及欲达到的目标:(1)水中存在的As的形态有哪些?(2)处理后的水中,As的浓度有多大?(3)在检测过程中需要分析方法有多大的灵敏度和准确度?(4)水中是否存在其他可能干扰测定的物种?

被分析物的存在形态以及浓度水平决定了所选择的分析方法。在天然水中,As主要以As(Ⅲ)和As(Ⅴ)无机离子形态存在,含量在每升几十微克的水平。除了确定分析方法,还需要确定样品中是否存在可能的干扰物种。如果没有,则可以直接测定;如果有,则需要确立掩蔽或分离方法。有了以上信息,可进一步根据文献调研结果,确定最合适的样品处理方法以及最简单和最便宜的定量分析方法。

关于饮用水中As的测定以及其他样品中 As的测定方法,有各种类型的文献可以参考。综述性论文 (review)、专论 (monographs)、草案 (protocols)以及技术部门发布的实验方案都能对于理解所要解决的问题、选定样品制备步骤以及选择分析方法等有很大的帮助。分析化学领域所涉及的文献和数据库包括:化学文摘 (Chem ical Abstracts),ISIWeb of Science ,美国化学会刊物 (American Chemical Society Publications),英国皇家化学会期刊及数据库 (Royal Society of Chemistry Publishing),德国施普林格电子期刊及丛书 (SpringerLink),荷兰 Elsevier ScienceDirect以及中国的维普(V IP Information)和中国知识资源总库 (CNKI)。通过数据库检索可以知道 As的主要测定方法如下:(1)滴定分析法[3],如络合滴定法[4]、碘容量法[5-6]和电位滴定法[7]等;(2)仪器分析法[8],如原子吸收和原子发射分光光度法、紫外-可见分光光度法、电分析方法以及色谱法等;(3)联用技术如电感耦合等离子体 (ICP-MS)。在教学过程中,出于如下考虑选用了紫外可见分光光度法作为实例:(1)饮用水中 As的含量小于每升几十微克,属于微量范围;(2)滴定分析法主要分析常量组分,其灵敏度不足以测定水中的微量 As; (3)紫外-可见分光光度法简单,灵敏度可达到饮用水中微量As的测定要求,并适用于常规分析。同时该方法也是分析化学课堂上介绍的仪器分析方法之一。

下面以 2006年美国 Analytical Chem istry上发表的分光光度法测定水中痕量 As的工作[1]为具体案例,介绍建立分析方法的思路与步骤。关于紫外-可见分光光度法测定 As,该论文的作者对报道的分光光度法进行了总结:(1)钼蓝比色法[9]已被广泛应用于 As的测定,其检测限为 15μg·L-1。Dasgupta等[10]建立的基于发光二极管的分光光度法可以在mg·L-1水平磷酸根存在的条件下测定μg·L-1的As(Ⅲ)和 As(Ⅴ),通过预富集还可以进一步提高该方法的灵敏度[11]。(2)孔雀石绿 (MG+)可以与砷锑钼蓝形成离子缔合物,据此可以建立测定水溶液中As的分光光度法[12]。乙基紫在聚乙烯醇存在下与砷钼杂多酸显色反应可测定水中μg·L-1水平的 As[13]。(3)利用乙基紫与砷钼杂多酸可形成蓝色微粒而建立的目视比色法和分光光度法[14],对 As的检测限分别为 10μg·L-1和 4μg·L-1。

虽然上述文献调研的结果表明,天然水中的As含量处于分光光度法的测定范围,因此分光光度法可以用于水中As的测定。但是目前现有的方法仍需要提高检测灵敏度,以便能够对水厂处理后的水中As的浓度进行质量监测,这就是建立新的简单分析方法以满足特定情况的分析测试需要的原因之一。

2 选定分析方法

文献中一般没有现成的适合所要解决问题的方法,因此需要进行改进才能够适合实际样品的测定。在这个例子中,工作人员选择了目视比色法以及分光光度法测定水中As。作者发现:在酸性条件下,乙基紫(EV+)与同多钼酸盐-四氯化碘生成的复合物反应形成不稳定的微粒[EV-MoO2ICl2]。而As与钼酸盐形成砷钼酸盐,之后 EV+与砷钼酸盐形成稳定的蓝色微粒[(EV)3As Mo12O40]。[EV-MoO2I Cl2]进一步与[(EV)3As Mo12O40]形成稳定微粒,并在溶液中较好地分散成均一的紫色溶液。溶液的吸光度与 As的浓度呈线性关系[1,14]。

3 分析方法的建立以及评价

选定分析方法之后,经过条件优化,建立具有最佳灵敏度的方法。另一个要解决的问题是新方法的选择性问题,只有具有好的灵敏度的同时又具有好的选择性的分析方法,才能获得准确的测定结果。这个例子中,作者研究了自来水中可能的共存离子对 As的测定的干扰 (表1)。通过获得共存物质存在下As的回收率(recovery)来评价共存物质干扰的程度。从表 1可以看出,Fe(Ⅲ)、PO34-、SiO22-的干扰较严重,其他离子的存在对测定干扰不显著。对于水中As的测定,如果不分离掉 PO34-,其最大允许量仅为As的 20倍。通过弱阴离子交换树脂分离,水样中 PO34-的最大允许量提高到 12000倍。对于 S iO22-,掩蔽前的最大允许量为 As的 130倍,通过NaCl(0.02mol·L-1)掩蔽,最大允许量提高到了 6600倍。而使用 EDTA掩蔽后,Fe(Ⅲ)的最大允许量为 6500倍。实验表明,在使用离子交换分离 PO34-、使用 NaCl和 EDTA分别掩蔽 SiO22-和 Fe(Ⅲ)的情况下,测定方法具有很好的选择性。

表1 共存离子对 As(10μg·L-1)测定的影响[1]

表2 自来水和地下水水样中 As的分析结果[1]

方法的灵敏度和选择性问题解决以后,还要对方法的准确度进行考察。分析方法的准确度可以通过如下方法评价: (1)测定标准样品以确定方法是否存在系统误差;(2)与其他方法的测定结果相比较;(3)标准加入法,测定回收率,以评价方法样品制备过程以及基底是否带来系统误差。该例子中,由于水处理达标,自来水以及地下水样品中的As低于方法的检测限,作者用标准加入法测定了这两种样品中 As的回收率 (结果如表 2),结果为 96%～104%,表明作者所建立的方法可用于自来水与地下水中As的测定。作者也同时将废矿中(2个样品)和河水中(5个样品)的As的测定结果与氢化物发生-原子吸收法(HG-AAS)的结果对比,对于大部分的样品两种方法的结果比较相近。测定结果如表 3所示。

分析方法的灵敏度通常用校准曲线的斜率表示,而检测限表示在一定的置信水平下能够测定到的最小浓度。一般地,试剂空白的标准偏差被认定为噪音信号,高于其 3倍的测定信号则被认为是由被分析物引起的(对应于 98.3%的置信水平),即为检测限。校准曲线的线性范围下限从检测限开始,上限规定为实际曲线偏离拟合曲线的 5%时所对应的浓度。在这个例子中,作者所建立的目视比色法的校准曲线的上限为 20μg·L-1,检测限为 1μg·L-1。而分光光度法的校准曲线的上限为 20μg·L-1,检测限为 0.5μg·L-1。检测限约降为已报道的分光光度法的 12%。比色法和分光光度法在灵敏度上均能达到对水厂处理出口端水中As的质量监测要求。

表3 废弃矿水和河水水样中 As的分析结果(2倍稀释)[1]

4 被分析物的形态分析——分析方法的更高境界

通常情形下,一个有毒性的元素并不是其所有的化合态都有毒性,或者说并不是所有的化合态的毒性都是一样的。如果一个分析方法能够分别测定一个元素不同化合态的量,那分析结果将为科学研究、立法和决策等提供更有力的科学依据。As主要有 3种原子价 (-3,+3, +5),As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)广泛存在于自然水体中,3价化合物一般比 5价化合物毒性大[15]。因此,分别测定两种氧化态下的As的含量是必须的。从前面的测定的化学原理介绍中知道,前面的反应中As均是以 5价状态参与显色反应的,所以测定的结果仅是As(Ⅴ)的含量。在这个实例中,作者使用建立的方法对Amemasu河(41.59°N,140.46°E)上的4个不同位置的水样中不同价态的As含量分别进行了分析。通过碘酸钾预氧化的方法将 As(Ⅲ)全部转化为As(Ⅴ),然后测定样品中总的 As含量。同时在不经预氧化的情况下,直接测定 As(Ⅴ)的含量。As(Ⅲ)的含量由总As含量减去As(Ⅴ)含量获得。测定结果如表 4。作者将使用所建立的分析方法的测定结果与氢化物发生-原子吸收法(HG-AAS)的结果对比,结果比较相近。

表4 河水中 As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)的分析(μg·L-1)[1]

以上实例给学生展示了建立一个分析方法所必须经过的步骤,希望这个实例能够帮助学生了解建立分析方法的思路,使学生在掌握基本原理和方法的基础上,具备一定的分析化学家的素养。

[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

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[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] 赵希珠,许生杰,袁秀顺.环境化学,1987(5):70

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

[15] 张永忠,郭雄.国外医学(医学地理分册),2007,28:49