原子荧光法测汞的试剂影响分析

(河北省廊坊环境监测中心，廊坊 065000)

汞及其化合物属于毒性物质，过量的汞被人体摄入后，会损害肾脏、心脏、甲状腺等器官，甚至造成神经系统紊乱和慢性汞中毒[1]。同时，汞污染具有远距离迁移性、持久性及高生物富集性等特性，通过排放废水、废气、废渣等方式进入自然环境，对水体、空气、土壤、动植物等造成危害。因此，汞被联合国环境规划署列为全球性优先控制污染物，成为全世界广泛关注的环境污染物之一[2]。在我国，水体汞污染主要是由工业废水排放引起的，有研究指出，吉林松花江流域、贵州万山地区等都曾受过严重汞污染，已出现人群汞中毒病例报告[3]。鉴于此，《污水综合排放标准(GB 8978—1996)》规定汞排放浓度不得超过0.05 mg/L[4]。因此，不断提高测量技术，准确测定水中汞含量，对人体健康和环境安全具有重要的意义。

目前，我国研究人员对汞的测量方法进行了大量的研究，包括分光光度法、冷原子吸收光谱法、冷原子荧光法、阳极溶出伏安法、电感耦合等离子体质谱法以及生化检测方法等[5]。其中，原子荧光法具有检出限和测定下限低、灵敏度高、干扰因素少、操作简便等优点，是国内环境监测领域普遍采用的测汞方法。然而不同实验室的环境参数、仪器类型、测量条件等存在差异，因此需要不断优化测量条件，提高分析灵敏度和精密度。在测量过程中会受到一些因素的影响，其中，硼氢化钾和盐酸浓度的影响较为关键。本研究从化学角度和数理统计角度分析试剂的影响，确定最佳浓度，以满足测量天然水体中痕量汞的测定要求。

1 实验方法

1.1 原理

在酸性介质中，二价汞离子被硼氢化钾还原成汞原子，由载气(氩气)带入原子化器，氢气与氩气在点火装置作用下形成氩氢火焰。在汞空心阴极灯照射下，基态汞原子受激发并跃迁至高能态，然后由去激发由高能态跃迁至基态时，产生具有特征波长(253.7 nm)的原子荧光。在一定范围内汞浓度与荧光强度成正比，由此可测量汞浓度。

1.2 仪器与试剂

1.2.1 仪器参数(表1)

表1 仪器参数

1.2.2 试剂

1)实验用水：电导率为18 mΩ·cm的去离子水；

2)盐酸、硝酸、硼氢化钾、氢氧化钾均为优级纯；

3)汞标准溶液：100 mg/L，由环境保护部标准样品研究所提供；

4)汞固定液：0.5 g重铬酸钾溶于950 mL水，加入50 mL硝酸，充分混匀；

5)汞标准储备液：量取10.0 mL汞标准溶液至500 mL容量瓶中，用汞固定液稀释至标线，充分混匀，该溶液的汞浓度为2.0 mg/L；

6)汞标准中间液：量取2.5 mL汞标准储备液至250 mL容量瓶中，用汞固定液稀释至标线，充分混匀，该溶液的汞浓度为20.0 μg/L；

7)汞标准使用液：量取5.0 mL汞标准中间液至100 mL容量瓶中，加入体积分数5%盐酸定容至标线，充分混匀，该溶液的汞浓度为1.0 μg/L；

8)本实验所用仪器可自动配制标准溶液系列，汞浓度分别为0.1 μg/L、0.2 μg/L、0.4 μg/L、0.8 μg/L、1.0 μg/L；

9)汞标准质量控制样品(编号202036)：量取10.0 mL该溶液至250 mL容量瓶中，加入3 %硝酸定容至标线，充分混匀，该样品浓度范围为6.68±0.73 μg/L，由环境保护部标准样品研究所提供。

1.2.3 实验步骤

按照表1内容设置仪器参数，根据仪器操作规程进行测量。

2 结果与讨论

2.1 硼氢化钾浓度对荧光强度的影响

在酸性条件下，样品溶液中的汞(Hg)与硼氢化钾(KBH4)反应生成汞蒸气。化学反应方程式如下：

KBH4+3H2O+H+→H3BO3+K++8H

(1)

8H+Hg2+→Hg↑+3H2↑+2H+

(2)

在碱性条件下，硼氢化钾可将离子态汞还原成原子态汞。由朗伯-比尔定律可知，汞浓度与荧光强度成正比，当汞浓度变化时，荧光强度也随之变化，因此硼氢化钾浓度也会对荧光强度产生影响。硼氢化钾浓度过低，汞难以被充分还原，导致荧光强度偏低；浓度过高，产生大量的氢气会稀释汞浓度，同样导致荧光强度降低。硼氢化钾浓度的确定，应满足两个要求，一是硼氢化钾浓度应是稍过量的，使样品溶液中的汞被充分还原；二是硼氢化钾溶液为临用现配，在测量结束后往往会有剩余，在充分还原汞的前提下，应减少试剂消耗量，降低对环境的污染。不同研究者对硼氢化钾最佳浓度进行了研究，研究结果见表2。

表2 不同试剂浓度及仪器参数比较

续表2

注：“—”表示作者未提供该数据；“*”表示硝酸浓度。

研究表明，除硼氢化钾浓度外，实验室温度、盐酸浓度、负高压、灯电流、原子化器高度等因素也对测量结果造成影响[6-12]。胡刚等[13]研究表明，负高压增大、灯电流减小，以及原子化器高度降低，都会导致仪器信号噪声增大，灵敏度降低。纪久成等[14]研究表明，环境温度、湿度，以及光漂移也对测量值造成影响。在不同实验条件下，各研究者分析了硼氢化钾的最佳浓度，其变化范围为0.1～20 g/L。尽管差异较大，但曲线的相关系数都大于0.999，符合《水质 汞、砷、硒、铋和锑的测定 原子荧光法(HJ 694-2014)》中大于或等于0.995的规定[15]。在环境监测领域中，一般用曲线相关系数作为精密度的指标，用曲线斜率作为灵敏度的指标。部分研究者以曲线相关系数和斜率为指标来确定硼氢化钾最佳浓度。然而，仅以该指标作为评价方法，笔者认为缺乏严谨性。例如，原子荧光光谱仪中的汞灯存在光漂移现象，荧光强度随着测量次数增加而升高，即使相关系数符合规定要求，但变化了的荧光强度会影响样品测量结果，导致误差增大。为更准确评价硼氢化钾浓度的影响，本研究运用数理统计方法中的标准偏差和离散系数，结合相关系数和斜率进行综合判断。按照表1内容设定仪器参数，并配制不同浓度的硼氢化钾溶液，按照臧慕文[16]推荐的测量次数，每种浓度分别测量4次，得出各点浓度及校准曲线，以此分析硼氢化钾浓度对荧光值的影响。实验结果见表3。

由表3可知，硼氢化钾浓度从0.1 g/L到15.0 g/L变化时，斜率变化范围为841～1340，相关系数变化范围为0.9996～1.0000，说明各浓度硼氢化钾线性拟合度较好。在统计学中，用斜率表征测量方法的灵敏度，灵敏度越高，单位浓度待测物质变化引起的测量信号响应量越大，反之越小。对硼氢化钾各浓度对应的曲线斜率求平均值，计算结果见表3。当硼氢化钾浓度为0.1 g/L时，灵敏度最高，其值为1321；浓度为15.0 g/L时，灵敏度最低，其值为854。可见，随着硼氢化钾浓度升高，平均斜率呈下降趋势。根据式(1)和式(2)反应原理，硼氢化钾浓度升高时，稀释了原子态汞的浓度，从而降低了汞的荧光强度，灵敏度降低。朱茂森等[7]研究结果表明，当硼氢化钾浓度从0.3 g/L升高到20.0 g/L时，曲线的斜率逐渐降低，与本研究结果一致。从灵敏度角度分析，测量溶液中的汞应尽量使用低浓度硼氢化钾，以提高测量精确度。

表3 硼氢化钾浓度测量结果

续表3

然而，灵敏度越高不代表测量效果越好。当灵敏度高时，若曲线波动较大，会导致误差增大，稳定性和可靠性降低。引用数理统计中标准偏差和离散系数进行分析，可量化评价测量结果的稳定性和可靠性。标准偏差用来表征该组数据的离散性，计算方法见式(3)；当不同组数据的平均水平相差较大时，可用离散系数来评价其离散性，计算方法见式(4)。

(3)

(4)

根据式(3)和(4)计算斜率的标准偏差和离散系数，计算结果见表3。结果表明，当硼氢化钾浓度从0.1 g/L到15.0 g/L变化时，斜率的标准偏差变化范围为8.4～15.0 %，离散系数变化范围为0.007～0.017。当硼氢化钾浓度为0.5 g/L时，标准偏差和离散系数最低，分别为8.4 %和0.007，表明曲线斜率在该浓度点变化较稳定，可靠性较高。当硼氢化钾浓度为0.1 g/L和15.0 g/L时，标准偏差和离散系数均最高，表明硼氢化钾浓度对曲线斜率有重要影响。浓度过低，虽然斜率最高，但波动较大；浓度过高，硼氢化钾已稀释了汞蒸气浓度，降低了斜率，可靠性较低。因此，当曲线相关系数满足规定要求、灵敏度较高，且标准偏差和离散系数较低时，在测量河流、地下水等天然水体中痕量汞时，可适当降低硼氢化钾浓度。本实验确定硼氢化钾最佳浓度为0.5 g/L，与《水质 汞、砷、硒、铋和锑的测定 原子荧光法(HJ 694—2014)》中10.0 g/L的规定浓度相比，消耗量降低了95 %。潘腊青等[6]研究的最佳浓度为0.1 g/L～0.7 g/L，朱茂森等[7]研究的最佳浓度范围为0.3 g/L，均与本研究结果相差不大。

2.2 硼氢化钾浓度和盐酸浓度对空白值的影响

胡刚等[14]研究结果表明，盐酸浓度过高，导致空白荧光值难以达到空白判定值要求，测量结果不确定度增大，可靠性降低。尚立成等[17]研究表明，硼氢化钾浓度越高，空白值越高。本实验分别配制0.1 g/L、0.5 g/L、1.0 g/L、5.0 g/L、10.0 g/L 5种浓度的硼氢化钾(氢氧化钾浓度为0.5 %)，并分别配制3 %、5 %、7 %、9 % 4种浓度的盐酸，通过测量汞空白值来分析其变化趋势。分析结果见图1。

图1 盐酸浓度与硼氢化钾浓度对空白值的影响

由图1可知，当硼氢化钾浓度不变时，随着盐酸浓度升高，空白荧光值呈先下降后上升的趋势，盐酸浓度为5 %时空白荧光值最低。盐酸作为载流，有两方面作用，一是使硼氢化钾在酸性条件下维持稳定的分解速率，二是使汞元素保持一定的价态。在5 %盐酸浓度下，硼氢化钾可维持较高的分解速率，且汞在反应过程中保持稳定的价态，这些因素有利于降低空白荧光值，浓度过低或过高都会导致空白荧光值升高。因此，5 %盐酸浓度可作为载流的最佳浓度。此外，由图1可知，盐酸浓度一定时，随着硼氢化钾浓度升高，空白荧光值也随之升高。这也可以解释本文上节中硼氢化钾浓度升高则汞荧光值降低的现象，由于汞荧光强度是扣除空白值后得到的结果，当空白值升高时，汞荧光强度相对降低，灵敏度也相应降低。

2.3 标准溶液和质量控制样品的测定

本研究中，当硼氢化钾浓度为0.5 g/L、盐酸浓度为5 %时，仪器的灵敏度和稳定性较高。在不改变仪器参数条件下，分别测量0.25 μg/L、0.50 μg/L浓度的标准溶液及质量控制样品(编号202036)。测量结果见图2及表4。

图2 汞标准曲线

μg/L

由图2可知，汞标准曲线拟合方程为y=1250.38x-16.4376，相关系数为0.9997，曲线的精密度较好。由表4可知，在实验确定条件下测量标准溶液和质量控制样品，数据标准偏差较小，具有较高的精密度。只有根据仪器参数条件确定最佳硼氢化钾浓度和盐酸浓度，并在测量过程中强化质量控制，才能充分发挥该方法的快速、准确的优点，提高分析的准确性和可靠性。

3 结论

从化学反应原理分析，硼氢化钾存在最佳反应浓度，过低或过高都会导致荧光强度降低，在保证汞被充分还原的前提下，应使硼氢化钾稍过量。当硼氢化钾浓度为0.5 g/L时，斜率在该浓度点变化较稳定，可靠性较高。硼氢化钾浓度越低，空白荧光值越低；当盐酸浓度为5 %时，空白荧光值最低，灵敏度最高。采用优化的测量条件测定标准溶液和质量控制样品，数据标准偏差较小，具有较高的精密度，对于准确测量水中汞元素浓度具有重要的意义。