简述几种绿色分析化学方法在检验检测实验室的应用

王剑松

重庆市计量质量检测研究院 重庆 401123

1 前言

近年来,随着对产品质量、环境安全的日益重视,中国检验检测市场迎来了巨大的发展机会。据中国认监委提供的数据[1]:截至2016年底,我国检验检测机构数量为33235家,全年实现营业收入2065.11亿元,从业人员111.6万人,检测报告3.56亿份；其中仅建筑建材、环境、食品3个领域的检测机构就占到了1.8万家。检测实验室无论从数量,从业人员人数还是检测样品量都在不断上升。

为了保障分析人员的健康和安全,减轻分析人员的劳动强度、减少化学废液的产生,同时也降低分析废液的处置费用,需要将绿色分析的理念和方法应用到化学检测实验室,以支持检验检测产业的长期健康可持续发展。

2 绿色分析化学概念

“绿色分析化学”是美国化学会Namiesnik教授在基于环境友好的绿色化学概念的基础上提出来的,他认为绿色分析需要首要关注和遵循以下原则[2]:

(1)在分析过程避免(至少大幅度减少)使用化学试剂,尤其是有机溶剂；

(2)在分析过程,要减少气体、液体和固体废物的产生；

(3)在分析过程中,避免使用剧毒(包括生态毒性)的试剂(例如,最好用其它试剂取代苯)；

(4)减少每个样品分析的所需的人力和能耗。

3 绿色分析化学方法在检测实验室的应用

3.1 样品前处理环节的绿色分析化学方法 萃取、消解是最为传统的样品前处理方法。其中,萃取常常用于样品中待测组分的分离及浓缩,以便进行有机物浓度分析,实际操作时会用到大量的有机溶剂,分析人员的劳动强度也很大,还有长时间接触挥发性有机物的风险；

目前,对于样品中待测组分的分离与浓缩,已经发展出了多种回收率高、提取效率高、不用或者只需少量有机溶液,诸如加压溶剂萃取、微波萃取、快速溶剂萃取、超临界流体萃取(SFE)以及固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)、液膜萃取(LM)等多种方法和设备。以超临界流体萃取(SFE)为例,该方法普遍采用CO2为溶剂(在萃取极性化学物质时,需要添加少量甲醇),常常用于食品、环境样品以及药物分析。

在目前的技术条件下,有些参数的分析方法,按照精密度、准确度、灵敏度、分析速度、回收率等常规评价指标的要求,还离不开有机溶剂作为萃取液,就需要采用毒性较低、环境危害性相对较小的化学试剂和方法。

除了采用绿色试剂和设备进行干扰物分离等方法实现样品前处理,目前,吴海龙[3]等提出了采用化学计量学方法的“数学分离”技术,可以在减少物理或化学分离的情况下,利用多维数阵的成分分解算法,消除干扰物质的影响,获得较为准确的待测组分数据。

消解在样品成分分析、食品、水、土壤等样品的重金属含量分析等方面的应用非常普遍；环境分析方面,最重要的水污染参数化学需氧量(COD)的分析,也需要对待测水样进行消解。传统的消解方法有湿法消解、熔融消解、高温干法分解等；湿法消解在环境、食品样品应用最为普遍,在实际操作时基本都会用到硫酸等大量的强腐蚀性无机酸,消解过程还会产生酸雾等污染物。微波消解仪是目前应用非常普遍的一种绿色样品处理设备,消解仪利用微波的热效应,相对于传统加热消解方式,微波消解技术具有样品分解速度快、试剂消耗少、工作强度低、污染小等优点,密闭微波消解还避免了酸雾的产生,有利于分析人员的健康安全。

3.2 分析环节的绿色化学分析方法 分析环节的绿色分析技术,根据是否需要样品前处理、化学试剂以及自动化程度,大致可以分为三类:

第一类是不需要或者仅需要简单样品处理(研磨、分散等物理方法),也不需要或者仅需要少量化学试剂的分析技术。

近年来,拉曼光谱、近红外光谱以及激光诱导击穿光谱(LIBS)应用于粮食、食品、土壤、矿物、水质的分析日益增多,这类分析方法共同的特点是可以直接测定液体、固体、半固体和胶状体等不同形态的样品,不需要对样品采取破坏性处理方式。随着化学计量学的发展,适用于这些测量原理的数学模型日益完善,分析速度加快,也减轻了分析人员的劳动强度。

第二类是相对于常规化学分析方法,减少了试剂和样品用量,同时也相应减少了分析废液的技术。

流动注射分析技术(FIA)和微流控技术是这类分析技术的代表。流动注射分析是一种非稳态的化学分析技术,仪器通过把一定体积的试样溶液注入到一个流动着的试剂溶液(或水)载流中,与载流中的试剂混合、反应,再进入到流通检测器进行测定分析及数据处理。流动注射分析试样、试剂的用量,每次仅需数十微升至数百微升,仅为常规分析方法的几十分之一。而且,采用流动注射原理的分析仪器自动化程度高,还可以极大减轻分析人员的劳动强度。

第三类是以减轻分析人员劳动强度和保障人身健康安全为目的的自动分析技术和设备。

包括实验室全自动分析设备,如自动称量、移液、稀释、进样等仪器设备以及在线分析仪器(on-line analyzer)。在线分析仪器是一种特殊的自动化分析设备,仪器可以实时、原位、自动分析待测样品的数据,并连续输出信号。在线分析仪器技术已经在工业过程控制、环境大气、水质自动监测方面发挥了越来越多的重要作用。

最后一点,根据绿色分析化学原理,检验检测实验室在选用仪器和设备时,还应当考虑到仪器和设备的能耗,尽量选用低能耗(绿色)产品；以降低实验室能耗,从而降低碳排放。

4 结语

化学分析在提供人们所需的科学数据的同时,也是一种污染排放源。在样品采集、样品处理、分析测试和废液处理的整个过程中,均会使用或产生一些有害的、环境不友好的物质。绿色分析化学根据绿色分析方法和技术设计,可以从源头上有效减轻化学分析对环境的影响,减轻分析人员的劳动强度、保障分析人员的健康安全。无污染或者少污染的绿色分析化学方法将会在检验检测实验室得到更加广泛的应用。