第二节　常规样品预处理方法简介

一、干灰化法

分析有机物含量较多的样品中的无机物时，需要先将样品中的有机物破坏或分解。干灰化法（dry digestion）是常用的样品无机化处理方法。该法主要是通过加热使样品灰化分解或呈气体逸出，将所得的灰分溶解后进行分析测定，适用于食品和植物样品等有机物含量多的样品测定，不适用于土壤和矿质样品的测定。按照灰化方式不同，干灰化法又分为高温灰化法和低温灰化法。

（一）高温灰化法

高温灰化法是利用高温破坏样品中的有机物，使之气化逸出。高温灰化法的主要优点是操作简便，空白值低，能同时处理多个样品。缺点是灰化时间长，温度高，容易造成待测成分的挥发损失；其次是高温灼烧，坩埚壁对待测组分有吸留作用而难于溶出，使回收率降低。因此，样品在灰化时要严格控制温度，选用合适的坩埚材料，在必要时可加入一定量的助灰剂，以增强氧化作用并疏松样品，防止待测组分挥发损失。

1.常压高温灰化法

将已粉碎或匀浆的样品置于坩埚中，先低温干燥炭化，再置于高温炉中，在一定温度范围内（400～550℃）加热分解，灰化，所得残渣用适当溶剂溶解后进行测定。常压高温灰化法的样品在敞口容器中灰化，应注意选择合适的灰化温度和不吸附被测组分的坩埚材质，防止灰化不彻底或待测成分的挥发损失，确保回收率。

此法主要用于分解温度较高、试样量较大的样品。

2.高温高压干灰化法（氧弹燃烧法）

将固体样品研成粉末，压片后置于瓷、铂或石英制成的试样环中。反应剧烈的样品，可加入惰性稀释剂；反应缓慢的样品，可加入助燃剂。旋紧盖子，充入氧气至所需压力，让电流通过与试样片接触的铂丝，点燃试样。燃烧产物由事先盛于氧弹内的吸收液吸收供测定。

在密闭的条件下燃烧破坏有机物，待测组分损失小，操作快速、简便、无污染。适用于食品及环境样品中氟、氯、硼、磷、砷等多种元素的测定。

3.氧瓶燃烧法

对易挥发的待测组分和非金属样品的处理可采用氧瓶燃烧法。将包在无灰滤纸中的样品夹在铂丝上，放入盛有吸收液充满氧气的磨口瓶中，点燃滤纸，迅速塞紧瓶塞，使其充分燃烧，振摇瓶子让燃烧产物溶解于吸收液中，溶液供分析用。操作中在燃烧时要有防爆措施。

（二）低温灰化法

低温灰化法是利用低温等离子体发生装置，在较低温度下使样品氧化分解。其原理是利用高频等离子体技术，以纯氧气为氧化剂，在灰化过程中氧形成具有极强氧化能力的氧等离子体（激发态氧分子、氧离子、氧原子、电子等的混合体），使样品在低温下迅速灰化。该法灰化温度低，能使许多有机物快速分解，大大减少了待测组分的挥发和吸留损失，提高了回收率，可用于含汞、硒、砷等样品的处理，还可用于有机化合物中卤素、硫和磷的测定。该方法克服了高温灰化法的缺点，但仪器设备较为昂贵，灰化时间长。

二、湿消化法

湿消化法（wet digestion）是在适量的待检样品中，加入氧化性强酸，然后加热将其中的有机物分解，使被测无机成分释放出来，形成无挥发物的无机化合物，以便进行分析测定。常用的氧化性酸有浓硝酸、硫酸、高氯酸等；常用的氧化剂有高锰酸钾、过氧化氢等；常用的催化剂有硫酸铜、硫酸汞、五氧化二钒等。大多数样品与氧化性强的酸煮沸后，其中的有机物氧化生成CO₂和H₂O而除去，金属组分被氧化为高价态的离子。为了提高消化效果，大多采用混合消化剂。该法的优点是操作简便；分解有机物的速度快，所需时间短；加热温度较干灰化法低，可以减少待测成分的挥发损失，分解效果好。缺点是在消化过程会产生大量的酸雾、氮和硫的氧化物等刺激性气体，具有强烈的腐蚀性，对人体有害，污染环境，操作必须有良好的通风设备。在消化初期，消化液反应剧烈，可能出现消化液溢出和出现炭化，易造成待测物质的损失，因此需要细心操作。同时试剂用量和纯度对消化影响较大，有时空白值较高。常用的湿消化法有：

（一）硫酸消化法

稀硫酸没有氧化性，而热的浓硫酸（98%，18mol/L）具有一定的氧化能力，对有机物有强烈的脱水作用，并使其炭化，进一步氧化生成二氧化碳。硫酸的沸点高（338℃），不易挥发损失，在与其他酸混合使用时，加热蒸发至出现三氧化硫白烟时，可以除去其他低沸点的硝酸、高氯酸、水和碳氧化物等。仅使用浓硫酸加热消化样品时，依靠硫酸的脱水炭化作用，破坏样品中的有机物。但硫酸的氧化能力较弱，消化液炭化会使消化时间延长。通常可加入硫酸钾或硫酸铜以提高硫酸的沸点，加适量硫酸铜或硫酸汞作为催化剂以缩短消化时间，或加入高锰酸钾和过氧化氢等氧化剂以加速消化进程。

（二）硝酸-硫酸消化法

浓硝酸（65%～68%，14mol/L）的氧化能力强，但沸点低（78℃），硫酸沸点高且具有氧化性和脱水性，二者混合后具有较强的消化能力。消化时可在样品中加入硝酸和硫酸的混合液，或先加入硫酸，加热使有机物分解，炭化，在不断补充硝酸至消化完全。该法反应速度适中，常用于多数生物样品和混浊污水的处理，但由于含有硫酸，不宜用于含碱土金属或硫酸盐溶解度较小的样品的分析。

（三）硝酸-高氯酸消化法

高氯酸（65%～70%，11mol/L）能与水形成恒沸溶液，其沸点为203℃。冷的高氯酸没有氧化能力，而热的高氯酸是一种强氧化剂，其氧化能力较硝酸和硫酸强，几乎所有的有机物都能被它分解。将硝酸与高氯酸这两种消化液混合后，能更有效地破坏有机物，消化时间短，应用广泛，适用于消化含有难氧化的有机物的样品。但高氯酸与羟基化合物可生成不稳定的高氯酸酯而发生爆炸。为了避免发生危险，消化时先加入硝酸将羟基化合物氧化，冷却后，再加入混合酸继续消化。

（四）硫酸-硝酸-高氯酸消化法

通常在样品中先加入硫酸和硝酸消化，待冷却后加入高氯酸进一步消化，或将三种酸按一定比例配成混合酸加入样品中进行消化。消化时样品中大部分有机物被硝酸分解除去，剩余难分解的有机物被高氯酸破坏。由于硫酸沸点很高，消化过程中可保持消化液不被蒸干，有效地防止高氯酸爆炸。该法特别适用于有机物含量较高且难以消化的样品，但对含碱土金属、铅及部分稀土元素的样品不适宜。

除以上常用的消化方法外，有时还可用其他方法。如用冷原子吸收法测定汞时，可用硫酸-高锰酸钾消化样品；分解含硅酸盐的样品时，常用氢氟酸与硝酸、硫酸、高氯酸的混合酸进行消化。每种湿消化方法各有优缺点，根据国家卫生标准方法的要求、检验项目的不同和待检样品的不同进行选择，同时做试剂空白对照实验，以消除试剂及操作条件不同所带来的误差。

三、微波消解法

微波是频率为300MHz～300GHz的一种电磁波，位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间。1967年Williams研究了用微波加快化学反应以后，1986年Gedye等将微波技术应用于有机合成领域以来，微波技术在化学中得到了不断的发展和广泛的应用。微波可以直接穿入试样的内部，在试样的不同深度，微波所到之处同时产生热效应，这不仅使加热更迅速，而且更均匀，大大缩短了加热时间，它比常规加热法一般要快10～100倍。目前，微波消解技术已广泛地应用于分析检测中样品的预处理。

（一）微波消解的基本原理

微波在传输过程中遇到不同物质时，会产生反射、吸收和透过现象，这主要取决于物质的介电常数、介质损失因子等。根据物质对微波的吸收程度，可将物质分成导体、绝缘体和介质。导体主要是金属类物质，如银、铜、铝等，能够反射微波，因此它们本身不能被微波加热。在微波加热系统中，这些金属材料制成的微波炉腔体可以避免微波的穿透和泄漏。绝缘体主要是一些非极性物质，如玻璃、陶瓷、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等，这些物质可透过微波而对微波吸收很少。在微波加热系统中，常用作反应器的材料，微波可直接透过容器作用于溶液而几乎没有损耗。介质可以吸收、透过和反射微波，吸收微波的物质可以把微波能转化为热能，同时被加热。微波容器中的水、溶剂以及一些试样本身能够吸收微波能，被加热升温，因此加快了样品的前处理速度。

微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当物质受到微波辐射时，在电磁场的作用下，极性分子产生去向极化和空间电荷极化，并以24.5亿次/秒的速率不断改变正负方向，从而产生键的振动、撕裂和粒子间的摩擦和碰撞，生成大量的热能。另外，在微波场的作用下，离解物质产生的离子定向流动形成离子电流，并在流动的过程中与周围的分子和离子发生高速摩擦和碰撞，使微波能转化为热能。

微波消解（microwave digestion）就是在微波电磁场在作用下，微波穿透容器直接辐射到样品和试剂的混合液中，吸收微波能量后，使消化介质的分子相互摩擦，产生高热，同时交变的电磁场使介质分子极化，高频辐射使极化分子快速转动，产生猛烈摩擦、碰撞和震动，使样品与试剂接触界面不断更新。样品在高温下与溶剂发生剧烈作用，产生大量气体，在密闭的消解罐中形成高压，样品在高温高压状态下迅速消解。微波加热是由内及外，因而加快了消化速度。

（二）微波消解装置

微波消解装置主要由微波炉、消解样品容器、排气部件等组成。微波消解所用的微波炉内壁有含氟聚合物涂层，可防止酸雾腐蚀，微波炉的功率连续可调，采用微机控制程序操作，使消解过程自动化。微波消解所用容器是聚四氟乙烯密闭消解罐，其本身不吸收微波，但耐压程度随温度升高而降低，实验时压力不能超过一定限度。

（三）微波消解方法

1.常压消解法

消解在敞口容器中进行，其最大的特点是样品容量大，安全性好；缺点是样品易被污染，挥发性组分易损失，有时消解不完全。该法主要用于有机样品的消解。

2.高压消解法

消解是在密闭消解罐中进行，消解完全，效率高，适用于各类样品，是应用最广的方法。

3.连续流动微波消解法

将微波在线消解与流动注射联用，既避免了敞口消解对样品的沾污和易挥发组分的损失，又避免了密闭消解罐易产生爆炸的危险，同时节省了消解时间和样品量。

（四）微波消解条件的选择

在微波消解过程中，消解选用的强度、时间、酸的种类与用量等均会影响样品的消解效果，在实际工作中，可对这些因素进行优化选择。

1.微波强度和消解时间

微波加热是对样品即时深层加热，且加热是在高压条件下进行，样品瞬时可达较高的温度，迅速消解。微波的功率对消解的影响较大，微波功率大，消解时间短；功率小，消解不完全，但功率过高，时间太长时，消解罐内压力过大，易发生危险。因此，实验中要严格控制微波功率和时间。

2.酸的种类和用量

消解的目的是用酸消解样品基体，使待测的金属离子形成可溶盐。常用的氧化剂有硝酸、硫酸、高氯酸等。根据样品基体和待测组分的性质，可选择使用单一酸或混合酸。消解试剂用量太少，消解不完全；用量太多，则空白值高。

（五）微波消解的优点

与常规湿消化法相比，微波消解法具有以下优点：

1.消解速度快，效率高

微波消解是在密闭系统内进行，产生的高压提高了酸的沸点，在酸的正常沸点下不能分解的物质，在高温高压下则能分解。同时，反应速度随温度上升明显加快，减少了消解所需的时间，一般只需几十秒至几分钟。

2.试剂用量少，空白值低

微波密闭消解，酸不会挥发损失，所需试剂用量小，空白值低，同时也减少了常规消解产生的酸雾对环境及操作人员的污染和危害。

3.准确性高

使用密闭容器，样品交叉污染少，且能防止待测组分挥发损失，准确性较高。

（六）微波消解的应用

1.微波消解在环境分析中的应用

微波消解是适用于基体范围很宽的环境样品的预处理方法，目前已用于大气颗粒物、水、废水、土壤、淤泥、沉积物、悬浮物等环境样品。由于环境样品的基体复杂，采用微波消解处理样品时，要根据待测组分和分析方法的不同，对消解试剂、浓度、消解功率和时间进行实验优选，以提高分析的速度和准确度。

2.微波消解在食品分析中的应用

食品的主要成分是碳水化合物、蛋白质、脂肪等有机成分，采用具有较强的氧化能力的硝酸与过氧化氢混合液，可完全破坏有机物。因此，微波消解可用于各类食品中多种元素的检测。

四、溶剂萃取法

溶剂萃取法（solvent extraction）又称液-液萃取法，是一种常用的分离提取方法。该方法是利用溶质在两种互不相溶的溶剂中的分配系数的差异，将待测成分从一种溶剂转移至另一种溶剂中，从而实现与干扰组分的分离。溶剂萃取法适用于液态样品，或经过其他方法溶剂提取后的液态基质。它的优点是所用设备简单，操作方便，分离和富集效果好，应用较为广泛。缺点是有机溶剂用量较大，且易挥发、有毒等。

（一）溶剂萃取的基本原理

溶剂萃取法常采用有机溶剂从水溶液中分离待测组分。在萃取体系中，一种物质能否从水溶液中萃取到有机溶剂中，主要取决于该物质的亲水性与疏水性的强弱。常见的亲水基团有各种离子和—OH、—COOH、—NH₂、—NO₂等，物质含亲水基团越多，亲水性则越强。疏水基团有羟基、醚基、酰基等，物质的疏水性随其疏水基团的增多而增强。水溶液中的疏水物质可直接用有机溶剂萃取，而亲水性物质必须先将其转化为疏水物质再萃取。

1.分配系数（distribution coefficient）

在一定温度下，溶质A在两种互不相溶的溶剂中分配达到平衡时，A在有机相的浓度与在水相中的浓度之比为常数，称为分配系数，用K_D表示。

式中，［A］_有、［A］_水分别表示平衡时A在有机相和水相中的浓度。分配系数［K］_D与溶质和溶剂的性质及温度因素有关，［K］_D越大，A越有利于被有机溶剂萃取。

2.分配比（distribution ratio）

在实际分析工作中，被萃取物质在水相和有机相中往往由于发生缔合、离解等反应而同时以多种形式存在，常用分配比来表示溶质在溶剂中的分配情况。分配比是指在一定温度下，溶质A在两相中分配达到平衡时，A在有机相中各种存在形式的总浓度c_有与在水相中各种存在形式的总浓度c_水之比，用D表示。

当溶质在两相中以同一种形式存在时，D=K_D，许多情况下，D与K_D不相等。当两项体积相等时，D越大，说明溶质进入有机相的量越多。D比K_D能更真实地反映分离效果，也易测量。

3.萃取效率（extraction efficiency）

实际工作中常用萃取效率来表示物质被萃取的完全程度。它是指物质被萃取到有机相中的百分率，即被萃取物在有机相中的量与被萃取物总量之比，用E%表示。

式中，V_有和V_水分别表示有机相和水相的体积。分子分母同时除以c_水V_有，得：

在实际分析工作中，为了提高萃取效率，常选择分配比D值大的萃取体系和萃取条件，是提高萃取效率的有效方法；若一次萃取不能满足分离或测定的要求，可采用多次萃取法提高萃取效率。同量的萃取剂，分次萃取的效率要比一次萃取的效率高。

（二）萃取方式

由于疏水性物质可直接萃取到有机溶剂中，常采用直接萃取体系；亲水性物质需转变成疏水性物质后才可以萃取，萃取条件比较复杂，包括形成螯合物、离子缔合物、三元配合物等多种萃取体系。

1.直接萃取体系

选用合适的有机溶剂直接萃取水溶液中的疏水性物质。例如食品中的脂肪可用乙醚或石油醚萃取，用正己烷萃取水中的烷基汞等。

2.形成螯合物的萃取体系

利用金属离子与螯合剂作用生成疏水性的金属螯合物，再用有机溶剂进行萃取。这种萃取体系可用于多种金属离子的富集和分离。常用的螯合剂有二硫腙、8-羟基喹啉、二乙氨基二硫代甲酸钠（铜试剂，DDTC）、乙酰丙酮等。例如，在pH≈9的氨性溶液中，Cu2+与DDTC作用生成疏水性螯合物，可被氯仿萃取。

3.形成离子缔合物的萃取体系

利用离子缔合反应将亲水性被萃取物转变成疏水性离子缔合物，再用有机溶剂萃取。例如，在HCl介质中，Fe3+与Cl-形成FeCl₄-阴离子，乙醚与H+形成（C₂H₅）₂OH+阳离子，二者可缔合成［（C₂H₅）₂OH］［FeCl₄］疏水性中性分子，然后用乙醚萃取。

4.形成三元配合物的萃取体系

被萃取的组分与两种不同的配位剂通过配位、缔合形成三元配合物，再用有机溶剂萃取。例如，萃取溶液中的Ag+，可先将Ag+与1，10-邻二氮菲配位生成配位阳离子，再与染料溴邻苯三酚红的阴离子缔合成可溶于有机溶剂的三元配合物而被萃取。三元配合物比二元配合物疏水性更显著，所以萃取效率高。

五、蒸馏法和挥发法

挥发法（volatilization）和蒸馏法（distillation）是利用待测成分中各组分挥发性的不同进行分离的方法，可以排除大量非挥发性基体成分对测定的干扰，主要用于分离非金属、有机物和少数金属组分。

1.挥发法

利用待分离组分具有挥发性或经处理后转变为具有挥发性的气体，通过加热或通惰性气体，使其从样品基体中逸出而与干扰组分分离的方法。采用挥发法对样品进行处理，通常是将有关组分转化为挥发性的氢化物、卤化物等。例如，在强酸性介质中，用锌或硼氢化钠作还原剂，可使砷、锑、铋、锗、锡、铅、硒、碲等形成氢化物逸出，与干扰组分分离后，直接进行测定。

2.蒸馏法

通过加热蒸馏或水蒸气蒸馏，使被分离组分以蒸汽形式从样品的基体中逸出，直接收集馏分或用适当的溶剂吸收后进行测定。常用的蒸馏方法有常压蒸馏、减压蒸馏和水蒸气蒸馏等。常压蒸馏用于沸点为40～150℃的化合物的分离；减压蒸馏用于沸点高于150℃或沸点虽低但受热易分解的物质的分离；水蒸气蒸馏适用于蒸气压较低的物质的分离，或在自身沸点温度下不稳定，但在100℃时的蒸汽压大于1.33kPa，且与水不互溶的物质的提取。

六、顶空法

顶空法（headspace extraction）可把痕量易挥发性组分从液体、半固态和固态样品的基体中分离出来，适用于处理分子量小、沸点低、易挥发的有机物，常作为气相色谱分析的前处理方法。顶空法的优点是能使复杂样品的提取、净化过程一次完成，简化了样品的前处理过程，操作简便。缺点是有限的顶部空间若多次取样，则顶空气浓度有所改变，影响测量的精密度。通常与气相色谱联用，可分为静态顶空法和动态顶空法。

1.静态顶空法

该方法是将样品置于密闭的顶空瓶中，在一定的温度条件下加热，样品中具有挥发性的待测组分在气-液（或气-固）两相间达到分配平衡后，直接抽取顶空气用气相色谱测定待测组分的含量，可间接得到待测样品中该组分的含量。静态顶空法目前技术比较成熟，应用也较为广泛，但是灵敏度较低，可通过对加热温度、溶剂、顶空瓶等条件的优化，提高分离效率。

2.动态顶空法

该方法是在样品顶空分离装置中不断通入惰性气体，使其中挥发性待测成分随气流逸出，并收集于吸附柱或冷阱中，经热解析或溶解解析后进行分析。与静态顶空法相比，操作较复杂，但灵敏度较高，可用于痕量低沸点化合物的检测。

（宋秀玲）