CN105092763A - Hplc-afs汞形态分析的电化学预还原方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原方法，包括步骤1)含有汞的样品进入高效液相色谱柱，根据保留时间的不同将不同形态的汞分离；2)分离的汞由蠕动泵输入到电化学流通池的阴极室中，经电解还原成汞蒸气；3)汞蒸气在气液分离器中实现气液分离，由载气氩气载入原子荧光光度计的原子化器，实现不同形态汞的定量分析。与现有HPLC-UV-CV-AFS技术相比，本发明HPLC-EcVG-AFS对有机汞的灵敏度、检出限优势尤为明显，对有机形态汞的检出限与HPLC-UV-CV-AFS技术相比约低1个数量级，相对标准偏差<5％。同时，具有不需要硼氢化钾等还原剂的优点，摆脱了对试剂纯度、稳定性的依赖性。

Description

HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原方法及装置

技术领域

本发明属于借助光谱进行分析领域，具体涉及一种用于原子荧光光谱分析的还原方法及使用的装置。

背景技术

不同形态汞的毒性差异性很大，因此，汞的形态分析意义重大。高效液相色谱-原子荧光光谱联用技术(HPLC-AFS)是目前汞形态分析采用的常用方法。该技术采用HPLC分离技术将无机汞(Hg²⁺)、甲基汞(HgCH₃ ⁺)、乙基汞(HgC₂H₅ ⁺)、苯基汞(HgC₆H₅ ⁺)等4种常规汞形态进行分离，而后通过AFS技术进行检测。常规AFS技术采用化学法冷蒸气发生(coldvaporgeneration，CV法)方式将汞元素通过硼氢化钾-酸体系化学还原实现原子化、但CV技术对有机汞的原子化效率极低，所以在HPLC技术实现不同形态分离后，通常采用在线紫外消解的技术(即HPLC-UV-CV-AFS)，将有机汞分解为无机汞，而后再通过CV技术原子化，原子荧光法检测。

现有技术(HPLC-UV-CV-AFS)对有机汞的紫外消解效率依旧偏低，导致有机汞检出限偏低，且CV技术依然需要硼氢化钾这种不稳定的还原剂，对试剂纯度要求较高的同时，还需要现用现配，分析效率较低。本发明采用电化学还原蒸气发生技术(Electrochemicalcoldvaporgeneration，EcVG)技术代替紫外消解技术。在HPLC实现不同汞形态分离后，通过EcVG技术直接实现有机汞的原子化(HPLC-EcVG-AFS)，原子荧光法检测。

发明内容

为了解决本领域存在的技术问题，本发明的目的是提供一种HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原方法。

本发明的另一目的是提供一种用于HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原装置。

实现本发明目的的技术方案为：

一种HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原方法，包括步骤：

1)含有汞的样品进入高效液相色谱柱，根据保留时间的不同，将不同形态的汞经高效液相色谱柱(HPLC)分离；

2)经高效液相色谱柱分离的汞与阴极支持电解质混合后，由蠕动泵输入到电化学流通池的阴极室中，经电解还原成汞蒸气；

3)汞蒸气在气液分离器中实现气液分离，由载气氩气载入原子荧光光度计的原子化器，实现不同形态汞的定量分析。

其中，所述含有汞的样品中，汞的形态为Hg²⁺、HgCH₃ ⁺、HgC₂H₅ ⁺、HgC₆H₅ ⁺中的一种或多种。

用HPLC，根据不同汞形态分离时间不同分离出来。

优选地，所述步骤2)中，采用恒电流电解，电流密度为0.1～0.55A/cm²。更优选电流密度为0.54A/cm²。

其中，所述步骤2)中，电化学流通池的阴极的支持电解液为0.1～0.5mol/L的硫酸溶液；电化学流通池的阳极的电解液为0.1～0.5mol/L的硫酸溶液。优选地，电化学流通池的阴极的支持电解液为0.5mol/L的硫酸溶液；电化学流通池的阳极的电解液为0.5mol/L的硫酸溶液。

其中，不同形态汞分析过程中，阳极的电解液循环使用，阴极废液由蠕动泵排出。

所述步骤3)中载气的流动速度为300～900mLmin^-1。优选地，载气流速为500mLmin^-1。

一种用于HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原装置，其与高效液相色谱柱的流出管道经三通连接，所述电化学预还原装置包括形状相同的阳极基体和阴极基体，阳极基体和阴极基体之间设置有离子交换膜，所述离子交换膜与阳极基体之间放置有阳极垫片，所述阳极垫片中间开有孔构成阳极池；所述离子交换膜与阴极基体之间放置有阴极垫片，所述阴极垫片中间开有孔构成阴极池；所述阴极池通过管路经三通连接高效液相色谱柱的流出管道。

进一步地，所述阳极基体和阴极基体均为聚四氟乙烯材质，阳极基体上设置有阳极液入口和阳极液出口，阳极液入口连接有蠕动泵。入口管路和出口管路均置于硫酸循环回路中实现循环。

其中，所述阳极基体上设置有阳极，所述阳极为铂电极；所述阴极基体上设置由阴极，所述阴极为玻碳电极。

其中，所述阴极基体上设置有阴极液入口和阴极液出口，所述阴极液入口通过管路连接高效液相色谱柱的流出管道，所述阴极液出口连接至原子荧光光度计的反应块。

本发明提出的装置可连接于市售的原子荧光光度计，例如北京海光仪器有限公司产AFS-9800，北京吉天仪器有限公司生产的AFS-820等AFS仪器。原子荧光光度计的反应块通常是通入氩气为载气，并通入样品、载流(酸)和还原剂(例如硼氢化钾)发生反应，由氩气将产生的原子态汞载入原子化器。本发明的方法是不在反应块内发生反应，只是用载气带出电化学还原形成的原子态汞。

其中，所述原子荧光光度计的反应块还连接输入载气氩气的管路，所述原子荧光光度计的反应块连接有原子荧光光度计的气液分离器。

本发明的有益效果在于：

与现有HPLC-UV-CV-AFS技术相比，本发明HPLC-EcVG-AFS对有机汞的灵敏度、检出限优势尤为明显，对Hg²⁺、HgCH₃ ⁺、HgC₂H₅ ⁺、HgC₆H₅ ⁺的检出限分别达到2.8ng/L、1.9ng/L、2.4ng/L和3.8ng/L，对有机形态汞的检出限与HPLC-UV-CV-AFS技术相比约低1个数量级，相对标准偏差<5％(n＝6)。同时，具有不需要硼氢化钾等还原剂的优点，摆脱了对试剂纯度、稳定性的依赖性。

附图说明

图1为本发明装置的结构简图。

图2为本发明电化学流通池的结构简图。

图3为实施例1阴极室长宽固定，厚度为0.05cm(阴极室体积0.14mL)和0.1cm(阴极室体积0.28mL)的两种硅橡胶片组装成的电化学流通池对测量结果的影响(以甲基汞为例)。

图4为实施例2不同电解电流下，甲基汞的工作曲线。

图5(a)为实施例3不同电解液流动速度下，荧光强度随着电解液流速的变化曲线；图5(b)为支持电解液流速和出峰时间的关系曲线。

图6为实施例4不同的载气流速对2μg/L甲基汞荧光强度的影响曲线。

图7(a)为实施例2对2μg/L无机汞(Hg²⁺)6次测定结果，图7(b)是2μg/L无机汞(Hg²⁺)标准曲线，

图8(a)是2μg/L甲基汞6次测定结果，图8(b)是2μg/L甲基汞6次测定1.5A下的标准曲线。

图中：1、HPLC色谱柱，2、阳极液管道，3、阴极液管道，4、蠕动泵，5、电源，6、0.5mol/L硫酸管路，7.反应块，8、阴极废液管道，9、气液分离器，10、离子交换膜，11、铂电极，12、玻碳电极，13、载气管道，14、流动相和样品进口，15、Hg蒸汽出口，16、硅橡胶片，17、阳极液入口，18、阳极液出口，19、阴极液入口，20、阴极液出口，21、PTFE基体。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所采用的手段均为本领域常规的技术手段。

实施例1

如图1和图2，一种用于HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原装置，其与C18高效液相色谱柱(ZORBAXXDB-C18柱)的流出管道连接，该电化学预还原装置是用PTFE基体21、硅橡胶片16、离子交换膜10(Nafion膜)组装而成的电化学流通池，具体包括形状相同的PTFE阳极基体和阴极基体，阳极基体和阴极基体之间设置有离子交换膜10，离子交换膜10与阳极基体之间放置有硅橡胶片16制成的阳极垫片，硅橡胶片16中间开有长方形孔构成阳极室；离子交换膜10与阴极基体之间放置有阳极垫片，垫片中间开孔构成阴极室；阴极室通过管路连接高效液相色谱柱的流出管道。

阳极基体上设置有阳极液入口17和阳极液出口18，阳极液入口17连接蠕动泵4，入口管路和出口管路均置于0.5mol/L硫酸的循环回路中实现循环，该循环回路中连接有0.5mol/L硫酸管路6。阳极基体上嵌入铂电极11为阳极，阴极基体嵌入玻碳电极12作为阴极。

所述阴极基体上设置有阴极液入口19和阴极液出口20，所述阴极液入口19经三通和管路连接HPLC色谱柱1的流出管道，HPLC色谱柱1的进口为流动相和样品进口14，所述阴极液出口连接至原子荧光光度计(海光AFS-9800)的反应块7。原子荧光光度计的反应块7还连接输入氩气的载气管道13，原子荧光光度计的反应块7连接有原子荧光光度计的气液分离器9，气液分离器9的Hg蒸汽出口15连接AFS。

阳极的硅橡胶片16中间长方形孔和阴极垫片开的孔相同大小。设置阴极室长和宽为7cm和0.4cm，厚度为0.05cm(阴极室体积0.14mL)和0.1cm(阴极室体积0.28mL)两种。以甲基汞为例，试验了两种硅橡胶片组装成的电化学流通池对汞蒸汽发生效率的影响(图3)，其中0.14mL体积灵敏度较高。后续试验采用厚度0.05cm硅橡胶片的电化学预还原装置。

原子荧光光度计为北京海光仪器有限公司产AFS-9800。HPLC部分与HPLC-UV-CV-AFS商品化仪器的配置与操作相同。阳离子交换膜采用Nafion膜和山东天维膜技术有限公司生产的膜，效果均好，没有显著区别。

实施例2电解电流对灵敏度的影响

电解电流过小不利于不同形态汞电解成为原子态，使汞的蒸汽发生效率降低；而电解电流过大则会使阴极室内产生大量的氢气，氢气产生量过大会影响检测装置的稳定性，使测量偏差增大，同时有可能产生电解池的过热现象。本实施例采用实施例1的装置，HPLC流动相：3％乙腈+0.5％乙酸铵+0.03％2-巯基乙醇，对0.3～1.5A电解电流范围内电流对灵敏度的影响进行了考察，图7(a)、(b)是2ppb无机汞(Hg²⁺)6次测定及不同电流下的标准曲线，图8(a)、(b)是2ppb甲基汞6次测定及1.5A下的标准曲线。结果表明：在本范围内，特定浓度标准溶液的荧光强度随电解电流的增大而增大。1.5A电解电流下，校准曲线已能满足分析的要求。为保持装置的稳定性，同时防止电解池过热，未对1.5A以上电流进行测试，后续实验采用1.5A电解电流(此时电流密度为0.54A/cm²)。

采用HPLC流动相：5％甲醇+0.5％乙酸铵+0.1％半胱氨酸，实验结果相同。

实施例3电解液流速优化

选择0.5mol.L^-1硫酸作为阴阳极的支持电解质溶液，探究了在0.005-0.012m.s^-1流速范围内2μg/L甲基汞荧光强度与电解液溶液流速之间的关系。试验装置如实施例1，电解电流密度为0.54A/cm²。HPLC流动相：5％甲醇0.5％乙酸铵+0.03％2-巯基乙醇。如图5(a)所示，在试验浓度范围内，荧光强度随着电解质流速的增大而减弱。

一方面，在一定的进样体积下，电解质溶液流速的增大有利于样品向电极表面的传质过程，并同时加快了电解产物脱离电极表面的速率。这有利于荧光强度的增大；同时支持电解质流速增大到一定程度也会带来样品在阴极室电解时间过短的问题，部分样品没来得及电解成原子态就流出了阴极室，这会降低汞蒸气的发生效率，而使荧光强度变小。在我们实验的0.005-0.012m.s^-1电解质流速范围内，随着流速的增大，电解时间的影响是主要因素。

另一方面，如图5(b)所示，随着支持电解液流速的增大，出峰时间和读数时间也随之缩短。此外，较大的支持电解质流速也使基线变得更加平滑，这样使得噪音减小，有助于降低方法的检出限。

实施例4载气流速对荧光强度的影响

采用实施例1装置，硅橡胶片厚0.05cm，电解电流密度为0.54A/cm²，0.0083m.s^-1电解液流速，HPLC流动相：5％甲醇+0.5％乙酸铵+0.03％2-巯基乙醇，考察载气流速的影响。

载气的作用是将在电解池内发生的原子态汞蒸气经气液分离器后输送到检测器。本实验探究了不同的载气(Ar)流速对2μg/L甲基汞荧光强度的影响。实验结果如图6所示。实验结果表明，在较低流速时，荧光强度随着载气流速的增大而增大。这是因为随着载气流速的加大，汞原子能够更好地实现蒸汽与废液的分离，而且能够很大程度上减少汞蒸汽在传输过程中的损失；而当载气流速大于500mLmin^-1时，荧光强度开始降低，这主要是由于载气流速的增加对原子密度的稀释作用所致。因此，综合考虑上述两因素,在实验中我们选用500mlmin^-1作为载气流速。

实施例5：

采用实施例1装置，硅橡胶片厚0.05cm，电解电流密度为0.54A/cm²，0.0083m.s^-1电解质流速，HPLC流动相：5％甲醇+0.5％乙酸铵+0.03％2-巯基乙醇，载气流速500mlmin^-1。原子荧光光度计为北京海光仪器有限公司产AFS-9800，HPLC流动相：3％乙腈(5％甲醇)+0.5％乙酸铵+0.03％2-巯基乙醇。HPLC部分与HPLC-UV-CV-AFS商品化仪器的配置与操作相同，经过HPLC分离后电解、AFS分析结果见表1。

表1、AFS分析指标

实验结果表明本发明的方法对有机汞的灵敏度、检出限优势尤为明显，对Hg²⁺、HgCH₃ ⁺、HgC₂H₅ ⁺、HgC₆H₅ ⁺的检出限分别达到2.8ng/L、1.9ng/L、2.4ng/L和3.8ng/L，对有机形态汞的检出限与HPLC-UV-CV-AFS技术相比约低1个数量级，相对标准偏差<5％(n＝6)。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原方法，其特征在于，包括步骤：

1)含有汞的样品进入高效液相色谱柱，根据保留时间的不同，将不同形态的汞经高效液相色谱柱分离；

2)经高效液相色谱柱分离的汞与阴极支持电解质混合后，由蠕动泵输入到电化学流通池的阴极室中，经电解还原成汞蒸气；

3)汞蒸气在气液分离器中实现气液分离，由载气氩气载入原子荧光光度计的原子化器，实现不同形态汞的定量分析。

2.根据权利要求1所述的电化学预还原方法，其特征在于，所述含有汞的样品中，汞的形态为Hg²⁺、HgCH₃ ⁺、HgC₂H₅ ⁺、HgC₆H₅ ⁺中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的电化学预还原方法，其特征在于，所述步骤2)中，采用恒电流电解，电流密度为0.1～0.55A/cm²。

4.根据权利要求1所述的电化学预还原方法，其特征在于，所述步骤2)中，电化学流通池的阴极的支持电解液为0.1～0.5mol/L的硫酸溶液；电化学流通池的阳极的电解液为0.1～0.5mol/L的硫酸溶液，支持电解液和阳极的电解液的流动速度为0.005～0.012m/s。

5.根据权利要求1～4任一所述的电化学预还原方法，其特征在于，所述步骤3)中载气的流动速度为300～900mLmin^-1。

6.一种用于HPLC-AFS汞形态分析的电化学预还原装置，其与高效液相色谱柱的流出管道连接，其特征在于，所述电化学预还原装置包括形状相同的阳极基体和阴极基体，阳极基体和阴极基体之间设置有离子交换膜，所述离子交换膜与阳极基体之间放置有阳极垫片，所述阳极垫片中间开有孔构成阳极池；所述离子交换膜与阴极基体之间放置有阴极垫片，所述阴极垫片中间开有孔构成阴极池；所述阴极池通过管路经三通连接高效液相色谱柱的流出管道。

7.根据权利要求6所述的电化学预还原装置，其特征在于，所述阳极基体和阴极基体均为聚四氟乙烯材质，阳极基体上设置有阳极液入口和阳极液出口，阳极液入口连接有蠕动泵。

8.根据权利要求6所述的电化学预还原装置，其特征在于，所述阳极基体上设置有阳极，所述阳极为铂电极；所述阴极基体上设置由阴极，所述阴极为玻碳电极。

9.根据权利要求6～8任一所述的电化学预还原装置，其特征在于，所述阴极基体上设置有阴极液入口和阴极液出口，所述阴极液入口通过管路连接高效液相色谱柱的流出管道，所述阴极液出口连接至原子荧光光度计的反应块。

10.根据权利要求9所述的电化学预还原装置，其特征在于，所述原子荧光光度计的反应块还连接输入载气氩气的管路，所述原子荧光光度计的反应块连接有原子荧光光度计的气液分离器。