第三节　样品预处理方法

样品前处理在仪器分析过程中是一个既耗时又极易引进误差的步骤，样品前处理的好坏直接影响分析的最终结果。样品预处理的目的就是将微量或痕量的待测组分富集，去除干扰待测组分的物质，或者是将无法被仪器分析的待测组分转化成可被仪器分析的物质。预处理过程在整个分析过程中占用的时间和精力最多，预处理程度决定分析样品能否满足所用分析仪器的要求，因此它直接影响分析结果的可靠性和准确性。因此，为了提高仪器分析的测试效率，选择合适的样品预处理的方法和技术是个重要的问题。

一、样品前处理应遵守的原则

①采集的样品要能满足分析测试的目的，采集的样品要有代表性，故在采样的时间和地点、采样的方法、采样的量等方面作充分考虑。采样装置应保证采样时样品组成不发生变化。

②样品处理前应首先了解分析测试的目的和欲测组分的物理、化学性能，对样品的基本情况（如：物理性能、化学组成等）也应有所了解，以便选择适当的、合理的处理方法。

③要防止污染。污染是限制灵敏度和检出限的重要原因。主要污染来源是水、大气、容器和所用的试剂。即使最纯的离子交换水，仍有10-11～10-9mol/L的杂质。在普通的化学实验室中，空气中常含有Fe、Cu、Ca、Mg、Si等元素，一般来说大气污染很难校正。容器污染程度视其质料、经历而不同，且随温度升高而增大。对于容器的选择要根据测定的要求而定，容器必须洗净，对于不同容器，应采取各自合适的洗涤方法。

④避免损失。浓度很低（1μg/mL）的溶液由于吸附等原因，一般来说是不稳定的，不能作为储备溶液，使用时间最好不要超过1～2天。作为储备液用配制浓度较大（如1000μg/mL以上）的溶液。无机储备液或试样溶液放置在聚乙烯容器中，维持必要的酸度，保存在清洁、低温、阴暗的地方。有机溶液储存过程中，应避免与塑料、胶木瓶盖等直接接触。

二、无机样品预处理方法

在大多数情况下，供试样品都需要进行消解，破坏基体和转为溶液，使被测元素转化为适于测定的形式。消解样品的方法有碱熔法、燃烧法、干灰化法、湿消解法和微波消解法等。其他样品预处理方法还有沉淀分离法、配位掩蔽法、皂化法、磺化法、盐析法等化学分离技术。以及稀释法、浸取法、乳化法和悬浮液法等不破坏基体的制样方法，处理后的样品可以直接进样分析。

（一）碱熔法

碱熔法是用碱熔剂与样品混合，在高温下熔融分解样品，然后用合适的酸（通常是盐酸或硝酸），有时还加入某种配合剂溶解熔块，所得到的溶液作为试液。通常使用混合熔融剂，如碳酸钠+过氧化钠、碳酸钠+硼酸钠等，其中一种碱起助熔剂的作用。常用的碱熔剂有过氧化钠、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、偏硼酸锂等。不同的熔融剂须使用不同材质的坩埚。

碱熔法的主要优点是熔样速度快，熔样完全，特别适用于元素全分析；各种氧化物、磷酸盐、硅酸盐、氟化物以及耐火材料、玻璃和陶瓷类样品都可熔融分解。碱熔法的缺点是在测试时熔融样品引入大量的碱熔剂，导致干扰的出现；碱熔法不适于制备需要测定汞、硒、铅、砷、镉等易挥发元素的样品。

（二）燃烧法

燃烧法是将样品置于充有常压或高压氧的密闭容器中进行燃烧，被测元素转化为氧化物或气态化合物被吸收液吸收，随后将吸收液作为试液。燃烧法多用于含硫、卤素和痕量元素的有机化合物样品，通过燃烧可以使有机物迅速氧化分解。其优点是被测元素没有挥发损失，除吸收液外不消耗试剂，空白值低，不污染环境。

（三）干灰化法

干灰化法是在一定气氛和一定温度范围内加热，灼烧破坏有机物和分解样品，将残留的矿物质灰分溶解在合适的稀酸中作为随后测定的试样。干灰化法操作简单，无试剂沾污，空白值低，容易根据随后测定方法的需要灵活地选择溶解灰分的酸及其用量。干灰化法分为高温灰化法和低温灰化法。

1.高温灰化法

高温灰化法是将样品置于合适材质的坩埚中，在电热板上慢慢灰化样品，然后放入高温马弗炉中，依样品类型的不同慢慢升温分解样品。灰化温度一般控制在500～600℃，少数样品可提高至800℃。当需测定样品中挥发性元素时，灰化温度应低于500℃，有时还需加入灰化助剂，以提高灰化温度。灰化时间的长短主要取决于样品的种类和样品量，一般控制在4～8h。高温灰化法的优点是能灰化大量样品，但容易造成汞、镉、砷、锑、铋、铅、硒等元素的挥发损失，铬、铜、铁、镍、钒、锌等也会以金属单质、氧化物、氯化物或有机金属化合物的形式挥发损失，损失的程度取决于元素及其在样品中的存在形态，亦受灰化温度和灰化时间的影响。测定生物组织中不易挥发的元素尤其是难熔元素，用干灰化法处理样品是特别合适的。

2.低温灰化法

低温灰化法又称为氧等离子体灰化法，是在130～670Pa压力、高频电场振荡下，使氧形成具有极强氧化能力的氧等离子体（活性氧），在低温下（<150℃）缓慢氧化分解有机样品。灰化速度与等离子体的功率、流速和样品量等有关。灰化时间取决于样品性质和样品量，一般需4～8h。低温灰化法的优点是减少了沾污，避免了挥发损失。该方法特别适合于处理需测定硒、砷、锑、铅、镉等较易挥发元素的生物样品和有机聚合物样品，如测定聚合物中的易挥发元素，用这种方法处理样品是合适的。

（四）湿消解法

湿消解法是用适当的酸或混酸分解样品，使被测元素形成可溶性盐。每一种酸对样品中某一或某些组分的溶解能力，取决于酸与样品基体及被测组分相互作用的性质。一种样品通常含有多种组分，只用一种酸有时不能完全分解样品，因此，经常使用含酸混合物（混酸、酸+氧化剂、酸+催化剂）消解样品，如HNO3+H2SO4，HNO3+HClO4，HNO3+HCl，HNO3+HF，HCl+H2O2，H2SO4+HF，HNO3+H2SO4+HClO4，HNO3+H2SO4+H2O2，H2SO4+HNO3+V2O5，HCl+HNO3+HF+H2SO4与HCl+HNO3+HF+HClO4等，以充分发挥不同酸和试剂的协同作用，有时还加入Mo（Ⅵ）或V（Ⅴ）等催化消解，以加快消解速度，保证试样分解完全。选择何种消解体系取决于样品的种类、基体和被测元素的性质。

对于一种分析样品，消解方法可有多种选择，同一消解方法也可以适用于多种分析样品，各种不同样品的消解方法可以互相借鉴。

用酸分解样品的优点是：

①可以综合利用不同酸的特性，使绝大多数样品很好地分解；

②样品分解完全；

③分解速度快；

④不引入其他阳离子；

⑤多余的酸易于除去。

湿消解法通常使用敞口容器（加盖表面皿或漏斗）消解样品，设备和操作过程简单，但试剂消耗量大，溶样时间长，污染环境，容易造成元素挥发性损失和沾污。

（五）微波消解法

微波消解法是一种新的样品分解技术，是将样品放置在微波炉内特制的溶样罐中，利用微波辐射加热分解样品，按照严格的程序控制溶样过程。微波位于红外辐射与无线电波之间，能穿透一些介质，将能量直接辐射到反应物上。

物质分子在微波电磁场作用下发生瞬时极化。样品与消解液混合物吸收微波能量之后，由于离子传导与偶极子转动，产生内部热效应，迅速提高反应体系的温度。消解液分解试样，使被测组分释放出来。用微波消解试样时，所使用的盛样容器材料对微波是透明的，温度较低，与溶液接触的热分子与器壁碰撞时将能量传给相对较冷的器壁，这样由容器底部到顶部形成了一个温度梯度，消解酸气在顶部又冷凝返回液相。因此在微波消解试样时有较高的溶样温度，又只有比相应于该温度下通常平衡压力较低的内压力，这对保证消解操作的安全性是有利的，这正是在密闭容器内微波消解样品的优点。

建立对一种试样的微波密闭消解方法，必须对试样要有所了解，如样品基体的组成和化学性质；待测元素的性质及含量的估计；有关此类样品的分解方法、文献报道、工作经验，尤其是密闭消解的应用。因为试样在微波场中吸收微波的能量、升温的快慢、产生压力的大小以及发生化学反应的速度和程度都和试样的组成、浓度、性质有关。要从以下三个方面着手考虑与选择。

1.样品的称样量

我们在考虑称样量时，首先考虑后面的检测方法，是用化学法、AAS法、ICP-AES法还是其他方法。各种测定方法有不同的灵敏度和检测限。要求消解定容后的浓度要高于检测限。一般高于检测限几倍，几十倍更好，RSD就更小。同时还要考虑样品的均匀性和代表性，这将影响检测结果的准确性。上述两方面都希望称样量不能太小，要多一些好。

用微波消解还有一方面要考虑。从安全性来说，称样量要少些好，因为试样与酸在密闭系统中，反应产生的气体压力增大。样品量越多，产生的气体越多，压力就越大。如果反应很激烈，产生的气体非常快，使压力瞬间增大，就有引起爆炸的危险，所以要限制称样量。通常无机样品称样量为0.2～2g，有机样品为0.1～1g。当然，还要看密闭消解的溶样罐的容积大小，罐大的称样量可多些。当加入酸后最初反应很激烈，产生气体较多时，为了安全，可以先在常压下反应，待反应平缓后再放入微波炉中消解。

2.消解所用酸的种类和用量

消解试样的目的是通过试样与酸反应把待测物变成可溶性物质。如金属元素变成可溶性盐，成为离子状态存在于溶液中。酸的用量以完成反应所需量即可。

消解试样使用最广泛的酸是HNO3、HCl、HF、HClO4等。这些都是良好的微波吸收体，它们在微波炉中的稳定性、沸点和蒸气压以及与试样的反应均已知。

微波消解试样时要注意以下几点。

①试样添加酸后，不要立即放入微波炉，要观察加酸后试样的反应。如果反应很激烈：起泡、冒气、冒烟等，需要先放置一段时间，等待激烈反应过后再放入微波炉升温。因为反应激烈的情况下将盖盖上，密闭微波加热，容易引起爆炸。对加酸后初期反应很激烈的试样，一次加酸的量不要太多，可将酸分几次加完。对于有的样品，可将酸加入试样中浸泡过夜，待到次日再放入微波炉中消解，效果会更好。

②对于硫酸、磷酸等高沸点酸应在低浓度以及严格温控的条件下使用。

③应尽量避免使用高氯酸。

④由样品和试剂组成的溶液总体积不要超过20mL。

⑤对具有突发性反应和含有爆炸组分的样品不能放入密闭系统中消解。如：炸药、乙炔化合物、叠氮化合物、亚硝酸盐等物质。

3.微波加热的功率与时间

分解试样所需的能量取决于样品的用量、组成、试剂（酸）的种类及用量、容器的耐压耐温能力以及炉内样品的个数。炉内样品个数多，所需的微波功率大、时间长。密闭体系中介质的离子强度和极性决定了加热速度，离子强度大，体系升温快。

在微波溶样时，可采用预消解把样品组成中一些低分子的有机物、还原性强的有机物、具挥发性的物质在常压下先与酸反应或采用阶梯式升高加热功率的方法。避免因反应过于剧烈或分解产生大量的气体（如硝酸被分解成NO2等）而使压力骤升。

实际使用时，先用低功率、低压力、低温度，用短的加热时间，观察压力上升的快慢。经几次实验，当了解了消解试样的特性，方可一次设置高压、高温和长的加热时间。只要根据上述所介绍的方法，选择合适的消解条件，各种试样都能在短时间内消解好。

三、有机组分样品预处理方法

（一）蒸馏

蒸馏是最常用的样品分离、纯化、浓缩的方法，是利用液体混合物中各组分的沸点不同进行分离的。蒸馏分常压蒸馏、减压蒸馏和水蒸气蒸馏。常压蒸馏是在大气压下进行的，又分为简单蒸馏和分馏两种。分馏的分离效率比简单蒸馏要高得多。常压蒸馏适用于一般液体和低熔点固体的分离。减压蒸馏是在低于大气压下进行的蒸馏，适用于沸点较高或热不稳定化合物的分离。物质的沸点随压力的降低而下降，当压力降到20mmHg（1mmHg=133.3Pa）时，化合物的沸点比常压下降低100～200℃，因此，减压蒸馏可使高沸点化合物在较低温度下沸腾，避免化合物的分解。此外，减压蒸馏还可以提高某些化合物的分离度。

水蒸气蒸馏也是分离和提纯有机化合物的常用方法。该方法是在难溶或不溶于水的有机物中通入水蒸气或与水一起共热，使有机物随水蒸气一起蒸馏出来。有机物中通入水蒸气后，当总蒸气压等于大气压时，该混合物开始沸腾，显然，混合物的沸点低于其中任何一个组分的沸点，也就是说，这些化合物可以在比正常沸点低得多的温度下被蒸馏出来。因此，它的作用类似减压蒸馏。

水蒸气蒸馏适用于如下类型的样品处理：

①常压下易分解的高沸点有机物与植物样品；

②含有较多的固体有机物和不挥发杂质，这些固体有机物和不挥发杂质用一般方法不易分离。

（二）萃取

萃取是指物质从一相转移到另一相的过程，由一种液相转移到与之不相溶的另一种液相叫液-液萃取，由固相转移到溶剂中叫固-液萃取。萃取分间歇式和连续式。间歇式萃取常用分液漏斗来完成，即将盛有样品和萃取剂的分液漏斗振摇一段时间后，液相萃取即可实现。间歇式萃取操作简单方便，但萃取效率低；连续式萃取具有萃取效率高、溶剂用量小的优点，但设备比较复杂。

固-液萃取也分间歇式和连续式两种。间歇式可以在一般玻璃容器内进行。萃取前样品要粉碎，萃取时可以加热回流，也可以搅拌和超声振荡。连续固-液萃取一般在脂肪提取器（也称索氏提取器）中进行。由于固-液传质速度较慢，因此固-液萃取需要较长的时间，几小时甚至更长时间。

液-液萃取适用于水中有机物分析，例如，水中有机污染物分析和饮料中有机添加剂分析。固-液萃取适用于固体样品中有机成分分析，例如，中药材中有效成分分析，空气飘尘中多环芳烃分析等。

（三）色谱法

色谱法是样品制备与前处理的重要方法之一。早期经常使用柱色谱和薄层色谱进行样品的分离与纯化。柱色谱是将混合样品加在装有填料的玻璃柱上端，用适当的淋洗剂自上而下地淋洗，基于样品中各组分与柱中填料作用力强弱的不同而彼此分离，在柱下端收集适当组分供分析使用。由于柱色谱（经典色谱）法分离效率较低，因此，这种方法只能得到一定程度的纯化。若利用现代化的高效液相色谱制备技术，则可得到很纯的样品，制备量可以达到毫克级以上。

利用色谱技术还可以富集样品。柱色谱填料如果是吸附剂，可以用来对气、液样品中的痕量组分进行浓缩富集。例如，当水样通过装有XAD-2或XAD-8填料的色谱柱时，水中有机物被填料吸附，用溶剂将填料所吸附的有机物洗脱，当溶剂挥发后有机物实现了富集，富集后的样品可以进行气相色谱-质谱（GC-MS）等仪器分析。

又如当空气依靠抽气泵通过装有Tenax吸附剂的色谱柱时（低温或室温），空气中有机物被吸附，加热解吸或利用溶剂洗脱后，可进行气相色谱（GC）或气相色谱-质谱分析。这种方法在水分析、空气质量分析及超纯气体分析中经常采用。现在，已有专门用于水、大气中微量有机物捕集，热脱附的仪器，经捕集、热脱附后直接进行气相色谱或气相色谱-质谱分析。

（四）固相萃取法

固相萃取法实际上是色谱法的一种，由于这种方法发展很快，设备配套，应用广泛，已经单独作为一种预处理方法。它的核心是一种填充固定相的短色谱柱（长约5cm）。柱材料一般为聚丙烯，也可用玻璃和不锈钢制作。所用填料与高效液相色谱柱填料相仿，例如烷基键合固定相、氰基键合相、氨基键合相、硅胶等，不同填料适用于不同的富集对象。

使用固相萃取柱时先用适当溶剂将固相萃取柱的吸附剂润湿（称为活化处理），然后加入一定体积的被处理溶液，使其完全通过吸附柱。这时大量溶剂与不被保留的组分从柱中流出，被萃取组分则保留在吸附剂上，再用适当溶剂洗涤萃取柱，除去不需要的组分，然后用洗脱液把保留在萃取柱中的欲测定组分洗脱下来，收集备用。为了加速样品溶剂流过固相萃取柱，萃取柱通常与真空系统相连，通过调节真空度，可以控制溶剂的流量。

（五）膜分离技术

利用不同高分子膜对不同化合物的渗透性有所不同，将欲测组分与样品基体和干扰组分分离。在样品处理中常用的膜分离技术有：渗析、超滤和电渗析。由于膜分离技术具有装置结构简单、操作程序方便、无需有机溶剂处理、可与各种分析仪器直接连接，易于实现自动化和在线操作等，所以膜分离技术可应用于各类仪器分析的样品处理。

（六）吹扫-捕集技术

吹扫-捕集技术实质上是一种连续气体萃取技术（属于动态顶空技术），吹扫气（一般使用氮气）通过液体或固体样品，将样品中的可挥发组分（其中包括欲测组分）带出，然后用冷冻或固体吸附剂吸附的方法，将欲测组分捕集下来，再通过热解吸的方法，将欲测组分解吸下来，进入分析仪器分析。吹扫-捕集技术主要用于气相色谱和气相色谱-质谱分析可挥发性化合物，特别是分析水中有机挥发性化合物。该技术已列入美国EPA方法中水中有机挥发性化合物分析的标准方法。

（七）超临界流体萃取

超临界流体是流体界于临界温度及压力时的一种状态，超临界流体萃取的分离原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行萃取的。它克服了传统的索式提取费时费力、回收率低、重现性差、污染严重等弊端，使样品的提取过程更加快速、简便，同时消除了有机溶剂对人体和环境的危害，并可与许多分析检测仪器联用。在医药、食品、化学、环境等领域应用最为广泛。

（八）衍生技术

衍生是样品制备与前处理中常用的化学方法，其主要目的是提高灵敏度和选择性，扩大仪器的应用范围。在仪器分析中，某些对于仪器没有响应或响应不敏感的样品可以通过衍生技术改变其组成，从而达到能够检测或提高检测灵敏度的目的。化学衍生必须满足以下几个要求，一是反应条件易控制，操作简单；二是反应必须能定量进行，至少反应的转化率要恒定，应能满足定量分析的要求；最后反应产物易于纯化，不引进新的干扰组分。

1.酯化衍生法

在气相色谱或气相色谱-质谱分析中，经常遇到有机酸类的样品，由于有机酸分子极性较大，挥发性差，温度过高又容易分解，因此给分析带来一定的困难。如果将酸类样品变成相应的较易挥发的酯类样品，则容易分析得多。常用的酯化方法有两种：一种是有机酸与醇直接酯化，另一种是有机酸与重氮甲烷反应生成甲酯。

（1）直接酯化法　反应通式为

RCOOH+R'OH＝RCOOR'+H2O

反应常用的催化剂有浓硫酸、三氟化硼、三氟乙酸酐等。一般反应容易进行，回流加热可以提高反应速率。例如，测定某食品中脂肪酸的含量时。可用试样50mg，加入1mL 15％的BF3-CH3OH溶液，于80℃下加热回流5min，冷却后加入氯化钠水溶液，用3mL正己烷提取，分层后直接取上层正己烷溶液进行气相色谱分析即可。

（2）重氮甲烷法　反应通式为

RCOOH+CH2N2＝RCOOCH3+N2↑

此法反应产率很高，产物纯度也很高，可以在室温下进行，是甲酯化的理想方法。值得注意的是，重氮甲烷有毒性，易爆炸。因此，一般将其溶解在乙醚中使用。制备羧酸衍生物时，将这种乙醚溶液加到试样的乙醚溶液中。随即见有氮气气泡产生，加到溶液的黄色不褪为止，这表明有过量的重氮甲烷存在。乙醚挥发一部分后，取剩余部分进行气相色谱分析。

上述酯化方法主要用于气相色谱和气相色谱-质谱分析。

2.紫外-可见衍生法

在紫外-可见光谱分析中，由于某些化合物没有紫外吸收，使其应用范围受到很大限制。高效液相色谱分析中也经常遇到同样问题。紫外-可见衍生技术，是在待测组分的分子上接上具有紫外-可见光吸收的官能团（生色团），有了生色团后就可直接进行紫外-可见光谱分析。常用的衍生化试剂及应用如下所述。

①对硝基溴化苄：与羧酸反应生成酯，具有强紫外吸收。

②3，5-二硝基苯甲酰氯：与羟基化合物生成酯，具有强紫外吸收。

③2，4-二硝基苯肼：与羰基化合物反应，具有强紫外吸收。

④茚三酮与氨基酸生成蓝紫色化合物，其最大吸收波长为570nm。

3.荧光衍生法

荧光检测器灵敏度比紫外检测器灵敏度高出3个数量级，很适用于痕量分析，对于痕量的高级脂肪酸、氨基酸、生物胺、生物碱等不发荧光的化合物，可以通过荧光化试剂生成能发荧光的化合物，常用的荧光化试剂有丹酰氯（用于氨基酸、伯胺、仲胺、酚等）、荧光胺（用于氨基酸、伯胺等）。