液相阴极辉光放电原子发射光谱法高灵敏测定精铜矿中的铅和锌
俞洁1, 朱淑雯1, 陆泉芳1,2,*, 张志超1, 张晓敏1, 王星1, 杨武1
1. 甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室, 西北师范大学化学化工学院, 甘肃 兰州 730070
2. 西北师范大学学报编辑部, 甘肃 兰州 730070
*通讯联系人 e-mail: luqf@nwnu.edu.cn

作者简介: 俞 洁, 女, 1979年生, 西北师范大学化学化工学院副教授 e-mail: yujie741008@163.com

摘要

由于重金属毒性大, 且在环境、 动物和人体器官中易积聚, 因而在矿石开采、 冶炼和加工之前, 监测其中的微量重金属显得尤为重要。 著名的原子光谱仪器, 如原子荧光光谱(AFS)、 原子吸收光谱(AAS)、 电感耦合等离子体(ICP)等已广泛用于各种样品中元素的检测, 但它们体积大、 能耗高、 价格昂贵、 气体消耗大, 这些缺点严重阻碍了野外现场的连续监测。 为了满足分析仪器的微型化趋势, 1993年Cserfalvi开发了一种电解液阴极放电原子发射光谱(ELCAD-AES)技术并将其用于分析检测中。 该装置中, 待测溶液以8~10 mL·min-1的流速从细管顶端溢出, 然后沿管壁流入装满电解液的35 mL储液池中, 以溢出溶液的液面作为放电阴极, 在和流动液体电极相距2~4 mm处放一金属W(Ti)棒为阳极, 细管浸入电解液并尖端向上弯曲超出储液池液面1~3 mm, 细管顶端溢出的液体流入储液池并通过其中的碳棒与电源负极相连, 从而构建放电系统。 从那时起, 为了提高激发效率和放电稳定性, 人们对ELCAD进行了大量改进。 基于ELCAD的特点, 通过改进放电装置, 建立了一种新的液相阴极辉光放电(LCGD)分析系统。 该系统中, 放电在直径0.5 mm的铂针阳极和内径1 mm的毛细管顶端溢出的溶液阴极之间的间隙中产生。 毛细管上端和铂丝之间的间隙为2 mm, 毛细管插入石墨管且露出石墨管的距离为2.5 mm。 样品溶液以4.5 mL·min-1从毛细管顶端溢出流经石墨管上的凹槽, 石墨管和电源负极连接。 与ELCAD相比, LCGD的优点在于: Pt针做阳极, 可形成尖端放电, 从而降低能耗(<60 W), 提高激发效率; 蠕动泵管上打结, 可降低泵的脉动性, 提高放电的稳定性; 石墨管链接电源负极, 删除ELCAD中的储液池, 使样品消耗更少。 为了评估方法的分析性能, 用LCGD测定了HNO3-HCl消化的精铜矿样品中的铅和锌。 系统研究了放电稳定性以及放电电压、 溶液流速、 支持电解质和溶液pH对发射强度的影响, 并将LCGD与其他ELCAD的分析性能进行比较。 此外, 用ICP对LCGD的测试结果进行验证, t检验分析两种结果的差异性。 结果表明, 当电压从620升高到680 V, 发射强度逐渐增大, 这是因为电压升高, 激发能量增大, 单位体积内激发的金属原子增多, 激发效率提高。 考虑到放电稳定性, 选择650 V为最佳放电电压。 当流速从2.5增加到4.5 mL·min-1时, 发射强度增加, 这是由于流速增加导致进入放电区的样品量增加, 发射强度增强; 流速高于4.5 mL·min-1后, 发射强度有下降的趋势, 这是由于水荷载的增加引起放电区能量密度降低以及过量水加热消耗了用于激发样品的能量, 导致激发能量降低。 因此, 选择最佳流速为4.5 mL·min-1。 pH=1的HNO3具有较高的激发强度, 因而选择pH=1为最佳pH。 最佳条件下, Pb和Zn的检出限分别为0.38和0.59 mg·L-1, 相对标准偏差分别为0.9%和1.2%, 功率低于60 W。 实验中的检出限与其他类似方法所测结果有一定差距, 这可能与所选谱仪有关。 固定激发波长下研究发现, 放电过程有较好的稳定性。 矿石样品中Pb和Zn的回收率在87.6%~107.4%, LCGD测试结果与ICP基本一致, 两种方法基本无显著性差异。 与ICP相比, LCGD具有低能耗、 高激发效率、 小型便携等优点。 随着进一步改进, 有望开发出可用于实时、 在线检测金属元素的微型化仪器。

关键词: 液相阴极辉光放电; 原子发射光谱; 精铜矿; 微量重金属; 高灵敏测定
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
High Sensitive Determination of Pb and Zn in Refined Copper Ores Samples Using Liquid Cathode Glow Discharge-Atomic Emission Spectrometry
YU Jie1, ZHU Shu-wen1, LU Quan-fang1,2,*, ZHANG Zhi-chao1, ZHANG Xiao-min1, WANG Xing1, YANG Wu1
1. Key Lab of Bioelectrochemistry and Environmental Analysis of Gansu Province, College of Chemistry and Chemical Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China
2. Editorial Department of the University Journal, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China
Abstract

Monitoring of trace heavy metal ions in ores samples before the mining, smelting and processing is of great importance due to it high toxicity and gradual accumulation in the environment as well as in animal or human organs. The well-known atomic spectrometry analytical instruments, such as atomic fluorescence spectrometry (AFS), atomic absorption spectrometry (AAS) and inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES), have been extensively employed for the determination of metal elements in various complex samples. However, these analytical instruments require bulky and costly devices, high power and large gases consumption. These shortcomings restrict their use within laboratory, preventing their use for field measurement and continuous monitoring. To meet the trend of miniaturization in analytical instrumentation and the requirements of on-line detection in field, electrolyte cathode discharge (ELCAD) has been developed by Cserfalvi in 1993 as an important tool in atomic spectrum analysis for element determination of liquid samples. In the original apparatus of ELCAD, the sample solution is acted as cathode, which overflows with typical flow rate of 8~10 mL·min-1 from a pipette into about 35 mL reservoir completely filled with electrolyte solution, and a counter-electrode (mostly W or Ti rod) above it (2~4 mm) is the anode. The pipette is immersed into electrolyte solution and then curved upwards about 1~3 mm from the reservoir containing a grounded graphite electrode to make it electrically conductive. Since then, in order to improve the emission efficiency and discharge stability, many improvements for excitation source of ELCAD have been developed. In the present work, a novel liquid cathode glow discharge (LCGD) was successfully constructed based on the principle of ELCAD, in which the glow discharge plasma was generated between the needle-like Pt anode (diameter 0.5 mm) and electrolyte (served as the liquid cathode) overflowing from a quartz capillary (1.0 mm inner diameter). The vertical gap between capillary and pointed Pt wire is 2 mm. The quartz capillary was inserted into a graphite tube and protruded from the graphite tube about 2.5 mm. The sample solution was introduced through the quartz capillary with the aid of a peristaltic pump at flow rate 4.5 mL·min-1, and then flowed over the top of capillary into the grooves on the graphite tube. This device can offer several advantages over conventional ELCAD. For example, sealed Pt wire into a quartz tube can form a Pt tip discharge and make the energy focus on a very tiny spot, which has lower energy consumption (<60 W) and higher excitation efficiency. In addition, several knots in peristaltic-pump tubing can reduce signal fluctuations of discharge induced by the peristaltic pump and improve the stability of discharge plasma. Furthermore, inserted the quartz capillary into graphite tube is excluded the reservoir of ELCAD, which can reduce the consumption of solution samples. To evaluate the analytical performance of LCGD, the simultaneous determination of Pb and Zn in digested refined copper ores samples with HNO3-HCl was carried out. The stability of LCGD and the effects of discharge condition, supporting electrolyte, solution pH and solution flow rate on emission intensity were systematically investigated. The limits of detections (LODs) of Pb and Zn were compared with those measured by closed-type ELCAD. In addition, the measured results of samples using LCGD were verified by ICP. Moreover, a t-test between the analytical results obtained by LCGD-AES and ICP-AES was also used for estimating the uncertainty in analytical measurements. The results showed that the emission intensities increase markedly with the increase of the discharge voltage from 620 to 680 V. This is because a higher discharge voltage creates more high-energy electrons which collide with gaseous water and metal vapor in the excitation source, thus improving the excitation efficiency of metal. Considering the discharge stability, excitation efficiency and lifetime of the electrodes, 650 V was selected as the optimal discharge voltage. The emission intensities are increased when the flow rate increases from 2.5 to 4.5 mL·min-1 before slightly reducing over 4.5 mL·min-1. The increase of the emission intensity may be assigned to increasing the amounts of analytes which entered into the discharge region. The reduction of emission intensity over 4.5 mL·min-1 may be ascribed to too much water loading and evaporating, which can consume the energy in the discharge region and reduce the efficiency of exciting the atoms. Therefore, 4.5 mL·min-1 was selected as the optimal flow rate. It is observed that pH=1 HNO3 has higher emission intensities. Hence, pH=1.0 HNO3 was selected as the optimum solution pH. Under the best analyzing conditions, the limits of detections (LODs) of Pb and Zn obtained from this method are 0.38 and 0.59 mg·L-1, respectively. The relative standard deviation (RSD) is 0.9% for Pb and 1.2% for Zn. The power consumption is below 60 W. LOD of this method has higher than that of other ELCAD. This may be associated with the selected spectrometer. The emission intensity remains almost unchanged under the same discharge condition, suggesting that the glow plasma is very stable. The recoveries of Pb and Zn are in the range of 87.6%~107.4%. The results of refined copper ores samples using LCGD are well consistent with the comparing values of ICP and there is no significant difference between the two methods. Compared with ICP, LCGD has several advantages, such as low power consumption, high excitation efficiency and easy miniaturization. It may be developed as a miniaturized analytical instrument for on-site, real-time and on-line determination of metal elements with further improvement.

Keyword: Liquid cathode glow discharge(LCGD); Atomic emission spectrometry (AES); Refined copper ores; Trace heavy metals; High sensitive determination
引 言

微量重金属(铅、 锌、 铜、 镉、 镍等)普遍存在于许多矿石中, 因而在矿石加工、 处理和冶炼过程中, 如果忽视这些重金属, 无意识地排放矿石加工废水将无形中导致土壤和水体污染, 进而这些重金属被农作物吸收, 再通过食物链传递, 最终在人体内逐渐积累, 对人类健康带来极大危害。 因此, 加工矿石之前, 检测矿石中重金属元素含量显得尤为重要。

目前国内外检测重金属元素最常用的方法有原子荧光光谱法(AFS)、 原子吸收光谱法(AAS)、 电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)、 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等。 它们具有灵敏度高、 稳定性好等优点, 但这几类检测仪器体积较大、 价格昂贵、 能耗高、 气体消耗量大、 操作复杂, 不能适用于野外现场的实时、 在线连续分析测定[1]。 分析仪器微型化是分析化学研究的一个重要方向, 近20年来兴起的电解液阴极辉光放电原子发射光谱(ELCAD-AES)技术为开发低成本、 微型化金属元素在线检测分析仪器提供了新思路[2, 3]。 与其他技术(ICP-AES等)相比, ELCAD-AES不仅具有低能耗(功率< 100 W)、 无气体消耗、 无需真空环境及雾化器等进样部分, 而且装置小型便携、 成本低廉、 操作简单, 同时还可实现原位、 实时、 在线和多元素同时定性或定量分析检测[1, 2, 3]

ELCAD-AES技术首次由Cserfalvi小组于1993年提出, 并将其应用到光谱分析中[4, 5]。 该装置中, 待测溶液以8~10 mL· min-1的流速从细管顶端溢出形成“ 喷泉” 状液面, 然后沿管壁流入装满电解液的35 mL储液池中, 以溢出溶液的液面作为放电阴极, 在和流动液体电极相距2~4 mm处放一金属W(Ti)棒为阳极, 细管浸入电解液并尖端向上弯曲超出储液池液面1~3 mm, 细管顶端溢出的液体流入储液池并通过其中的碳棒与电源负极相连, 从而构建放电系统。 然而, 最初设计的装置体积大, 样品消耗多, 产生的等离子体稳定性差, 测量的检出限高[6]。 为了解决这些问题, 人们对其装置进行了大量改进。 如改进的电解液阴极放电(ELCAD)技术[7]、 溶液阴极放电(SCGD)技术[8]、 液体进样-大气压辉光放电(LS-APGD)技术[9]、 直流大气压辉光放电(DC-APGD)技术[10]、 交流电解液大气压放电(AC-EALD)技术[11]、 液膜介质阻挡放电(LF-DBD)技术[12]、 液体电极介质阻挡放电(LE-DBD)技术[13]等。 近年来, 改进的ELCAD已被应用于许多实际样品中金属元素的分析, 如土壤[10], 硅胶[14], 硅酸钇镥[15], 海水[16], 头发和河流沉积物[17]等。 尽管ELCAD已经有长足的发展, 但很少将其用于测定矿石样品中的金属元素, 可能是由于其复杂的基体效应[18]

文中针对重金属元素含量快速检测的需求, 基于ELCAD-AES的特点, 通过改进放电装置, 建立了一种新的液相阴极辉光放电原子发射光谱(LCGD-AES)分析系统。 与其他ELCAD-AES装置相比, 该系统的优点在于: 用Pt针尖做阳极, 可以形成尖端放电, 提高激发效率; 穿入毛细管的石墨碳棒链接电源负极, 删除ELCAD中的储液池, 使测试样品损失量更少, 实现激发源的更加微型化; 碳棒的引入去除ELCAD储液池液面的波动, 提高放电的稳定性; 碳棒上的凹槽便于毛细管溢出的液体流入废液池中; 蠕动泵上打结(缓冲系统), 可降低蠕动泵的脉动性, 使进样溶液运行平稳, 从而进一步提高放电的稳定性[18]。 为了评估该方法的可行性, 用LCGD-AES同时测定了HNO3-HCl消化精铜矿样品后溶液中的铅和锌。 系统研究了放电电压、 溶液流速、 支持电解质和溶液pH对发射强度的影响, 并将测试结果与ICP-AES进行比较。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

DH 1722-6型高压直流电源(北京大华无线电仪器厂); YZ1515X型蠕动泵(北京东南仪诚实验室设备有限公司); Omni-λ 500型单色仪(1 800 grooves· mm-1, 北京Zolix仪器公司), 波长范围为200~800 nm, 光谱分辨率为0.1 nm; PMTH-S1-CR131光电倍增管(北京Zolix仪器公司); Varian 715-ES ICP-AES 等离子体发射光谱仪(美国Varian公司); pH-211型酸度计(Hanna, Italy); 超纯水净化系统(上海三森医疗器械有限公司); 自制阳极铂电极: 直径为0.5 mm的铂丝穿入直径为5 mm的石英管中, 一端封存并露出石英管1 mm, 另一端接导线。 HNO3, HCl和H2SO4(优级纯, 国药集团化学试剂有限公司); 1 000 mg· L-1的Pb和Zn的单元素标准溶液(国家标准物质认证中心)。

精铜矿样品(A, B, C和D, 均由甘肃白银公司提供)的处理过程为: 精确称取1.0 g矿石粉末样品加入到聚四氟乙烯消解罐中, 然后取10 mL浓硝酸(65%)和20 mL浓盐酸(37.5%)加入消解罐中, 室温下预消解30 min。 之后, 将消解仪的温度逐渐升高至240 ℃, 消解2 h。 赶酸直至样品近干, 冷却至室温后, 将样品转移至容量瓶中, 用pH=1的硝酸溶液(空白溶液)定容至50 mL, 然后通过0.45 μ m滤膜过滤以获得待测溶液样品。 所有数据点均来自10次连续测量的平均值。 测定实际样品时, 扣除了空白值, 同时采用标准加入法来消除基体效应。

1.2 装置及分析方法

LCGD-AES装置同文献[18], 详见图1。 以自制的封存在石英管中的铂针(直径为0.5 mm, 针尖露出石英管的长度为1 mm)为放电阳极, 以毛细管(内径: 1 mm; 外径: 1.2 mm)上端溢出的待测样品溶液作为阴极, 样品溶液在蠕动泵带动下通过石英毛细管传送。 为了使溶液运行平稳, 从而减小进样溶液的脉冲波动, 提高放电的稳定性, 需要在蠕动泵的橡胶管上打几个结(相当于缓冲系统), 可以增加阻尼, 降低蠕动泵的脉动性和间歇性。 毛细管溢出液与铂针尖端接触, 之后流经穿入毛细管的石墨管, 最后进入废液池。 石墨管与电源阴极相连, 从而使电路导通; 毛细管上端和铂丝尖端之间的垂直间隙为2 mm, 毛细管露出石墨管的垂直距离为3 mm。 在大气环境中, 两电极间施加足够高电压, 溶液被高能电子激发而产生辉光放电等离子体, 用石英透镜聚焦辉光到单色仪狭缝, 通过PMTH-S1-CR131光电倍增管和光子计数器, 用ZolixScan Basic V4软件检测等离子体的光谱信号强度。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2 结果与讨论
2.1 发射光谱分析

图2给出了200~800 nm内pH=1的HNO3空白溶液(a)和5 mg· L-1 Zn和Pb混合溶液(b)的发射光谱。 图2(a)中波长283.0~309.0 nm属于OH(A2Σ +X2Π )的谱带, 这是由于水分子被电子轰击电离而产生; 315~406 nm为N2的谱带(C3Π uB3Π g), 这是因为放电是在大气压空气中进行; 656.3和486.1 nm处分别为Hα 和Hβ 的原子线[16, 18]。 此外, 在589.1和589.8 nm处出现Na Ⅰ 的谱线, 表明空白样品含有微量的钠盐杂质。 从图2(b)可以看出, 除产生与空白相同的发射谱线外, 还产生了新的谱线。 213.9 nm处为Zn Ⅰ 的发射谱线; 368.3和405.9 nm处分别为Pb Ⅰ 的发射谱线, 由于368.3 nm处存在N2谱线的干扰, 所以选用405.9 nm作为Pb Ⅰ 的分析线。 由图2(b)还可以看出, Pb Ⅰ (405.9 nm)和Zn Ⅰ (213.9 nm)的发射强度不同, 这是由于金属原子被激发到激发态所需的能量不同, Zn Ⅰ (213.9 nm)的激发能高于Pb Ⅰ (405.9 nm), 故Pb Ⅰ 405.9 nm容易激发, 信号强度高。 与图2(a)相比, 图2(b)中Zn Ⅰ (213.9 nm)和Pb Ⅰ (405.9 nm)为孤立谱线, 不受其他发射谱线的干扰。 所有这些结果表明, 使用LCGD-AES可以同时定量检测溶液中的Pb和Zn。

图2 pH=1.0 的HNO3空白溶液(a)和pH=1.0的5 mg· L-1 Pb和Zn混合溶液的发射光谱(b)Fig.2 Typical LCGD-AES spectrum of the pH=1.0 HNO3 blank solution (a) and mixed solution of 5 mg· L-1 Pb and Zn adjusted to pH=1 with HNO3 (b)

2.2 条件优化

2.2.1 放电电压对发射强度的影响

放电电压是影响金属激发跃迁、 等离子体稳定性和发射强度的重要因素。 当放电电压小于600 V时, 等离子体能量低, 发射光谱弱, 产生的能量全部用于水的加热蒸发, 不能激发金属谱线。 然而, 当放电电压超过700 V时, 由于溶液从石英毛细管溢出而使辉光放电非常剧烈且放电不稳[18]。 另外, 针状Pt电极由于能量较高而变的红热, 产生较大的误差, 从而影响测定结果。 此外, 如果施加的电压太高(> 720 V), 铂针尖和石英毛细管会因为更高的功率而熔化和破坏[18]。 因此在620~680 V进行电压对信号强度的研究, 结果见图3。 从图3可以看出, 随着放电电压的增大, Zn和Pb的发射强度逐渐增大, 这是因为电压升高, 提供的激发能量增大, 单位体积内被激发的金属原子多, 激发效率高, 因而发射强度增大。 研究发现, 650 V时提供的最大功率为56 W, 此时信号强度适中, Zn和Pb的相对标准偏差(RSD)较低, 分别为1.7%和4.4%。 考虑到放电稳定性、 激发效率以及铂电极和石英毛细管的使用寿命, 选择650 V为最佳放电电压。

图3 放电电压对发射强度的影响Fig.3 Effect of the discharge voltage on emission intensity

2.2.2 流速对发射强度的影响

研究发现, 当溶液流速低于2.5 mL· min-1时, 由于没有足够的溶液来维持放电, 因此放电不稳定且存在间歇淬灭; 当流速高于5.5 mL· min-1时, 提供的能量负载到水溶液上, 加快了水分子的蒸发, 导致用于激发金属原子的能量减小, 检测不到金属线。 故本实验在流速为2.5~5.5 mL· min-1研究其对Pb和Zn发射强度的影响, 结果见图4。 可以看出, 当流速从2.5增加到4.5 mL· min-1时, 元素发射强度增加, 这可能是由于溶液流速增加导致进入到辉光放电区的样品的量增加, 发射强度增强; 流速高于4.5 mL· min-1后, Pb的发射强度有下降的趋势, 这可能是由于水荷载的增加引起辉光放电区能量密度的降低以及过量水的加热消耗了用于激发样品的能量, 导致元素的激发能量降低, 发射强度减弱[18]。 另外, 4.5 mL· min-1时, Zn和Pb的测定过程中的RSD最小, 放电稳定性最好。 因此选择最佳的流速为4.5 mL· min-1

图4 溶液流速对发射强度的影响Fig.4 Effect of solution flow rate on emission intensity

2.2.3 电解质对发射强度的影响

酸作为支持电解质比金属盐有更强的发射信号, 并且酸性阴离子对发射强度也有影响。 本实验考察了pH 1的HNO3, HCl, H2SO4基质对5 mg· L-1的Pb和Zn发射强度的影响, 结果见图5。 由图可以看出, 三种酸对Pb的发射强度增强顺序为: HNO3> H2SO4> HCl; 对Zn影响其发射强度的顺序是HCl> HNO3> H2SO4。 然而, HCl和H2SO4容易与一些金属离子生成沉淀, 造成溶液中金属离子数量的减少[17]。 考虑到HNO3对更多的元素具有较好的化学稳定性[18], 选择HNO3作为最佳的支持电解质。

图5 电解质对发射强度的影响Fig.5 Effect of the supporting electrolyte on emission intensity

2.2.4 pH对发射强度的影响

pH影响溶液的导电性, 从而进一步影响放电能量和激发效率。 因此, 评估pH对Pb和Zn发射强度的影响非常重要。 预备实验发现, 当pH> 1.6时, 溶液的导电弱, 用于放电的能量低, 此时辉光放电等离子体十分微弱, 低能量很难激发金属元素, 此时观察不到金属线。 pH< 0.8时, 导电能力急剧增大, 功率变大, Pt针尖由于高温而红热, 阳极周围的溶液开始快速沸腾, 等离子体变得极其不稳定[18]。 继续降低pH会使石英毛细管和Pt电极高温融化而损坏, 故pH的研究在0.8~1.6范围内进行。 图6显示了不同pH对Pb和Zn发射强度的影响。 可以看出, 随着pH值从0.8增大到1.6, 元素发射强度降低。 表1列出了不同pH下金属元素的相对标准偏差(RSD), 可以看出, pH 1时RSD最小, 且信号强度适中, 因此选择pH 1为最佳的pH分析条件。

图6 溶液pH对发射强度的影响Fig.6 The effect of the solution pH on emission intensity

表1 不同pH下金属的RSD(%) Table 1 The relative standard deviation (RSD, %) at different solution pH by using LCGD-AES
3 分析性能

在最佳运行条件(放电电压: 650 V, 溶液流速: 4.5 mL· min-1, 电解质: pH1的HNO3, 毛细管直径: 1 mm, 电极间隙: 2 mm)下评估了LCGD-AES系统的分析性能。 以谱线强度为纵坐标, Pb和Zn单元素金属浓度(5~30 mg· L-1)为横坐标, 进行线性拟合, 即得元素定量分析的校准曲线。 检出限(LOD)由LOD=kσ /S计算, 其中, k为置信系数, 通常k=3; σ 为空白信号的标准偏差; S为标准曲线的斜率。 图7为Pb和Zn的校准曲线, 可以看出在5~30 mg· L-1的浓度范围, 铅和锌的谱线强度与溶液浓度呈现良好的线性关系, 相关参数列于表2。 从表2可以看出, 两种元素的功率消耗低于56 W, Pb和Zn的LOD分别为0.38和0.59 mg· L-1, 灵敏度分别74 768和10 076, 相对标准偏差(RSD)分别为0.9%和1.2%。 显示本方法具有低能耗、 低检出限、 高的灵敏度和好的精密度。 因此, LCGD可以作为原子发射光谱的有效激发源用于Pb和Zn的测定。

图7 Pb Ⅰ (405.9 nm)和Zn Ⅰ (213.9 nm)的校准曲线Fig.7 The calibration curves of the analytes Pb and Zn at wavelengths of 405.9 and 213.9 nm

表2 分析性能 Table 2 Analytical performance of LCGD-AES

表3列出了本方法所测Pb和Zn的LODs与其他ELCAD[5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]以及世界卫生组织(WHO)饮用水质量水平[19]的比较。 可以看出, 实验中Pb和Zn的LOD与其他类似方法的测定结果有一定差距, 这可能与所选谱仪有关, 因为本文选择的光栅光谱仪, 分辨率低。 此外, 本研究中Zn的LOD值远小于WHO指南推荐的Zn的最高水平值, 因此该方法可用于测定饮用水中Zn的安全性。

表3 本法检出限与其他ELCAD系统检出限以及WHO饮用水标准的比较(mg· L-1) Table 3 Comparison for Pb and Zn detection of the LCGD system with ELCAD-type and standards for drinking water quality (mg· L-1)

在固定Pb Ⅰ (405.9 nm)和Zn Ⅰ (213.9 nm)的激发波长下, 以发射强度与运行时间作图来检测放电的稳定性[15, 16]。 图8显示了放电等离子体稳定120 s后在300 s内发射强度的变化。 可以看出, 最优条件下, Pb和Zn的发射强度保持不变, 测量20次时Pb和Zn的RSD分别为0.9%和0.3%。 说明放电过程具有较好的稳定性和重现性, 可以用于金属元素的测定。

图8 LCGD作为时间函数的发射强度的稳定性Fig.8 Stability of emission intensity as a function of time of LCGD

4 实际样品测试

为了评估所提方法的可靠性和准确性, 用LCGD-AES系统测定了经浓硝酸-盐酸消解精铜矿样品后溶液中的Pb和Zn, 并将测试结果与ICP-AES数据进行比较, 同时用标准加入法进行回收率实验, 结果见表4。 可以看出, 本法测试结果与ICP-AES基本一致, 矿石样品中Pb和Zn的回收率在87.6%~107.4%(表4)。 用t检验法比较了LCGD-AES与ICP-AES两种分析方法的一致性(两种方法测试结果之间是否存在显著性差异), LCGD-AES和ICP-AES统计学结果见表4。 可以看出大多数t值小于t95%=2.78(置信区间为95%), 此外, 大部分p值都大于0.05。 由此说明, 两种方法基本无显著性差异。 表明LCGD的测量结果准确、 可靠。

表4 LCGD-EAS测定精铜矿样品结果与ICP-AES的比较 Table 4 Comparison of measurement results with ICP-AES
5 结 论

建立了一种新型的液相阴极辉光放电-原子发射光谱 (LCGD-AES)装置, 并将其成功用于精铜矿中Pb和Zn测量。 结果表明, 最优的分析条件为: 放电电压650 V, 溶液流速4.5 mL· min-1, pH 1的HNO3为电解液。 该方法获得的Pb和Zn的R2都为0.991 4, RSD分别为0.9%和1.2%, 检出限分别为0.38和0.59 mg· L-1。 本法获得的Zn的检出限远低于WHO饮用水卫生标准中Zn的最高限量值, 因而可用于检测饮用水中Zn的安全性。 本法对精铜矿样品中Pb和Zn的测试结果与ICP-AES基本一致, 样品回收率在87.6%~107.4%。 t检验统计结果表明, LCGD-AES测试结果与ICP-AES无显著性差异。 以上结果表明, LCGD系统具有稳定性好、 灵敏度高、 精密度好、 准确度高等优点, 可用于矿石中重金属含量的检测。 与ICP-AES相比, LCGD-AES具有小型便携、 成本低廉、 操作简单、 激发效率高、 能量消耗小等优点。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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