簡述幾種綠色分析化學方法在檢驗檢測實驗室的應用

王劍松

重慶市計量質量檢測研究院 重慶 401123

1 前言

近年來,隨著對產品質量、環境安全的日益重視,中國檢驗檢測市場迎來了巨大的發展機會。據中國認監委提供的數據[1]:截至2016年底,我國檢驗檢測機構數量為33235家,全年實現營業收入2065.11億元,從業人員111.6萬人,檢測報告3.56億份；其中僅建筑建材、環境、食品3個領域的檢測機構就占到了1.8萬家。檢測實驗室無論從數量,從業人員人數還是檢測樣品量都在不斷上升。

為了保障分析人員的健康和安全,減輕分析人員的勞動強度、減少化學廢液的產生,同時也降低分析廢液的處置費用,需要將綠色分析的理念和方法應用到化學檢測實驗室,以支持檢驗檢測產業的長期健康可持續發展。

2 綠色分析化學概念

“綠色分析化學”是美國化學會Namiesnik教授在基于環境友好的綠色化學概念的基礎上提出來的,他認為綠色分析需要首要關注和遵循以下原則[2]:

(1)在分析過程避免(至少大幅度減少)使用化學試劑,尤其是有機溶劑；

(2)在分析過程,要減少氣體、液體和固體廢物的產生；

(3)在分析過程中,避免使用劇毒(包括生態毒性)的試劑(例如,最好用其它試劑取代苯)；

(4)減少每個樣品分析的所需的人力和能耗。

3 綠色分析化學方法在檢測實驗室的應用

3.1 樣品前處理環節的綠色分析化學方法 萃取、消解是最為傳統的樣品前處理方法。其中,萃取常常用于樣品中待測組分的分離及濃縮,以便進行有機物濃度分析,實際操作時會用到大量的有機溶劑,分析人員的勞動強度也很大,還有長時間接觸揮發性有機物的風險；

目前,對于樣品中待測組分的分離與濃縮,已經發展出了多種回收率高、提取效率高、不用或者只需少量有機溶液,諸如加壓溶劑萃取、微波萃取、快速溶劑萃取、超臨界流體萃取(SFE)以及固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)、液膜萃取(LM)等多種方法和設備。以超臨界流體萃取(SFE)為例,該方法普遍采用CO2為溶劑(在萃取極性化學物質時,需要添加少量甲醇),常常用于食品、環境樣品以及藥物分析。

在目前的技術條件下,有些參數的分析方法,按照精密度、準確度、靈敏度、分析速度、回收率等常規評價指標的要求,還離不開有機溶劑作為萃取液,就需要采用毒性較低、環境危害性相對較小的化學試劑和方法。

除了采用綠色試劑和設備進行干擾物分離等方法實現樣品前處理,目前,吳海龍[3]等提出了采用化學計量學方法的“數學分離”技術,可以在減少物理或化學分離的情況下,利用多維數陣的成分分解算法,消除干擾物質的影響,獲得較為準確的待測組分數據。

消解在樣品成分分析、食品、水、土壤等樣品的重金屬含量分析等方面的應用非常普遍；環境分析方面,最重要的水污染參數化學需氧量(COD)的分析,也需要對待測水樣進行消解。傳統的消解方法有濕法消解、熔融消解、高溫干法分解等；濕法消解在環境、食品樣品應用最為普遍,在實際操作時基本都會用到硫酸等大量的強腐蝕性無機酸,消解過程還會產生酸霧等污染物。微波消解儀是目前應用非常普遍的一種綠色樣品處理設備,消解儀利用微波的熱效應,相對于傳統加熱消解方式,微波消解技術具有樣品分解速度快、試劑消耗少、工作強度低、污染小等優點,密閉微波消解還避免了酸霧的產生,有利于分析人員的健康安全。

3.2 分析環節的綠色化學分析方法 分析環節的綠色分析技術,根據是否需要樣品前處理、化學試劑以及自動化程度,大致可以分為三類:

第一類是不需要或者僅需要簡單樣品處理(研磨、分散等物理方法),也不需要或者僅需要少量化學試劑的分析技術。

近年來,拉曼光譜、近紅外光譜以及激光誘導擊穿光譜(LIBS)應用于糧食、食品、土壤、礦物、水質的分析日益增多,這類分析方法共同的特點是可以直接測定液體、固體、半固體和膠狀體等不同形態的樣品,不需要對樣品采取破壞性處理方式。隨著化學計量學的發展,適用于這些測量原理的數學模型日益完善,分析速度加快,也減輕了分析人員的勞動強度。

第二類是相對于常規化學分析方法,減少了試劑和樣品用量,同時也相應減少了分析廢液的技術。

流動注射分析技術(FIA)和微流控技術是這類分析技術的代表。流動注射分析是一種非穩態的化學分析技術,儀器通過把一定體積的試樣溶液注入到一個流動著的試劑溶液(或水)載流中,與載流中的試劑混合、反應,再進入到流通檢測器進行測定分析及數據處理。流動注射分析試樣、試劑的用量,每次僅需數十微升至數百微升,僅為常規分析方法的幾十分之一。而且,采用流動注射原理的分析儀器自動化程度高,還可以極大減輕分析人員的勞動強度。

第三類是以減輕分析人員勞動強度和保障人身健康安全為目的的自動分析技術和設備。

包括實驗室全自動分析設備,如自動稱量、移液、稀釋、進樣等儀器設備以及在線分析儀器(on-line analyzer)。在線分析儀器是一種特殊的自動化分析設備,儀器可以實時、原位、自動分析待測樣品的數據,并連續輸出信號。在線分析儀器技術已經在工業過程控制、環境大氣、水質自動監測方面發揮了越來越多的重要作用。

最后一點,根據綠色分析化學原理,檢驗檢測實驗室在選用儀器和設備時,還應當考慮到儀器和設備的能耗,盡量選用低能耗(綠色)產品；以降低實驗室能耗,從而降低碳排放。

4 結語

化學分析在提供人們所需的科學數據的同時,也是一種污染排放源。在樣品采集、樣品處理、分析測試和廢液處理的整個過程中,均會使用或產生一些有害的、環境不友好的物質。綠色分析化學根據綠色分析方法和技術設計,可以從源頭上有效減輕化學分析對環境的影響,減輕分析人員的勞動強度、保障分析人員的健康安全。無污染或者少污染的綠色分析化學方法將會在檢驗檢測實驗室得到更加廣泛的應用。