最全元素分析方法

一種用于C、H、N、S分析的現(xiàn)代元素分析儀流程示意圖。待測氣體CO2、N2、H2O和SO2經(jīng)催化燃燒后于3種專門的吸附劑上進行色譜分離（吹脫—捕集法色譜），于熱導(dǎo)檢測器中進行檢測。

將元素分析法與各種檢測儀器相結(jié)合，可以幫助過程分析操作人員掌握一種測定有機化合物組成的快速、有效的分析工具。

長久以來，經(jīng)典的有機元素分析方法已經(jīng)不再局限于實驗室的應(yīng)用和單純測定有機物的化學(xué)式。今天，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)廣為擴展，從環(huán)境分析到農(nóng)產(chǎn)品分析，直至所有可以想像到的有機化合物品質(zhì)監(jiān)控。借助于現(xiàn)代化的電子輔助技術(shù)，可以廣泛地實現(xiàn)分析過程的自動化和操作的簡約化，降低樣品稱重和儀器維護的時間。結(jié)合專門的檢測儀器，現(xiàn)今的元素分析過程已經(jīng)大大提高了工作效率，從而能夠有效地應(yīng)用于過程控制分析。

有機元素的分析原理非常簡單：高溫爐加熱到1150℃，并在催化條件下將樣品氧化分解，樣品中的元素組分將被轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物。在將所形成的氮氧化物還原并除去干擾氣體之后，這種由CO2、SO2、N2和H2O組成的混合物被引入熱導(dǎo)檢測器（動態(tài)范圍在微ppm級到百分含量級之間）進行分離和檢測。采用這種方式可以在10min之內(nèi)定量測出元素C、H、O和S。這些元素是構(gòu)成所有有機化合物的基礎(chǔ)，同時也是部分無機化合物的組成部分，例如土壤。

蛋白態(tài)N的分析

按照杜馬斯法進行的蛋白態(tài)N的分析屬于元素分析的特例，這里只需要分析氮。分析工作者可以利用許多天然物質(zhì)（例如與之相關(guān)的肥料、土壤肥沃度等）的氮含量與其蛋白含量呈線性相關(guān)的特性。而與蛋白分析相反，進行樣品的元素分析要更加快速、經(jīng)濟和簡便易行。

圖1 色譜圖表示的是vario EL cube元素分析儀采用吹脫—捕集法色譜時典型的檢測曲線。

典型情況下，試樣可以直接進行稱量并于4min之內(nèi)得到測量結(jié)果。這種僅限于氮的分析方法在醫(yī)藥質(zhì)量控制分析中得到了應(yīng)用。采用現(xiàn)代常量分析儀的大劑量試樣量，可以不用任何預(yù)處理直接進行一至數(shù)片藥片的檢驗。如果藥片中只含有有效物質(zhì)氮，就可以根據(jù)這個參數(shù)針對藥片制備的可靠性進行考察。由此可以發(fā)現(xiàn)是否偏離了規(guī)定值，從而可以控制產(chǎn)品質(zhì)量。

膠水產(chǎn)品的監(jiān)控

碳和氮的比值也可以作為測量參數(shù)加以利用。在幾種膠水產(chǎn)品的生產(chǎn)中，甲醛和尿素被作為原料加入。這種組成的準確混合比例對于其后的加工至關(guān)重要。這里可以利用只有尿素含氮的特點，分析化合物中的氮碳比，得到準確的混合度。

石油化學(xué)中硫的分析

除了熱導(dǎo)檢測器之外，近紅外（IR-）和紫外-熒光檢測器也可用于微量范圍的分析。在石油化工產(chǎn)品中，硫的微量分析就是這種方法在生產(chǎn)過程中應(yīng)用的一個例子。石油化工生產(chǎn)大多數(shù)是連續(xù)過程，實施管線內(nèi)控制或者點上控制，有時也有后續(xù)控制。對于硫的測定需要安裝一臺帶有紫外-熒光檢測器的元素分析儀。采用這種裝置可以測定微ppb級的硫。如果超出了這樣的控制參數(shù)，就要對生產(chǎn)過程進行相應(yīng)的調(diào)整。

來源地的控制

將元素分析儀（EA）與一同位素比例質(zhì)譜議（IRMS）相結(jié)合，可以檢驗化學(xué)試劑是否摻假，或者檢驗食品與化學(xué)物質(zhì)來自于哪些來源地。這種形式的分析原理基于C、H、N、S和O穩(wěn)定的天然同位素濃度關(guān)系的變異與生物化學(xué)、氣候?qū)W、人類學(xué)以及地理因素有關(guān)。消費者對于食品的質(zhì)量和來源地的興趣日益增長，同時也促成了這種技術(shù)的發(fā)展。

另外，關(guān)于食品來源地和純度的信息對于海關(guān)來說也很重要，它可以防止有人利用假冒產(chǎn)品來騙取補助金。醫(yī)藥產(chǎn)品的制造商可以借助同位素的信號去捕捉偽造或仿制產(chǎn)品的蹤跡。刑事警察則對毒品的產(chǎn)地更感興趣。為了對一個產(chǎn)品的來源地或假冒提出令人信服的佐證，在大多數(shù)情況下，這種僅僅采用一種或兩種元素（例如C和N）進行的同位素比例分析法是不夠的。

這里所用的同位素比例法測定單元儀器過于復(fù)雜，而且峰的重疊很大，不可避免地會出現(xiàn)一些錯誤的解析結(jié)果。于是就提出了采用多因素分析的方法，以求減少錯誤解析的或然率。在解析多因素分析時，可以采用數(shù)理統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進行解析。借此可以提供有關(guān)樣品編列情況的或然率方面的陳述?，F(xiàn)代的EA-IRMS分析系統(tǒng)可以同時分析4種元素，在減少工作量的同時提供大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

常見的元素分析方法

1.X射線熒光光譜儀(XRF)

原理：用一束X射線或低能光線照射樣品材料，致使樣品發(fā)射二次特征X射線，也叫X射線熒光。這些X射線熒光的能量或波長是特征的，樣品中元素的濃度直接決定射線的強度。從而根據(jù)特征能量線鑒別元素的種類，根據(jù)譜線強度來進行定量分析。XRF有波長散射型(WDXRF)和能量散射型(EDXRF)兩種，前者測量精密度好，穩(wěn)定性高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，應(yīng)用較受限，后者結(jié)構(gòu)簡單，價格低，但干擾元素多，且準確性低，目前還處在繼續(xù)完善階段。

分析元素范圍：4號鈹(Be)-92號鈾(U)

分析特點：分析速度快，操作簡單，適合大塊樣品的測試；可進行元素定性分析，確定元素的類型；可實現(xiàn)全元素掃描；可對元素進行半定量分析，某些元素有標準物質(zhì)時也可進行定量分析，檢出限較高。

2.電鏡能譜分析(EDS)

原理：高能電子束照射樣品產(chǎn)生X射線，不同元素發(fā)出的特征X射線具有不同頻率，即具有不同能量，通過檢測不同光子的能量來對元素進行定性分析，另元素的含量與X射線的強度有關(guān)系，通過此關(guān)系可以對元素進行定量分析。

分析元素范圍：4號鈹(Be)-92號鈾(U)

分析特點：一般與電鏡組合用于微區(qū)及表面分析；主要用于元素的定性及半定量分析，可實現(xiàn)全元素掃描，檢出限較高；可進行元素的面、線、點分布分析。

3.等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)

原理：樣品由載氣（氬）帶入霧化系統(tǒng)進行霧化，以氣溶膠形式進入等離子體的軸向通道，在高溫和惰性氣氛中被充分蒸發(fā)、原子化、電離和激發(fā)，發(fā)射出所含元素的特征譜線。根據(jù)特征譜線的存在與否，鑒別樣品中是否含有某種元素（定性分析），根據(jù)特征譜線強度確定樣品中相應(yīng)元素的含量（定量分析）。

元素分析范圍：3號鋰(Li)-92號鈾(U)

分析特點：主要用于金屬元素的微量/痕量分析，不太適合鹵素及碳氫氧氮等元素的測試；精確度高，檢出限可達ppm甚至ppb級別；除少量的水樣液體可以直接進樣外，其他樣品一般都要進行前處理，即將樣品溶解成無機稀酸溶液；可進行多元素同時測定。

4. 電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)

原理：ICP-MS是一個以質(zhì)譜儀作為檢測器的等離子體，它的進樣部分及等離子體與ICP-OES的是及其相似的。ICP-OES測量的是光學(xué)光譜，ICP-MS測量的是離子質(zhì)譜，ICP-MS除了元素含量測定外，還可測量同位素。

元素分析范圍：3號鋰(Li)-92號鈾(U)

分析特點：可以分析絕大多數(shù)金屬元素和部分非金屬元素；精確度高，檢出限可達ppb甚至ppt級別；每一種元素均有一種同位素的譜線，不受其他元素的譜線干擾，多元素測試時干擾少；可以進行多元素同時測定；潔凈程度要求高，易被污染。

5.有機元素分析(EA)

有機元素分析儀是在純氧環(huán)境下相應(yīng)的試劑中燃燒或在惰性氣體中高溫裂解，以測定有機物中的碳氫氧氮硫的含量。測試時一般有CHN模式、CHNS模式及氧模式。

分析元素：碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)

分析特點：測試速度快，準確性高；可以測試固體及液體樣品，主要適合有機化合物的測試。

除以上方法外，X射線光電子能譜儀(XPS)和俄歇電子能譜儀(AES)也是元素分析方法，另外原子吸收光譜(AAS)也可以進行元素分析，其測試準確性與ICP-OES相當，但是此方法一般是已知單元素的測試，隨著ICP-OES的發(fā)展，AAS應(yīng)用越來越受限。

總結(jié)與展望

元素分析法是一種不連續(xù)工作的分析方法，但是借助于自動化可以應(yīng)用于近似的過程分析。與其他許多僅專注于過程的關(guān)鍵指標的分析方法不同，元素分析法則重視事物的同類性，例如作NIR近紅外分析時注重總體過程，正如作蛋白態(tài)-N分析時所示。因此，這種方法是分析方法中一種用于過程分析的獨樹一幟的方法。

元素分析法的特點：

最高的準確度與精密度（RSD<0.2%），對于高組分亦然；

無需采用具備特殊基體的標準；

原始樣品無需費時的預(yù)處理，即可進行分析；

于數(shù)分鐘內(nèi)完成全自動分析；

分析成本低；

積分式分析方法可以對整個樣品進行說明；

元素分析法在一定程度上可視為一種絕對分析方法，它不需要方法修正。