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紫外蒸汽生成结合微等离子体气相富集的高灵敏度硒分析及机理研究

期刊:Analytical Chemistry

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


作者与机构
本研究由Meitong Liu、Jixin Liu、Xuefei Mao、Xing Na、Lan Ding和Yongzhong Qian共同完成。主要研究机构包括中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所、吉林大学化学学院以及北京艾博利技术有限公司。该研究于2020年4月2日发表在《Analytical Chemistry》期刊上。

学术背景
硒(Selenium, Se)是一种微量金属元素,对人体健康具有双重作用:适量摄入对健康有益,但过量摄入则具有毒性。因此,准确测定环境样品(如水和土壤)中的硒含量至关重要。目前,常用的硒检测方法包括原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)。然而,这些方法存在灵敏度不足、成本高或操作复杂等问题。本研究旨在开发一种结合紫外蒸汽发生(Ultraviolet Vapor Generation, UVG)和介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)微等离子体气相富集技术的新方法,以提高硒检测的灵敏度和选择性,并消除基质干扰。

研究流程
1. UVG与DBD结合系统的构建
- 研究团队设计了一种集成UVG和DBD的采样系统。UVG单元包括低压汞灯、流动模块和气液分离器(Gas-Liquid Separator, GLS)。DBD单元由三层石英管组成,外层为屏蔽管,中间层为接地电极,内层为高压电极。
- 系统通过紫外光照射甲酸溶液中的硒,生成挥发性硒化合物(如H2Se和SeCO),随后通过DBD微等离子体在含氧气氛下定量捕获硒化合物,并在含氢气氛下释放。

  1. 实验条件优化

    • 对UVG的条件进行了优化,包括甲酸浓度(10% v/v)、硝酸钠浓度(0.2% m/v)和紫外照射时间(20秒)。
    • 对DBD的条件进行了优化,包括载气流量(400 mL/min空气)和放电电压(6.5 kV)。
  2. 样品处理与检测

    • 研究使用了真实水样和土壤样品,以及国家认证的标准参考物质(Certified Reference Materials, CRMs)。
    • 样品通过UVG系统生成挥发性硒化合物,随后通过DBD捕获和释放,最终使用原子荧光光谱仪(AFS)进行检测。
  3. 机制研究

    • 通过X射线光电子能谱(XPS)和原位光纤光谱仪(FOS)分析了DBD捕获和释放硒的机制。结果表明,挥发性硒化合物在DBD石英管表面被氧化为SeO2或亚硒酸盐,随后在氢气氛下被原子化并传输至检测区。

主要结果
1. 灵敏度与线性范围
- 该方法的绝对检测限(Limit of Detection, LOD)为4 pg(进样体积1.2 mL),线性范围为0.05-50 μg/L,线性相关系数(R²)大于0.995。
- 与CRMs的测定结果一致,真实样品的加标回收率为90-102%,相对标准偏差(Relative Standard Deviation, RSD)为1-10%。

  1. 灵敏度提升

    • 通过DBD气相富集,分析灵敏度(峰高)提高了16倍。
  2. 机制验证

    • XPS和FOS结果表明,挥发性硒化合物在DBD石英管表面被氧化为SeO2或亚硒酸盐,随后在氢气氛下被原子化。这一机制为硒的高灵敏度检测提供了理论支持。

结论
本研究首次将UVG与DBD结合,开发了一种高灵敏度、环境友好的硒检测方法。该方法在灵敏度和选择性方面具有显著优势,能够有效消除基质干扰,适用于现场元素分析。此外,研究还揭示了硒化合物在DBD中的捕获、释放和传输机制,为未来开发类似技术提供了重要参考。

研究亮点
1. 创新性方法
- 首次将UVG与DBD结合,实现了硒的高灵敏度检测。
2. 高灵敏度与选择性
- 通过DBD气相富集,灵敏度提高了16倍,检测限低至4 pg。
3. 机制研究
- 首次揭示了硒化合物在DBD中的捕获、释放和传输机制。
4. 应用价值
- 该方法具有绿色环保、操作简单、成本低等优点,适用于环境样品中硒的现场分析。

其他有价值的内容
- 研究还探讨了共存物质对硒检测的干扰,并通过稀释样品有效消除了Pb²⁺和Cu²⁺的干扰。
- 该方法不仅适用于硒的检测,还可推广至其他元素的检测,具有广泛的应用前景。


这篇报告详细介绍了研究的背景、方法、结果和意义,为相关领域的研究人员提供了全面的参考。

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