便携式在线消解微等离子体-光学发射光谱仪研究综述

本文为一篇原始研究文章，题目为“a portable microplasma optical emission spectrometric device with online digestion function for field and sensitive determination of lead in biological samples”，由Ji-Ying Cai、Xiao Zhang、Yu-Jia Wei、Shuai Chen、Yong-Liang Yu以及Jian-Hua Wang完成，发表在《Analytical Chemistry》（2024年第96卷）上。

一、研究背景与意义

本文的研究主要属于分析化学领域，尤其是重金属检测的便携式仪器开发。研究重点是设计一种整合样品预处理与检测功能的便携式微等离子体光学发射光谱仪（microplasma optical emission spectrometric, 简称OES），实现现场灵敏检测生物样品中铅（Pb）的功能。

铅是一种强效的发育性神经毒素，即使在极低的暴露水平下，也会损害儿童智商，并造成免疫、消化和神经系统的急性或慢性损害，甚至致癌。因此，快速、准确地检测铅在生物样品中的含量，对于评估铅污染对人类健康的风险及制定预防和治理措施具有重要意义。

传统的原子光谱技术被认为是检测痕量铅的基准方法，但这些仪器往往体积庞大、耗能高，不适于现场快速分析。此外，当前尚缺乏便携式样品预处理装备，这是现场检测痕量铅的一大限制因素。因此，研发一种小型化、低成本并整合样品预处理与检测功能的分析设备具有迫切需求。

二、研究方法与流程

研究团队设计并开发了一种便携式的点放电微等离子体-光学发射光谱仪（Point Discharge Microplasma Optical Emission Spectrometric Device，简称PD-OES），并将在线消解功能融入装置，使其能够在现场对生物样品中铅含量进行灵敏分析。研究主要分为以下几个实验部分：

1. 装置设计与构造
   PD-OES设备包括两个核心部分：在线消解单元和检测单元。

   • 在线消解单元：由移动电池、电压调节模块、延时继电器模块、陶瓷加热板以及石英消解罐组成。6组陶瓷加热板用于同步加热消解多个样品。核心的设计在于将这些模块高度集成，使设备小型化和便携化成为可能。
   • 检测单元：包括氢化产物生成（Hydride Generation, 简称HG）、采样、以及PD-OES检测模块。其中，高纯氩气作为载气，搭配自设计的旋转式和伸缩式采样管，将氢化过程中的挥发性铅直接引入PD-OES微等离子体进行激发检测。

2. 样品分析流程
   整个分析流程包括在线消解和检测两部分：

   • 取样品50 mg（以大米为模型），在HNO3与H2O2体系中，100℃条件下加热消解20分钟并冷却。
   • 无需转移消解后样品，直接通过HG将消解液中的铅转化为挥发性铅物种，并由采样针引入装置。
   • 利用PD-OES完成激发及检测。单次检测时间仅需2分钟，设备能源消耗低。

3. 性能优化
   为提高设备的灵敏性和检测效率，团队通过单变量实验对以下关键参数进行了优化：

   • 消解条件：HNO3和H2O2用量；
   • 氢化条件：HCl浓度及NaBH4浓度等；
   • PD-OES检测参数：放电间隙和载气流量。

4. 比较与验证

   • 与传统微波消解法的对比：结果显示，新设备的消解效率可达传统方法的97%，但体积显著减小。
   • 验证对象的扩展：研究还测试了人血、尿液、头发、海藻等多种生物样品，均获得高效消解和优异的铅回收率。
   • 抗干扰能力：添加多种共存离子进行铅检测，确保高选择性和抗干扰性。

三、研究结果

1. 设备分析性能

   • 灵敏度与检测限：在最佳工作条件下，铅的检出限为0.018 mg/kg（0.9 μg/L），线性范围为3‒400 μg/L，相关系数R²达0.998。
     
   • 精密度：对100 μg/L铅溶液的重复测定RSD为3.6%。

2. 多样化生物样品的检测
   针对不同基质（血液、尿液、头发、鱼类、海藻及稻米等）的消解效率为93%-102%，实现了广泛的适用性。

3. 分析过程简化
   与传统仪器相比，新设备包含消解、氢化及检测功能的高度集成，避免了样品转移造成的信号损耗和操作误差。检测一批次6个样品仅需27分钟，且氩气用量低于800 mL，显著降低成本与时间投入。

4. 准确性验证
   对人发、海藻和稻米的标准物质检测值与标准值相比，无显著差异，表明设备测量准确可靠。

四、研究意义与价值

这项研究通过开发便携式PD-OES设备，实现了现场快速、灵敏检测生物样品中痕量重金属铅的功能，提供了具有以下优势的解决方案： 1. 科学意义：在检测过程实现样品预处理和检测的无缝衔接，开辟了便携实验室分析仪器的新方向。 2. 应用价值：因其低成本、低能耗和便携性，该设备在食品安全、环境监测以及医学诊断等领域将具有广泛应用前景。

五、研究亮点

1. 创新性设计：首次将PD-OES与在线消解功能整合一体，实现多样品的快速同步消解与检测。
2. 高效性：以微型陶瓷加热单元代替传统加热仪器，大幅压缩时间和体积。
3. 广泛适用性：可分析多种生物基质的重金属含量，示范性强。
4. 便携性与低能耗：设备小型轻便，仅需手机电池即可持续供电3小时。

六、结语

该便携式PD-OES设备为现场检测生物样品中痕量铅及其他重金属提供了一种高效、准确的手段，其开发不仅推动了便携式分析仪器的发展，也为进一步提高公共卫生和环境保护领域的检测能力提供了重要支持。