[科普中国]-形态分析

形态分析是指特定元素形态在系统中所起的作用，是基于其化学形态与可能存在的同一元素的其他形态的元素形态分离方法，使用分离特定一组金属形态的物理或化学方法来定义这组形态。

简介形态分析可从功能性、操作性或化学性上定义。功能性定义，是指特定元素形态在系统中所起的作用，如功能性定义可以是为“被植物吸收的汞”或“从药物中吸收的铁”，这种定义可能是最接近于最终使用者想要得到的信息，但也是分析化学家最难检测的。除了在污染的水或土壤中种植植物，分析植物组织或在制药领域进行动物实验，几乎无法用实验力法获得这些信息。操作性定义比较实用，酸缓冲溶液将金属从土壤中萃取出来”就是一个操作性定义，“空气微粒中存在的铅小于10μm"也是操作性定义。在水样分析中，在酸化前简单地将样品过滤，可将分析物的形态分为不溶的和可溶的两部分。这一过程有时称为“分馏”，比“形态分析”的描述更恰当，形态分析意指测定一个特定的化学形态或化合物。

当上述分析完成后，规程需详细记录，由于过程中的小变化可能导致结果的实质改变。实验室之间的结果不能比较，除非遵循标准的实验方法。必须将方法上的改进记录下来，并与当前使用的标准方法比较，以得到有用的、易理解的信息。

元素形态分析大气飘尘中元素的形态分析也受到了广泛关注。Huffman等针对石油加工及燃料燃烧产生的颗粒物，利用荧光模式和Lytle检测器和多元Ge阵列检测器进行了X射线吸收精细结构（XAFS)）分析，分析发现铜、铅、锌在石油加工及燃料燃烧产生的颗粒物中主要以硫酸盐形态存在，砷则主要以五价砷酸盐形式存在，而所存在的物相还难以确定。

通常当所测样品中元素含量低于0.1%时更多采用Lytle检测器，对于元素含量极低的样品则多采用多元Ge阵列检测器。MingyuJiang等对城市和室内灰尘中铅、锰和铬形态进行了X射线吸收近边结构（XANES）分析研究，所用标准物质为美国国家标准与技术研究院的城市灰尘（SRM1649a）和室内灰尘（SRM2584）两个标准物质，将标物及待测粉末样品均匀涂抹在双面胶带上进行测定，发现铅在城市灰尘和室内灰尘中的主要存在形态分别为61%硫酸铅+39%碳酸铅和98.5%碳酸铅+1.5%硫酸铅。

锰在城市灰尘中主要以二价的硫酸锰的形态存在，在室内灰尘中则以不同二价锰的混合物形态存在；铬在城市灰尘中最有可能以铬铁矿（FeCr2O4）的形态存在，在室内灰尘中主要以三氧化二铬和少量铬铁矿等混合物形态存在。该研究除对飘尘中的元素形态进行分析外还结合进行了纳米尺度的表征分析，这有助于对毒性元素的生物有效性及其迁移转化规律提供更多信息。1

土壤和沉积物的形态分析筛选土壤和沉积物，可在各个粒度范围内测定金属以确定元素的分布。可以使用只吸附特定形态物质的离子交换树脂或络合树脂处理样品，从大量的水相样品中分离自由水合离子等生物活性物质，用酸将目标物从树脂上洗脱下来或直接分析树脂。甚至水样中元素的T溶和不溶形态间的区别被认为是一-种类型的形态，样品可通过0.45μm孔径的滤膜进行分离，得到可溶性金属、存在于颗粒中或吸附在颗粒上的金属，过滤后的样品和保留在过滤器上的物质均可分析。在萃取过程中，可以逐渐提高溶剂的腐蚀性，对样品进行连续萃取，或使用不同的溶剂萃取不同的子样品，实现固体样品中的金属分类。2

方法用不同溶剂萃取样品的分析，将提供最易去除、较难获得和最难熔的金属形态信息，难熔金属只能用强酸萃取剂溶解。用酸从碳酸盐和含水氧化物中释放金属，用氧化反应破坏有机物质和硫化物。三步法是将金属分为用水或中性电解液萃取的易松动部分、用EDTA或其他络合剂萃取的缓慢松动部分和用HF消解的稳定部分。

举例连续萃取方案根据样品的组成及其可溶性、迁移转化性特点，从土壤和沉积物中萃取金属。连续提取法使用最弱的溶剂进行首次提取，用乙酸铵和氯化镁在PH值为7的条件下通过简单的离子吸引以去除与黏土结合的金属，用弱酸处理样品中存在的溶解性碳酸盐以释放包含在碳酸盐矿物中的金属。

例如，盐酸羟胺等还原剂可以破坏有机物质，溶解铁锰氧化物和氢氧化物，将结合的金属释放出来或与该金属共沉淀，过氧化氢等氧化剂，从腐殖质中回收金属。最后用强酸提取残留物，回收样品中余下的大部分金属。

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学