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詳解有機元素定量分析方法
來源： 時間：2022-12-01 16:33:35 瀏覽：6238次

1.引言

有機元素通常是指在有機化合物中分布較廣和較為常見的元素，如碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)等元素，這些常見的有機元素組成了各種各樣形形色色的有機物。有機物是生命產生的物質基礎，所有的生命體都含有機化合物，如脂肪、氨基酸、蛋白質、糖、血紅素、葉綠素、酶、激素等。生物體內的新陳代謝和生物的遺傳現象，都涉及到有機化合物的轉變。此外，許多與人類生活密切相關的物質，如石油、天然氣、棉花、染料、化纖、塑料、有機玻璃、天然和合成藥物等，均與有機化合物有著緊密的聯系，因此，對有機元素（C、H、O、N、P、S等）的分析檢測至關重要。

從廣義上來說，有機元素定量分析是一種測定有機化合物組成元素含量的科學。通過測試有機化合物中各有機元素的含量，可確定化合物中各元素的組成比例進而得到該化合物的實驗式?；诖耍袡C元素定量分析的目的有兩個：

（1）確定有機化合物組成：常用于新和成的有機化合物或者是天然提取物的分析，是確定其結構的必須一環。

（2）確定有機組分含量：常見于無合適分析方法或分析方法繁瑣的化合物含量的測定，此時可利用其所含有的某一特征元素，通過測定其含量而折換成該化合物的含量。

目前，元素的一般分析法有化學法、光譜法、能譜法等，其中化學法是最經典的分析方法。傳統的化學元素分析方法，具有分析時間長、工作量大等不足。而其中，有機元素分析最早出現在19世紀30年代，李比希首先建立了燃燒方法測定樣品中碳和氫兩種元素的含量，他首先將樣品充分燃燒，使碳和氫分別轉化為二氧化碳和水蒸氣，然后分別以氫氧化鉀溶液和氧化鈣吸收，根據各吸收管的重量變化分別計算出碳和氫的含量。

幾十年來，有機元素定量分析對有機化學的發展作出了巨大的貢獻，同時，有機化學的發展又推動著有機元素定量分析不斷向前發展，縱觀整個過程，有機元素定量分析的發展主要經歷了以下三個階段。

第一個階段是1912年到1940年左右，屬于經典方法階段，即試樣在緩慢的氧氣和空氣中進行燃燒分解，燃燒產物以稱重方式進行定量，然而這種分析方法耗時較長。

第二個階段是1940年到1960年左右，此時對碳、氫等元素的定量分析主要集中于提高氧化劑的效能、加快燃燒速度等方面的改進，如加快氧氣流速、提高燃燒溫度以縮短燃燒分解時間，如應用各種高效能的催化氧化劑以提高氧化性能和除去干擾元素等。該階段還重點發展含硅、氟、磷、金屬等元素的有機物的碳、氫元素分析和幾種元素同時存在的分析法。

第三個階段是從六十年代開始，碳、氫等微量元素定量分析由于成功的采用了多種新技術、新方法，如熱導檢出的氣相色譜，示差吸收法以及各種電化學分析法等，使得幾十年來主要憑借手工操作的落后面貌得以徹底的革新。

近年來，電子天平和電子計算機技術的引入，使全自動分析成為可能。因此，在飛速發展的過程中，對有機物中元素的測量范圍也在逐漸擴大。目前，利用各種有機元素定量分析方法可以測量出的元素包括碳、氫、氧、磷、硫以及微量痕量金屬等。

2.樣品的制備與稱量

有機微量分析和元素分析要求所測樣品是不含吸附水分及溶劑的均勻固體微?；蛞后w，并且在稱量過程中不應該有任何的污染或成分的改變（如易揮發組分的缺失）。

需要特別說明一點，對于氮元素含量的測定，儀器所測到的是總氮量，這意味著空氣吸附會對最后結果帶來或多或少的影響。對碳、氫和氧元素的污染會來自于接觸稱量器皿和環境的濕度，取樣環境濕度較大或樣品中潮氣的存在均對測定結果有明顯的影響。具體來講，樣品應該滿足以下要求。

（1）樣品必須提純、干燥；

（2）固體、液體樣品的熔程、沸程必須在允許范圍內；

（3）固體樣品應裝在玻璃或塑料小瓶中，不能用軟木塞或橡膠塞直接封口；

（4）樣品應有足夠的量，以滿足方法和儀器的線性和靈敏度要求；

（5）感光樣品應有避光的外包裝；

（6）樣品如需玻璃封管，則玻璃管應有一定厚度，以避免開管使玻璃屑散落。

同時，測試時樣品的稱量也至關重要。樣品的最佳稱樣量取決于樣品中被測元素的含量、樣品的均一性和樣品燃燒的難易程度。對于每一個被測元素，其絕對量必須在測量儀器所校正的工作范圍內，也就是說，樣品的稱樣量取決于被測元素的含量和儀器或方法的動態工作范圍。如果樣品是已知的，則稱量范圍可以通過以下方法估計，即先計算出能使每個元素達到各自的校正曲線最高和最低限所需的樣品量，那么最低稱樣量就是達到校正曲線最低限所需的樣品質量，最高稱樣量就是達到校正曲線最高限所需的樣品質量。如果樣品是未知的，則一般先稱取2~10 mg的樣品進行測試，根據結果來決定最佳稱樣量。

當然，具體情況具體分析，實際測試前，對不同的樣品應選擇不同的稱樣量和制樣技術。

3.有機元素定量分析

雖然有機物的常見組成元素大同小異，然而，不同的有機物依然含有許多不同的微量元素。為了深入解析有機元素定量分析技術，筆者對有機物中常見的元素的定量分析進行了詳細總結（圖1）。

圖1 常見定量分析的有機元素





在進行分析測試前，通常用錫制容器（錫舟、錫筒）包裹的精確稱量的標準物質或被測樣品被元素分析儀的自動進樣盤帶入燃燒反應管中，由于遇氧和錫制容器的瞬間燃燒，樣品的分解溫度可以達到1800℃左右，在燃燒反應管中填裝的催化氧化劑的作用下，被測樣品中的碳、氫元素分別被轉化為CO2和H2O，此混合氣體以氦氣作為載氣，進入還原管與所填裝的還原銅作用，除去過量的氧氣。CO2和H2O被氦氣從還原管中帶出后分別被吸附在特制的吸附柱上。接著，CO2和H2O的吸附-解吸柱依次升溫，使CO2和H2O解吸后依次進入熱導池進行檢測。最后，熱導池中化學組分轉化成的電信號由計算機進行數據處理。

分析過程中用到的氦氣（作為吹掃氣和載氣）和氧氣（作為助燃氣體）在進入系統前必須經過純化管得到純化，主要是干燥和吸收揮發性的鹵素和酸性氣體，以達到微量化學分析的要求。整個自動分析過程，包括參數的設置等均由儀器所附軟件來完成，加氧量根據樣品的基質通過軟件來調節。另外，在CO2-吸附解吸柱前后都裝有干燥管以干燥被測的CO2。

以碳纖維、焦炭類樣品為例，這類樣品是一些含碳量非常高的有機或者無機的物質。分析此類化合物的關鍵在于確保樣品的完全燃燒，防止其焦化。為此，可以減少稱樣量或在稱量時在樣品上覆蓋少量的V2O5。V2O5能夠分散樣品顆粒，防止樣品焦化，同時在有氧氣的條件下循環式地釋放出氧化性能強的原子氧，必要時還可以增大O2的量，以確保樣品的完全燃燒。需要指出的是，纖維類樣品的制樣條件直接影響著樣品的性質，如均勻性與易燃程度。制樣條件包括樣品的顆粒度、表面吸附性能、樣品的干燥溫度和時間、樣品的冷卻條件和時間等。

表1利用經典燃燒法列出了一些碳纖維、焦炭類樣品的碳、氫元素質量分數的測定結果[1]，可以看到，其實測值的誤差均較小，證明了這種方法的可行性。


表1 對碳纖維、焦炭類樣品中的碳、氫元素含量的測定


3.2 氧元素分析

與有機物中碳、氫元素的微量定量分析相似，有機物中氧元素的分析也經歷了經典法階段、催化劑研制階段和全自動分析階段[2]。經典法采用碳化還原法，20世紀50年代奧依塔（I.J.Oita)等用鉑-碳催化劑代替了碳，從而降低了含氧有機物的熱分解溫度，使經典法得到了廣泛應用。碳化還原法的基本原理（見下化學方程式）是使含氧有機物在高溫的惰性氣流中進行分解，熱分解產物在通過高溫碳層（或鉑-碳層）時含氧的成分全部定量轉變為一氧化碳，在除去干擾產物后，用無水的碘酸（或氧化銅）將一氧化碳定量轉化為二氧化碳，同時釋放出碘單質?？梢杂弥亓糠y定二氧化碳或碘單質的增重或無水碘酸的失重，也可以用碘量法測定釋放出的碘單質來計算氧的質量分數。



同樣的，用銀制容器（銀舟、銀制膠囊）包裹的精確稱量的標準物質或被測樣品被元素分析儀的自動進樣盤帶入裂解反應管中，在氦氣氣氛和約1150℃的高溫下，在裂解反應管中形成的氧自由基與裂解反應管中填充的碳粉生成CO。酸性裂解產物H2S、HCN和HCl等被接在裂解反應管后的吸收管中的堿石棉吸收，在吸收過程中產生的H2O則被吸收管中填裝在堿石棉后的干燥劑吸收。中性的裂解產物CH4、H2和N2與CO一起載入分離系統和檢測系統。在40℃時，CO被特殊的吸附解吸柱吸附，其他混合氣體直接進入熱導檢測器，在這些混合氣體被檢測到以后，吸附解吸柱開始加熱至260℃,使CO解吸出來，從而進入熱導檢測器進行測定。熱導池中化學組分變化轉化成的電信號和數字信號由計算機進行數據處理。

值得一提的是，利用該法測試的過程中，含氟、磷、堿金屬和堿土金屬的有機物都會影響氧的測定。氟化物的產生會對測試儀器造成損壞，尤其是石英部分，含堿金屬和堿土金屬的有機物的裂解則容易腐蝕損壞裂解反應管，因而在測試過程中應注意。

3.3 氮元素分析

作為有機物中最常見的元素之一，氮元素的定量分析也十分常見。通常會將有機物中的氮轉化成氮氣或氨氣的形式，然后進行間接測定。

最常見的方法有杜馬法和克達爾法[3]。杜馬法主要針對難分解的物質，以氣量法或氣相色譜法測定產生的氮氣；克達爾法則主要針對于胺類，常采用容量法或分光光度法測定生成的氨氣。

對比來說，前者設備復雜，應用不多，但適應面廣，常在克達爾法測定結果可疑時用以核對結果；后者設備較為簡單，操作不太復雜，準確度也較高，應用最多，但只能測定氨基氮，對于氧化態氮則不能直接測定，須還原后才能用此法測定。

以克達爾法為例，其測定原理如下：



首先將樣品用濃酸（如硫酸）消化，并加入適當的催化劑（如汞、乙酸汞、硫酸鉀、硫酸銅等），氮被還原為氨，并以銨鹽形式存在于溶液中。然后將消化液堿化，進行水蒸氣蒸餾，氨即隨水蒸氣蒸出，蒸餾液通入弱酸溶液（如硼酸）中。氨全部蒸出后即可用標準酸溶液滴定，求出氨的量，再換算成氮即可。吸收液也可用稀堿標準溶液，以標準酸溶液滴定過剩的堿。



表2 有機物中氮元素的測定結果


如上表2所示，沙逸仙等人[4]利用氧化鈷作為催化劑，測試了一系列有機物中氮元素的含量，極小的誤差證明了該法的先進性。

3.4 硫元素分析

硫元素存在于許多有機物中，有機硫含量的分析已從原有的化學分析法發展到如今的色譜法、電位滴定法等多種儀器分析方法。盡管儀器分析憑借其操作的簡便性、結果的準確性迅速普及到化學分析的各個領域，氧瓶燃燒-高氯酸鋇滴定法對于有機物中硫含量的測定仍具有測定方法成熟、結果可靠、成本低廉的特點，因此作為一種經典的測硫法至今仍被廣泛運用。利用該方法可以測定硫的質量分數，測定范圍為硫的絕對質量0.3~5.5 mg，樣品可以為液體或固體。因此，此方法廣泛適用于化學、化工、醫藥、石油、地質、農業、食品、環保等各領域。

此法的基本原理如下：



含硫有機物在密閉的充滿氧氣的錐形瓶中，在Pt的催化下燃燒分解后，以H2O2水溶液吸收并氧化燃燒生成的SO2與SO3，使之轉化為SO42-，并以偶氮氯膦為指示劑，用高氯酸鋇標準溶液滴定生成的SO42-。

劉延敏等人[5]利用氧瓶燃燒-高氯酸鋇滴定法與分光光度法聯用，對制備的有機物樣品的硫含量進行了測定。如表3所示，各個不同樣品中，硫含量測定的相對標準偏差均<0. 2%，且此種方法用樣量少, 操作簡單、快速、精確, 氮、氯、磷等雜元素均不干擾硫的測定, 因此特別適用于藥物中硫含量測定。



表3 不同有機樣品中硫含量的測定


3.5 磷元素分析

有機微量定量分析中測定磷的含量時，通常先將有機物氧化分解，使有機物中的磷轉變為正磷酸根，然后選擇適當的方法進行定量測定。含磷有機物的氧化分解方法主要有過氧化鈉彈筒熔融法、封管分解法、堿熔和在Kjeldahl燒瓶中濕法分解等[6]。

在上述氧化分解方法中，目前廣泛使用的是濕法消解法，此方法操作較簡單，而且分解效果較好。據文獻報道，用于濕法分解的試劑有濃硫酸-硝酸、高氯酸、高氯酸-硝酸等混合酸，然而這幾種酸或混合酸在使用時均有一些限制，如濃硫酸-硝酸混合液并不適用于所有的有機物，表現為對于一些難溶的有機物，如膦、磷酸鹽（含C-P鍵）等，濃硫酸-硝酸混合液并不能將它們完全分解。常用的硝酸雖然其氧化性能非常好，但在氧化完成后，趕盡硝酸的條件難以掌握，為此，需要對氧化劑進行重新選擇。

而其中，高氯酸作為一種有效的強氧化劑，可以使很多結構復雜、難分解的物質氧化分解。雖然一般認為單獨使用高氯酸進行分解時容易引起爆炸，很危險，但是在進行有機磷測定時，所用的樣品質量較少，加入高氯酸的量很少，不會產生爆炸的風險，所以實驗是安全的。高氯酸-硝酸混合液可以用于氧化分解很多難溶的有機物，包括生物大分子，但是硝酸的存在會干擾測定，因此在分解時必須驅趕完全，然而二次蒸煮法使分析時間增長，而且硝酸的存在可能會引起空白值的增大。

含磷有機物經過氧化分解后，磷的微量定量分析方法主要有重量法、容量法和比色法等，最常見的是比色法。用比色法進行測定具有快速、簡單、適用范圍廣等優點。通常所用的比色法有兩種，一種是鉬藍比色法，另一種是磷釩鉬黃比色法。對于實驗室測量，由于樣品的量較少，因此磷釩鉬黃比色法更具優勢，使用范圍更加廣泛。

3.6 鹵元素分析

隨著有機化學的不斷發展，有機物中氟、氯、溴碘等鹵元素的微量定量分析在天然有機化學、藥物化學、生物化學、材料化學以及石油化工等許多領域扮演著越來越重要的角色，分析方法也逐漸豐富，從原先的沉淀PbCIF-Volhard滴定法發展到后來的分光光度法、EDTA返滴定法、熒光法、選擇性電極法、直讀光譜法、NMR法、AAS法、稀土金屬鹽滴定法、零點電位滴定法和石英氧瓶燃燒-硝酸釷滴定法等[7]一系列測定方法。

事實上，對不同的鹵素的定量分析方法大同小異，比如對有機物中氯和溴元素的測定通常采用氧瓶燃燒-銀電量法和氧瓶燃燒-硝酸汞滴定法，對有機物中碘元素的測定則通常采用氧瓶燃燒-碘量法或氧瓶燃燒-電位滴定法，而對有機物中氟元素的則通常采用氧瓶燃燒-硝酸釷滴定法。

以氧瓶燃燒-硝酸釷滴定法為例，其基本原理如下：



氟有機物在氧瓶中燃燒分解后，以水吸收生成的氟化氫或氟硅酸，在一定的酸度下，以甲基百里酚藍為指示劑，用硝酸釷標準溶液滴定，生成四氟化釷沉淀。盡管目前儀器分析憑借其操作的簡便性、結果的準確性迅速普及到化學分析的各個領域，氧瓶燃燒-硝酸釷滴定法對于有機物中氟含量的測定仍具有測定方法成熟、結果可靠、成本低廉的特點，因此作為一種經典測氟法至今仍被廣泛運用。

3.7 微量及痕量金屬元素分析

除了上文提到的常見有機元素，在有機元素的定量分析中，事實上還包括一些微量或痕量的金屬或非金屬元素，對此類元素的測定目前常使用原子吸收分光光度法，該方法可用于多種金屬元素和少數非金屬元素的測定。

火焰原子吸收分光光度法一般可分析ug/mL級的元素，檢出限在10-4~10-2μg/mL，石墨爐原子吸收分光光度法的絕對檢出限可達10-10~10-12 g，對于有些元素檢出限甚至更高。原子吸收分光光度法具有選擇性好、靈敏度高、實用性強、精密度高等特點，現已廣泛用于冶金、地質、材料、采礦、石油、輕工、農業、醫藥、衛生、食品及環境監測等領域的微量及痕量金屬與部分非金屬元素的分析。

此外，電感耦合等離子發射光譜法（ICP-OES法）也是可行的選擇。該方法用于多種金屬及非金屬元素的同時或順序測定，進樣方式為溶液進樣。與常用的原子吸收分光光度法相比，它的運行成本較高，氬氣消耗大，但是它有諸多優點，如測定元素范圍廣、線性范圍寬（可達5~6個量級）、化學干擾少、激發溫度高、有良好的檢出限、分析精密度高、可進行同時或順序多元素測定等。因此，電感耦合等離子發射光譜法也有著廣泛的應用領域。

4.總結與展望

隨著有機化學的發展，數之不盡的有機化合物被合成出來并逐漸進入到人們的生產生活的方方面面，有機物正在發揮著不可替代的作用，對其組成元素的分析既無法忽視，又成為了許多相關科研工作者的研究對象。

有機元素定量分析在天然有機化學、有機合成化學、藥物化學、生物化學以及石油化工等各個領域中都占有重要的地位。筆者雖然對常見的有機元素的定量分析方法做了較為詳細的歸納總結，然而，由于有機物的復雜性，實際測試中往往需要多種測試方法協同使用，且測試時不同元素之間亦有可能存在干擾作用，因此，具體情況應具體分析。

此外，隨著科學技術的飛速發展，在科研人員的不懈努力下，相信在不遠的未來，完全智能化的全自動元素分析測試技術或儀器將帶來有機元素定量分析領域的革新！

5.參考文獻

[1] 戴儷婧, 高敏, 張劍鋒等. 理化分冊 (化學分冊), 2012, 48: 926.

[2] Ma T S, Rittner R C. Modern Organic Elemental Analysis. Marcel Dekker, Inc. New York, 1979, 128.

[3] Dumas J B. Annales de Chimie, 1833, 53 (2): 164.

[4] 沙逸仙, 王昌益. 有機化合物中氮的快速微量測定法, 化學學報. 1954, 30, 513-518.

[5] 劉延敏, 段漓童. 有機化合物中硫的微量測定, 華北煤炭醫學院學報. 2006, 05, 635-636.

[6] Kirsten W J, Carlsson M E. Microchemical Journal, 1960, 4, 3.

[7] Lemieux P E, Black R H. Analytical Chemistry, 1960, 32, 246.


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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具。現代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產生書面文字，很多小語種，有語言但沒有文字。文字的不同體現了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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