用于分析表征的样品制备
来源：弗吉尼亚大学 B. 茉莉·文顿博士实验室
样品制备是指对待测样品进行处理以使其适合分析的过程。在分析化学中，准确制备标准样品或未知样品的关键在于细致的样品制备。分析化学中的误差可分为随机误差和系统误差。随机误差由变化引起，通常源于仪器噪声。系统误差则源于研究者或仪器的偏差，会导致测量值出现偏移…
1. 从固体物质配制溶液
- 选择合适的玻璃器皿来配制溶液。
- 使用1% HCl或HNO3的酸浴并配合肥皂彻底清洗玻璃器皿，以去除任何杂质（安全警告：使用任何强酸时，必须佩戴手套、护目镜及其他适当的个人防护装备）。
- 用蒸馏水多次冲洗玻璃器皿。如需干燥，可在烘箱中烘干。
- 若从固体物质配制溶液，需称取适量的固体。
- 将固体放入容量瓶中，然后加入约¾体积的溶剂。
- 摇动容量瓶，使固体完全溶解，然后再加溶剂至刻度线。
- 将容量瓶加溶剂至标线处，液面弯月面应恰好与标线相切。如有需要，盖紧瓶塞后反复倒转摇匀数次以进一步混合。
2. 从液体配制溶液
- 选择合适的玻璃器皿来配制溶液。使用移液管转移液体时，用移液球将移液管吸液至刻度线。
- 将液体释放到容量瓶中以配制溶液。切勿吹出最后一滴。
- 向容量瓶中加液至刻度线，使弯月面与刻度线相切。通过反复倒置数次混合溶液。
3. 过滤
- 使用抽滤瓶装置时，将一张滤纸放置在烧结玻璃滤膜上。
- 将烧结玻璃滤膜连接到抽滤瓶上。
- 将真空泵连接到抽滤瓶的支管上。可使用真空缓冲瓶，以防止液体进入真空系统。
- 开启真空泵，将样品通过滤纸进行过滤。
- 过滤至残留干燥粉末为止。若需要干燥的沉淀物，可继续将样品置于烘箱中干燥。
- 使用注射器滤器时，将样品加入带有鲁尔锁扣端口的洁净注射器中。
- 将注射器滤器旋接到鲁尔锁扣上，推动注射器活塞，收集滤过后的液体。
- 使用离心滤器时，先用缓冲液或超纯水预润洗滤膜。
- 将离心滤器插入微量离心管中。
- 将样品加在滤膜上方，并盖上管盖。
- 将离心管放入离心机中，注意用另一支对称位置的离心管配平，离心10–30分钟，具体时间取决于离心滤器的类型。
- 取出滤器，滤出液位于管底部，即为过滤后的溶液。
- 若样品无法通过滤膜（例如大分子蛋白质），则会滞留在滤膜上方。此时，将滤器翻转，放入新的离心管中，再次离心，即可获得浓缩的样品。
4. 封闭与螯合
- 进行掩蔽和螯合时，根据掩蔽剂和螯合剂的形成常数，将 pH 调整至适当值。
- 向溶液中加入掩蔽剂，并使其与目标金属离子反应至少 10 分钟。
- 加入螯合试剂。对于 EDTA，其通常与金属离子形成 1:1 的络合物，因此加入与待螯合金属等摩尔量的 EDTA。
- 螯合完成后，通过加入能与被掩蔽金属离子反应的化学物质进行解掩蔽。随后可通过沉淀对被掩蔽物质进行分析或回收。
适当的样品制备是所有类型化学分析的关键第一步。
合适的样品制备对于降低潜在误差至关重要。可通过多种方式减少误差：从选择适当的玻璃器皿到在计算中注意有效数字。
对于许多分析仪器而言，必须首先制备待测样品的均匀溶液。溶解过程——即溶质在溶剂中溶解——能够形成均一的溶液，随后可取出部分溶液用于一项或多项分析。
然而，溶解后的样品在进行分析之前通常需要额外的制备步骤。在分析之前，还可进行过滤、萃取或螯合等技术处理。
本视频将演示为后续化学用途进行样品正确制备的一些关键步骤。
误差可分为系统误差和随机误差。随机误差与意外变化相关，例如风等环境条件的变化。
系统误差与实验者或仪器的偏差有关。通过正确使用样品制备的实验步骤以及相关设备（如天平或移液器），可以避免这些误差。
在制备样品溶液时，溶剂的选择至关重要，通常需根据所用仪器的要求来确定。某些仪器需要使用水相溶剂，而另一些则需要有机溶剂。样品必须能够溶解于所选的液体中。溶解度取决于分析物与溶剂之间的分子间相互作用，通常可通过改变溶剂种类、温度或pH值来调节。
样品溶液必须具有准确的浓度。配制该溶液时，应使用分析天平而非普通的上皿天平称量固体样品，以提高准确性。如果固体样品具有吸湿性并含有水分，则在称量前可能需要在烘箱或干燥器中进行干燥处理。
如果样品为液体，可通过重量或体积进行测量。当使用体积测量时，务必使用容量瓶，因为使用其他测量玻璃器皿（如具有较大刻度的量筒）可能会引入误差。或者，也可使用玻璃移液管。这类移液管通常被校准为准确释放特定体积，最后一滴液体应保留在移液管内。
为了配制溶液，需将准确称量的样品溶解于容量瓶中。首先，使用少于最终体积的溶剂溶解样品。混匀后，再小心加入额外的溶剂，直至溶液达到最终体积。
将大部分样品溶解于溶剂后，可能仍有固体残留，需在分析前将其去除。这些不需要的固体可通过过滤去除，以避免损坏仪器。
在某些情况下，溶解的金属必须与另一种化合物——称为螯合剂——结合才能被检测到。这一过程称为螯合。当不需要的物质也与螯合剂结合时，必须对其进行掩蔽。
通过添加一种掩蔽剂来抑制某些金属的螯合，从而防止这些不需要的金属被检测到。随后可对干扰化合物进行解蔽，释放金属离子，以便对其进行分析。
在概述了样品制备的基本步骤之后，让我们来看看在实验室中如何进行这一操作。
首先，选择一个合适尺寸的容量瓶。
将容量瓶和瓶塞浸泡在1%盐酸中，以去除吸附的阳离子。浸泡过夜后，取出容量瓶和瓶塞。
接下来，用肥皂和去离子水清洗容量瓶和瓶塞，然后彻底冲洗。
将烧瓶和瓶塞放入干燥箱中干燥，直至完全干燥。
待烧瓶冷却后，称取所需样品并加入烧瓶中。记录所用样品的质量。
向烧瓶中加入约 ? 体积的溶剂，塞上塞子，轻轻旋转摇动以溶解固体。
加入剩余的溶剂，直至弯月面与容量瓶上的刻度线相切。盖紧瓶塞，反复倒置数次，以充分混匀。
为去除未溶解的固体，将样品装入注射器，将注射器滤膜安装在针头端，然后推动推杆使样品通过滤膜排出。收集到的样品现已完全制备完毕，可直接用于分析。
如果待分析的样品为液体而非固体，可使用移液器进行体积测量。从一个洁净的容量瓶和瓶塞开始，向瓶中加入适量体积的样品，并记录该体积。
加入溶剂，并按照固体样品的制备方法完成样品的制备。
如果溶解后的样品需要进行金属螯合并掩蔽，例如在存在铁的情况下进行络合滴定法测定钙，则通过加入碱将样品调节至适当的pH值。
加入氰化物掩蔽剂以防止铁被螯合。反应时间至少为10分钟。
加入EDTA以螯合钙，并使其充分混合。用量应足以形成1:1的络合物。样品现可进行钙含量测定。
为了使用同一样品进行铁分析，加入甲醛以解除掩蔽并混匀。该样品现已准备好用于铁分析。
样品制备是化学家所使用的几乎所有实验和分析方法中的重要步骤。
工业烟道气可作为培养微藻的二氧化碳来源。为了确定气体中的重金属污染是否存在问题，本示例中培养的微藻被检测了重金属含量。
生长期结束后，通过离心法从生物反应器液体中收集藻类，并在开始样品制备过程之前进行冷冻干燥。
将干燥的藻类通过加热、硝酸和过氧化氢消解，以制备适合化学分析的均一溶液。本示例中，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析干燥藻类中的重金属含量。
该技术可同时检测样品中的12种金属，且无干扰，结果表明烟气中的金属污染物最终进入藻类生物质中。
使用原子吸收光谱法研究土壤等复杂材料时，适当的样品制备也非常重要。
在本实验中，首先使用分析天平称取一份干燥土壤样品。然后用移液管将其加入消化管中，并加入1:1的水和浓硝酸。
经过多次消化步骤后，将样品过滤以去除任何固体，然后收集到容量瓶中。加入额外的水以稀释溶液用于分析。
脂质聚酯是细胞壁部分结构的组成成分。为了利用气相色谱-质谱法（GC-MS）研究这些化学物质，首先采集并称量植物组织。
经过一系列处理和干燥步骤后，加入甲苯和庚烷的1:1混合液以溶解干燥的样品。
将小瓶插入气相色谱-质谱联用仪的自动进样盘中进行分析。
您刚刚观看了 JoVE 关于样品制备的简介。现在您应该了解了为后续分析制备固体和液体样品的基本步骤。
感谢观看！
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why is proper sample preparation critical in analytical chemistry?
Proper sample preparation is essential to reduce errors and ensure accurate chemical analysis. Errors in sample preparation are systematic errors that propagate through analysis, causing uncertainty or inaccuracies in calibration curves. Poor preparation can also damage analytical instruments. Careful sample preparation ensures either a standard or unknown sample is correctly prepared for chemical measurement.
Q2: What is the difference between random and systematic errors in sample preparation?
Random errors result from unexpected changes, such as environmental conditions like wind, and are often due to instrument noise. Systematic errors stem from investigator or instrumental bias, introducing an offset in measured values. Systematic errors in sample preparation can be eliminated through correct procedures and proper use of instruments and devices like balances or pipettes.
Q3: How do you prepare a solid sample for analysis?
Weigh the solid sample on an analytical balance for improved accuracy. If hygroscopic, dry it in an oven or desiccator first. Dissolve the sample in a volumetric flask using less than the final solvent volume initially. After mixing, carefully add solvent to reach the calibration mark. Stopper and invert several times to thoroughly mix the homogeneous solution.
Q4: What role does solvent selection play in sample preparation?
Solvent choice is critical and depends on instrument requirements; some require aqueous solvents while others require organic. The sample must dissolve in the selected solvent. Solubility depends on intermolecular interactions between the analyte and solvent, and can be manipulated by changing solvent type, temperature, or pH to ensure proper dissolution.
Q5: When is chelation and masking used in sample preparation?
Chelation is used when a dissolved metal must be bound to a chelating agent like EDTA to be detected. Masking agents are added to inhibit chelation of unwanted metals, preventing their detection. Demasking can then release interfering metal ions for separate analysis. This technique is essential in complexometric analyses, such as calcium determination in the presence of iron.
Q6: How do you remove undissolved solids from a prepared sample?
Load the sample into a syringe and attach a syringe filter to the tip. Press the plunger to push the sample through the filter, which removes unwanted solids. This filtration step is necessary to prevent damage to analytical instruments and ensure the sample is fully prepared and ready for analysis.
Q7: What are the key differences between preparing solid and liquid samples?
Solid samples must be weighed on an analytical balance and may require drying before weighing. Liquid samples can be measured by weight or volume using volumetric flasks or calibrated glass pipettes. Both types are then dissolved in volumetric flasks with solvent and mixed to the calibration mark. Liquid samples skip the initial weighing step but follow the same dissolution and mixing procedures.