头发中锌含量测定.docx

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头发中锌含量测定

实验题目：

头发中锌含量的测定

【摘要】在实验条件的限制和实验方案可行性制约下，本实验采用湿法消解头发，原子吸收光谱法测定头发中锌的含量。

本实验中用浓硝酸和过氧化氢消解头发，再用标准曲线法，用原子吸收光谱法测得样品的吸光度，由标准曲线法求得样品中Zn2+浓度，进而求得头发中Zn含量，该方法操作简单，实验结果准确。

本实验样品取自本小组成员，测定该同学头发中锌含量为208ug/g左右，此结果落在文献数值的正常范围内。

【关键词】头发锌含量原子吸收光谱定量分析

【引言】

锌是人体必须微量元素之一，目前认为锌对机体的重要性仅次于铁，是机体中200多种酶的组成部分，参与了广泛的生化作用，参与了人体内无数种蛋白质、核酸的合成，对促进生长发育和组织修复，增强免疫力及提高智商等都有重要作用。

正常人体内锌含量为1.4~2.5g，分布于人体各组织器官中，其中头发中锌的含量为125~250ug/g，其含量反映出人体中锌的营养状况。

儿童缺锌会表现出厌食、异食、皮肤粗糙、反复呼吸道感染、生长发育落后、反复性口腔溃疡、长期或反复腹泻、认知能力不良、精神发育迟缓等症状。

【1】

1.头发中锌含量的测定

1.1头发的消解

湿法消化，取试样（头发）于表面皿上并用浓硝酸和过氧化氢来消解，于电热板上低温加热溶解。

干法消化，准确称取上述发样于石英柑祸，放入马弗炉内恒温缓缓升温至500度，保温2一3h，待碳质机物完全被破坏及灰化后，取出稍冷，加入浓硝酸于电热板上低温加热溶解。

湿法消化操作比较危险，消化过程中可能会溶液可能会发生沸腾。

但干法消化操作太耗时，因而本实验采用湿法消化的预处理方法，在操作过程中，在锥形瓶中带上一个短颈漏斗，带上橡胶手套，以及在通风橱内加热等措施来加强安全保障。

1.2.原子吸收法测定头发中锌含量目前有关

文献中锌元素微量测定方法主要有以下几种：

（1）.将分光光度法和流动注射技术联用,建立了一种可用于在线快速检测环境水样中痕量Zn（Ⅱ）的新方法。

通过实验优化了锌-PAN-吐温80-四硼酸钠显色体系及分析流路。

在优化条件下,锌离子在5～400μg·L-1范围内具有良好的线性（相关系数r=0.9998）,检出限为1.3μg·L-1,相对标准偏差（RSD）为1.24%（20μg·L-1Zn2+,n=15）,采样频率为24个样/h。

应用于环境水样中Zn（Ⅱ）的测定,回收率在93.5%～104.0%之间。

【2】1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚（PAN）是橙红色结晶性粉末，为三齿配位体结构，可与锌离子反应生成ML2型稳定的螯合物，在550～570nm之间有较大的吸光度，能够准确地监测出锌离子浓度。

方法评价：

【3】该方法具有仪器简便、方法简单、测量快速、灵敏度较高、准确度较好、线性范围较宽等特点,适用于环境水样中锌离子的检测。

但是仪器设备不可得，不能在现有实验条件下操作。

（2）.在pH为4.0~5.5的乙酸盐缓冲介质中，锌离子与双硫腙形成红色螯合物，用四氯化碳萃取后进行分光光度测定，测定最大吸收波长为535nm。

存在少量铅、铜等金属离子时，对锌的测定有干扰，可用硫代硫酸钠作掩蔽剂和控制pH值而予以消除。

方法评价：

【4】本方法适用于测定锌浓度在5~50ug/L的水样，当使用光程长20mm比色皿，试份体积为100mL时，检出限为5ug/L。

本方法用四氯化碳萃取，在最大吸光波长535nm测量时，其摩尔吸光度约为9.3×104L/mol·cm。

但是检测下限高于溶液中锌离子浓度两个数量级，实际操作效果可能较差，实验误差较大。

（3）.离子选择电极（IonSelectiveElectrode,ISE），是以具有选择透过性的薄膜（即敏感膜）作为敏感元件的一种电势型化学传感器，可将非电量的浓度、活度信息转换成易于测量的电势信号加以测量。

目前应用最普遍的ISE是对H+敏感的pH电极。

当将指定离子的ISE插入含有这种离子的溶液中时，ISE的敏感膜与溶液的接触面上便产生了与溶液中离子活度或浓度的对数成线性关系的界面电势，理想情况下这种关系符合Nernst方程。

采用Zn-ISE（为PVC膜锌离子选择电极，由俄罗斯圣彼德堡大学化学系制备，其主要技术参数如下：

使用温度：

5-50℃；电阻抗（20℃）<10MOhm；）检测。

锌离子测量范围为1.0×10-1～1.0×10-5mol/L；测量时用硝酸把PH值范围调至5-8。

方法评价：

采用Zn-ISE电极对这四种缓冲溶液进行测量，测得的结果如图1.所示，由下图可以得知当锌离子浓度在大于10-8mol/L的时候，标准曲线线性良好。

因此说明在此浓度下，锌离子选择电极依然工作良好。

缓冲溶液将测量下限扩展到了10-8mol/L。

【5】

但是该方法仪器设备实验室中不提供，无法应用于本次实验的检测。

图1

（4）方波溶出伏安法测定头发中锌的含量

PH=6．00的乙二胺一盐酸缓冲溶液中，采用铋膜电极做工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂为辅助电极，测定头发样品中的锌的含量．

结果：

方波溶出伏安法的灵敏度高，线性范围较宽。

方法评价：

因此该方法是一种灵敏度和正确度较高的测定微量锌含量的方法，且操作方便快捷，仪器装置简单，价格低廉，适合测量人发中锌的微量含量．在富集沉积阶段。

溶液应进行搅拌，以提高工作电极表面的富集量；在平衡阶段，溶液应停止搅拌，使溶液充分静止，以使在溶出过程得到纯的扩散电流；在溶出阶段，富集在电极表面的欲测物质氧化为离子，重新进入溶液，进行电位扫描，并得到溶出峰，以此进行定量分析．但是该方法仪器设备实验室中不提供，无法应用于本次实验的检测。

（5）干燥箱溶样火焰原子吸收法测定头发中锌、铁、铜、钙、镁含量

建立火焰原子吸收法快速测定头发中锌、铁、铜、钙、镁含量的方法，采用干燥箱溶样，火焰原子吸收法测定头发中锌、铁、铜、钙、镁含量。

方法回收率为86．2％～104．o％，相对标准偏差为1．2％～6．2％。

该法具有省时、简便、可靠、快速的特点。

用温度较低、可调的箱式干燥箱，避免上述设备剧烈加热造成的样品损失，而且省时、节约试剂。

但是该方法仪器设备实验室中不提供，无法应用于本次实验的检测。

（6）微波消解-火焰原子吸收光谱法测定人发中的锌

采用微波消解人发样品，用火焰原子吸收光谱法测定了样品中Zn的含量。

结果表明，该法具有良好的准确度和精密度，加标回收率在97.0%～102.2%范围内，相对标准偏差（RSD）≤1.82%，但是该方法仪器设备实验室中不提供，无法应用于本次实验的检测。

（7）.原子吸收分光光度法测定人发中的锌

湿法消化，取试样于表面皿上并用浓硝酸和过氧化氢来消解，于电热板上低温加热溶解，最后定容，进行锌的原子吸收光谱测定。

干法消化，准确称取上述发样于石英柑祸，放入马弗炉内恒温缓缓升温至500度，保温2一3h，待碳质机物完全被破坏及灰化后，取出稍冷，加入浓硝酸于电热板上低温加热溶解，最后定容，进行锌的原子吸收光谱测定。

该办法采用标准曲线法测定一系列的锌标准液的原子吸光度后再测定头发样品中的原子分光光度即可由标准曲线读出样品中锌的含量。

操作比较简单，所得实验结果较为理想，所以本实验采用该办法。

2.选定实验方案的原理：

原子吸收光谱法是测定多种试样中金属元素的常用方法。

本次实验选用火焰原子吸收光谱法测定头发中的锌。

测定头发中的锌含量，首先要处理样品，使其中的金属元素以可溶的状态存在。

本实验中的发样用湿法处理，即试样在混酸中消解制成溶液。

发样酸解消化后得到的试液一定要注意控制酸度。

高浓度的无机酸（>1mol/L）会导致试液的物理性质发生变化，影响测定的灵敏度。

本实验选用HNO3/H2O2混酸体系消化样品时。

发样经过洗涤、干燥处理后，称取一定量发样采用硝酸－过氧化氢消化处理，将其微量锌以金属离子状态转入到溶液中，然后，按常规原子吸收光谱分析中的工作曲线法进行分析。

根据原子吸收光谱法的原理，在使用锐线光源条件下，基态原子蒸气对共振线的吸收符合朗伯-比尔定律：

在试样原子化时，火焰原子温度低于3000K时，对大多数元素来说，原子蒸气中基态原子的数目实际上接近原子总数。

在固定的实验条件下，待测元素的原子总数与该元素在试样中的浓度成正比。

因此，上式可以表示为

这就是原子吸收定量分析的依据。

具体测定时，要根据被测金属元素浓度的线性范围配置试样溶液。

对于本实验，线性范围是：

0~3μg/mL。

根据头发中锌含量的文献值大约为150μg/g~250μg/g，所以若是取0.1g发样，将其稀释至50mL容量瓶中得到的试样的锌浓度大约为1μg/mL左右，刚好处于线性范围的中间，保证了测定的准确性。

在原子吸收分析中，测定条件的选择对测定的灵敏度，准确度和干扰情况均有很大影响。

通常选择共振线作分析线，使测定有较高的灵敏度，但为了消除干扰，可选择灵敏度较低的谱线。

其它的测定条件包括工作电流、助燃比、燃烧器高度的选择，狭缝宽度的选择。

查阅文献已经给出了锌的原子吸收分析的最佳工作条件。

表1.锌的原子吸收分析中仪器的最佳工作条件参考

待测元素

分析线（nm）

狭缝（nm）

灯电流（mA）

燃烧器高度（mm）

助燃比（乙炔/空气）

Zn

213.9

0.2

6

6

1:

6

注：

仪器中的空气流量一般为固定值。

【实验部分】

3.仪器设备与试剂材料

3.1．仪器：

原子吸收分光光度计，乙炔钢瓶，无油空气压缩机;锌空心阴极灯，烘箱，干燥器，电热板，50mL容量瓶8个，100mL容量瓶，250mL烧杯，刻度移液管（1mL，2mL,5mL,10mL各一支）

3.2．试剂

500ug∙mL-1锌储存溶液：

准确称取0.1000g金属锌于250mL烧杯中，用30～40mL（1+1）盐酸使其溶解后，煮沸几分钟，冷却，移入200mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，备用。

1%稀硝酸，浓硝酸，过氧化氢，去离子水

4.实验步骤

4.1配制Zn2+标准溶液

锌标准溶液：

用2.00mL吸管取500ug/mL锌储备液至100mL容量瓶中，用1%稀硝酸稀释至刻度，摇匀，此溶液含Zn2+10.0μg/mL。

配制Zn2+混合标准溶液

在5个50mL容量瓶中加入上述10.0μg/mLZn2+标准溶液0mL，1mL，2mL，4mL，8mL，用1%稀硝酸稀释至刻度，摇匀。

系列锌标准溶液浓度为0.000μg/mL，0.200μg/mL，0.400μg/mL，0.800μg/mL，1.600μg/mL。

4.2样品溶液的制备

将发样放入100mL的烧杯中，用1%的洗发精浸泡，搅拌30分钟，自来水冲洗20遍，蒸馏水洗5遍，再用去离子水洗涤5遍，于65～67℃的烘箱中干燥2小时左右，取出后放入干燥器中保存备用。

准确称取发样0.1016g（样品1）于100mL锥形瓶中，盖上短颈漏斗，加入4mL浓硝酸，稍冷后缓慢滴加2mL30%H2O2，在电热板上低温加热消解,待冒白烟至溶液余0.5mL左右（不可蒸干），取下冷却后，加入10mL水微沸数分钟直至溶液澄清透明，放冷，反复处理两次后用1%稀硝酸将其移入50mL容量瓶中，稀释至刻度摇匀。

取等量的浓硝酸和过氧化氢溶液在同样条件下加热，待头发消解完，同时将浓硝酸和过氧化氢倒入50ml容量瓶中，用稀硝酸稀释至刻度，制成样品空白液。

4.3测定标准溶液，绘制标准曲线

按照实验原理中的表1设定仪器参数和实验条件，优化好实验条件后，分别测定不同浓度的锌标准溶液的吸光度。

4.4.试样溶液的分析

在和锌标准溶液的相同测定条件下，测定发样的试样溶液的吸光度，计算头发中的锌含量。

【结果与讨论】

5.数据处理

表2不同浓度的Zn2+标准溶液的吸光度值表

编号

浓度（μg∙mL-1）

吸光度Abs

1

0.000

0.070

2

0.200

0．120

3

0.400

0．180

4

0.800

0．283

5

1.600

0．462

根据表2利用Excel的数据处理功能绘制不同浓度的Zn2+标准溶液的A~C标准曲线，见图1，并计算其线性拟合方程和线性相关系数。

图1

由计算机计算绘图可得标准曲线的方程为：

y=0.2454x+0.0758

相关系数R2=0.9974

本次实验测得测得样品吸光度实验数据（样品空白液的吸光度=0.148）

样品1（0.1016g）A1=0.328，该溶液的真实吸光度A=A1—A0=0.328—0.148=0.180.由标准曲线可得样品Zn2+浓度为

样品2（0.1542g）A2=0.381，该溶液的真实吸光度A=A2—A0=0.381—0.148=0.233.由标准曲线可得样品Zn2+浓度为

（一般正常人的头发中锌含量在150-200μg/g之间，少于100μg/g认为人体缺锌，大于250μg/g也属正常。

）

6.实验讨论

6.1．注意事项

1.溶样过程中加H2O2时，要将试样稍冷，且慢慢滴加，以免H2O2受热剧烈分解，将试样溅出。

2.试样的吸光度应该在标准曲线的中部，否则应该改变配制溶液的体积。

3.乙炔钢瓶阀门旋开不超过1.5转。

4.实验时要打开通风设备，是金属蒸气即时排出室外。

5.点火时，先开空气，后开乙炔气。

熄火时，先关乙炔气，后关空气。

室内若有乙炔气味，应立即关闭气源，通风，排除问题后再进行实验。

6.2.讨论与总结

6.2.1．若测得的样品浓度不在A-c曲线上的线性部分，会导致测定误差大，要再次稀释样品溶液，使得吸光度落在标准曲线线性范围内。

溶液浓度过高，会导致自吸现象严重，因此须重新配制溶液再测定。

使得测得的样品吸光度落在标准曲线线性范围内，提高测量准确度。

原子吸收分光光度法中，吸光度A样品浓度c之间呈线性关系。

当溶液浓度过高会引起曲线的偏离朗伯-比耳定律是建立在吸光质点之间没有相互作用的前提下。

但当溶液浓度较高时，吸光物质的分子或离子间的平均距离减小，从而改变物质对光的吸收能力，即改变物质的摩尔吸收系数。

浓度增加，相互作用增强，导致在高浓度范围内摩尔吸收系数不恒定而使吸光度与浓度之间的线性关系被破坏。

6.2.2．测头发中Zn的含量有什么实际意义？

答：

锌在人和其它动物体内具有重要功能，它对生长发育，创伤愈合，免疫预防都有重要作用。

人发中锌含量多少，标志着人体中微量锌含量是否正常。

因此，分析人发中的锌具有重要意义，一般正常人的头发中锌含量在103-361μg/g之

间，少于100μg/g认为人体缺锌。

6.2.3一般正常人的头发中锌含量在103-361μg/g之间，本次测定结果是头发中锌含量的实验值为209μg/g，208μg/g。

本次试验测得头发中锌含量在标准范围内。

6.2.4.用于实验用的头发最好是从枕部距发根1~3cm处的发样。

发样在消解前要用1%的洗发精浸泡，搅拌30分钟，自来水冲洗20遍，蒸馏水洗5遍，再用去离子水洗涤5遍，以保证头发样品中的污垢和油脂能较充分除去。

6.2.5.该实验中，可能导致测得的锌含量偏高的因素有：

（1）本次实验样品处理经过了110℃的高温烘干，由于待测试样中可能含有有机物，测量锌的波长在近紫外区，而有一些有机物在近紫外区也有吸收，测量锌的含量时受到的干扰比较大，从而导致吸光度偏高，测定结果也相应偏高。

（2）如文献综述的介绍，人发中的锌含量和年龄有一定联系，一般年轻人的头发中锌含量要高于老年人。

样品若是取自于年轻的学生则测得的锌含量有可能偏高。

（3）饮食结构的改变。

随着经济发展，人的饮食结构变得丰富多样，这影响了头发中的锌含量。

比如现在的人普遍每天都食用牛奶，而牛奶中就含有丰富的锌元素。

过多的Zn摄入量可能通过头发的生长排出身体，就有可能使得测得头发中锌含量偏高。

（4）实验样品若是采集于科研工作者，主要从事脑力劳动，可能头发中的Zn含量会高于正常人，即脑力劳动强度的大小可以通过头发中Zn含量反映出来；

（5）在实验过程中，乙炔空气比设置若为1:

4，若火焰燃烧不完全产生炭黑，则炭黑就会对光源产生吸收，从而使待测样品测定吸光度偏大，造成头发中Zn含量测定偏大，从文献报道来看，测得头发中Zn含量在正常值内的，其火焰乙炔空气比大多小于本次实验使用值，即为贫燃火焰。

6.2.6.本次实验中存在的不足在于：

①实验要求消解液冷却后要加入10mL水再微沸至近干，并重复处理两次，但在实验过程中，我们只处理了一次。

因此可能导致样品消解不充分。

②使用湿法消解头发样品后，溶液呈浅黄色，这是因为溶液中溶有二氧化氮，并存在有机杂质，这说明样品未消解完全。

这些杂质在火焰中会造成背景干扰，数据中浓度为0.000μg∙mL-1的吸光度为-0.005，也说明了测定过程中存在背景干扰。

6.2.7.当然为了确保实验的精确度，我们可以通过对同一份样品做平行实验和锌的回收实验来确保实验结果的精确性。

除了上面和文献值的比照讨论，对于本实验，我们可以对锌含量的测量相对误差做一定的理论分析，因为有：

所以对两边同时取对数，有：

两边取微分可得，

所以实验中各参量的相对误差的关系可以描述为，

又因为浓度C和吸光度A有如下关系，

其相对误差的关系可以描述为，

整理后可以得到如下的结果，

由上式可知，锌含量测定的相对误差随试液的Zn2+的浓度C变化而变化，当未知液的Zn2+浓度较小时会导致

变大，而使相对误差变大。

为了确保实验的精确性，最好在未知液的Zn2+浓度处在线性范围的前提下尽可能的大，这样可以增加结果的精确性。

本实验的未知液的Zn2+浓度为1.030μg/mL，将其带入上式可得，

容量瓶的定容误差在1‰左右；分析天平的称量误差在0.5‰左右；吸光度的测量误差和多种因素有关，包括测量误差、背景校正等，暂时考虑仪器误差在2‰左右。

最后锌含量测定的相对误差理论值为，

因此，对于本次实验发样的锌含量测定，完整的实验结果可以表示成，

6.2.8.实际上吸光度测量的相对误差还应该考虑背景校正。

如标准溶液的酸度和未知液的酸度并不严格相等，会造成吸光度A有一定的差别。

我们可以通过实验验证酸度是否对吸光度有很大影响，如在标准溶液中分别加1、2、3、4滴的浓硝酸进行平行实验，测其吸光度的改变并计算分析这种酸度对吸光度的影响是否可以忽略。

如果影响很大，则可考虑在上述溶液中加缓冲液来稳定pH值。

6.2.9.本次实验只是简单的测定了发样中的锌含量，我们还可以拓展出其它与此相关的研究。

比如，我们可以研究不同年龄段人的头发中锌含量变化，或者头发中锌含量和饮食结构的联系等。

我们也可以对测定方法进行改进和探索，如通过上述分析知道在未知液浓度处在线性范围的前提下增大浓度C可以减小结果的相对误差，所以在稀释发样溶液时应尽可能用小体积的容量瓶。

我们可以研究溶液酸度或其它没考虑到的因素对实验结果的影响，并修正改进使实验方法更加准确可靠。

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胡卫军，王平锌离子选择电极在微量元素检测中的标定中国科技论文在线