本发明涉及化学检测技术领域，尤其涉及一种工作场所空气中锆及其化合物的测定方法。
背景技术：
锆是一种高熔点金属，主要以氧化锆(zro2)形式存在，是一种高级耐火原料，具有较好的热稳定性，能提高釉的化学稳定性和耐酸碱能力。工业上主要用于压电陶瓷、日用陶瓷、耐火材料等制品,也用于生产钢及有色金属、光学玻璃和二氧化锆纤维，以及用来制造超高温隔热防护材料和陶瓷基复合增强材料。锆及其化合物广泛用于陶瓷烧结、金属冶炼、高温分解、半导体制造、石英熔融等领域。锆及其化合物作为一种毒性较强的职业危害因素被人们所关注，其主要对呼吸道、皮肤和眼睛产生刺激，诱发各类职业伤害。锆及其化合物已被列入《gbz2.1-2007工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》，职业接触限值pc-twa和pc-stel分别为5mg/m3和10mg/m3。
目前国内测定工作场所空气中锆及其化合物多年来一直依据《工作场所空气有毒物质测定锆及其化合物》(gbz/t160.26-2004)，该方法仅列入了“二甲酚橙分光光度法”，其主要原理为空气中气溶胶态锆及其化合物用微孔滤膜采集，消解后在还原剂作用下，锆离子与二甲酚橙反应生成红色络合物；在540nm波长下测量吸光度，进行定量。该方法消解步骤特别复杂繁琐，锆及其化合物包括水溶性锆化合物样品和非水溶性锆化合物样品，需要分别进行预处理消解。水溶性锆化合物样品需要用稀盐酸在电炉上加热消解，步骤相对简单。但非水溶性锆化合物样品要放在瓷坩埚中，盖上坩埚盖，置于电炉中重叠放两块空心耐火砖之间，加热灰化成白色残渣；冷却后，加入1ml硫酸铵溶液；再加热溶解，并继续加热除去硫酸，至刚挥发干为止，最后用稀盐酸定量转移入具塞比色管中。水溶性锆消解液和非水溶性锆消解液分别加入二甲酚橙进行比色，通过吸光度换算锆及其化合物的浓度。
实际生产中，工业场所空气中锆及其化合物的含量是很低的，溶液浓度往往只有0.01-0.1μg/ml，因此繁琐的操作根本无法保证痕量锆测定的准确性和稳定性。在消化不溶性锆化合物样品时，硫酸挥发程度对测定结果影响十分明显；同时基体中高含量的铁、钍、钛、钡、锶以及铅、钙、镁均会干扰测定。无法准确测定工业场所空气中锆及其化合物对生产现场作业人员的健康来讲是非常可怕的，且无法满足职业卫生管理要求。但该方法检出限为0.002μg/ml，定量下限为0.007μg/ml，而钢铁、化工行业绝大多数工业场所空气中锆及其化合物的含量是很低的，溶液浓度只有0.01μg/ml左右，已经接近等离子光谱发测定锆的定量下限，对于痕量、超痕量锆测定的准确性也有很大影响，无法满足职业卫生的精准化管理要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种工作场所空气中锆及其化合物的测定方法，本方法采用简便合适的消解技术和消解条件，使微孔滤膜中水溶性锆化合物样品和非水溶性锆化合物样品都能同步进行预处理消解，无需分开进行，提高了检测效率，实现痕量、超痕量锆及其化合物的分析，确保检测结果准确可靠。
为解决上述技术问题，本发明工作场所空气中锆及其化合物的测定方法包括如下步骤：
步骤一、采用微孔滤膜对工作场所空气进行采样，采样后将微孔滤膜的接尘面朝里对折两次，放入清洁塑料袋或纸袋内并置于清洁的容器内运输和保存，室温下空气样品可长期保存并同步进行空白试验；
步骤二、空气样品的预处理，采样后的微孔滤膜置于烧杯中，加入100ml纯水和1+1的氢氟酸消解液10ml，缓慢加热消解，在确保消解液不沸腾的情况下，缓慢加热直至残渣溶解，最后加入纯水定容，使溶液保持1％(v/v)的氢氟酸酸度；
步骤三、空气样品的分析，采用电感耦合等离子体质谱仪并设定分析参数，采用硝酸1％溶液为载流冲洗电感耦合等离子体质谱仪通道内的沉积物，采用浓度为40ug/l的rh作为内标，通过在线加入进行校正来消除信号抑制和信号漂移，测得空气样品中锆的含量，内标回收率在96.9～102.9％之间；
步骤四、空气样品的计算，按下式将空气样品的采样体积换算成标准采样体积，
其中，v0为标准采样体积，v为空气样品的采样体积，t为采样点的温度，p为采样点的大气压；
空气中锆的浓度按下式计算，
其中，c为空气中锆的浓度，m为测得空气样品中锆的含量。
进一步，所述采用微孔滤膜对工作场所空气进行采样包括短时间采样模式、长时间采样模式和个体采样模式，所述短时间采样模式在采样点将装好微孔滤膜的采样夹，以5l/min流量采集15min空气样品；所述长时间采样模式在采样点将装好微孔滤膜的采样夹，以1l/min流量采集2～8h空气样品；所述个体采样模式为将装好微孔滤膜的采样夹佩戴在监测对象的前胸上部，并且进气口接近呼吸带，以1l/min流量采集2～8h空气样品。
进一步，所述电感耦合等离子体质谱仪的分析参数为icp射频功率1500～1600w、雾化器流速0.98l/min、蠕动泵泵速20rpm、扫描次数20次、重复次数3次、模式ked。
由于本发明工作场所空气中锆及其化合物的测定方法采用了上述技术方案，即本方法首先采用微孔滤膜对工作场所空气进行采样，采样后将微孔滤膜的接尘面朝里对折两次，放入清洁塑料袋或纸袋内并置于清洁的容器内；采样后的微孔滤膜置于烧杯中，加入纯水及氢氟酸消解液，缓慢加热消解，保持亚沸状态至残渣溶解，最后加入纯水定容，使溶液保持一定的氢氟酸酸度；采用电感耦合等离子体质谱仪对预处理后的空气样品进行分析，测得空气样品中锆的含量；根据公式计算标准采样体积及空气中锆的浓度。本方法采用简便合适的消解技术和消解条件，使微孔滤膜中水溶性锆化合物样品和非水溶性锆化合物样品都能同步进行预处理消解，无需分开进行，提高了检测效率，实现痕量、超痕量锆及其化合物的分析，确保检测结果准确可靠。
具体实施方式
本发明工作场所空气中锆及其化合物的测定方法包括如下步骤：
步骤一、采用微孔滤膜对工作场所空气进行采样，采样后将微孔滤膜的接尘面朝里对折两次，放入清洁塑料袋或纸袋内并置于清洁的容器内运输和保存，室温下空气样品可长期保存并同步进行空白试验；
步骤二、空气样品的预处理，采样后的微孔滤膜置于烧杯中，加入100ml纯水和1+1的氢氟酸消解液10ml，缓慢加热消解，在确保消解液不沸腾的情况下，缓慢加热直至残渣溶解，最后加入纯水定容，使溶液保持1％(v/v)的氢氟酸酸度；
步骤三、空气样品的分析，采用电感耦合等离子体质谱仪并设定分析参数，采用硝酸1％溶液为载流冲洗电感耦合等离子体质谱仪通道内的沉积物，采用浓度为40ug/l的rh作为内标，通过在线加入进行校正来消除信号抑制和信号漂移，测得空气样品中锆的含量，内标回收率在96.9～102.9％之间；
步骤四、空气样品的计算，按下式将空气样品的采样体积换算成标准采样体积，
其中，v0为标准采样体积，v为空气样品的采样体积，t为采样点的温度，p为采样点的大气压；
空气中锆的浓度按下式计算，
其中，c为空气中锆的浓度，m为测得空气样品中锆的含量。利用电感耦合等离子体质谱仪对吸收液样品中的锆含量进行分析，根据吸收液中的锆浓度和采样体积即可换算出工作场所空气中锆及其化合物含量。
优选的，所述采用微孔滤膜对工作场所空气进行采样包括短时间采样模式、长时间采样模式和个体采样模式，所述短时间采样模式在采样点将装好微孔滤膜的采样夹，以5l/min流量采集15min空气样品；所述长时间采样模式在采样点将装好微孔滤膜的采样夹，以1l/min流量采集2～8h空气样品；所述个体采样模式为将装好微孔滤膜的采样夹佩戴在监测对象的前胸上部，并且进气口接近呼吸带，以1l/min流量采集2～8h空气样品。
优选的，所述电感耦合等离子体质谱仪的分析参数为icp射频功率1500～1600w、雾化器流速0.98l/min、蠕动泵泵速20rpm、扫描次数20次、重复次数3次、模式ked；其中雾化器、雾化室均为耐氢氟酸装置。
电感耦合等离子体质谱仪的条件参数可以通过自动优化条件给出，用调谐液调谐后，通过仪器给出的标准要求，即可开始分析空气样品，调谐参数及结果见表1。
表1：调谐参数及结果
表中，be为低质量数、in为中质量数、u为高质量数，三者的灵敏度要求分别为2000、40000、30000；ceo为氧化物干扰情况，ce++为双电荷干扰情况，bkgd220为背景噪声情况。该调谐参数从灵敏度、干扰情况、背景噪声几个方面反映仪器的状况，仪器状况达到要求，满足分析要求后才能进样分析。
采用本方法对某厂工作场所空气中的锆及其化合物进行采样分析，对锆的方法检出限、检测精密度、准确度和线性范围进行了试验。按照上述方法处理试样并分析，方法相对标准偏差保持在3％以内的水平，微孔滤膜样品加标回收率均保持在96％～102％之间，方法保持很好的线性关系，证明本方法具有较为理想的实用效果。试验数据如下：
方法的标准曲线：
配制0μg/l、5.0μg/l、10.0μg/l、20.0μg/l、50.0μg/l、100.0μg/l、200.0μg/l的锆标准溶液，进行分析，根据光谱强度进行定量。相关系数r＝0.9999，截距a＝-2.04×10-3，斜率b＝3.42×10-3，保持很好的线性关系，完全可以满足工作场所空气中的锆及其化合物测定的浓度范围。
方法的检出限：
表2检出限实验结果
方法的精密度:
表3精密度试验结果
加标回收率:
表4加标回收率试验
x加标回收率＝(50c加标试样－25c试样)×100/50c标准
本方法采用较为简便合适的消解技术和消解条件，从而将微孔滤膜中各种形态的锆包括水溶性锆化合物样品和非水溶性锆化合物样品都能够同步进行预处理消解，无需分开进行，以提高检测效率；采用高灵敏度的电感耦合等离子体质谱仪分析，实现痕量、超痕量锆及其化合物的分析，确保检测结果准确可靠。
其中，对于样品的消解，现有技术分别对水溶性锆化合物样品和非水溶性锆化合物样品进行处理，非水溶性锆化合物样品还需要焚烧和强氧化剂消解，操作十分繁琐。本方法采用氢氟酸对锆的化合物进行消解，由于氢氟酸对水溶性锆化合物和非水溶性锆化合物都有较好的溶解性，因此可以同步完成所有锆的化合物的消解，检测采用等离子光谱技术，装备耐氢氟酸的雾化装置，同时通过优化消解酸的种类及酸度，保证微孔滤膜中不同形态锆的样品充分彻底的得到消解洗脱。
对于样品的分析，由于锆的传统分析方法-分光光度法存在操作较为复杂、基体干扰不易消除、酸度掌握精度要求较高的缺点，同时等离子光谱法的检出限无法充分满足空气中痕量、超痕量锆分析的要求。因此本方法采用电感耦合等离子体质谱技术，保留快速简便、选择性好的优点，充分利用其灵敏度高的特点来分析锆及其化合物的含量，电感耦合等离子体质谱法测定锆的检出限为0.025μg/l，较gbz/t300.33-2017推荐的等离子光谱检出限0.002μg/ml高近100倍，质量数为90的zr，使用电感耦合等离子质谱分析不存在干扰。本方法可以充分满足空气中痕量，特别是超痕量锆分析的要求，满足职业卫生精确管理的要求。
本方法克服现有工作场所空气中锆及其化合物比色法操作复杂繁琐、水溶性锆化合物样品和非水溶性锆化合物样品需要分别进行消解、分析环节基体干扰严重、方法检出限不适合超痕量锆分析等缺点，形成了工作场所空气中锆及其有害化合物含量的新的检测技术，能够同步完成各种形态锆的消解，锆的分析采用等离子光谱质谱技术，干扰小灵敏度高。与现有的二甲酚橙分光光度法技术相比，本方法抗干扰能力明显增强；采用现有技术对痕量的锆测定的基体中，标准液仅能保证10倍的铁、80倍的铅、100倍的钙、镁不干扰测定，但实际上工作场所中铁、铅、钙、镁等常见金属的含量均为锆含量的上万倍以上，从而对显色造成干扰。而等离子光谱质谱法检测技术测定锆，采用质量数为90的zr，不存在干扰。与现有的二甲酚橙分光光度法、等离子光谱法技术相比，本方法的灵敏度和精密度更高；传统的分光光度法和等离子光谱法对锆的检测灵敏度仅能达到0.070μg/ml、0.002μg/ml，等离子光谱质谱法检测技术灵敏度可以达到0.025μg/l，灵敏度分别提升1750倍和近100倍；分光光度法对锆的检测精密度一般在5％左右，电感耦合等离子体质谱法同等离子光谱法一样，分析精密度可以控制在2-3％左右，较传统比色法也提升较多。
本方法可以简便快速准确地分析生产岗位中危害人体健康的锆及其化合物的含量，分析效率提高十倍以上，分析灵敏度提高近百倍，对分析操作人员的技术技能要求也大幅降低，明显提升了工作场所中锆及其化合物检测的准确性、稳定性和灵敏度，为满足职业卫生管理提供了技术保证。