環境分析中的分子大小的分離
天然水中存在的物質粒度大小相差懸殊。「自由」金屬離子和無機絡合物的直徑可能只有百分之一納米;檸檬酸、草酸和類似EDTA的胺基酸這類有機絡合物的直徑可達幾十分之一納米;由植物性物質分解得到的巨大有機分子的絡合物如腐植酸、富裡酸和丹寧酸,它們的直徑可達到幾個納米。鐵和錳等金屬能形成水解聚合物,它們的直徑可從10納米一直到100納米。這些水解聚合物上的羥基能和重金屬離子形成絡合物,從而把金屬束縛在聚合物上。還有一些細分的粘土顆粒以及其它一些能吸著金屬離子的膠體物質,它們的大小可達到一百納米左右。所以,根據其尺寸大小來分離水中物質和測量各部分的金屬含量,能在一定程度上深入了解該系統中特定金屬所處的部位。再結合上面介紹的對不穩定金屬和總金屬的測定,就能很好地估計所存在金屬的形式。使這種技術的有用性受到限制的是,從一種形式至另出種形式的尺寸大小是漸變的,而不可能存在著截然的差別,用於根據尺寸大小進行區分的技術是:過濾、超濾、透析和凝膠滲透色譜法。
採用「常規」設備的過濾法可以分離懸浮粘土類的金屬和由錳和鐵等金屬形成的水解聚合物。為了分離比這更小的物質,就要採用超濾法。這時,液體在壓力下通過選擇性的可滲透膜。這些膜是阿米康公司生產的,在生物學研究中用來分離像蛋白質之類的大分子,而它們的滲透性通常是根據能通過的分子的分子量來表示的。它們能通過分子量從小於500一直到300000的各種物質。史密斯報導了採用超濾技術根據尺寸大小分離天然水中有機物質,隨後並用陽極溶出伏安法測定各部分的絡合能力。
可以代替超濾作用的一種方法是透析,採用這一技術時,把純水放入一隻透析袋中,然後浸沒在天然水的樣品中。當袋的容積(20毫升)和樣品體積(250毫升)相比很小時這種方法對樣品的平衡影響不大。當達到平衡後,從袋中把水取出,分析金屬濃度。這一技術已在測定湖水和河水時得到採用。具體做法是,把袋放在待測的湖、河中,並讓該系統平衡兩個星期。
蓋伊和查克拉巴蒂對於用透析的模擬系統,離子選擇電極和陽極溶出伏安法所獲得的結果進行了比較。他們用三種方法檢驗了腐植酸溶液中鉛、銅的分布與pH值之間的函數關係。三種測定的結果相同,但是,在用陽極溶出伏安法和透析法定碳酸鹽體系中的「自由」銅離子時,當pH發生變動時,比較表明,透析法的結果顯示在pH2~8的整個範圍內都沒有變化,而陽極溶出伏安法表明在pH6時有急劇下降。因此很明顯,當化合物的尺寸很小時,如CuCO3,透析技術不能使之分離,而陽極溶出伏安法則能區別Cu+(液相)和CuCO3。
凝膠滲透色譜法也能用於根據尺寸天小而分離物質。所用的凝膠,如葡聚糖凝膠( Sephadex),上面有大小經精確控制的孔隙,它允許進入小的分子擴散,而大分子則不能進入。這些辦法已常規地用於根據分子量來分離有機物質。伯勒爾描述了一個用於確定各種形式的金屬的方案,它包括pH調節,金屬螯合,溶劑萃取和凝膠滲透色譜分離等程序。這種技術用於分類各種形式的金屬時遇到的一個嚴重問題是,Fe+離子和腐植酸等類物質會吸著在凝膠上。
在天然系統中各種形式的金屬的大小區分方面是很重要的。弗洛倫斯和巴特利在用螯合樹脂從海水中除去痕量金屬的工作中發現,絕大部分Cu、Zn、Pb和Cd是不存在有為樹脂所萃取的狀態。所以他們得出結論,這些金屬是與無機的或有機來源的膠粒締合的。巴特利和弗洛倫斯描述了對天然水中各種形式的重金屬進行分類的方案。他們曾根據這一方案分析了海水中的Cd、Pb和Cu。用陽極溶出伏安法作為測定待檢樣品中不穩定金屬的方法。用紫外光輻照樣品,以此來區分不穩定金屬和束縛於強絡合物中的金屬。這使有機絡合劑斷裂而釋放出金屬。
對於被膠體所吸著的金屬的測定方法是,將樣品通過一個 Chelex樹脂柱,如上所述,存在於膠體上的物質是不會在這裡萃出的,但全部的可溶物質卻保留在了樹脂上。所以,對於經過紫外輻照或通過Chelex柱或同時經過這兩種處理的水樣用陽極溶出伏安法測定其不穩定金屬和總金屬,並把其結果和未經處理的試樣所獲結果相比,就可以確定分類。該方案把可溶金屬分成四類:第1類是檸檬酸鹽、氨基醋酸鹽、氯化物和硫酸鹽絡合物之類的物質;第2和第4類主要是吸著在粘土、矽酸鹽和有機巖屑等膠態物上的金屬離子;第3類是像腐植酸之類的有機配合基強金屬絡合物。