環境水質分析中重金屬檢測技術的運用探究

黃治華 郭志娟

關鍵詞： 環境水質分析 重金屬檢測技術 電感耦合 等離子體質譜法 水污染治理

隨著人們環保意識的增強，對于環境污染問題的關注度也越來越高。重金屬污染是環境污染問題的分支之一，將對水中生物及人類生命安全產生極大威脅。當前，工業產業高速發展，環境水質重金屬實現快速檢測也是尤為重要的?；诖?，該文分析環境水質檢測中不同重金屬檢測技術的應用，對于水污染治理、環境保護及人們生活質量的提高均具有現實意義。

1 檢測環境水質重金屬的重要性

水資源是人類賴以生存的自然資源，其并不是取之不盡用之不竭的。隨著重金屬離子等污染物質進入水中就會對環境水質產生污染，使可利用水資源儲備量越來越少，潛移默化地威脅著人類的生命安全。通過對環境水質進行重金屬檢測，能夠檢測出水中鉛、汞、銅、鉻、鋅等重金屬離子水平[1]，不同重金屬離子對人類的危害，具體見表1。通過合理運用重金屬檢測技術，分析環境水質中重金屬離子種類及水平，對比現行水環境治理標準，明確是否存在重金屬超標現象，依據污染情況予以環境治理。由此可見，檢測分析環境水質重金屬水平是實現水環境保護及環境污染治理的關鍵。

2 環境水質分析中常見重金屬檢測技術

2. 1 光譜檢測技術

2.1.1 分光光度法

分光光度法的原理為個別污染物質中價電子可越過200～800 nm 光譜區輻射吸收，從而產生可見紫外吸收光譜，從定性、定量及結構層次等方面對污染物進行分析。該方法充分利用物質對光的選擇性吸收，水質中若存在重金屬離子，其結合物質后，將影響物質對特定光的吸收，隨著重金屬含量的提高，其影響將越來越大[2]。該檢測方法以其操作便捷、設備要求低、可靠性強等優勢，已成為使用較為普遍的水環境重金屬檢測方法。隨著人們對檢測效率及可靠性要求不斷提高，已基于該方法引申出多種光譜干擾較小的吸光光度法，如導數法、雙波長吸光光度法等。

2.1.2 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法的檢測原理為水環境中若存在重金屬原子，其自由基態原子將對共振輻射產生吸附作用，可通過分析吸收程度進而明確重金屬污染水平。氫化物發生法、火焰法以及石墨爐法是較為常見的幾種原子吸收光譜法。（1）氫化物發生法綜合利用重金屬離子氫化物在常溫環境下具有較差的熱穩定性且為氣態的特點，其檢測時以惰性氣體為載體，在石英管中配合使用還原劑使其發生受熱分解反應，根據原子特征發射信號測定污染物水平[3]。（2）火焰法即在霧化器輔助下向燃燒頭噴入樣品溶液，在高溫條件下樣品溶液干燥后將發生熱解還原反應，此時呈自由基態的重金屬原子將不同程度吸收共振輻射。（3）石墨爐法是將原子處于高溫條件下，獲取具有峰值變化走向的原子變化走向，依據不同時間段維持時間及溫度的不同，對相應重金屬元素進行分析[4]。上述3 種檢測方法在實際應用時各有優勢，對于氫化物發生法而言，其對于測定最佳分析線較近的重金屬元素時更為適用；而火焰法則恰好相反，其測定分析線較近元素時，易由于背景吸收而影響檢測精準度，更適合檢測分析線相差較遠的重金屬元素；由于石墨爐法具有較快的升溫速度，其在檢測稀土元素時更占優勢。

2.1.3 電感耦合等離子質譜法

電感耦合等離子質譜法的重金屬檢測原理為將待檢測水質樣品放入電感耦合等離子體后，在高溫條件下使待檢溶液發生離子化。水質樣品重金屬離子被提取到高真空狀態的質譜儀中，經質量篩選器處理后，可檢測出特定質荷比的離子。由于不同重金屬元素離子其質荷比不同，通過電感耦合等離子質譜法可實現對80 余種元素的分析與檢測[5]。相比于傳統的無機監測方法，電感耦合等離子質譜法具有樣本采集量與干擾因素少、動態線性范圍好且檢出限低、檢測效率高等優勢，能夠在實現多種重金屬的同時檢驗。在環境水質分析中，該技術的運用具有高效的技術優勢。

2.1.4 熒光分析法

通常情況下，物質在常溫狀態下若照射特定波長的光，其價電子將由穩定的基態向不穩定的激發態所躍遷，此時價電子將出現衰變直至基態，在光照輻射下生成波長相較入射光長的光，即熒光。停止照射后，熒光即消失。熒光分析法可被細分為分子或原子熒光光譜法[6]。當前，量子點、有機熒光染料及稀土納米材料等為檢測時常用的能夠發射熒光的物質。若環境水質中存在重金屬離子，其將強化或消滅熒光作用，重金屬含量越高表現越為明顯，該方法正是利用這一原理監測水環境中的重金屬離子。

相比于常規原子吸收光譜法、分光光度法等，熒光分析法的優勢體現在高敏感度、低檢出限、不需實現對檢測水樣進行分離、顯色處理，操作簡便。但由于重金屬物質本身并不會自然產生熒光，需配合使用熒光物質[7]。而上述幾種常用的熒光物質只能夠對特定幾種重金屬離子有所響應，如鎘離子、鉛離子、銅離子等，其他離子則難以檢測，導致該方法在實際應用中受到一定限制。

2. 2 電化學分析法

電化學分析法是基于不同物質的電化學性質對重金屬離子及含量予以測定。將試液作為化學電池的重要組成，依據化學電池參數（如電流、電阻、點位等）和待測物質濃度關系予以分析，該檢測方法以電化學反應為技術支撐，常見的有電位分析法、伏安法、滴定法、極譜法等。

極譜法也被稱為單掃描極譜分析法。在環境水質重金屬檢測時將鋸齒形的脈沖電壓設置于電池兩側，根據后溪電解過程形成電解曲線，對樣本中重金屬予以分析。該方法在實際應用中具有較高的靈敏度與重現性，檢測效率較高。伏安法也被稱為陽極溶出伏安法，其能夠實現多種重金屬離子的連續性檢測，檢測儀器構造簡單、操作便捷，在對檢測精度沒有較高要求時較為常用。

2. 3 生物化學分析法

生物化學分析法具體包括酶分析法和免疫分析法等，是當前水環境中重金屬檢測時較為前沿的檢測方法之一，在相關領域中有著較高的研究熱度。其中酶分析法的檢測原理為，若水中存在重金屬離子，其對于酶活性中心的巰基或甲巰基具有較好的親和力，二者結合后使酶活性中心結構、性質均發生不同程度的變化，對酶活性產生抑制，導致底物顯色劑的酸堿度、電導率及顏色等指標均發生變化，通過定量分析可識別水中重金屬物質，目前常用于酶分析法中的活性酶包括葡萄糖氧化酶、脲酶、異檸檬酸脫氫酶及過氧化物酶等[8]。有學者利用乙醇生成乙醛的反應中配合醇脫氫酶催化時，重金屬鎘離子能夠對酶活性產生抑制，進而明確酶促反應和鎘離子濃度間的關系，實現樣本中鎘離子濃度的有效測定[9]。相比于傳統的檢測技術，其優勢體現在經濟性、便捷性，能夠實現現場檢測，但只能實現定性分析，檢測準確性不夠理想。

免疫分析法的檢測原理為抗原和抗體之間發生特異性反應后對重金屬含量予以測定，其對于重金屬離子的選擇性和靈敏性均較高。在檢測時重金屬物質能夠結合絡合物，形成特定空間結構后，與抗原或抗體發生特異性反應，實現環境水質樣本中重金屬元素的定量分析，但由于并非所有絡合物均能夠與重金屬離子特異性結合，因此在實際檢測中該方法受到一定限制。

2. 4 流動注射分析法

流動注射分析法檢測環境水質的原理為在連續流動的載流中注入一定量的試樣，在反應器中載流和試樣能夠充分混合，二者反應而生成的產物能夠被流通式檢測器所檢測，記錄儀能夠準確記錄峰值信號，實現重金屬元素的定量分析。該方法利用簡單的設備就能夠實現自動化檢測，檢測效率高。在檢測時能夠將分離、加熱、冷卻等復雜的分析化學單元并入流路體系中，在不平衡且不均勻的狀態下均能夠實現檢測[10]，具有試劑消耗量小、檢測效率及檢測精度高、節約檢測成本等優勢。由于流動注射裝置能夠和多種檢測設備所聯用，如原子質譜儀、分光光度計、化學發光儀等，可進一步拓寬該裝置的檢測范圍，如有機物、金屬、非金屬等均可檢測。

2. 5 液相色譜法

在環境水質重金屬檢測中，選擇性與靈敏度是有著較高要求的指標。液相色譜法能夠實現高效分離，但由于尚未出現高靈敏度的檢測方法，在無機分析中受到一定限制。有學者聯合使用液相色譜法和分光光度法，實現了選擇性和靈敏度的高效統一[11]，其研討利用高效液相色譜法對環境和工業廢水中重金屬元素予以測定，融合了分光光度法的液相色譜法，衍生出了柱前、柱中和柱后衍生方法。隨著研究不斷深入，在柱前衍生試劑取代基、色譜保留機理及輔助絡合劑等影響的研究取得諸多進展。有學者利用離子色譜法對高濃度有機廢水中堿金屬、堿土金屬元素予以測定[12]，其運用lonPac CS12A 陽離子交換柱、抑制型電導、20 mmol/L甲磺酸流動相等進行檢測，在14 min 內完成了鉀離子、鈉離子、鎂離子等陽離子的測定。在實際檢測過程中精簡的樣本處理流程，該方法具有操作便捷、高靈敏度、選擇性等優勢，在堿金屬、堿土金屬離子的檢測中具有較好的應用效果。

3 案例分析

某水庫的入庫水源為黃河、洮河，由下游水庫出水、泄水。水庫整體呈現南北走向，最大寬度為6 km，長度為60 km，水域面積達130 km2以上，平均水深和平均庫容分別為32.5 m 和3.2×105 m?。黃河干流與洮河的右岸支流為該水庫的主要構成，洮河在壩址上游的1.6 km 位置匯入該水庫。每年洮河草量為2 000 m?左右，占總入庫草量的60% 左右，說明該區域內存在較為嚴重的水土流失，對飲用水水質安全形成威脅。近年來，該庫區范圍隨著旅游業、農牧業及工業產業的發展，對取水口附近的水質產生了不同程度的污染。加強水質檢測，確保重金屬含量在標準范圍內，保證用水安全尤為重要。

3. 1 水質檢測實驗

3.1.1 水質檢測方法

此次環境水質檢測中水質評價標準依照《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）。以電感耦合等離子質譜法對水質樣本中鎘離子、鉛離子、鐵離子、銅離子等重金屬離子進行檢測。

3.1.2 實驗設備

電感耦合等離子質譜法檢測水中重金屬離子所用設備為電感耦合等離子質譜儀（美國Thermo FisherScientific）、微孔濾膜（0.45 μm孔徑）。在實驗檢測前利用硝酸溶液對實驗器具進行12 h 浸泡后，使用純凈水進行沖洗、晾干。

3.1.3 實驗試劑準備

（1）體積分數為2% 的硝酸溶液；（2）1 000 μg/mL的重金屬標準儲備溶液；（3）單一元素的標準物質溶液；（4）調諧液；（5）內標液；（6）高純度氬氣。

3.1.4 樣本采集及處理

根據庫區形態及環境特點，選擇范圍內8 個具有代表性的采樣點對水質樣本予以采集，分別以①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧表示。存儲于同一環境下，在試驗檢測前對水質樣本以微孔濾膜（0.45 μｍ孔徑）進行過濾處理，向其中加入適量的2% 的硝酸溶液，使水質pH值在2 以下。

3.1.5 設置實驗儀器

在開啟儀器前，調整實驗環境溫度、濕度、循環冷卻水等均符合實驗要求，保證儀器性能。開啟儀器后使其穩定15 min，使用2% 的硝酸溶液與去離子純凈水各對管路反復沖洗5 min。啟動調諧程序優化儀器，提高儀器靈敏度確保滿足實驗要求。實驗結束后再次使用2% 的硝酸溶液與去離子純凈水各對管路反復沖洗5 min，通入空氣干燥處理。

3.1.6 實驗過程

電感耦合等離子質譜法以1% 的硝酸溶液為載體，通過外標法展開實驗分析。測定不同水質樣本重金屬元素的含量水平，如表2 所示。

3. 2 總結及結論

在以電感耦合等離子體質譜法分析水質樣本中重金屬元素時，其存在質譜干擾和非質譜干擾兩種情況。其中前者源于原子、離子、氧化物等影響。后者則主要以物理干擾為主，干擾因素包括樣本基體及質譜內的沉積物。鑒于此，為最大限度地減少干擾，在此次實驗檢測時將2% 硝酸溶液作為載流，以內標溶液予以校正，以消除信號干擾，保證重金屬離子檢測準確性。

分析上表2 數據，所有取樣點中均未檢測出Hg、Cd、Pb，在取樣點⑥的Fe、As 含量均最高，分析原因可能與該取樣點附近的污水處理廠有關。同時，隨著周邊城鎮化建設進程逐步推進，養殖業得以發展，居民數量越來越多，導致水質檢測結果有所浮動，為后續水污染防治提供指導。

4 結語

綜上所述，人類離不開水資源，但隨著城鎮化建設進程逐步推進與工業產業的迅猛發展，影響環境水質的因素越來越多，重金屬污染物的存在，導致生態失衡，威脅人們身體健康，為此應當高度重視環境水質重金屬檢測。該文闡述不同重金屬檢測技術應用原理及檢測價值的基礎上，以某水庫水質檢測為背景案例，分析電感耦合等離子質譜法的應用路徑，通過檢測為該水庫重金屬污染治理提供了理論指導，確保水質滿足標準。