水質檢測中有機污染物檢測技術的運用研究

趙雪萍，侯抗抗

（日照市工程檢測咨詢集團有限公司，山東 日照 276800）

引言

水是人類生活和工業生產中不可或缺的資源，但由于化學工業、農業和城市廢水排放等原因，水體中的有機污染物含量逐漸增多。有機污染物對水生態系統和人類健康造成了潛在威脅，因此準確、高效地檢測和監測有機污染物的存在變得至關重要。隨著科技的不斷進步，各種先進的有機污染物檢測技術被引入水質監測領域。

1 有機污染物概述

1.1 有機污染物的定義

有機污染物是指由碳元素構成的化合物，通常包括揮發性有機物（VOCs）、持久性有機污染物（POP）和其他有機化合物，這些污染物主要來源于工業廢水、農業生產中使用的化學品、生活污水排放以及自然來源如植物和動物的代謝產物等。

1.2 有機污染物的來源和排放途徑

有機污染物的來源多種多樣，其中工業活動是有機污染物重要的來源，包括化工廠、石油加工廠、紡織業等。農藥和化肥的使用也會導致有機污染物的產生。此外，城市生活中產生的廢水、垃圾填埋場、交通排放等也成為有機污染物的重要來源。

1.3 有機污染物對水環境的影響

有機污染物對水環境造成了嚴重影響。首先，對水生態系統產生了毒害作用，損害了水中生物的生存和繁殖能力。其次，某些有機污染物還可能通過生物蓄積進入食物鏈，致使人類攝入并對健康產生潛在的危害。此外，有機污染物還可能引發水體富營養化、氧氣消耗和異味等問題，從而破壞了水質的穩定性。

2 傳統有機污染物檢測技術

2.1 氣相色譜質譜聯用技術（GC-MS）

2.1.1 原理及基本方程式

氣相色譜質譜聯用技術（GC-MS）是一種常用的有機污染物檢測方法，該技術結合了氣相色譜（GC）和質譜（MS）兩種技術的優勢。在GC部分，樣品中的有機污染物通過氣相色譜柱進行分離，并根據不同成分的揮發性和親水性等特性，實現對復雜混合物的分離。分離后的化合物進入質譜部分，通過質譜儀器進行檢測和定性分析。GC-MS的基本方程式可以表示為：

其中，m/z代表質荷比（mass-to-charge ratio），m為離子的質量，Q為質量分析儀的磁場強度，V為離子的速度，E為離子的電荷。

2.1.2 應用案例分析

GC-MS在水檢測中廣泛應用于有機污染物的分析和鑒定。例如，在環境監測中，GC-MS可用于檢測揮發性有機物（VOCs）和持久性有機污染物（POP）。通過GC-MS的分離和定性能力，可以對水樣中的溶劑、農藥殘留、工業廢水排放物等進行準確地分析。

一個案例是對水體中揮發性有機物的檢測。研究人員采集水樣后，通過GC-MS分析儀器對樣品進行處理。首先要提取樣品，并加入內標物質進行定量分析。然后，通過氣相色譜柱實現對有機物的分離。最后，利用質譜儀器對分離后的化合物進行檢測和鑒定。通過比對標準物質的質譜圖和保留時間，識別出樣品中存在的揮發性有機物，并計算其濃度。

另一個應用案例是對水中持久性有機污染物的檢測。這些有機污染物通常具有較低的揮發性和較高的穩定性，因此需要更復雜的前處理步驟。通過萃取、濃縮和洗脫等步驟，將樣品中的目標有機污染物提取出來。然后，利用GC-MS技術對樣品進行分離和鑒定，再進一步確定和定量目標物質的存在。

2.2 高效液相色譜質譜聯用技術（LC-MS）

2.2.1 原理及基本方程式

高效液相色譜質譜聯用技術（LC-MS）是一種常用的有機污染物檢測方法，該技術結合了高效液相色譜（LC）和質譜（MS）兩種技術的優勢。在LC部分，樣品中的有機污染物通過液相色譜柱進行分離，并根據不同成分的親水性、極性等特性，實現對復雜混合物的分離。分離后的化合物進入質譜部分，通過質譜儀器進行檢測和定性分析。LC-MS的基本方程式可以表示為：

其中，m/z代表質荷比（mass-to-charge ratio），m為離子的質量，Q為質量分析儀的磁場強度，V為離子的速度，E為離子的電荷。

2.2.2 應用案例分析

LC-MS在水檢測中廣泛應用于有機污染物的分析和鑒定。例如，在環境監測中，LC-MS可用于檢測激素、抗生素殘留等有機污染物。通過LC-MS的分離和定性能力，可以對水樣中的目標物質進行準確地分析。

一個案例是對水體中的激素進行檢測。研究人員采集水樣后，利用LC-MS分析儀器對樣品進行處理。首先，將樣品進行前處理，如提取和凈化，以去除干擾物質。然后，通過高效液相色譜柱實現對目標激素的分離。最后，在質譜部分，利用質譜儀器對分離后的化合物進行檢測和鑒定。通過比對標準物質的質譜圖和保留時間，識別出樣品中存在的激素，并計算其濃度。

另一個應用案例是對水中抗生素殘留物的檢測?？股氐臑E用可能導致水體出現抗生素污染問題，因此需要進行監測。檢測步驟與第一個案例相似，先將樣品進行前處理并進入高效液相色譜柱進行分離。然后，利用質譜儀器進行檢測和鑒定，從而確定抗生素殘留物的種類和濃度[1]。

3 基于光譜技術的有機污染物檢測方法

3.1 紫外可見光譜法（UV-Vis）

3.1.1 原理及基本方程式

紫外可見光譜法（UV-Vis）是一種常用的光譜分析技術，用于檢測水中的有機污染物。該方法基于樣品對紫外和可見光波長范圍內的吸收特性進行測量和分析。有機污染物在特定波長下會吸收光線，其吸收強度與溶液中有機污染物的濃度成正比。UV-Vis的基本方程式可以表示為：

其中，A代表吸光度，ε為摩爾吸光系數，l為光程長度，c為溶液中有機污染物的濃度。根據比例關系，可以使用吸光度來推斷溶液中有機污染物的濃度。

3.1.2 應用案例分析

UV-Vis廣泛應用于水質檢測中有機污染物的快速分析。例如，在環境監測中，UV-Vis可用于檢測苯類化合物、酚類化合物等有機污染物。通過測量水樣的吸光度，可以評估有機污染物的存在和濃度[2]。

第一個案例是對水體中苯類化合物的快速檢測。研究人員將水樣制備成溶液并利用UV-Vis光譜儀進行測量。通過選擇適當的波長，可以在吸收峰處獲得最大的吸光度。然后，利用已知濃度的標準物質建立吸光度與濃度之間的標準曲線，并根據待測樣品的吸光度，通過標準曲線計算出苯類化合物的濃度。

另一個應用案例是對水中酚類化合物的定量分析。酚類化合物具有不同的吸收特性，因此需要針對特定化合物選擇適當的波長進行測量。通過測量樣品的吸光度，并結合標準曲線，確定酚類化合物的濃度[3]。

3.2 熒光光譜法

3.2.1 原理及基本方程式

熒光光譜法是一種常用的光譜分析技術，是基于有機污染物在激發后發生熒光現象的特性進行檢測。該方法是利用樣品吸收光能后的能量轉移和電子躍遷過程來產生熒光信號。當有機污染物受到特定波長的激發光照射后，部分能量被吸收并轉移到激發態，然后通過非輻射躍遷返回基態時放出熒光光子。熒光光譜法的基本方程式可以表示為：

其中，F代表熒光強度，Φ為熒光量子效率，I為激發光的強度。熒光強度與激發光的強度和熒光量子效率成正比。

3.2.2 應用案例分析

熒光光譜法在水質檢測中被廣泛應用于有機污染物的快速分析。例如，在環境監測中，熒光光譜法可用于檢測多環芳香烴、農藥等有機污染物。通過測量樣品的熒光信號，可以評估有機污染物的存在和濃度。

一個案例是對水體中多環芳香烴的定性分析。研究人員將水樣制備成溶液，利用熒光光譜儀進行測量，通過選擇適當的激發波長和檢測波長，可以獲得樣品的熒光光譜圖。不同的多環芳香烴在熒光光譜上表現出特定的峰位和強度，從而實現了對不同化合物的定性分析。

另一個應用案例是對水中農藥的定量分析。農藥具有不同的熒光特性，因此需要根據不同農藥的特點選擇適當的激發波長和檢測波長。通過測量樣品的熒光強度，并結合已知濃度的標準物質建立熒光強度與濃度之間的標準曲線，可以確定農藥的濃度。

4 基于電化學技術的有機污染物檢測方法

4.1 循環伏安法（CV）

4.1.1 原理及基本方程式

循環伏安法（CV）是一種常用的電化學分析技術，可用于檢測水體中的有機污染物。該方法基于有機污染物在電極表面的吸附和電化學反應的特性進行測量。通過在不同電位范圍內施加電壓，可以觀察到有機污染物在電極上的氧化還原行為。CV的基本方程式可以表示為：

其中，I代表電流，n為電子轉移數，F為法拉第常數，A為電極面積，v為掃描速率。根據法拉第定律，電流與電極上發生氧化還原反應的速率成正比。

4.1.2 應用案例分析

CV在水質檢測中廣泛應用于有機污染物的快速分析。例如，在環境監測中，CV可用于檢測苯酚類、酚類等有機污染物。通過測量樣品在不同電位下的電流響應，可以評估有機污染物的存在和濃度。

一個應用案例是對水體中苯酚類化合物的定量分析。研究人員將水樣置于電化學池中，進行CV測量。在循環伏安曲線上，苯酚類化合物會顯示出特定的峰位和峰電流。通過比較待測樣品與已知濃度標樣的峰電流，可以確定苯酚類化合物的濃度。

另一個應用案例是對水中酚類化合物的定性分析。不同的酚類化合物在循環伏安曲線上具有不同的氧化還原行為和峰電流。通過觀察樣品的循環伏安曲線特征，并結合已知化合物的標準曲線，可以確定酚類化合物的種類和濃度。

4.2 差分脈動伏安法（DPV）

4.2.1 原理及基本方程式

差分脈動伏安法（DPV）是一種常用的電化學分析技術，可用于檢測水中的有機污染物。該方法利用電極上發生的氧化還原反應所產生的脈動電流信號進行測量。通過施加特定的電位掃描和脈沖電壓，測量電極上的電流變化，可以獲取有機污染物的氧化還原行為信息。DPV的基本方程式可以表示為：

其中，Ip代表峰電流，n為電子轉移數，F為法拉第常數，A為電極面積，D為擴散系數，c為溶液中有機污染物的濃度，t為脈沖寬度。根據方程式，峰電流與有機污染物的濃度成正比，可用于定量分析。

4.2.2 應用案例分析

DPV在水檢測中被廣泛應用于有機污染物的快速分析。例如，在環境監測中，DPV可用于檢測重金屬離子、有機酸等有機污染物。通過測量樣品的脈動電流響應，可以評估有機污染物的存在和濃度。

一個應用案例是對水體中重金屬離子的定量分析。研究人員將水樣置于電化學池中，并進行DPV測量。通過施加特定的電位掃描和脈沖電壓，測量電極上的峰電流，可以確定重金屬離子的濃度。根據已知濃度的標準溶液建立的標準曲線，可以通過峰電流與濃度之間的關系計算出待測樣品中重金屬離子的濃度。

另一個應用案例是對水中有機酸的定性分析。不同的有機酸在DPV曲線上具有特定的峰位和峰電流，通過觀察樣品的峰電流和峰位，可以確定有機酸的種類。然后，進一步結合已知濃度的標準曲線，可以計算出有機酸的濃度。

5 其他新興有機污染物檢測技術

5.1 生物傳感器技術

生物傳感器技術是一種利用生物體或其組分作為敏感元件來檢測有機污染物的方法。該技術將生物體的生物識別能力與傳感器技術相結合，實現對有機污染物的高靈敏度和高選擇性檢測。生物傳感器的原理是基于生物反應和信號傳導過程。常見的生物傳感器類型包括酶傳感器、抗體傳感器和細胞傳感器等。例如，通過在傳感器表面固定特定酶，當目標有機污染物存在時，會與酶發生反應產生特定的信號變化，如電流或熒光信號。這些信號可以被傳感器檢測和量化，從而實現對有機污染物的檢測和分析。生物傳感器技術的優勢在于其高靈敏度、高選擇性和實時監測能力，并具有快速響應、低成本和便攜性等特點，因而生物傳感器在水質監測、環境保護和食品安全等領域得到了廣泛應用。

5.2 氣體擴散電離質譜法（PTR-MS）

氣體擴散電離質譜法（PTR-MS）是一種快速、靈敏的有機污染物檢測技術。該方法是基于質譜技術，將待測樣品中的有機污染物轉化為氣態離子，并利用質譜儀進行檢測和分析。PTR-MS的原理是利用離子化技術將氣態有機污染物轉化為可被質譜儀檢測的離子。該技術是使用高能量的反應離子（如H3O+）與待測樣品中的有機分子發生反應，產生離子化的有機物，再經過質譜儀的分析，可以確定有機污染物的種類和濃度。PTRMS具有高靈敏度、快速響應和實時監測等優點，可以在非破壞性條件下對水樣中的有機污染物進行分析，并且具有非常低的檢測限和高分辨率。因此，PTR-MS在環境監測、大氣化學和食品等領域得到了廣泛應用。

6 結論

水質檢測中的有機污染物檢測技術是保障水質安全和環境健康的重要研究領域。通過對不同有機污染物檢測技術的綜合分析和應用案例的探討，可以得出以下結論：

傳統的色譜法和質譜法在有機污染物檢測中具有廣泛的應用，這些方法能夠實現高精度、高靈敏度的定量分析，并且適用于各種復雜的水樣品檢測。光譜技術如紫外-可見吸收光譜和熒光光譜等也被廣泛運用于有機污染物的快速檢測。這些方法具有操作簡便、快速分析的特點，尤其適用于大規模監測和實時監測的需求。此外，差分脈動伏安法（DPV）作為一種基于電化學技術的方法，可用于檢測水中的有機污染物，其具有較高的靈敏度和選擇性，并且能夠實現對水體中污染物的定量分析。另外，生物傳感器技術和氣體擴散電離質譜法（PTR-MS）作為新興技術在有機污染物檢測中顯示出巨大潛力。生物傳感器技術利用生物體或其組分作為敏感元件，實現高靈敏度和高選擇性的檢測。而PTR-MS是利用質譜技術對氣態有機污染物進行快速、靈敏的分析。

綜上所述，水質檢測中的有機污染物檢測技術涵蓋了多種方法和技術。傳統的色譜法和質譜法以及光譜技術是常用且成熟的方法，具備高精度和廣泛的適用性。此外，DPV、生物傳感器技術和PTR-MS等新興技術在提高水質檢測靈敏度、降低成本和實現實時監測方面具有很好的發展前景，所以未來的研究應該繼續推動這些技術的創新和改進，以滿足目前不斷增長的有機污染物檢測需求，從而為水質監測和環境保護工作提供更有力的支持。