水環(huán)境檢測(cè)中重金屬檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

摘要 ：我國(guó)是水資源大國(guó)，但人均水資源占有量較少，隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)與農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人們?cè)桨l(fā)重視水環(huán)境中的重金屬污染，水中重金屬超標(biāo)不僅會(huì)對(duì)人類(lèi)身體造成影響，還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生威脅。 重金屬污染在水、空氣、土壤等環(huán)境中皆可能存在，本文圍繞水中重金屬檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，針對(duì)原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、電位分析法等各技術(shù)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)、技術(shù)原理與技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析， 希望為相關(guān)檢測(cè)人員提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 ：水環(huán)境檢測(cè) ；檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) ；檢測(cè)原理 ；重金屬檢測(cè)技術(shù)

1. 水質(zhì)重金屬的含量、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及原理

水中重金屬含量

我國(guó)地域遼闊，具有豐富的河流、湖泊，這也是飲用水的主要水源。在水環(huán)境中，重金屬污染按照嚴(yán)重程度排序?yàn)楣㈡k、鉻、鉛等，例如鎳、鉈、鈹、銅等重金屬污染在我國(guó)水環(huán)境中同樣較為嚴(yán)重。密度大于4.5g/cm3的金屬為重金屬，重金屬在人體中累積達(dá)到一定程度，會(huì)造成慢性中毒，水環(huán)境中的重金屬能夠?qū)θ祟?lèi)健康與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害。每升水中重金屬含量超過(guò)以下標(biāo)準(zhǔn)，將視為超標(biāo)：鉻0.05 mg/L；砷0.01 mg/L；汞0.001 mg/L；硝酸鹽10 mg/L；鎘0.005 mg/L；氰化物0.05 mg/L；鉛0.01 mg/L；硒0.01 mg/L；氟化物1.0mg/L。

水中重金屬檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)水環(huán)境中鐵的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為《HJ/T 345— 2007水質(zhì)鐵的測(cè)定 鄰菲啉分光光度法》；銅的檢 測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為《水質(zhì) 銅的測(cè)定 2,9-二甲基 -1,10-菲啰啉 分光光度法》；總鉻檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 7466—1987水質(zhì) 總鉻的測(cè)定》；鎳檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 11910— 1989水質(zhì) 鎳的測(cè)定 丁二酮肟分光光度法》

水中重金屬檢測(cè)原理

水環(huán)境中重金屬鐵的檢測(cè)原理 ：溶液pH 3~9時(shí)，亞鐵離子與其中鄰菲啰啉反應(yīng)生成橙紅色絡(luò)合物，橙紅色絡(luò)合物較為穩(wěn)定，其在 510 nm波長(zhǎng)處吸光度與含鐵濃度成正比。若將高鐵離子還原，則 可測(cè)高鐵離子及總鐵含量。

銅的檢測(cè)原理 ：對(duì)二價(jià)銅離子進(jìn)行還原反應(yīng)， 采用鹽酸羥胺將其還原為亞銅離子，在中性或微酸 性溶液中，2,9-二甲基 -1,10-菲啰啉與亞銅離子生成絡(luò)合物進(jìn)行測(cè)定。

總鉻檢測(cè)原理 ：三價(jià)鉻通過(guò)高錳酸鉀氧化，成 為六價(jià)鉻，之后同二苯碳酰二肼生成化合物。過(guò)量的高錳酸鉀用亞硝酸鈉分解，而過(guò)量的亞硝酸鈉又 被尿素分解。

鎳檢測(cè)原理 ：在氨溶液存在碘的情況下，定二酮肟和鎳作用，生成可溶性絡(luò)合物，并進(jìn)行分光光 度測(cè)定。

1. 檢測(cè)技術(shù)

原子吸收光譜法（AAS）

(1)原子吸收光譜法技術(shù)優(yōu)缺。原子吸收光譜法優(yōu)勢(shì)在于其檢測(cè)速度較快，并有著較高的準(zhǔn)確度與靈敏度，在多種情況下皆可用于檢測(cè)多種重金屬， 能夠?qū)?0多種元素進(jìn)行測(cè)定，在重金屬檢測(cè)中有重要應(yīng)用。但是，AAS同樣具有一定局限性，對(duì)難溶元素、非金屬元素測(cè)定較為困難，并且對(duì)復(fù)雜的樣品分析干擾較為嚴(yán)重，不可同時(shí)測(cè)定多種元素。

(2)原子吸收光譜法技術(shù)原理。原子吸收光譜法是一種根據(jù)氣態(tài)原子外層電子對(duì)紫外線光與可見(jiàn)光對(duì)應(yīng)原子共振輻射線吸收強(qiáng)度，對(duì)被測(cè)元素含量進(jìn)行定量的方法。主要基于原子在特定波長(zhǎng)處吸收特定能量的原理（見(jiàn)圖 1）進(jìn)行分析。利用氣體原子對(duì)于特征光譜的吸收程度，從而對(duì)重金屬的含量進(jìn)行檢測(cè)。需要對(duì)經(jīng)過(guò)處理的水樣，噴入石墨爐之中，之后采用光譜儀對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，并根據(jù)曲線對(duì)金屬元素濃度進(jìn)行測(cè)定。

(3)原子吸收光譜法技術(shù)應(yīng)用。AAS在冶金、 化工、環(huán)保水質(zhì)、食品檢測(cè)中應(yīng)用較廣，可利用原子吸收光譜法對(duì)蔬菜與肉制品中的重金屬元素含量進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)二氧化鈦進(jìn)行測(cè)定。并且還可采用石墨爐與冷原子光譜法對(duì)水環(huán)境中的重金屬進(jìn)行檢測(cè)，相關(guān)研究所測(cè)定結(jié)果偏差不超過(guò)7.8%。

X射線熒光光譜法（XRF）

（1）X射線熒光光譜法技術(shù)優(yōu)缺。① X射線熒光光譜法具有快速、非破壞性與準(zhǔn)確性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)y(cè)定樣品同時(shí)進(jìn)行多種重金屬檢測(cè)，并 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線的計(jì)算，測(cè)定樣品中重金屬元素的濃 度。②該方法主要基于樣品在 X射線作用下產(chǎn)生 熒光信號(hào)的原理進(jìn)行分析。在實(shí)際操作中，首先需 要將經(jīng)過(guò)前處理的水樣放置于 X射線熒光光譜儀中，然后通過(guò) X射線激發(fā)樣品產(chǎn)生熒光信號(hào)，最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出重金屬元素的濃度。

（2）X射線熒光光譜法技術(shù)原理。X射線熒光光譜法技術(shù)根據(jù)傳感器與樣品間的熒光信號(hào)變化進(jìn)行分析，對(duì)水環(huán)境中的重金屬離子進(jìn)行測(cè)定。如在水環(huán)境中存在銅離子，銅離子會(huì)與磷酸三產(chǎn)生反應(yīng)， 故而可通過(guò)磷酸三對(duì)水環(huán)境中的銅離子開(kāi)展檢測(cè)， 并對(duì)其是否存在淬滅現(xiàn)象進(jìn)行分析判斷，如存在說(shuō) 明水環(huán)境中含有銅離子。制作熒光傳感器探針開(kāi)展鐵離子檢測(cè)，探針淬滅說(shuō)明環(huán)境中含有鐵離子，在金屬有機(jī)框架化合物中添加硫離子，應(yīng)用化學(xué)試劑 盒對(duì)鉻離子與汞離子進(jìn)行檢測(cè)，如存在淬滅現(xiàn)象， 則說(shuō)明存在鉻離子，熒光強(qiáng)度增加則說(shuō)明存在汞 離子。

（3）X射線熒光光譜法技術(shù)應(yīng)用。在 X射線熒光光譜法應(yīng)用中，相關(guān)研究人員利用其進(jìn)行 海洋沉淀物中的重金屬測(cè)定，得出鉛的檢出限為 0.70×10-6，僅用 1 h，完成樣品中 50多種元素測(cè)定，方便且快捷，具有較高的可信度。研究人員對(duì) X射線熒光光譜法測(cè)定卷煙貼紙中的鎳、汞等重金 屬含量，各重金屬元素的檢出限均低于 1.0μg/g。

電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）

（1）電感耦合等離子體質(zhì)譜法技術(shù)優(yōu)缺。電感 耦合等離子體質(zhì)譜法能夠?qū)Χ喾N重金屬元素進(jìn)行檢 測(cè)，其具有高分辨率與高靈敏度，這種技術(shù)主要根據(jù)樣品中原子在高溫等離子體中被激發(fā)，對(duì)所產(chǎn)生的特定波長(zhǎng)輻射信號(hào)進(jìn)行分析。在水環(huán)境檢測(cè)中，由于水樣的成分較為復(fù)雜，并且其中各物質(zhì)相互作用較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致電感耦合等離子質(zhì)譜儀測(cè)定結(jié)果 受到較多因素的制約，在標(biāo)準(zhǔn)曲線搭建中的誤差，對(duì)整體檢測(cè)精度產(chǎn)生不利影響。故而，當(dāng)下如何針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線建立對(duì)電感耦合等離子體質(zhì)譜法造成的不良影響進(jìn)行規(guī)避，已經(jīng)成為相關(guān)研究人員重點(diǎn)關(guān) 注的內(nèi)容。

（2）電感耦合等離子體質(zhì)譜法技術(shù)原理。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（見(jiàn)圖 2）由樣品引入系統(tǒng)、 電感耦合等離子體（ICP）離子源、離子透鏡系統(tǒng)、 檢測(cè)器等構(gòu)成，其他支持系統(tǒng)有真空系統(tǒng)、冷卻系 統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。

①電感耦合等離子體質(zhì)譜發(fā)在針對(duì)樣品中多形 態(tài)元素進(jìn)行測(cè)定時(shí)，在特定情況下會(huì)產(chǎn)生電力反應(yīng)， 從而出現(xiàn)相應(yīng)的離子信號(hào)。經(jīng)過(guò)對(duì)這些離子化合物 進(jìn)行分離，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待測(cè)元素的信息獲取，包括 濃度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、線性范圍等數(shù)據(jù)。利用相關(guān)儀器 還可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)定，故而被廣泛的應(yīng)用在水環(huán)境 檢測(cè)之中。②電感耦合等離子體的“點(diǎn)燃”，需具 備持續(xù)穩(wěn)定的高純氬氣流 (純度應(yīng)不小于 99.99%)、炬管、高頻發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)等環(huán)境。樣品氣溶膠被引入等離子體離子源，在 6 000~10 000 K的高溫 下，發(fā)生去溶劑、原子化、電離等過(guò)程，最終轉(zhuǎn)化 為帶正電荷的正離子。

（3）電感耦合等離子體質(zhì)譜法技術(shù)應(yīng)用。在技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，需要將相關(guān)水質(zhì)水樣進(jìn)行處理，通 過(guò)電噴霧等方式，將水樣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，之后進(jìn)入電感耦合等離子體中進(jìn)行激發(fā)和分析，最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出重金屬元素的濃度。相關(guān)研究人員應(yīng)用電感耦合等離子體質(zhì)譜法技術(shù)，對(duì)魚(yú)類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)鉛、 鎘等重金屬元素進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)細(xì)胞碰撞氣體流速的差異，測(cè)得鎘元素的檢出限為 0.043μg/g，鉛元素的檢出限為 0.682μg/g，且該實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性較好，加標(biāo)回收率均在98%~101%之間。

電位分析法

（1）電位分析法技術(shù)優(yōu)缺。電位分析法屬于電 化學(xué)分析法，其采用指示電極與參比電極，或采用 兩個(gè)指示電極，與樣品試液組成電池，根據(jù)電動(dòng)勢(shì) 變化進(jìn)行分析的方法。在保持電極不產(chǎn)生電流時(shí)， 離子選擇性電極是電位分析法中應(yīng)用較多的方法， 離子選擇性電極具有使用方便、檢測(cè)速度快、儀器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

（2）電位分析法技術(shù)原理。電位分析法是通過(guò)測(cè)量電極之間的電位或電動(dòng)勢(shì)變化來(lái)對(duì)被測(cè)溶液中的物質(zhì)成分以及含量進(jìn)行測(cè)量的一種電化學(xué)分析方法。在樣品測(cè)試溶液中插入不同性質(zhì)的電極，形成電池，之后利用電動(dòng)勢(shì)和試液離子濃度關(guān)系，進(jìn)行離子濃度測(cè)定。

（3）電位分析法技術(shù)應(yīng)用。在電位分析技術(shù)應(yīng)用中，研究人員通過(guò)選取共價(jià)有機(jī)框架材料（TpPa—1）制備而成的化學(xué)修飾電極對(duì)樣品溶液中的汞離子和銅離子進(jìn)行測(cè)定，所得結(jié)果表明，Cu2+、Hg2+的檢出限分別為 5.0×10-8 mol/L、1.0×10-8 mol/L。 對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)，回收率達(dá)到 97.6%~105.5%。 近年來(lái)，由于電化學(xué)分析法所用的儀器具有設(shè)備簡(jiǎn)單、方便攜帶、分析速度快的特點(diǎn)，已制備出了多種電化學(xué)傳感器用于不同基質(zhì)中的多種重金屬的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

電導(dǎo)分析法

（1）電導(dǎo)分析法技術(shù)優(yōu)缺。電導(dǎo)分析法通過(guò)對(duì)溶液電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物質(zhì)的定量 定性分析方式。電導(dǎo)分析法其檢測(cè)速度較快，并且 由于相關(guān)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故而操作相對(duì)方便。缺點(diǎn) 便是其只能對(duì)測(cè)定樣品中的所有離子總導(dǎo)電率進(jìn)行 測(cè)定，對(duì)復(fù)雜的溶液進(jìn)行測(cè)定中，難以對(duì)其中多種離子種類(lèi)分辨，選擇性較差。

（2）電導(dǎo)分析法技術(shù)原理。電解質(zhì)溶液在電場(chǎng) 的作用下，具備一定的導(dǎo)電能力，隨著離子數(shù)量的 增加，其導(dǎo)電能力逐漸增強(qiáng)，其中，導(dǎo)電能力可通 過(guò)電導(dǎo)率進(jìn)行表示。兩個(gè)電極（鉑電極或鉑黑電極） 在溶液中，可構(gòu)成電導(dǎo)池，與兩電極上外加直流電 壓，便能夠?qū)呻姌O電阻大小進(jìn)行測(cè)定，大小符合 歐姆定律，公式為 ： R = ρ。

式中，L為兩電極間的距離，cm；A為電極面 積，cm2；R為溶液電阻，Ω；ρ為溶液的電阻率， Ω · cm。

（3）電導(dǎo)分析法技術(shù)應(yīng)用。電導(dǎo)分析法通過(guò)對(duì) 電池電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)定分析的一種測(cè)物含量方法，當(dāng) 下的電導(dǎo)分析法中，直接電導(dǎo)分析與電導(dǎo)滴定分 析是應(yīng)用較多的方式。相關(guān)研究人員將聚二甲基硅 氧烷作為基底材料、以銀納米線為導(dǎo)電層，研發(fā) 了一種銀納米線柔性電極檢測(cè)水環(huán)境中 Cu2+的測(cè) 定方式，在優(yōu)化條件下，Cu2+的線性范圍為 0.10~ 0.001 mg/L，檢出限為 9.27×10-5 mg/L。該方法速 度快、檢測(cè)范圍寬、靈敏度高，可滿足水樣中 Cu2+的檢測(cè)要求。

文章來(lái)源：閆廣強(qiáng),自強(qiáng).水環(huán)境檢測(cè)中重金屬檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].清洗世界,2023,39(11):99-101

審核編輯 黃宇