ICP-MS在環境監測中的研究新進展

尚 宇

（陜西省環境監測中心站，陜西 西安，710054）

0 引言

隨著世界各國經濟的增長，自然界儲存的資源，如煤、石油等各種礦藏被廣泛地開發和利用。由于人口密集的大城市和工礦區的建立，使大量化學物質進入環境，超過了大自然的自凈能力，在環境中不斷積累，產生了危急人類生存的公害。隨著科學技術和工農業生產的迅猛發展，重金屬的污染也日益嚴重[1]。以各種化學狀態存在的重金屬易通過食物鏈而生物富集，進入生物體，嚴重威脅人類和生物體的健康安全。

ICP-MS，即電感耦合等離子體質譜法（inductively coupled plasma mass spectrometry），是以電感耦合等離子體作為離子源，以質譜進行檢測的無機多元素分析技術。其主要用途是進行化學元素分析檢測，特別是對重金屬元素分析最擅長，目前在環境監測行業已經廣泛應用。它的優點是：①多元素快速分析；②動態線性范圍寬；③檢測限低；④在大氣壓下進樣，便于與其他進樣技術連用；⑤可進行同位素分析、單元素和多元素分析，以及有機物中金屬元素的形態分析。

1 ICP-MS在大氣環境監測中的研究進展

霧霾是空氣污染和氣象因素共同作用的結果，霧霾天氣發生時，大氣能見度下降，大氣中的顆粒物特別是細顆粒物（PM2.5）是導致能見度降低的主要因素[2]，城市大氣PM2.5污染影響空氣質量，威脅人群健康，是具有區域性特征、危害嚴重的大氣污染物。

王秦等[3]采用ICP-MS分析北京市某城區PM2.5中36種元素總量并采用富集因子法分析元素污染特征。結果表明，與正常天氣相比，霧霾天氣發生時PM2.5和其中的27種元素濃度均升高，其中 As、Cr、Pb、Ti和 V 等重金屬是 PM2.5中的主要無機污染物。其中As、Cr和Pb等重金屬元素的增加主要與人類活動如汽車尾氣、化石燃料排放引起空氣污染有關。

陳曦等[4]采用ICP-MS與電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-AES）分析北京某城區采集獲得的PM2.5樣品，對霧霾天氣PM2.5的污染來源進行解析，選定了6個主要污染源類型，分別為“工業粉塵與人為活動污染源”、“生物質燃燒和建筑塵污染源”、“土壤及風沙揚塵源”、“化石燃料污染源”、“電子廢棄物污染源”和 “區域性遷移污染源”，其方差貢獻率分別為40.3%、27.0%、9.1%、4.9%、4.8%和4.6%。

焦姣等[5]采用ICP-MS和電感耦合等離子光譜儀（ICP-OES）對樣品中的17種元素含量進行測定，結果表明，除 Al、Ca、Co 外，其他與人類活動相關的各元素更容易富集于PM2.5上。Zn、As、Pb、Ca在PM10和PM2.5中極強富集，表明重慶市燃煤、城市交通、工業等污染嚴重。

刀請等[6]建立了大氣顆粒物PM2.5、PM10中六價鉻的離子色譜-電感耦合等離子體質譜 （ICICP-MS）檢測方法。采用碳酸氫鈉溶液超聲提取大氣顆粒物樣品中的Cr（Ⅵ），并使用含有0.22 g/L乙二胺四乙酸二鈉鹽的75 mmol/L硝酸銨溶液（pH=7.0）淋洗液通過離子色譜柱（AG7，50 mm×4 mm）分離出樣品中的 Cr（Ⅵ），ICP-MS測定。 結果表明該方法靈敏、穩定、可靠，能夠滿足大氣顆粒物中Cr（Ⅵ）的測定需要。

2 ICP-MS在水環境監測中的研究進展

目前，雖然我國水資源總量多，但由于人口數量龐大，人均用水量低，而其中作為飲用水的水資源有限。工業廢水、生活污水和其他廢棄物進入江河湖海等水體，超過水體自凈能力所造成的污染，會導致水體的物理、化學、生物等方面特征的改變，從而影響到水的利用價值，危害人體健康或破壞生態環境，造成水質惡化的現象。重金屬元素是水環境中普遍存在的一類污染物，具有高穩定性、可累積性以及不可降解性等特點。

馬小玲等[7]采用高分辨電感耦合等離子體質譜（HR-ICP-MS）和地積累指數法（Igeo）對黃河甘肅、寧夏和內蒙古自治區連續三段表層沉積物中重金屬（Cr、Pb、Cd、Cu、Zn 和 Ni）的空間分布和季節性波動（豐水期、枯水期和平水期）以及污染狀況進行系統研究分析。結果表明：內蒙古段的重金屬含量以及生態風險最高，Cr、Cd和Cu是最具有潛在風險的三個元素；就研究季節而言，豐水期的重金屬含量和潛在風險高于枯水期和平水期。

高裕雯[8]應用ICP-MS分析大氣降水中的痕量重金屬。通過大量實驗數據，說明該方法具有良好的精密度（RSD為0.4%～4.6%）和準確度。對影響實驗準確度和精密度的因素進行探討，總結了ICP-MS在痕量重金屬分析方面的優勢。

左航等[9]由ICP-MS測量黃河上游地區水樣中 As、Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn 的含量，并確定黃河上游水體中重金屬分布特征和重金屬污染指數。結果顯示：Cr、Mn、Pb和Cu含量高于標準，黃河研究流域水體重金屬含量及HPI顯示平水期重金屬污染程度較枯水期高，可能與季節性生產及降水變化有關。

于靖等[10]采用ICP/MS分析了金礦開采區河道水體樣品，結果表明水體中Cu、Zn、As主要以溶解態存在，Pb、Cr、Cd以顆粒態為主。水體中重金屬元素形態分布主要受點源污染排放影響。結合地累積指數和潛在生態風險指數分析，Cd和Cu為主要的風險元素。

母清林等[11]建立了一種在線進樣技術，包括在線稀釋和在線預濃縮兩種模式，ICP-MS直接測定海水中 Cr、Mo、Cu、Pb、Zn、Cd、Fe、Mn、Ni、V、Co等11種痕量重金屬的分析方法。此方法可自動稀釋制作標準曲線，自動基體匹配，通過在線稀釋及在線預濃縮兩種模式，直接分析海水中11種痕量重金屬。

王樊等[12]建立了TiO2涂覆中空纖維膜微型化固相萃取-電熱蒸發（ETV）-電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）聯用測定環境水樣中痕量重金屬的新方法。該法被成功應用于標準水樣、東湖水和雪水中 Cr（Ⅲ）、Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）和 Pb（Ⅱ）的分析。

3 ICP-MS在土壤環境監測中的研究進展

近幾十年來，隨著工業化、城市化、農業集約化快速發展和經濟持續增長，資源開發和利用強度日增，人們生活方式迅速變化，大量未經妥善處理的污水直接灌溉農田、固體廢棄物任意丟棄或簡單填埋、廢棄尾氣長距離運輸與沉降、大量不合理的化肥農藥的使用與殘留等，導致土壤資源受到污染和破壞，特別是重金屬污染。污染土壤的重 金屬 包括毒性 顯著 的 Cd、Pb、Hg、Cr、As等。這類污染范圍廣、持續時間長、污染隱蔽，無法被生物降解，將導致土壤退化，農作物產量和質量下降，并污染地表水和地下水。

李承[13]建立了全自動石墨消解-ICP-MS法測定土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd、Ni和 Cr六種重金屬元素的方法，具有良好的線性和較低的檢出限。由于整個消解過程由儀器完成，避免由于人員操作不當帶來的實驗誤差，具有較好的精密度和準確性，特別適合大批量樣品的分析。

沈繼翠[14]將土壤中的無機砷和砷化合物經過提取分離后，通過HPLC-ICP-MS進行測試。本方法的檢出限為：砷甜菜堿+砷膽堿 （AsB+AsC）160 mg/kg，亞砷酸鹽（As（Ⅲ））80 mg/kg，二甲基砷酸（DMA）80 mg/kg，一甲 基砷酸 （MMA）800 mg/kg，砷酸鹽（As（Ⅴ）80 mg/kg。

李承[15]建立了微波消解ICP-MS同時測定土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd、Ni和 Cr六種重金屬元素的方法，檢出限低，精密度和準確度良好，加標回收率較高，經實際土樣測定，可以滿足土壤監測要求。同時該方法具備可以實現一次進樣，同時分析六種元素的優點，大大提高了分析效率，整個微波消解過程用酸量較少，對人的影響較小。

李茂億[16]使用ICP-MS法對中山市居民區、工業區、種植區農田土壤中鉛含量進行了測定，并用單項污染指數和地質累積指數法對農田土壤鉛污染情況進行了評價。結果表明，所研究農田土壤中的鉛均達到土壤環境質量二級標準。地質累積指數法表明，所研究農田土壤的鉛污染屬于無污染到偏中污染水平，工業區污染是中山市農田土壤鉛的主要污染。

何小峰等[17]用微波消解-ICP-MS方法在農林土壤監測中的應用，使用該法檢測土壤元素總量，從消解到檢測時間約4 h一個批次，可測多種元素且檢測結果具有高度的可靠性。

4 ICP-MS在固體廢物環境監測中的研究進展

城市污泥是活性污泥法處理城市生活污水和工業污水產生的固體廢棄物。污泥富集了污水中大部分有機污染物和重金屬，具有有機物含量高、密度小、顆粒細、細菌量大等特點。污泥中的重金屬因其不可降解及毒性大的特點成為限制污泥資源化利用的最主要障礙。

王曉林[18]采用ICP-MS和原子吸收光譜儀重點研究了山東省城市污水廠污泥中重金屬Cu、Cd、Ni、Pb、Mn、Zn 和 Cr的污染特征，并對其做了潛在生態風險評價。結果表明：山東省城市污水處理廠污泥呈現高有機質、高氮、高磷和高鉀的特點，具有較好的利用價值。

陳思楊等[19]采用BCR三步浸提法對污泥中鉛砷鎘 Pb、As、Cd的三種形態進行提取，以HNO3-HClO4進行全量消解，利用ICP-MS檢測Pb、As、Cd的全量和各形態的含量，為北京城市污泥的資源開發研究提供基礎數據。結果表明北京城市污泥中Pb和Cd含量比上世紀末明顯降低。

田冬梅等[20]選擇水、醋酸和不同極性的有機溶劑對污水處理廠的污泥進行浸提分離，采用ICP-MS測定了污泥中主要污染的重金屬元素各活性形態的含量，結果表明：城市污泥中重金屬的醋酸浸提態含量較高，水溶態含量較低，二者隨時間和溫度條件的變化呈一致的規律性，有機浸提態重金屬的含量與溶劑極性大小呈正相關性。

5 結論

重金屬污染是嚴重威脅人類和生物體的健康安全的環境污染源，ICP-MS具有靈敏度高、分析精度高、動態線性范圍寬、檢測限低等技術優勢，是重金屬元素分析必不可少的關鍵技術，為環境監測分析提供了強有力的保障。隨著ICPMS技術的不斷發展，其應用范圍必將越來越廣泛，將會在環境監測中發揮其更重要的作用。