ICP-AES在水樣品分析中的應(yīng)用*

李旭 劉茜 關(guān)麗 陳金忠 王春生 王穎

(河北省光電信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

1 引言

近幾年，影響人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的水污染問題成為社會各界和科學(xué)界共同關(guān)注的話題，這就對水體中的污染元素，尤其是重金屬元素的檢測提出了更高的要求．ICP-AES因其具有準(zhǔn)確度高、精密度好和檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，在不同的水質(zhì)檢測中有著廣泛的應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)發(fā)展比較成熟．本文就ICP-AES法分析技術(shù)對各種水質(zhì)樣品中不同成分的檢測以及影響檢測的因素進(jìn)行了綜述．

2 ICP-AES分析的原理

ICP-AES儀器原理如圖1所示.

圖1 ICP-AES測試原理圖

儀器主要包括矩管、射頻發(fā)生器、進(jìn)樣系統(tǒng)和光電采集系統(tǒng)．ICP譜儀利用高頻發(fā)生器通過感應(yīng)線圈在矩管內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，氬氣被觸發(fā)后形成高速運(yùn)動的帶電粒子，這些帶電粒子相互碰撞，產(chǎn)生“雪崩”放電，從而形成低電阻高電流的感應(yīng)電流，產(chǎn)生的高溫將載氣帶入的霧化后的樣品氣體加熱在管口形成等離子體火焰．各種元素的原子在被激發(fā)或電離時發(fā)射出特征光譜，根據(jù)特征光的波長可對樣品進(jìn)行定性分析；元素的含量不同影響特征光譜發(fā)射強(qiáng)度，由此可進(jìn)行定量分析．

3 ICP-AES分析在水體中的應(yīng)用

電感耦合等離子體光譜分析方法具有高檢測準(zhǔn)確度和靈敏度以及較寬的線性動態(tài)范圍，能夠快速進(jìn)行物質(zhì)的定性定量分析．因此，在飲用水、河海水體以及廢水等水體中的次量和微量元素的檢測中得到了廣泛的應(yīng)用．

(1)生活飲用水及自來水

通過對不同引用水源中微量元素的分析，可以有效地鑒別各種水源中有害和有益的元素含量，減少不當(dāng)?shù)娘嬘盟畬θ梭w的危害．Satapathy[1]等收集了208個地下水和35個地表水樣品，用ICP-AES檢測樣品中的主量和微量元素，并且得出它們的濃度空間分布．檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地下水的濃度分布是Fe(48%),Mn(12%),Zn(9%),Al(8%),Pb(7%),Cu(6%),Ni(4%),Cd(3%)和總Cr (3%)，而地表水的濃度分布為Al(47.8%),Fe(42.8%),Mn(5.5%),Zn(2.3%),Pb(0.56%),Ni(0.42%),Cu

(0.16%),Cr(0.16%)和Cd(0.10%)．這種分析有助于了解地表水和地下水的差別．

(2)河水、湖水和海水

對河水、湖水和海水中雜質(zhì)含量的連續(xù)檢測，有助于了解水體水質(zhì)變化情況，從而及時抑制水體污染的發(fā)生．Wu B[2]等檢測了長江水域地表水中的19種痕量元素的含量并將其結(jié)果與國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相比較，發(fā)現(xiàn)有As，Cd，Mo，Ni，Pb，Sb和Se 7種元素的含量超過了美國環(huán)保局和世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)值．賀惠等通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件，準(zhǔn)確測定了水中的磷元素含量，使得該方法更加方便地用于對湖水和河水的日常監(jiān)測．

(3)廢水和污水

而對廢水和污水的檢測可以判別排放的污水是否對環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的污染，還可以判斷這些污水中有害元素的來源．Anubhuti[3]等分析了某鋼鐵廠附近地表水中汞含量的時空變化，推測出鋼廠中的煤屑是汞的主要來源．王東鋒等利用ICP-AES方法對煉焦、煉鋼廢水中的多種元素含量進(jìn)行了測試，并得到了與原子吸收法一致的結(jié)果，說明該方法可以推廣應(yīng)用于廢水的綜合利用[4]．

4 提高ICP發(fā)射光譜強(qiáng)度和信背比的方法

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，ICP-AES的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，從而對其光譜質(zhì)量，降低光譜分析檢出限提出了更高的要求．因此，研究人員采用了在水溶液中加入有機(jī)/無機(jī)溶劑、固體萃取分離[5]以及對水溶液進(jìn)行磁化等手段，有效地提高了發(fā)射光譜強(qiáng)度．

(1)改變測試溶液的溫度

在溶液中添加乙醇可以有效增強(qiáng)等離子體光源的輻射強(qiáng)度．哈靜、陳金忠等的實(shí)驗(yàn)表明，隨著含乙醇樣品溶液溫度的提高，溶液中元素Zn，F(xiàn)e，Mg，Si和Sr的譜線強(qiáng)度也明顯增強(qiáng)．在乙醇含量一定的條件下，上述5種元素在60℃的譜線強(qiáng)度比20℃時分別高出了55.8%，45.4%，48.9%，17.7%和21.6%，改變水溶液樣品的溫度，提高了揮發(fā)性和原子化效率從而增強(qiáng)電感耦合等離子體光源的發(fā)射強(qiáng)度[6]．

(2)加入有機(jī)/無機(jī)添加劑

陳金忠、溫暖等研究了在樣品中添加鉀離子添加劑對光譜強(qiáng)度、信背比等的影響．研究的6種元素譜線Zn(213.857 nm)，Ni(231.604 nm)，Cr(267.716 nm)，Mn(257.61 nm)，Cu(327.395 nm)和Al(396.152 nm)的發(fā)射強(qiáng)度均隨著鉀含量的增加而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，發(fā)射強(qiáng)度增加量在6.06%～108.45%之間．適量的鉀離子的加入可以提高ICP光源的激發(fā)溫度和電子密度的，從而有效地降低分析檢出限，提高分析準(zhǔn)確度[7]．研究人員選擇正丙醇等有機(jī)溶劑添加，對檢出限也有一定程度的影響．

(3) 磁力攪拌與激光輻照

使用波長976 nm的近紅外激光和10.6 μm的CO2激光輻照水溶液，將兩種激光器功率密度分別調(diào)至為0.2657 W·cm-2，0.2069 W·cm-2，對樣品輻照40 min，水溶液的表面張力和粘度比減小了42.13%和14.03%，霧化效率也提高了51.26%．測試的As，Cd，Cr，Hg和Pb元素的光譜強(qiáng)度分別提高了30.67%～94.58%，而信背比、等離子溫度和電子密度也有一定的提高．陳金忠、徐麗晶等通過結(jié)合磁力攪拌和激光輻照兩種方法，使液體表面張力和粘度進(jìn)一步降低，等離子體輻射增強(qiáng)[8]．

(4)其他方法

利用ICP-AES和其他設(shè)備結(jié)合，也可以有效提高一些特殊元素的檢測靈敏度．Faraji等建立了四氧化三鐵納米顆粒固相萃取-流動注射-ICP-AES測定自來水樣品中的重金屬離子Cd，Co，Cr，Ni，Pb和Zn的方法，是基于在外磁場的作用下，磁性納米顆粒很容易將水溶液中所測的元素分離出來[9]．

綜上所述，ICP-AES分析法已經(jīng)成為微量元素檢測的重要方法，尤其是與其他物理和化學(xué)手段相連接預(yù)處理樣品在國內(nèi)外的光譜研究中得到了廣泛的應(yīng)用．在目前的工作中，如何可以檢測更低濃度的元素含量，如何最大限度地使樣品溶液霧化是廣大光譜工作者繼續(xù)努力研究的方向．相信隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，光譜工作者對電感耦合等離子體的認(rèn)識和儀器設(shè)備的改進(jìn)將更加深入，使其應(yīng)用范圍更加廣泛．