用于環境水質分析的重金屬監測技術探究

馬珊 呂冬梅

摘要：水體污染是環境污染的常見類型之一，若重金屬含量超標的污水被人、牲畜飲用后，將會對其生命健康構成嚴重威脅。為保證人畜飲水的安全，應嚴格依照相關規范做好水質重金屬成分及含量的監測工作，使人們可以獲得水質達標的水源。本文主要探究當下環境水質分析領域中常用于監測重金屬的技術手段，以供同行參考。

關鍵詞：環境水質;重金屬;水質污染;檢測技術

中圖分類號：X832 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）05-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.064

Heavy metal monitoring technology for environmental water quality analysis

Ma Shan， Lü Dongmei

（Shandong Zibo Ecological Environment Monitoring Center，Zibo Shandong 255000，China）

Abstract：Water pollution is one of the common types of environmental pollution.If the sewage with excessive heavy metal content is drunk by people and livestock，it will pose a serious threat to their life and health. In order to ensure the safety of human and animal drinking water，it is necessary to monitor the heavy metal composition and content of the water in strict accordance with the relevant specifications，so that people can obtain the water source with the water quality up to the standard.This paper mainly explores the current environmental water quality analysis field is often used to monitor heavy metal technical means for peer reference.

Key words：Environmental water quality;Heavy metal;Water pollution;Detection technology

1 原子吸收光譜檢測技術

20世紀中葉原子吸收光譜法被開發出來，其在定量分析無機元素含量領域中有廣泛應用[1]。其可用于定量監測水質重金屬的原理為：試樣中的金屬元素經原子化后轉化為氣態基態原子，并吸收同種元素空心陰極燈發射出的能量，能量降低的程度與試樣中金屬元素的濃度成正比[2]。

該項技術在選擇性、靈敏度、精密性、分析速度及適用性等多種方面均具有一定優勢，在地表水、廢水、污水重金屬含量分析領域有較廣泛應用[3-4]。但該技術應用中也暴露出一定不足：因為選用單元素空心陰極燈作為銳線光源，每次僅分析一種元素，在多元素混合物同步分析中適用性偏低;不能靈敏地分析高熔點、易形成碳化物的重金屬元素。依據原子化的差異性，可以將該種水質監測分析技術分為如下類別：

（1）火焰原子吸收光譜法（FAAS）：原子化原理是應用火焰原子化器對試樣中金屬元素進行原子化處理，使其轉化為氣態基態原子。技術優勢主要包括原子化條件相對較穩定、再現性良好、相對標準偏差可達0.2%;分析過程快速;適用范圍廣，可監測的重金屬元素較多。現如今，國家相關部門已頒發了諸多FAAS的標準方法，在數十年的發展歷程中，FAAS技術成熟度不斷提升，但依然存在一些不足，比如采用氣動霧化器時工效偏低（10%～15%），多數樣品會變為廢液，檢測靈敏度偏低;檢測硅、稀土金屬元素等易形成難溶性氧化物，原子化效率有不同程度的降低。

（2）石墨爐原子吸收光譜法（CFAAS）：使用石墨爐原子化器，在石墨爐的高溫作用下，促進樣品蒸發以及原子化過程。靈敏度高、進樣體積小是石墨爐法的典型特征，其能確保大量“游離型”原子滯留在光路上，檢測階段需要的樣品量極少（一般是2～50μg/L）;因為該技術原子化效率高，與FAAS相比靈敏度有3個數量級的提升，該技術可用于檢測水質鋁、釩、鉛、鎘、鈹等多種重金屬元素[2]。但該方法也存在缺點，存在背景吸收干擾，精密度遜色于FAAS，在樣品測試中需添加合適的改進劑以減少或解除干擾。

2 原子熒光分析法

原子熒光法在重金屬元素分析中具有重要的地位，其原理為：氣態基態原子（汞、砷、硒等）受到相應元素燈共振輻射后，吸收一定的能量由基態躍遷至激發態，激發態不穩定，在短時間內會回到基態，在此過程中發射出共振熒光，熒光強度與待測元素原子蒸汽的濃度成正比。

該方法具有譜線簡單、干擾少、靈敏度高、檢出限低，且儀器簡單價格低廉，在測定低溫元素汞、硒、砷等方面具有較大優勢。但是該方法具有一定的局限性：其只能測定低溫元素汞、砷、硒、銻等，測定范圍較窄;每次僅能分析一種元素，無法實現多元素同時測定;由于原子熒光是微量、痕量檢測儀器，可以檢測到μg/L或ng/L級別，所以如果檢測樣品中待測元素含量太高，需要稀釋檢測，會帶來誤差。

3 電化學溶出伏安法

該項檢測技術的應用原理可以做出如下闡述：在一定的電位下，把部分被檢金屬離子還原處理成為金屬，同時將溶到微電極，而后將反向電壓施加給電極，促進微電極上金屬氧化規程，進而形成氧化電流，結合以上過程勾畫出的電流—電壓曲線進行相關分析的一種方法。電化學溶出伏安法是將電化學富集與測定方法有機地結合一種方法，包含電解富集和電解溶出兩個過程。

電化學富集是一個控制陰極電位的電解過程。用于電解富集的電極有懸汞電極、汞膜電極和固體電極。懸汞電極的面積不能過大，大的懸汞易于脫落。用懸汞電極測定的靈敏度并不太高，但再現性好。汞膜電極面積大，同樣的汞量做成厚度為20～10 000的汞膜，其電極表面積比懸汞大得多，電解效率高。而且攪拌速度可以加快。因此，溶出峰尖銳，分辨能力高、靈敏度比懸汞電極高出1～2個數量級。汞膜電極的缺點，是再現性不如懸汞電極。

4 電感耦合等離子體發射光譜法

電感耦合等離子發射光譜法（ICP-AES）以等離子體為激發光源的原子發射光譜分析法。

該方法由于高頻感應電流的趨膚效應產生的電屏蔽大大地減緩了原子和離子的擴散，因而是非常靈敏的分析方法，檢出限低（10-8g/mL）;激發溫度高，可達8 000～10 000K，能激發一些在一般火焰中難以激發的元素，且不易生成難熔金屬氧化物;放電十分穩定，分析精密度高，偏差系數可小至0.3%;可以進行多元素同時測定，解決了原子吸收光譜法、原子熒光法等每次僅能測定一種元素的缺點。

5 電感耦合等離子體質譜法

電感耦合等離子體質譜儀主要用于檢測超痕量元素與同位素比值，構成以等離子體發生器、霧化室、炬管、質譜檢測器等為主。該項檢測技術的工作原理為：霧化器使樣品溶液形成氣溶膠并被氬氣帶入等離子體光源內，于等離子體高溫條件下完成氣化，分解、電離出離子化氣體，于真空度低于133.322Pa條件下形成分子束，而后經內徑1～2mm截取錐進入質量分析器進行分離，最后抵達離子檢測器，通過待測元素質荷比進行定性分析，依據檢測器計數和試樣濃度之間的相關性，計算元素含量或同位素比。該技術有檢出限低（可達到ng/mL或更低）、基體效應小、譜線簡潔、能同步檢測多種元素及動態線性范圍較寬等諸多優勢。目前研究表明通過串聯高效液相色譜對不同價態的金屬元素進行分離，可實現元素的價態分析。目前其在環境監測領域中應用范疇有不斷拓展的趨勢。

6 流動注射分析法

流動注射分析法是一種流動注射與監測分析方法相結合的快速測定方法。它可將分離、濃縮、稀釋、加標等操作均能實現在線完成。流動注射聯用的分析儀器往往包括上述原子吸收，電感耦合等離子體發射光譜、質譜儀，還包括分光光度計、化學發光儀等，應用領域寬。這一方法投用于水質監測范疇，預示著監測技術有智能化的發展趨向，一方面較明顯地提升了監測工作效率，另一方面科學處理了效率低、成本高、復雜前處理等諸多環境監測局限。

7 結束語

21世紀以來，我國社會經濟獲得前所未有的發展，城市垃圾、污水及工業廢水等排放量均有不斷增加趨勢，對環境水質構成較大的不良影響，促進了生態環境惡化、農產品品質降低過程，也對人類身體健康構成一定威脅。加大水質重金屬監測技術的開發力度，并在實踐中加以應用及完善，力爭從源頭上減少水體污染，實現對生態環境的有效保護。

參考文獻

[1]馮傳玲，謝倩，葛鑫，等.原子吸收分光光度法測定水中的重金屬鉛含量[J].食品安全導刊，2016（30）：119.

[2]李曉靜，王曉杰，王爽，等.光譜分析在水質監測中的應用進展[J].鹽科學與化工，2019，48（09）：12-16.

[3]蒙明姜，李麗，俞蘭.原子吸收分光光度法測定水溶液中鎘含量[J].中國藥業，2018，27（16）：17-20.

[4]王露，王芹，宋鑫，等.磁固相萃取-石墨爐原子吸收光譜法測定水中鉛[J].分析科學學報，2019，35（03）：367-371.

收稿日期：2020-03-19

作者簡介：馬珊（1988-），女，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向為環境監測。