基于ICP-MS的西咸地區水質檢測

江永洪

摘 要：針對西咸地區飲用水水質檢測困難，金屬元素分析方法匱乏的問題，本研究基于ICP-MS分析技術，對該區域的飲用水水質進行了研究。首先，著重分析了ICP-MS的原理，并根據其原理建立了金屬元素分析方法，包括樣品的前處理、標準曲線選擇、參數優化設置等，為后續試驗奠定了基礎。然后，根據建立的ICP-MS檢測方法，對西安和咸陽兩個地區的水樣分別進行了試驗，得到試驗水質中不同金屬元素的分布情況及金屬元素之間相關性。試驗結果表明，西咸地區的飲用水樣品中大部分金屬元素濃度符合我國國家水質標準，只有個別金屬元素超出了我國國家水質標準規定范圍。此外，這兩個地區的金屬元素分布具有相似性，且元素之間普遍存在相關性。同時，這兩個地區的金屬元素也存在差異性。

關鍵詞：ICP-MS;水質檢測;飲用水;金屬元素

中圖分類號：TX832 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0035-04

Abstract：In view of the difficulty of drinking water quality detection and the shortage of metal element analysis methods in Xixian region， the drinking water quality in this region was studied based on ICP-MS analysis technology. Firstly， the principle of ICP-MS is analyzed emphatically， and the analytical methods of various metal elements are established according to its principle， including sample pretreatment， standard curve selection， parameter optimization and so on， which laid the foundation for subsequent experiments. Then， according to the established ICP-MS method， water samples from Xian and Xianyang were tested， and the distribution and correlation of metal elements in water quality were obtained. The results showed that the concentrations of most metal elements in drinking water samples from Xixian region were in line with the national water quality standards， and only some metal elements exceeded the limits of the national water quality standards. In addition， the distribution of metal elements in the two areas is similar， and there is a general correlation between the elements. At the same time， there are differences in the metal elements between the two regions.

Key words：ICP-MS; water quality detection; drinking water; metal elements

飲用水作為人類賴以生存的寶貴資源，在工業快速發展的今天，它的污染問題日益嚴重，尤其是重金屬污染，已成為飲用水最主要的污染物。重金屬元素由于其本身具有毒性且不易被分解，因此當它通過飲用水進入人體后，容易堆積在人體的循環系統和脂肪組織中，破壞人體的分泌系統和神經系統，對人體造成危害。如人體接觸As可能引起皮膚損傷，誘發皮膚癌[1];人體長期飲用富含Mn元素的水質可能導致神經系統疾病[2]等。雖然飲用水重金屬污染問題已受到社會各界的廣泛關注，但由于飲水檢測技術受限，某些地區的檢測措施還不夠完善。為此，本文以西咸地區飲用水檢測為例，探討了這兩個地區水質中的金屬元素分布，同時對這些元素的相關性進行了研究，為該區域的飲用水風險管理提供了參考基礎。

1 材料與方法

1.1 材料采集

為研究西咸地區水質，本研究共收集了50份飲用水作為試驗樣品。其中，25份來自西安地區，各樣品5份;25份來自咸陽地區，各樣品5份。

1.2 設備與試劑

本研究中，設備器材包括Agilent7700x ICP-MS、Elan DRC-e ICP-MS、超純水機、注射器、天平、超聲波清洗器、濾膜、一次性要用聚乙烯瓶。試驗試劑包括IPC-MS調諧液;超純水機制備的超純水;來自中國計量科學研究院的33種元素混合標準儲備液以及用1%稀釋后的混合標準溶液;濃硝酸溶液以及用超純水稀釋的5%稀硝酸溶液和1%的稀硝酸溶液;內標元素混合溶液。

1.3 試驗方法與步驟

1.3.1 ICP-MS簡介

ICP-MS指電感耦合等離子體質譜，是一種用于分析痕量和超痕量的新型儀器[3]，其核心部件包括樣品引入系統、等離子體、等離子體/真空接口、離子聚焦透鏡、質量分析系統、離子檢測系統[4]。

樣品引入系統是整個ICP-MS的關鍵部件，主要功能是對液體樣品進行霧化，并將其傳輸到等離子體[5]。該系統結構如圖1所示。

等離子體的主要目的是獲取帶有正電荷的離子[6]。首先，將氣溶膠形式的樣品在等離子體中進行干燥，然后將其分解成原子，最后進行電離。等離子體結構示意圖如圖2所示。

等離子體/真空接口指的是ICP-MS中采樣錐和截取錐之間的真空區域[7]。該接口的主要功能是提取樣品離子，并將其輸送到離子聚焦透鏡、質譜分析器和檢測系統中[8]。離子聚焦透鏡的主要功能是剔除待測離子中的中性粒子和光子等干擾離子，使進入質量分析器中的離子更純凈[9]。質量分析系統和離子檢測系統主要是對待測離子進行定性和定量的分析，已得到分析結果[10]。

1.3.2 試驗步驟

典型的ICP-MS儀器分析樣品的流程主要是霧化-去溶劑-蒸發-原子化-電離，如圖3所示。

首先，將液體樣品引入蠕動泵中進行提升，然后將提升后的樣品引入霧化室中產生氣溶膠，接著進入等離子體進行電離，最后在質量分析器中進行分離，利用電子倍增管計算待測離子個數，進而得到對液體樣品定性和定量的分析結果。

基于對西咸地區水質情況的研究目的，本研究建立了ICP-MS分析多種痕量元素的方法，具體流程如圖4所示。

2 實驗準備

2.1 樣品前處理

將水質樣品分別裝入體積為1L的聚乙烯瓶中，并貼上對應標簽帶回研究實驗室。用注射器分別取50mL的樣品并經過濾膜過濾。將濾液倒入100mL的聚乙烯瓶中，加入濃硝酸進行酸化，得到pH值<2的混合溶液。將混合溶液儲存在4℃的環境中，剩余樣品儲存在冷藏中。

2.2 標準曲線配置

根據西咸地區的水環境特點，本研究選擇0μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、50μg/mL、100μg/mL五個點繪制的曲線作為標準曲線，并采用體積法的方式配置標準溶液。

2.3 ICP-MS工作參數

ICP-MS工作參數的獲取主要包括以下3個步驟：

步驟1：開機

開啟ICP-MS儀器電源，調節氬氣壓力至700kPa，調節氦氣閥門至40kPa，安裝蠕動泵管并打開循環冷凝水和空調，保證工作環境在18℃，且循環水溫度在15℃至20℃之間，循環水壓力在230kPa至400kPa之間。最后打開電腦，進入ICP-MS操作界面。

步驟2：儀器參數設置與調諧

儀器參數設置具體如表1所示。

按表1設置儀器參數，待等離子體點火預熱20min后進入儀器調諧階段。引入調諧液，優化儀器性能，使儀器參數符合要求。具體調諧參數如表2所示。

步驟3：采集參數設置

將儀器此埃及參數設置為參考值，譜圖設置為質譜圖，采用3個點的峰型，重復次數設置為3次，積分時間為0.3s，共采樣20次。

為對保證儀器的穩定性，在進行樣品分析時，對每間隔10的樣品重新做一次標準曲線，使檢測結果的RSD<10%。通過不斷調試得到ICP-MS的主要工作參數，冷卻器流速、載氣流速、補償器流速、氦氣流速分別為20L/min、0.8L/min、0.6L/min、4.0mL/min;霧化室溫度為2.5℃;采樣深度為7.0mm;元素重復采樣次數為3次。

3 結果與分析

3.1 水樣金屬元素分布

應用ICP-MS對西咸地區中的飲用水進行檢測，西安地區飲用書金屬元素含量如表3所示;咸陽地區飲用水中的金屬元素分布，如表4所示。

由表3可知，西安地區飲用水中鋇元素含量最高，平均含量為39.55μg/L，其次是銻元素，平均含量為3.45μg/L;錳元素與鈷元素含量相近;鈹含量最低，平均含量為0.05μg/L。由表4可知，咸陽地區飲用水中的16種金屬元素，鋇元素含量最高，平均含量為27.39μg/L;鎘含量最低，平均含量為0.09μg/L。

通過對比可知，西安和咸陽飲用水中金屬元素的分布既有相似的地方，也存在較大的差異。咸陽地區水質中的金屬元素含量均高于西安地區水質中金屬元素的含量，而造成這種差異的原因可能是地質因素或人為因素。

本研究將水樣檢測結果按Ⅱ類水的標準評估可知，這兩個地區的大部分金屬元素含量符合國家標準，只有少數元素含量超出了國家標準的范圍，如咸陽地區25份水樣中有一份中的錳元素超出了規定范圍。

3.2 相關性分析

通過分別對西咸地區的飲用水中16種金屬元素相關性分析，得到如表5、表6所示的分析結果。

由表5可知，西安地區的飲用水中金屬元素鈷-錳、鈷-鎳、鋅-鎘之間的p值小于0.01，說明這些金屬元素之間呈顯著相關;銻-鈹、鈷-銅金屬元素之間的p值小于0.05，說明這些金屬元素之間具有相關性;其余金屬元素之間，p值均大于0.05。在具有相關性的金屬元素中，密切正相關的金屬元素為銅-鎳;一般正相關的金屬元素有鈷-銅、鈷-錳、鎳-鈷;負相關的金屬元素有鈹-銅。

由表6可知，咸陽地區的飲用水中金屬元素銅-鈷、鎘-銻的p值均小于0.01，說明這些元素之間呈顯著相關;金屬元素鎳-鈷之間的p值均小于0.05，說明這些元素之間具有相關性;其余金屬元素之間，p值均大于0.05，說明這些金屬元素之間不具有相關性。另外，在具有相關性的金屬元素中，密切正相關的金屬元素有鎘-銻、銅-鈷;一般正相關的金屬元素有鎳-鈷。

4 結論

研究結果表明，西咸地區的飲用水樣品中9種金屬元素的大部分元素，包括鋅、錳、鎳、銅等元素濃度符合我國國家水質標準，只有個別樣品中的元素，如咸陽地區有一份水樣中錳元素超出了我國國家水質標準規定范圍。兩個地區的金屬元素分布具有相似性，同時也存在差異性。兩個地區水質中的金屬元素之間普遍存在相關性，且呈正相關，說明大多數的金屬元素可能來源形同。

參考文獻

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