重金屬檢測技術在水質分析中的應用與實踐

劉亞平，劉 璐，趙麗雅，李梓瑤，趙俊梅

（河北省地質環(huán)境監(jiān)測院/河北省地質資源環(huán)境監(jiān)測與保護重點實驗室，河北 石家莊 050000）

引言

在工業(yè)產業(yè)快速發(fā)展的背后，環(huán)境污染問題越來越嚴重，在影響生態(tài)環(huán)境的同時，也破壞了我們的生存環(huán)境。為恢復自然生態(tài)環(huán)境，加強污染控制，開展水質環(huán)境污染治理至關重要。為實現(xiàn)對水質環(huán)境的有效監(jiān)測與治理，相關人員應把握重金屬檢測技術的應用關鍵，從根本上提高技術實施水平，從而更好地治理水環(huán)境中的重金屬污染問題。

1 水質分析中重金屬檢測技術的有效應用

1.1 光譜檢測技術

1.1.1 電感耦合等離子體質譜法

作為光譜檢測技術的一種，電感耦合等離子體質譜法主要是指以重金屬檢測原理為核心，利用電感耦合等離子體與高溫作用使檢測對象離子化，然后進行篩選處理得到特定質荷比的離子，這是具有極高分析靈敏度和動態(tài)范圍等優(yōu)勢特點的檢測技術。在水質分析中應用此項技術時，主要是將水質樣品重金屬離子提取到質譜儀中，通過高真空狀態(tài)的調整與質量篩選器的處理，得到準確的檢測結果。在技術實際實施過程中，為保證結果的真實可靠性，使電感耦合等離子體質譜法的應用處于有效狀態(tài)，相關人員應明確認識到不同重金屬元素離子在質荷比方面的差異，根據(jù)實際需求盡可能同時完成多個重金屬元素的分析與檢測。與無機等傳統(tǒng)檢測工藝不同，電感耦合等離子體質譜法無需開展大量的樣本采集，且檢測過程中不存在較多的干擾因素，此外，其動態(tài)線性范圍良好，檢出限相對較低，整個檢測過程效率較高，在水質分析中具有極強的適用性[1]。

1.1.2 分光光度法

分光光度法是通過測定被測物質在特定波長處或一定波長范圍內光的吸收度，對該物質進行定性和定量分析的方法。此項技術的突出優(yōu)勢在于較高水平的靈敏度與較為簡便的操作流程，因此，該法是水質分析中常用的檢測方法。在分光光度計中，不同波長的光連續(xù)照射一定濃度的樣品溶液時，便可得到與不同波長相對應的吸收強度，其中，光譜區(qū)在200～800 nm，工作人員可結合定量、定性、結構層次等方法完成水質環(huán)境中的污染物分析。這一光譜檢測技術充分發(fā)揮物質對光的選擇性吸收特點，若是水環(huán)境中含有重金屬離子，其結合物質后，將對特定光吸收造成影響，這一影響與重金屬含量呈正比例關系，即含量越高，影響越大。作為水質檢測中的常用檢測技術，其處于不斷發(fā)展狀態(tài)，尤其在光譜干擾控制方面，越來越多的吸光光度法被研發(fā)出來，包括但不限于雙波長吸光光度法、導數(shù)法等。

1.1.3 熒光分析法

熒光分析法主要是指利用紫外光照射待測樣品，使其處于激發(fā)態(tài)，通過讓激發(fā)態(tài)分子經(jīng)歷碰撞、發(fā)射，得到物質特質的熒光，再結合定量、定性等分析方法獲得確切檢測結果。但是在此項技術實際應用過程中，勢必會遇到不發(fā)射熒光或熒光較弱的情況，為得到準確的檢測結果，需要應用熒光染料等試劑將此類物質轉化為能夠發(fā)射熒光的物質，然后再開展檢測工作。在各種試劑的發(fā)展與應用下，熒光分析法檢測范圍擴大，即便是原本不發(fā)熒光的有機物質和無機物質，都可以通過這一技術方法完成真實有效的檢測。從熒光分析法目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，其可被細化為原子熒光光譜法和分子熒光光譜法，常用的能夠發(fā)射熒光的物質有有機熒光染料、量子點、稀土納米材料等。開展水質檢測工作時，若是水環(huán)境中含有重金屬離子，應對原本該出現(xiàn)的熒光進行強化或消滅。與常規(guī)原子吸收光譜法不同，熒光分析法無需分離檢測水樣，也無需開展顯色處理，整個檢測操作流程簡便。但是，為保證此項檢測技術應用的有效性，相關人員應明確熒光物質對哪種或哪幾種金屬離子有所響應，檢測時選擇合適的熒光物質開展工作，以確保檢測結果的真實可靠性[2]。

1.2 電化學分析法

電化學分析法主要是指利用不同物質的電化學性質完成對檢測對象的重金屬離子測定工作，結果涵蓋重金屬離子類別及其相應的含量數(shù)據(jù)。一般情況下，在應用這一技術方法開展水質分析工作時，主要將試液作為化學電池的重要組成，以化學電池參數(shù)、檢測目標濃度關系為基礎，完成對目標物質的高效檢測。從當前此項技術發(fā)展現(xiàn)狀來看，常用的電化學分析法有滴安法、電位分析法、極譜法和伏安法。在選擇極譜法開展水質分析工作時，主要在電池兩側布置鋸齒形的脈沖電壓，再通過繪制電解曲線分析水體樣本中的重金屬及其含量。此項檢測技術具有較高的重現(xiàn)性和靈敏度，能夠很好地滿足水質環(huán)境監(jiān)測的需要。在選擇伏安法開展水質分析工作時，工作人員能夠對重金屬離子開展連續(xù)性檢測，檢測期間涉及的各類檢測設備不僅結構簡單，對工作人員的專業(yè)性要求也不高，該技術常應用于對檢測精度要求不高的水質分析工作中[3]。

1.3 液相色譜分析技術

液相色譜分析技術是水質重金屬檢測工作中的常用技術，作為一類分離與分析技術，流動相為液體是其主要特點。在固定相方面，則具有多種選擇，包括薄板、紙、填充床等。若是以固定相為基礎進行技術劃分，液相色譜分析技術可分為紙色譜分析技術和薄層色譜分析技術。在選擇液相色譜分析技術開展水質分析時，能夠實現(xiàn)對重金屬元素的快速分析，且非單一重金屬元素，同時為相關工作人員提供各種類型重金屬元素的實際分布情況與范圍。但需要注意的是，液相色譜分析技術的靈敏度相對較低，要想保留其優(yōu)勢并彌補其不足，可以結合其他檢測技術，依托于綜合式的重金屬檢測技術完成水質檢測與分析工作。

1.4 生物化學分析法

從生物化學分析法發(fā)展現(xiàn)狀來看，其主要包括免疫分析法和酶分析法，作為一種新的重金屬檢測技術，其研究、應用熱度居高不下。

1.4.1 酶分析法

基于水質檢測與分析工作的酶分析法應用原理為：利用酶活性中心巰基或甲巰基的親和力，使重金屬離子與其相結合，在這種情況下，酶活性中心將會發(fā)生變化，具體變化可能體現(xiàn)在性質、結構等方面，對酶活性產生抑制作用。此時，底物顯色劑的酸堿度、電導率及顏色等指標均發(fā)生變化，相關人員結合定量分析法即可對水中的重金屬物質進行識別，以此完成有效的檢測工作。從此項技術發(fā)展現(xiàn)狀來看，酶分析法實施時常用的活性酶較為豐富，包括但不限于葡萄糖氧化酶、脲酶、異檸檬酸脫氫酶及過氧化物酶。相較于其他傳統(tǒng)的水質檢測技術，生物化學分析法具有更強的便捷性和經(jīng)濟性，不僅可以滿足現(xiàn)場檢測需求，還可以根據(jù)具體要求開展定性分析，但是其準確性仍有上升空間[4]。

1.4.2 免疫分析法

抗原和抗體之間發(fā)生特異性反應是此項技術測定水質環(huán)境中重金屬元素含量的原理?；诿庖叻治龇ǖ乃|檢測與分析，檢測重點在于重金屬物質能否結合絡合物，在特定空間結構下與抗體、抗原發(fā)生特異性反應。若是可以，則能夠結合定量分析法完成對水質樣本中重金屬元素的檢測。但需要注意的是，能夠與重金屬離子進行特異性結合的絡合物并非全部，所以此項技術在水質重金屬檢測工作中的應用存在一定限制性。

2 基于實例探究水質分析中重金屬檢測技術的實踐要點

在水環(huán)境污染中，重金屬污染較為常見，其不僅破壞了自然生態(tài)環(huán)境，還威脅著水生生物與人類的生命健康及安全。為強化重金屬檢測技術在水質分析中實踐應用研究的現(xiàn)實可靠性，本文選擇電感耦合等離子體質譜法開展實例分析，總結技術實踐重點。

2.1 實例簡介

S水庫入庫水源較多，水域面積在130 km2以上，整體為南北走向，長度和最大寬度分別為60 km、6 km。水庫平均庫容、平均水深分別為3.2×105 m3、32.5 m。S水庫水的主要構成是當?shù)刂饕恿鞯母闪髋c支流，匯入點位于壩址上游1.6 km處。河流草量為2 000 m3左右，是總入庫草量的六成，意味著此處存在一定程度上的水土流失。隨著當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，尤其是旅游業(yè)、工業(yè)產業(yè)的發(fā)展，導致S水庫范圍內出現(xiàn)不同程度的污染問題，尤其是取水口附近。為保證用水安全，當?shù)亻_展了水質檢測工作。

2.2 技術應用

為實現(xiàn)對多種重金屬元素的同時檢測，本次案例項目選擇電感耦合等離子體質譜法開展檢測工作。

2.2.1 檢測實驗

（1）設備與試劑：本次水質檢測工作主要采用電感耦合等離子體質譜儀、微孔濾膜（0.45 μm）等設備，在檢測作業(yè)開始前的12 h開始浸泡所需器具，使用純凈水將其洗凈，晾干備用。在檢測試劑方面，主要涉及超純水、單元素標準物質溶液、標準儲備溶液（1 000 μg/mL）、調諧液、內標液、高純氬氣。其中，1 000 μg/mL的標準儲備溶液含鐵、銅、鋅、錳、鎘。單元素標準物質溶液包括鐵（202310），其標準值為1.52±0.07（mg/L）；銅（201126），其標準值為1.07±0.04（mg/L）；鋅（201325），其標準值為1.92±0.08（mg/L）；錳（202310），其標準值為1.46±0.07（mg/L）；鎘（201425），其標準值為7.75±0.49（mg/L）。調諧液則是氧化鋇、鉍、鈰、鈷、銦、鋰和鈾，均為10 μg/L。內標液則是鋰、鍺、釔、銠、銦、銥、鉍，均為50 μg/L。

（2）預處理與儀器設置：本次案例項目的檢測對象為S水庫水，水質樣品屬于地表水，為保證水質檢測結果的真實可靠性，開展實際檢測工作前，相關人員對水樣進行了過濾與處理。工作人員使用孔徑為0.45 μm的微孔濾膜完成水樣過濾工作，然后使用硝酸溶液對溶液酸堿值進行調控，使其≤2.0。除此之外，對于此類檢測工作而言，檢測儀器至關重要，為保證水質檢測實驗順利推進，儀器開機前，相關工作人員應對環(huán)境條件進行檢查，比如實驗室內的環(huán)境濕度、環(huán)境溫度，以及循環(huán)冷卻水等，確保儀器處于正常運行狀態(tài)。儀器設備開機后不可直接投入使用，應使其運作十五分鐘，然后再使用硝酸溶液、去離子水對儀器管路進行清洗，時間控制在五分鐘即可，然后使用儀器調諧程序優(yōu)化儀器條件，具體調節(jié)內容包括靈敏度、雙電荷等，確保其滿足后續(xù)檢測要求[5]。完成實驗分析后，應立即對儀器管路進行清洗，清洗試劑與清洗方式和實驗前相同，最后通過空氣將儀器管路中的水充分排出。

（3）標準曲線繪制及樣品測定：本次水質檢測工作主要采用外標法開展實驗分析，載流選擇1%的硝酸溶液，橫坐標為標準溶液，指的是樣品濃度，縱坐標為樣品信號。本次案例項目中，標準溶液濃度為：鎘元素的標準溶液濃度（標準1～標準7）分別為0、1.0 μg/L、5.0 μg/L、10.0 μg/L、20.0 μg/L、40.0 μg/L、60.0 μg/L。其余金屬元素的標準溶液濃度（標準1～標準7）分別為0、10 μg/L、50 μg/L、100 μg/L、200 μg/L、400 μg/L、600 μg/L。

在樣品測定環(huán)節(jié)，開展樣品測定工作前，相關工作人員使用硝酸溶液沖洗系統(tǒng)，降低信號強度。若是測定期間發(fā)現(xiàn)重金屬元素濃度超標，則要及時對水樣加以稀釋，然后重新落實規(guī)范的檢測工作。

2.2.2 實驗結果與討論

檢測過程中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的干擾主要來源于質譜干擾和非質譜干擾，前者包括氧化物、多原子離子、同質異位素；后者包括沉淀物、樣品基體。為保證檢測質量，期間加入內標溶液，實現(xiàn)對信號抑制、信號漂移的消除，同時調整儀器設置，使其處于KED模式。

（1）標準曲線和檢出限：標準曲線及儀器檢出限如表1所示。

表1 基于水質重金屬檢測的標準曲線和儀器檢出限

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，在本次水質檢測中，五種重金屬元素的相關系數(shù)都大于0.999，這意味著元素濃度與信號強度之間存在高度線性正相關關系。此外，根據(jù)表1中的檢出限范圍，說明在水質重金屬檢測中，電感耦合等離子體質譜法靈敏度較高。

（2）準確度與精密度：為進一步判斷此項技術在水質重金屬元素檢測中的適用性，本項目運用原子吸收光譜法開展水質樣品測定，并依托對比實驗與分析完成判斷。在準確度和精密度方面，兩種方法的測定結果如表2所示。

表2 準確度與精密度檢測對比

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，兩種檢測技術均符合水質重金屬檢測需求，但是電感耦合等離子體質譜法的檢測準確度、精密度水平更高，可以很好地應用于多種重金屬元素的檢測工作中。

3 結論

綜上所述，為實現(xiàn)對水環(huán)境污染的有效治理，加強水環(huán)境監(jiān)測，開展水質重金屬檢測工作至關重要。隨著現(xiàn)有技術的豐富與發(fā)展，水質檢測技術體系愈發(fā)先進。通過上述分析可知，在技術實際應用過程中，相關人員應從實際出發(fā)，結合水質重金屬檢測條件及要求，選擇合適的檢測技術，以此提高檢測精度和準確度，滿足水環(huán)境治理需要。