基于ICP-MS法的自來水中重金屬元素含量檢測方法

關鍵詞：電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）；重金屬；元素含量；自來水 中圖分類號：TS251 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）06-0012-03 DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.003

Detection Method of Heavy Metal Element Content in Tap Water Based onICP-MSMethod

LINKongliang，XUDongchao，JINXue，YANGYiyou，CHENYueyue，ZHOU Yongfang （WenzhouMunicipalWaterworksCo.，Ltd.（WenzhouMonitoringStationofNationalUrbanWaterSuplyQualityMonitoringNetwork）， Wenzhou 325000， China）

Abstract：Whendetectingthecontentofhavymetalelements intapwater，itissusceptibletointerferencefrommatrix substances，resultinginsignificanterors.Therefore，methodfordetecting heavymetalelementcontentintapwaterbased on Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry （ICP-MS）is proposed.Byscientificallseting theparametersof mass spectrometry instruments，standard parameters for mass spectrometry processing applicable to tap water samples are derived，reducing the interferenceof matrix substances on heavy metal elementsignalsand improving thesensitivityand accuracyof detection.Calculate thecoefcientof variationofheavy metalions basedonICP-MS methodand evaluate the degreeofdatadispersion.Using methodssuchascorrelationcoeffcientandchisquare test，combinedwithcoeffcientof variation，todetectthecontentof heavymetal elements intap water.Theexperimentalresultsshowed thatusing ICP-MS method to detect heavy metal elements in tap water samples resulted in a concentration value withan error of ±0.005mg/L （20 compared to the true value， indicating high accuracy.

Keywords： Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry （ICP-MS）; heavy metals;elementcontent; tapwater

隨著工業化進程的加快，重金屬污染問題日益突出，檢測自來水中的重金屬元素含量成為保障飲用水安全的重要環節[。黃紅云等[2研究了生物傳感技術在食品重金屬檢測中的應用。生物傳感技術的穩定性和重復性易受環境因素影響，且對不同重金屬的響應存在差異，限制了其在自來水檢測中的廣泛應用。陳婷婷[3]通過提取污水中的特征因子來間接反映重金屬含量，但由于特征因子與重金屬含量的非線性關系，檢測結果不準確。基于上述方法的局限性，提出利用電感耦合等離子體質譜（InductivelyCoupledPlasma-MassSpectrometry，ICP-MS）法檢測自來水中的重金屬元素含量。

1基于ICP-MS法的自來水中重金屬元素含量檢測方法

1.1設置自來水中重金屬元素處理參數

ICP-MS技術利用質譜儀高溫電離水樣中的重金屬原子，精確捕捉離子，實現高效鑒別與定量。在眾多檢測方法中，ICP-MS具有高靈敏度和多元素同時檢測能力，優于其他方法。利用高精度ICP-MS儀器定量分析重金屬元素濃度，并據此推導出質譜處理的關鍵參數[4-5]，計算公式為

式中： P 為質譜處理標準參數； β 為質譜特性的穩定性指標； r 為測量濃度與實際濃度的比值； m，n 分別為元素的最大與最小濃度閾值。根據式（1），可以得出適用于自來水樣本的ICP-MS光譜處理標準參數。

利用所得參數可評估ICP-MS檢測效能。若實測重金屬濃度符合標準參數范圍，則自來水中的重金屬含量安全可控；反之，則需要調整ICP-MS檢測條件。

1.2基于ICP-MS法計算重金屬離子變異系數

取 200mL 含有 Cu²⁺ ） Zn²⁺ 、 Cd²⁺ （ Pb²⁺ ！ Cr³⁺ 、 ΔNi²⁺ 、Hg²⁺ 的自來水樣品，調整各重金屬離子的質量濃度至 。取適量處理后水樣置于分析容器中。利用ICP-MS法檢測這些重金屬離子，其反應原理如圖1所示。

ICP-MS技術利用高能射頻場將樣品溶液蒸發、解離并離子化，隨后通過質量分析器將離子按質荷比分離，從而測定重金屬元素的含量。在室溫條件下，收集并分析這些離子的特征質譜峰，以獲得準確的數據。采用特征離子法處理多變量數據，提高重金屬含量測定的精度。試驗中，采用ICP-MS儀器，通過優化射頻功率、載氣流速、采樣深度等參數，確保分析高效準確，提升對目標重金屬離子的檢測靈敏度。

根據檢測結果，計算重金屬離子的變異系數 δ 從而完成對數據離散程度的評估。 δ 的計算公式為

式中： A 為檢測結果平均值。 δ 能夠反映重金屬離子含量數據的相對波動性，為提升檢測結果的準確性提供重要依據。

1.3檢測自來水中的重金屬元素含量

在檢測自來水中重金屬元素含量的試驗中，基于式（2）的結果，將 Cu²⁺ 、 Zn²⁺ 視為主要變量， Cd²⁺ 、Pb²⁺ 、 Cr³⁺ 、 Ni²⁺ 、 Hg²⁺ 作為輔助變量數據集。利用相關系數 R 完成對檢測準確性的評估， R 的計算公式為

式中： 分別為第 i 個重金屬元素含量的實際測量值與檢測值； y_m 為所有重金屬元素含量的平均值。 R 越接近1，表示正相關，說明檢測結果越準確;R 越接近-1，表示負相關； R=0 時，表示兩者不相關。

為驗證變量間的獨立性，采用卡方檢驗， χ 值越大，說明檢測值與實際值具有較強的關聯。將自來水樣中 Cu²⁺ 、 Zn²⁺ 、 Cd²⁺ 、 Pb²⁺ 、 Cr³⁺ ， Ni²⁺ 、 Hg²⁺ 的含量數據整理成數據集，各變量均有明確分類與等級。根據分類變量的概率與總頻數，獲得期望頻數。卡方統計量 χ 可以表示為

式中： Q_ij 為實際數據在第 i 行第 j 列的出現次數； 為行數與列數； E_ij 為假設兩分類變量獨立時，第 i 行第 j 列的期望出現次數。

通過方差膨脹因子 V 對自變量間的共線性進行評估， V 值越大，說明共線性越強，變量會影響重金屬元素含量檢測的準確性。 V 可以表示為

式中： o 為自變量間的決定系數。

為優化檢測條件，試驗設定光譜信號采集延時為

400ns ，激光能量為 120MJ ，液體射流速度為 60mL/min 0將重金屬鹽溶液 Hg（NO₃）₂ 、 Pb（NO₃）₂ 、 CdCl₂ 、 CuCl₂ 等配制成濃度為 3000×10^-6mol/L 的混合母液，通過蒸餾水稀釋至不同濃度，分別裝入10個等份的量瓶中。隨后，重新計算 δ / R 、V、 χ 等特征因子，以進一步提高準確性，實現自來水中重金屬元素含量的檢測[。

2 試驗分析

2.1試驗對象

在某城市自來水供應網絡的3個關鍵節點設置采樣站點，各采集水樣 100mL ，并安全存儲于清潔玻璃容器中。首先采用硫酸銨混合溶液進行滴定，然后利用硝酸銀溶液對水樣中的重金屬含量實施測定。水樣經 0.2% （體積分數）硝酸溶液酸化處理，以促進目標重金屬元素鉛與鎘的有效釋放與分離。鉛與鎘這兩種重金屬元素被成功從水樣中分離出來。硫酸銨溶液的使用依據預設的重金屬含量范圍參考表進行分析。

2.2試驗結果分析

本研究利用ICP-MS法提取自來水樣本中的重金屬元素，并對比了其真實濃度與檢測濃度（柱狀圖），結果如圖2所示。

由圖2可知，自來水中的重金屬元素真實質量濃度為 0.05～0.75mg/L， 。其中， Hg 的含量最低，Cr的含量最高。對比檢測濃度值與真實濃度值可以得出，其誤差范圍控制在 ±0.005mg/L ，顯示出較高的檢測精確度。

3結論

本研究提出基于ICP-MS法的自來水中重金屬元素含量檢測方法，并進行試驗分析。結果表明，檢測濃度值與真實濃度值誤差控制在 0.005mg/L ，檢測準確性有所提高。未來研究將擴大樣本范圍，優化檢測條件，以期進一步提高自來水中重金屬元素含量檢測的精確度和實用性。

參考文獻

1郭艷.基于原子吸收光譜法的化工污水中重金屬含量檢測方法[J].天津化工，2022（3）：30-32.

2 黃紅云，秦健.基于生物傳感技術的食品重金屬檢測研究[J.中國食品工業，2024（19）：103-105.

3 陳婷婷.基于特征因子法的污水水質中重金屬含量檢測方法[J].山東化工，2024（9）：155-156.

4 梁錦昌.基于石墨爐原子吸收法的河流中重金屬含量檢測方法[J].皮革制作與環保科技，2022（18）：104-106.

5 張愛國，張蒙，彭文娟.原子吸收光譜法在食品重金屬檢測中的運用研究[J].食品安全導刊，2023（9）：184-186.

6 鄧彬彬，劉秋辛，林君鏗，等.基于快速消解的海洋沉積物重金屬ICP-MS測定條件優化[J].中國環境監測，2024（3）：12-18.

7朱鑫琦，張佩，謝勝，等.地下水重金屬原位熒光檢測裝置[J].激光與光電子學進展，2023（21）：332-337.