流動注射分析在環(huán)境水質(zhì)重金屬檢測中的應(yīng)用進展

洪陵成 張紅艷 王 艷 王林芹

(河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098) (南京德林環(huán)保儀器有限公司，南京 211103)

重金屬指原子密度大于5 g/cm3的金屬元素，大約有45種,如鉛、鋅、鎘、錳、鎳、汞、銀等[1]，重金屬超過一定濃度會使人體產(chǎn)生病變。環(huán)境污染方面所說的重金屬主要是指鎘、鉛、汞、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬，也包括具有一定毒性的一般重金屬，如鋅、銅、鈷、鎳、錫等。重金屬一般以天然濃度廣泛存在于自然界中，隨著人類對重金屬的開采、加工、商業(yè)制造等活動的日益增多，造成重金屬進入大氣、水、土壤環(huán)境，以各種化學(xué)狀態(tài)或化學(xué)形態(tài)存在的重金屬進入生態(tài)系統(tǒng)后就會存留、積累和遷移，引起嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。

目前在環(huán)境污染的檢測中，所采用的分析檢測技術(shù)基本是離線的，不能準(zhǔn)確反映環(huán)境實況,因此迫切需要高效率、低成本地對環(huán)境進行實時監(jiān)測，以保護環(huán)境安全和人類健康。傳統(tǒng)的光譜、質(zhì)譜、中子活化等方法中有些存在儀器價格昂貴、運行費用高、不易攜帶等缺點，有些則需要較復(fù)雜的前處理過程，在連續(xù)監(jiān)測及現(xiàn)場測定等方面受到很大限制。流動注射分析法(FIA)具有操作簡單、分析速度快和高靈敏度高等特點，它可以用較簡單的儀器設(shè)備實現(xiàn)分析工作的自動化，提高工作效率，同時可將分離、濃縮、稀釋、加標(biāo)等復(fù)雜的操作在線完成，并在非均勻、非平衡態(tài)下進行檢測，使分析精密度得到提高并減少試劑的消耗。隨著FIA各種技術(shù)的發(fā)展和聯(lián)用檢測器(如分光光度計、化學(xué)發(fā)光儀、原子吸收、質(zhì)譜等)的拓寬，使其在環(huán)境污染檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍日益廣泛[3]。

1 流動注射-原子吸收法

流動注射分析與原子吸收法的結(jié)合研究較早，只需增加很少的設(shè)備即可顯著提高原子吸收光譜分析的速度，而保持原子吸收法原有的精度。這種方法具有靈敏度高、選擇性好、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，是近來應(yīng)用研究較多的方法，而且由于干擾少，試樣前處理可大大簡化，與其它方法相比試劑消耗量較少，與在線濃縮相結(jié)合可測定超痕量金屬元素[4]。有研究用流動注射-氫化物原子吸收法對銻(Ⅲ)和銻(Ⅴ)進行了測定，其中銻(Ⅲ)的檢出限可達到7 pg/L[5]。

目前，流動注射在線離子交換富集與火焰原子吸收法聯(lián)用測定痕量金屬元素的研究比較多，此外還有將在線預(yù)濃集[6，7]、固相萃取[8]、分離等手段結(jié)合到該方法中，提高了富集倍數(shù)和檢出限，同時也提高了分析效率[9]。

Ricardo[10]等將流動注射與原子吸收方法聯(lián)用，并結(jié)合固相萃取技術(shù)，成功測定了環(huán)境水樣中的銅離子。預(yù)濃集時間為2 min時，其檢出限為1.1 μg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1%，分析頻率為25樣/h；當(dāng)預(yù)濃集時間為4 min時，其檢出限為0.93 μg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.3%，分析頻率為13樣/h。

關(guān)阿偉[11]等對水中痕量銅、鉛、鎘進行了同時測定，該方法是以離子交換為基礎(chǔ)的連續(xù)流動注射預(yù)富集體系，利用螯合樹脂在線吸附銅、鉛、鎘后以鹽酸作為洗脫溶液，反向流過螯合樹脂的過程中，把富集樹脂上的金屬離子洗脫至原子吸收火焰中去進行檢測。此法具有省時、快速、試劑量少，操作簡便等優(yōu)點，并且減少了傳統(tǒng)方法在操作中引入的人為誤差，大大提高了儀器的靈敏度。

2 流動注射-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法

以電感耦合等離子體為光源的發(fā)射光譜法簡稱為ICP-AES，原子發(fā)射光譜法(AES)是傳統(tǒng)的檢測重金屬的方法，而等離子體光源則是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的一類新型發(fā)射光譜分析光源，其中電感耦合等離子體(ICP)因其突出的優(yōu)點在發(fā)射光譜分析中得到廣泛的應(yīng)用，該法具有蒸發(fā)、原子化和激發(fā)能力強、分析準(zhǔn)確度和精密度高、線性范圍寬、干擾效應(yīng)少、同時或順序測定多元素能力強等優(yōu)點。將ICP-AES與自動化程度高的流動注射分析技術(shù)結(jié)合，可實現(xiàn)復(fù)雜的分離富集等操作，節(jié)約試劑，在重金屬檢測方面占有極其重要的地位。

M.Zougagh等[12]基于DPTH凝膠微柱和TS凝膠微柱吸附預(yù)濃集技術(shù)建立了在線測定水中鎘含量的ICP-AES法。用DPTH硅膠微柱時方法的線性范圍為5～100 ng/mL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1%，檢出限達到1.1 ng/mL，富集時間為60 s時的分析頻率為40樣/h；當(dāng)采用TS硅膠微柱時方法的線性范圍為10～100 ng/mL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.5%，檢出限為4.3 ng/mL，富集時間為120 s時可達24樣/h的分析頻率。該法可用于合成海水、海水、廢水樣品中鎘的測定。

高漢山[13]等將流動注射-氫化物-ICP/AES 技術(shù)應(yīng)用于礦石中痕量砷、銻、鉍的測定，方法分析速度60樣/h，精密度好，操作簡便。

3 流動注射-色譜法

離子色譜是以低交換容量離子交換劑作固定相、用含有合適淋洗離子的電解質(zhì)溶液作流動相，使無機離子得以分離，并用電導(dǎo)檢測器連續(xù)測定電導(dǎo)的變化。但隨著色譜固定相和檢測技術(shù)的發(fā)展，非離子交換劑固定相和非電導(dǎo)檢測器也廣泛用于離子性物質(zhì)的分離分析。離子色譜與流動注射分析聯(lián)用是利用了離子色譜在價態(tài)、形態(tài)分析方面獨特的優(yōu)越性和FIA具有分析速度快、設(shè)備和操作簡單、適應(yīng)性廣等優(yōu)點，并把兩者結(jié)合起來。Janikkul Sumalee[14]等將流動注射與離子色譜聯(lián)用，實現(xiàn)了水樣中鎘、鉛、鋅的測定。Poboy Ewa[15]等利用流動注射-離子對色譜法實現(xiàn)了河水中Co(II)、Ni(II)、Cd(II) 和Mn(II)的測定，當(dāng)預(yù)濃集時間為25 min時，其檢出限可低至μg/L級。

周方欽[16]等采用流動注射在線萃取色譜分離原子吸收光譜法測定痕量鉑。以GDX501 TBP萃取樹脂為微型分離柱，進樣時間為60 s，洗脫時間為45 s。在線分離測定時間為3 min，方法檢出限為0.25 μg/L，線性范圍為10～600 μg/L，加標(biāo)回收率為97.8%～103.6%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差3.49%～4.25%。該方法已用于礦物管理樣中鉑的測定。

4 流動注射-分光光度法

分光光度檢測器因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉成為目前與流動注射聯(lián)用應(yīng)用最為普遍的檢測器。流動注射技術(shù)作為一種半自動溶液處理技術(shù)與分光光度分析聯(lián)用時，需要采用具有流入口和流出口的流通式比色池代替?zhèn)鹘y(tǒng)比色池，而且光源應(yīng)具有足夠的強度，這樣就可以將大部分手工操作的光度分析設(shè)計成FIA-光度法分析，提高了測定的準(zhǔn)確度、精密度，提高分析過程的自動化程度。FIA-光度法在重金屬檢測中已取得了一定的發(fā)展，如肖新峰[17]等用流動注射-分光光度體系測定了海水中Cu2+的濃度，結(jié)果與石墨爐原子吸收分光光度法的結(jié)果一致。胡未等[18]基于在pH 8.0的 NH3-NH4Cl緩沖溶液和非離子表面活性劑吐溫80存在下，以PAN為顯色劑，建立了流動注射分光光度法測定水樣中痕量NI(Ⅱ)。該法在0.1～1 200 μg/ L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，檢出限低至0.05 μg/L。R.B.R.Mesquita[19]等根據(jù)Pb2+、孔雀石綠和I-之間可以形成三元絡(luò)合物的現(xiàn)象建立了測定Pb2+的方法，樣品溶液采用順序注射方式流經(jīng)陽離子交換柱，經(jīng)富集分離、洗脫后，與進入流路的孔雀石綠和碘離子生成有色絡(luò)合物，采用分光光度法進行檢測，有效消除了Cu2+、Cd2+等干擾組分的影響。Purohit Rajesh[20]等用流動注射預(yù)濃集-紫外可見光度法定了ng級的鋯。雖然FIA-光度法取得了很大進展，但很多方面仍需加強，綠色分析技術(shù)、高靈敏度、價格低廉的高自動化檢測儀器仍將是以后努力的主方向，此外分析過程中的二次污染問題也需引起警惕。

5 流動注射-發(fā)光法

基于分子發(fā)光強度與被測物含量之間的關(guān)系建立的分析方法稱為發(fā)光分析法，一般來說分子發(fā)光分為熒光、磷光和化學(xué)發(fā)光3種，由于發(fā)光分析法是直接進行光子計量的方法，其靈敏度和選擇性都優(yōu)于吸光光度法，但是發(fā)光物質(zhì)的發(fā)光壽命一般比較短暫且隨時間變化較大，使用間歇式手工操作難以達到良好的精度，流動注射由于其快速的分析手段能很好地適用于此類反應(yīng)，因此近年來流動注射-發(fā)光法分析取得很大的進展，這種聯(lián)用技術(shù)靈敏度高、線性范圍寬、重現(xiàn)性高，而且操作簡單，可自行組裝。Liu Jianbo[21]等基于流動注射-化學(xué)發(fā)光法并結(jié)合控制試劑釋放技術(shù)直接測定了自然水樣中超痕量的釩(V)。N.porter[22]將pH梯度流動注射技術(shù)與熒光法聯(lián)用，并結(jié)合偏最小二乘法實現(xiàn)了三元或四元混合物中鋅、鎘、鉛、鎂元素的同時測定。該法可應(yīng)用于自來水中上述幾種元素的測定，其測定結(jié)果與火焰原子吸收光譜法一致。

Hassan[23]利用六價鉻對水合氯化聯(lián)吡啶釕[Ru(bpy)3]Cl2·6H2O的熒光猝滅原理，在六價鉻的濃度為0.1～20 mg/L時作出熒光線性下降函數(shù)，以熒光檢測器選擇性測出未經(jīng)處理的復(fù)雜水樣中六價鉻濃度，得到的結(jié)果與原子吸收相符。胡涌剛[24]等基于Cu2+與鐵氰化鉀及魯米諾在堿性條件下產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光的原理，建立了一種新的流動注射-化學(xué)發(fā)光方法測定痕量銅離子。方法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5.0%，線性范圍為5.0×10-9～1.0×10-7mol/L，檢出限(S/N=3)為8.0×10-10mol/L，并用此法成功地實現(xiàn)了對環(huán)境樣品中痕量銅的定量分析。

發(fā)光法分析在測定重金屬時的主要缺點是選擇性不夠，需要與分離法結(jié)合預(yù)先除去其它離子的干擾才可進行測定，但結(jié)合流動注射后，可以提供高效率的在線分離等手段，且避免了環(huán)境因素如溫度、離子強度等對發(fā)光分析法的敏感程度，進一步得到高準(zhǔn)確度和高靈敏度的分析方法。

6 流動注射-電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析法是根據(jù)物質(zhì)在溶液中的電化學(xué)性質(zhì)及其變化來確定其組成與濃度的分析方法。電化學(xué)分析一般不需分析信號的轉(zhuǎn)換就能直接記錄，所以電化學(xué)分析的儀器裝置簡單且體積小，易于自動化和連續(xù)分析。電化學(xué)分析法檢測重金屬主要包括極譜法、伏安法和離子選擇性電極法。其中最常用的是伏安法，伏安法是將電解沉積與電解溶出兩個過程相結(jié)合的電化學(xué)分析方法，根據(jù)溶出時電位的掃描方向，可分為兩種類型：在電解富集時，工作電極作為陰極，溶出時向陽極方向掃描，稱為陽極溶出伏安法[25]，該方法常用于金屬離子的測定；反之為陰極溶出伏安法。

由于電化學(xué)分析方法是非選擇性的，所以靈敏度低、噪聲高，并且受溫度等影響比較大，而與流動注射結(jié)合后，因載流對電極表面的不斷沖洗，以及樣品與電極表面接觸時間短等原因，電極壽命和穩(wěn)定性得到很大的提高，但電極易受污染，限制了其在流動注射技術(shù)中的應(yīng)用。D.W.Bryce[26]等用流動注射-陽極溶出伏安法測定了水中的Se(Ⅳ)，方法的線性范圍為5～100 ng/mL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4.7%。

7 流動注射-生物化學(xué)法分析

生物化學(xué)分析是近年來科學(xué)界的研究熱點，也是一種檢測重金屬離子的前沿方法，主要有酶分析法、免疫分析法等生物傳感器方法。流動注射-生物化學(xué)分析法就是利用流動注射與上述分析方法的聯(lián)合，來減少貴重生物試劑的消耗，提高檢測的靈敏度和準(zhǔn)確度。目前此方法已大量應(yīng)用于生物大分子、重金屬、陰離子等的環(huán)境檢測中，而且由于免疫分析等的特異性結(jié)合，使得測量的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性大大提高。K.Tag[27]等利用酵母菌生物傳感器與流動注射結(jié)合，通過轉(zhuǎn)基因酵母菌株對不同銅離子濃度的反應(yīng)，結(jié)合安培檢測技術(shù)測出水樣中銅離子濃度，這種分析方法可以迅速生物降解，不會造成二次污染，可直接對電鍍工業(yè)廢水等重銅離子濃度進行檢測。

8 展望

流動注射技術(shù)的檢測方法近年來得到不斷改進和發(fā)展,樣品在線分離富集和聯(lián)用技術(shù)以及分析的選擇性和靈敏度不斷提高，目前正向著更加微型化、集成化方向發(fā)展，即微全分析系統(tǒng)已成為分析儀器發(fā)展的重要方向。微流控芯片在加工技術(shù)及流控技術(shù)方面進入了快速發(fā)展的階段，對于目前的檢測系統(tǒng)，如果采用相關(guān)的技術(shù)，與微全分析系統(tǒng)聯(lián)用后可以形成真正意義上的重金屬檢測的微型分析芯片，通過集成在芯片上的微泵、微閥、微型化的水路和微型傳感器及其檢測技術(shù)有望實現(xiàn)重金屬檢測的自動微分析系統(tǒng)，更好地應(yīng)用于現(xiàn)場檢測。

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