植株中重金屬含量測定方法的研究現(xiàn)狀

鄭方超 崔婷 李容萱 李琛

摘要：綜述了目前測定植株中重金屬含量的4種主要方法，包括原子熒光光譜法（AFS）、原子吸收分光光度法（AAS）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）。分析了不同方法測定植株中重金屬含量的原理、適用條件和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了其優(yōu)缺點。得出電感耦合等離子體質(zhì)譜法因其性能較強(qiáng)、實用性好的特點而在植株中的重金屬含量測定方面具有明顯的優(yōu)勢。同時展望了植株中重金屬含量測定方法的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：植株；重金屬含量；測定方法；原理；研究現(xiàn)狀

中圖分類號：Q0657.31；O657.63文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）20-4449-04

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境問題越來越突出，各種污染問題越來越嚴(yán)重，而重金屬污染也是危害最大的污染問題之一。重金屬具有毒性大、在環(huán)境中不易被清除、易被生物富集并有生物放大效應(yīng)等特點，不但污染水環(huán)境，而且嚴(yán)重威脅人類和水生生物的生存。目前，人們對重金屬污染問題已有相對深入的研究，同時采取了多種方法對重金屬廢水和被污染的水體進(jìn)行處理和修復(fù)。如今，水體重金屬污染已成為全球性的環(huán)境污染問題，并且嚴(yán)重影響著兒童和成人的身體健康乃至生命安全，兒童鉛中毒、重金屬致胎兒畸形、砷中毒等事件也常有發(fā)生，使重金屬污染成為關(guān)系到人類健康和生命的重大環(huán)境問題。

本文介紹了現(xiàn)今植株中重金屬含量的幾種測定方法，主要有原子熒光光譜法（AFS）、原子吸收分光光度法（AAS）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）。由于不同重金屬適用的測定方法不同，所以植株中重金屬測定機(jī)理的研究對重金屬在植物中的遷移和轉(zhuǎn)化、植物的修復(fù)以及尋找合理的方法處理重金屬污染廢水具有重大意義。

1測定方法

1.1原子熒光光譜法（AFS）

AFS是介于原子發(fā)射光譜和原子吸收光譜之間的光譜分析技術(shù)。此方法測量植株中重金屬含量有較高的效率。植物經(jīng)過消解，在一定條件下被還原劑還原成含某種待測重金屬的揮發(fā)組分，用激發(fā)光源照射一定濃度待測元素的原子蒸氣，原子的外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，經(jīng)8～10 s又躍遷至基態(tài)或低能態(tài)，同時以光輻射的形式發(fā)射出特征波長的熒光，測得原子熒光即可求得待測樣品中該元素的含量。

楊景廣等[1]在AFS測定植物樣品中痕量鎘的含量的研究中，采用微波消解儀器對植物樣品消解，用AFS測定植物樣品中鎘的含量，取得了良好效果，測定出鎘濃度為0.1～0.8 ng/mL時熒光強(qiáng)度與鎘濃度呈顯著的線性關(guān)系，此方法的檢出限為0.001 8 ng/mL，精密度為1.64%，樣品的回收率高達(dá)90.4%～92.1%。試驗結(jié)果表明，此法在對植物樣品中鎘含量的檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。范德芳等[2]在云南部分地區(qū)木香中重金屬含量的測定試驗中，對3個地區(qū)種植的木香中Cd、Pb、As、Hg 4種重金屬離子采用AFS進(jìn)行含量測定，結(jié)果顯示：3個地區(qū)木香中檢測出的重金屬鎘含量≤0.011 mg/kg，鉛含量≤3.5 mg/kg，砷含量≤0.11 mg/kg，汞含量≤0.002 6 mg/kg，各元素線性關(guān)系良好，r≥0.999 3，回收率為99.10%～102.20%。試驗表明，此法測定植株中重金屬含量有較高的精確度。

AFS在環(huán)境科學(xué)、礦物生物制品、金屬元素的測定等方面有廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點明顯：①有較低的檢出限，靈敏度高，特別對Cd、Zn等元素有相當(dāng)?shù)偷臋z出限。Cd可達(dá)0.001 ng/cm3，Zn為0.04 ng/cm3，現(xiàn)已有20多種元素的檢出限優(yōu)于原子吸收光譜法和原子發(fā)射光譜法。②干擾較少，譜線比較簡單，采用一些裝置可制成非色散原子熒光分析儀，其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。③分析校準(zhǔn)曲線線性范圍寬，達(dá)3～5個數(shù)量級。④因原子熒光是向空間各個方向發(fā)射的，易制作多道儀器，可實現(xiàn)多元素同時測定。⑤可進(jìn)行價態(tài)分析。同時也存在不足：熒光猝滅效應(yīng)、散射光的干擾、用于復(fù)雜基體的樣品測定時比較困難、在分析化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展較晚等原因，限制了此法的應(yīng)用范圍。

1.2原子吸收分光光度法（AAS）

AAS是最早發(fā)展起來的一種方法。原子吸收分光光度法（AAS）是指從光源輻射出具有待測元素基態(tài)特征譜線的光，通過試樣蒸氣時試樣蒸氣中待測元素基態(tài)原子所吸收，原子的外層電子由一個較低能態(tài)躍遷到一個較高能態(tài)，由產(chǎn)生的輻射特征譜線光被減弱的程度來測定試樣中待測元素的含量的一種儀器分析方法。原子吸收分析中主要有3種原子化法：火焰法、石墨爐法、冷原子法?；鹧嬖游展庾V法可測得10-19～10-10 g/mL數(shù)量級。石墨爐原子吸收法可測得10-13～10-10 g/mL數(shù)量級，其氫化物發(fā)生器可對8種揮發(fā)性元素汞、砷、鉛、硒、錫、碲、銻、鍺等進(jìn)行微量元素測定。AAS能測定幾乎所有金屬元素和一些類金屬元素，它是測定痕量元素的有效方法，且該法操作簡便、選擇性好、快速、干擾較少、靈敏度高、準(zhǔn)確可靠。應(yīng)用范圍大、儀器價格較低等優(yōu)點使其已普遍應(yīng)用于冶金、化工、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測和生物機(jī)體中微量金屬元素的測定，應(yīng)用日益廣泛。

肖華等[3]在新墻河區(qū)草本植物重金屬含量的測定試驗研究中用混酸消解草本植物后，采用原子吸收光譜法測定樣品中鉛、砷、鎘、銅、鋅，結(jié)果表明鉛、砷、鎘、銅、鋅的檢出限分別為0.02、0.10、0.01、 0.60、0.06 mg/L，試驗相對標(biāo)準(zhǔn)偏差0.8%～8.7%，表明該法用于草本植物重金屬含量的測定靈敏、快速、重現(xiàn)性好。顧萬紅等[4]在20種甘肅地產(chǎn)藥材中鉛、砷、鎘、銅的含量測定中采用石墨爐原子吸收分光光度法對鉛、砷進(jìn)行測定，火焰原子吸收光譜法對銅進(jìn)行測定，氫化物發(fā)生原子吸收分光光度法對砷進(jìn)行測定，結(jié)果表明因刺五加莖皮中鎘含量達(dá)0.368 55 mg/kg而超標(biāo)，其他藥材中重金屬鉛、砷、鎘、銅含量均低于限定值。

然而原子吸收光譜法的檢出限比較低，尤其是石墨爐原子吸收光譜法，原子化效率低，只能液體進(jìn)樣，氣態(tài)原子在火焰中停留時間短，原子吸收光譜分析法不能多元素同時分析，測定元素不同，必須更換光源燈，它測定難熔元素的靈敏度并不高，精密度比分光光度法差，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的線性范圍窄，在高背景低含量樣品測定任務(wù)中精密度差。

為了進(jìn)一步提高靈敏度和降低干擾，擴(kuò)大此法的使用范圍，近年來國內(nèi)外致力于研究激光在原子吸收分析的應(yīng)用，用可協(xié)調(diào)激光代替空心陰極燈光源，用激光使樣品原子化，經(jīng)過多年的研究和試驗，發(fā)現(xiàn)其效果明顯，在各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.3電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）

ICP-AES是以電感耦合等離子炬為激發(fā)光源的一類光譜分析方法。電感耦合等離子體（ICP）光源是利用高頻感應(yīng)加熱原理，使流經(jīng)石英管的工作氣體（氬氣）電離，在高頻電磁場作用下由于高頻電流的趨膚效應(yīng)，在一定頻率下形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的高溫等離子體焰炬，稱為高頻耦合等離子體。試液經(jīng)過蠕動泵的作用進(jìn)入霧化器，被霧化的樣品溶液以氣溶膠的形式進(jìn)入等離子體焰炬的通道中，經(jīng)熔融、蒸發(fā)、解離等過程，實現(xiàn)原子化。組成原子都能被激發(fā)發(fā)射出其特征譜線。在一定的工作條件下，如入射功率、觀測高度、載氣流量等因素一定時，各元素的譜線強(qiáng)度與光源中氣態(tài)原子的濃度成正比，即與試液中元素的濃度成正比。

ICP-AES是一種目前比較常用的技術(shù)，而測定植物中重金屬含量的關(guān)鍵在于對樣品的前處理，植物樣品前處理的好壞可以直接影響分析結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度[5-8]。通常的前處理方法有干灰化法和濕法消解兩種。

干灰化法主要用于除去樣品中的有機(jī)質(zhì)，該法操作簡單，可同時處理大量樣品，且相對于濕法消解不需要使用大量試劑，空白值較小。適用于待測物含量較高（10-10～10-6 g/mL級）的生物樣品。但由于揮發(fā)性待測元素（如汞、砷、硒等）在高溫灰化過程中易揮發(fā)損失，因此簡單的干灰化法不適用于含揮發(fā)性待測元素樣品的前處理，此時需加入氧化劑作為灰化助劑以加速有機(jī)質(zhì)的灰化并防止待測元素的揮發(fā)。但干灰化法對揮發(fā)性物質(zhì)的損失比濕法消解大，且干灰化法時間較長常需過夜完成，值得注意的是，干灰化法還有可能與容器反應(yīng)，被氧化或者被吸收，導(dǎo)致回收率降低。而鐘闈楨等[9]在礦區(qū)植物重金屬含量測定的兩種前處理方法比較中通過采用酸消解法和干灰化法處理16種礦區(qū)植物，并用原子吸收分光光度法測定其中的Mn、Cd、Cr和Zn的含量。結(jié)果表明，除Cd外，兩種處理方法對Mn、Cr、Zn的測定結(jié)果均有明顯影響。測定植物組織Cd含量時，兩種處理方法都可采用；測定Mn、Cr含量，采用酸消解法較為合適；測定Zn含量則宜采用干灰化法，并可適當(dāng)延長木質(zhì)部分（根、莖）的灰化時間。唐文杰等[10]在錳礦區(qū)植物中Pb、Cd和Cu含量的測定中比較酸消解法和干灰化法。結(jié)果表明，處理方法對Cu和Pb測定結(jié)果有明顯影響，但對Cd則影響不大。在測定植物組織Cu含量時，采用干灰化法效果較好；測定Cd含量時，兩種處理方法均可以采用。在葉組織Pb含量測定時，兩種處理方法無明顯區(qū)別，但木質(zhì)組織Pb含量測定時采用干灰化法更為理想。

近年來，微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定植物中重金屬離子的方法的應(yīng)用也越來越多。而微波消解是近年來發(fā)展較快的新興技術(shù)，具有無溫度梯度、無滯后、加熱快而均勻等特點。喬愛香等[11]通過干灰化法和微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定植物樣品中22個主次量元素試驗得出結(jié)論：選擇適當(dāng)?shù)那疤幚矸椒梢暂^為準(zhǔn)確地測定出植物樣品中重金屬離子的含量，用ICP-AES法測定植物樣品中22個主次量元素具有良好的效果。

ICP-AES靈敏度高，選擇性好，可分析種類較多，檢出限為10-9 g/mL級，數(shù)量級為4～6，能用微量的試樣同時進(jìn)行數(shù)十種元素的定性和定量分析，且分析速度較快。直接分析固體試樣時，多數(shù)元素的靈敏度接近1 μg/g，對液體試樣能檢出濃度為1 ng/mL的待測元素。它在地質(zhì)、冶金、機(jī)械、環(huán)境、生命、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是它也存在不足之處，在經(jīng)典分析中，影響譜線強(qiáng)度的因素較多，尤其是試樣組分的影響較為顯著，所以對標(biāo)準(zhǔn)參比的組分要求較高。在試樣含量較大時，準(zhǔn)確度較差，大多數(shù)非金屬元素難以得到靈敏的光譜線，此法只能用于元素分析，不能進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形態(tài)的測定，同時該方法的分析成本較高。

近年來ICP儀器功能的不斷提高和普及，多道直讀及單道高速掃描性能的提高和儀器性價比的不斷優(yōu)化，具有全譜特性的中梯光柵固體檢測儀器的出現(xiàn)，ICP-AES法已經(jīng)成為鋼鐵及其合金分析的常規(guī)手段。用ICP法進(jìn)行鋼鐵合金樣品的分析，操作十分簡便，可在同一工作條件下用同一個溶液同時測定多個元素，測定這些元素的中低含量，測量精度完全達(dá)到冶金產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控要求。

1.4電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）

ICP-MS是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新型的元素和同位素分析技術(shù)，在ICP-MS中，ICP作為質(zhì)譜的高溫離子源（7 000 K）， 樣品在通道中進(jìn)行蒸發(fā)、解離、原子化、電離等過程。離子通過樣品錐接口和離子傳輸系統(tǒng)進(jìn)入高真空的MS部分，MS部分為四極快速掃描質(zhì)譜儀，通過高速順序掃描分離測定所有離子，掃描元素質(zhì)量數(shù)范圍為6～260，并通過高速雙通道分離后的離子進(jìn)行檢測，濃度線性動態(tài)范圍達(dá)9個數(shù)量級，10-15～10-3 g/mL級均可直接測定。

它具有動態(tài)線性范圍極寬、檢出限極低，為10-15～10-12 g/mL級、干擾少、分析精密度高、分析速度快，數(shù)量級為8～9，成本也最低，可提供同位素信息等優(yōu)點，但也存在著信號波動、基因效應(yīng)、多原子離子的干擾等問題。它以獨特的接口技術(shù)將ICP-MS的高溫（7 000 K）電離特性與四極桿質(zhì)譜計的靈敏快速掃描的優(yōu)點相結(jié)合而形成一種新型的元素和同位素分析技術(shù)，可分析地球上幾乎所有元素。ICP-MS技術(shù)的分析能力不僅可以取代傳統(tǒng)的無機(jī)分析技術(shù)如電感耦合等離子體光譜技術(shù)，石墨爐原子吸收進(jìn)行定性、半定量、定量分析及同位素比值的準(zhǔn)確測量等，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)、生物、冶金、石油、核材料分析等領(lǐng)域。還可以與其他技術(shù)如HPLC、HPCE、GC聯(lián)用進(jìn)行元素的形態(tài)、分布特性等的分析，例如把HPLC與ICP-MS聯(lián)用，可用于研究中草藥、藻類、魚類、人類等生物體內(nèi)含Cd、Se、As、Cu、Zn、Pb等元素與多種氨基酸、多肽和蛋白質(zhì)結(jié)合的機(jī)理以及某些元素對酶的位點的作用過程。隨著ICP-MS聯(lián)用技術(shù)的開發(fā)和發(fā)展，其出色的檢測能力也得到了更大的提高，開創(chuàng)了一些如形態(tài)分析等新的分析方法，能更好地分析一些復(fù)雜樣品以及為快速發(fā)展的材料科學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)服務(wù)。

李欣榮等[12]用ICP-MS測定海洋天然藥物中5種重金屬的含量，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。ICP-MS可以檢測所有的金屬元素和絕大部分的非金屬元素，該方法簡潔、快速、準(zhǔn)確。

王瑞敏[13]在ICP-MS測定植物中微量鉛和鎘的試驗中得出結(jié)論：利用微波消解前處理樣品，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）檢測植物中的微量鉛和鎘，具有準(zhǔn)確度高、精密度高、檢出限較低（最低檢出限為鉛0.010 μg/g，鎘0.008 μg/g）、干擾較少等特點，能有效測定植物中的微量鉛和鎘。而黃旭等[14]用微波消解前處理，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定煙草中的重金屬，檢出限均小于1 μg/g，該方法簡便、快速、準(zhǔn)確，適合用于測定煙草中的微量重金屬元素。該方法可研究性較高，具有廣闊的應(yīng)用前景[15-17]。

2問題與展望

當(dāng)前植株中重金屬含量的測定現(xiàn)狀是測定方法比較多，實際應(yīng)用中可選擇性也較多，但實際測定時需要考慮的因素較多，例如AAS法，技術(shù)比較陳舊，可分析元素種類較少，而且靈敏度較低。利用不同的測定方法可測定出它們較易測定出的金屬元素，比如原子吸收光譜法可以準(zhǔn)確測定出植物中的鉛、砷、鎘、銅、鋅等金屬元素的含量。值得一提的是雖然ICP-MS是一種比較新的測定方法，但是該方法有著較大的優(yōu)勢，在環(huán)境領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，該方法的進(jìn)一步研究是今后測定重金屬含量的發(fā)展方向之一。

今后，測定重金屬在植物體內(nèi)的含量還有以下問題需要完善：①各種測定方法成本較高，實際應(yīng)用起來可實施性不大。②實驗室測定時，實際樣品干擾程度較大，無法達(dá)到理想中的效果。③在微觀和宏觀水平方面，該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀分析尚存在一些問題，重金屬分析測定方法和技術(shù)有待實現(xiàn)新的突破。④目前由于原子吸收光譜儀、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP—AES）以及各種色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀等的使用，重金屬的分析測定方法越顯方便和快捷。但是，將重金屬從總量分析轉(zhuǎn)變到分形態(tài)、價態(tài)，特別是生物有效態(tài)分析的研究是重金屬分析方法發(fā)展的必然趨勢，但對于分形態(tài)、價態(tài)的測定方法和技術(shù)往往需要多種儀器聯(lián)用、對儀器精度要求高、操作復(fù)雜并且很多涉及微痕量分析等現(xiàn)狀，使得重金屬分析測定方法和技術(shù)有待改進(jìn)并實現(xiàn)新的突破。

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