電感耦合等離子體質(zhì)譜法在環(huán)境監(jiān)測中應用的進展

代新

摘 要：電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）具有超高靈敏度的分析方法，是目前環(huán)境科學研究超痕量、多元素含量的重要方法。國外許多國家已將其應用于環(huán)境監(jiān)測之中，對地面水、土壤和大氣等痕量元素進行測定，文章對電感耦合等離子體質(zhì)譜法的原理、優(yōu)缺點進行了介紹，對其在水質(zhì)、土壤、金屬元素及應急分析中的應用簡要分析。

關鍵詞：ICP-MS；環(huán)境監(jiān)測；重金屬；土壤

中圖分類號：X830 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0146-02

當前，在我國經(jīng)濟的快速發(fā)展中，由于受到環(huán)境因素的影響，使經(jīng)濟步伐的發(fā)展腳步逐漸變得緩慢下來，因此，解決環(huán)境因素的問題是一項很難的工作。環(huán)境監(jiān)測所使用的主要分析技術則直接影響著監(jiān)測成果的準確性，以及環(huán)境治理方案的制定。在保證監(jiān)測結果的科學性、監(jiān)測方法的系統(tǒng)性及應急技術的實用性角度出發(fā)，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）是近些年最新應用于環(huán)境監(jiān)測中的技術方法。

1 ICP-MS法的工作原理

電感耦合等離子體質(zhì)譜具有靈敏度高、檢出限低、選擇性好、可測元素覆蓋面廣、線性范圍寬、能進行多元素檢測和同位素比測定等優(yōu)點。

在ICP-MS中，電感耦合等離子體是提供高溫離子源，待測樣品在儀器中因高溫而被蒸發(fā)，從而發(fā)生解離、原子化以及電離等過程。樣品電離后通過離子傳輸系統(tǒng)到達真空度極高的質(zhì)譜儀部分，經(jīng)過質(zhì)譜儀的高速分離所測的離子，質(zhì)譜儀可以掃描分子質(zhì)量數(shù)從6到260的所有元素，并對通過雙通道的高速分離處理的離子進行分析，濃度測試范圍可以達到9個數(shù)量級，即實現(xiàn)從ppq到1000ppm的直接測試。

2 檢測的優(yōu)缺點分析

2.1 優(yōu)點分析

等離子體質(zhì)譜的譜線簡單，檢測模式靈活多樣：（1）可以快速同時實現(xiàn)多達73種元素分析，借助測試譜線的質(zhì)荷比達到元素定性分析的目的；（2）儀器元素測試靈敏度極高，在沒有標準溶液的情況下，可以實現(xiàn)完成大多數(shù)元素的半定量測試分析，而且測試結果的誤差可以控制到20%之內(nèi)；（3）產(chǎn)生的基體效應弱，進行定量分析時，采用標準溶液在測試過程中進行必要校正，此項技術廣泛應用于當前很多領域測試分析工作中。

2.2 缺點分析

由于監(jiān)測環(huán)境中廣泛存在的Ar、O等元素，導致分子離子干擾作用得到產(chǎn)生，尤其是在分析Fe、Cr、Ni等元素時，更加要注意去除干擾因素。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀譜線相較于其他質(zhì)譜儀的譜線更為簡單，也限制了分析元素的譜線時選擇的自由度。比如，當分析Ni元素時，如果樣品中存在大量的Fe與Ni時，Ni的同位素58Ni極易受到58Fe的干擾，從而使得樣品的Ni元素定量分析誤差較大。當樣品體系中存在NaCl等鹽類時，會導致儀器測定信號強度減弱，儀器受鹽類的影響程度明顯高于其他質(zhì)譜法[1]。儀器的接口位置直徑較窄，在長期測試高溫環(huán)境中，接口部位極易損壞而產(chǎn)生儀器故障。由于儀器分析靈敏度極高，也就要求了樣品分析過程中所使用的試劑必須完全潔凈。

3 在環(huán)境監(jiān)測中的應用

3.1 水質(zhì)與土壤的ICP-MS分析方法

環(huán)境水樣品包括淡水、海水、工業(yè)廢水、生活污水四大類；每一類又可分成許多種。比如淡水包括地表河水、湖水、雨雪水及地下水等及地下水等。水樣中金屬元素以不同物理狀態(tài)存在，比如水溶態(tài)、膠體粒子、固體懸浮物、沉積物、 可揮發(fā)物等。通常水樣元素測定分兩種方式：一種是水溶形元素，另一種是元素總量，即“酸可溶出”總量（不是嚴格的完全消解）。從環(huán)境監(jiān)測的觀點來看，可以測出一般環(huán)境下的生物可攝取元素以滿足環(huán)境法規(guī)的需求。

我國現(xiàn)行的水質(zhì)ICP-MS分析方法是《生活應用水標準檢驗方法》（GB/T 5750.6-2006）?？捎糜诰用裆铒嬎⑺此暗乇硭畼?。分析的元素包括了31種[2]。然而，但GB/T 5750.6-2006涉及方法仍略顯簡單；不僅對各種樣品的前期處理未作介紹，而且在關鍵的樣品分析過程、儀器分析條件的介紹也相對簡單；此方法最終只提供了簡略的水質(zhì)樣品的精密度和準確度參考指標。這個指標與現(xiàn)今大部分地表水樣分析不符。

1995年5份，美國環(huán)境保護局頒布了有關飲用水的ICP-MS分析方法EPA200.8。此方法可以用于分析居民日常飲用水、地表水以及地下水中的各類元素，對污染水源的污水和廢水等也可以進行分析。方法中的分析元素達到21種[2]。由于本方法是由飲用水相關部門頒發(fā)的，因此分析的側(cè)重點是與飲用水密切相關的水源水質(zhì)監(jiān)測，重點是監(jiān)測水中溶性元素總體含量，對不同相中的元素含量分布不做細分。

1994年9月份，美國環(huán)境保護局頒布了EPA 6020方法，本方法主要應用對象是自然水體、工業(yè)排放的廢水、淤泥以及污染的土壤。需要分析的元素數(shù)量為22種[2]。本方法是從美國有關有害固體廢棄物監(jiān)測的方法中發(fā)展形成的，此方法適用的重點領域是監(jiān)測有害廢棄物處理過程所引發(fā)的周圍自然水體污染、產(chǎn)生的工業(yè)污水等。

ICP-MS分析技術也可以在土壤污染分析領域發(fā)揮良好效果，在監(jiān)測污染土壤的程度時，需要進行必要的土壤元素含量與質(zhì)量測試分析。同時，應用ICP-MS分析技術可以同時實現(xiàn)多元素的快速分析。土壤的分析方法一般需要對樣品進行微波消解，消解方法是通過在測試土壤樣品中注入一定濃度的氫氟酸與硝酸混合液，并在低溫低壓環(huán)境中完成趕酸程序，然后使用ICP-MS儀器分析土壤溶液中的元素Cr，分結果表明ICP-MS分析技術在土壤中的Cr分析中的準確度高、速度快、且干擾較小、分析的重復性高。蘇榮等人提出了土壤的微波消解-電感藕合等離子質(zhì)譜法[3]，同時分析了不同元素的同位素對土壤樣品分析的干擾。

3.2 廢棄物中金屬元素分析

對于固體廢物中含有的金屬元素測試方法，我國當前采用的是《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》中所要求的方法，其中規(guī)定了50種項目的監(jiān)測內(nèi)容，包括重金屬及其相關化合物，污染物的形式涵蓋了多數(shù)重金屬元素以及CN-、S2-、F-、SO42-等眾多陰離子，電感耦合等離子體質(zhì)譜法完善了固體廢物監(jiān)測手段的不足，提高了我國固體廢物監(jiān)測的技術水平。

李龍宇等人采用ICP-MS分析技術對不同地段污水處理廠的污泥中的重金屬元素總量與存在形式進行了分析[4]。由于城市污泥重金屬和有機質(zhì)成分復雜，傳統(tǒng)化學分析方法對污泥中重金屬Cd，Pb元素分析的難點在于污泥中所含豐富的有機物質(zhì)，導致樣品的預處理變得十分繁雜困難，利用ICP-MS分析技術可以實現(xiàn)快速、高效、準確地監(jiān)測城市污泥中重金屬元素動態(tài)變化。陳思楊[5]采取三步浸提的方法提取了城市污水、污泥中Pb、As、Cd元素的提取，使用硝酸-高氯酸對提取物質(zhì)進行消解，然后使用ICP-MS法分析Pb、As、Cd元素的含量以及相關價態(tài)的含量，ICP-MS法的使用為城市污泥的監(jiān)測治理提供了科學可靠的數(shù)據(jù)參考。

3.3 環(huán)境問題應急分析

近些年來，有關環(huán)境問題越發(fā)嚴重，相關部門在緊急狀態(tài)下對疑似污染物的快速分析，可以為其快速制定環(huán)境問題應急方案提供必要參考。ICP-MS分析技術可以迅速完成待測樣品中的同位素和元素的含量測定，進一步對待測樣品的濃度完成定量分析。施章宏等對模擬核事故情況下，對可能受到輻射的人員通過ICP-MS技術分析尿液中的U元素濃度[6]。ICP-MS技術可以實現(xiàn)現(xiàn)實環(huán)境介質(zhì)中放射性元素的快速準確監(jiān)測，這樣可以使遭受輻射的人員及時得到有效救治。

ICP-MS分析技術也可以對緊急狀態(tài)下完成水樣監(jiān)測的快速全譜圖掃描分析，可以得到質(zhì)量分數(shù)在6-260之間的所有重金屬元素以及相關同位素的含量，快速的分析成果為及時尋找重金屬污染物的來源。在水源應急監(jiān)測時，快速識別復雜水樣和未知水樣中污染物的含量特征，為環(huán)境監(jiān)測工作便捷、有效進行具有十分重要的實際價值。

4 結束語

目前環(huán)境科學研究超痕量、多元素含量的重要方法。國外許多國家已將其應用于環(huán)境監(jiān)測之中，我國目前ICP-MS法在土壤、固廢等領域應用的國家或行業(yè)標準正在制定。隨著儀器檢測效率以及元器件的性能不斷提高，ICP-MS法正逐步發(fā)展為智能化、高效化發(fā)展。ICP-MS儀器也向著更高靈敏度、更低檢出限的目標逐步前進，其勢必帶來了環(huán)境監(jiān)測領域的一次重大變革。

參考文獻：

[1]甘志永，劉浩.ICP-MS在環(huán)境監(jiān)測方面的應用及最新進展[J].廣州化工，2016，44（20）：33-34.

[2]齊文啟，孫宗光.ICP—MS的發(fā)展現(xiàn)狀及其在環(huán)境監(jiān)測中的應用[J].現(xiàn)代科學儀器，1998（6）：40-45.

[3]蘇榮，王曉飛，洪欣，等.微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定土壤中10種重金屬元素[J].現(xiàn)代化工，2015，35（1）：175-177.

[4]李龍宇，李永，馬迎霞.污水處理中重金屬的賦存現(xiàn)狀及季節(jié)變化[C]//2014中國環(huán)境科學學會學術年會，2014.

[5]陳思楊，王娟，李麗娜，等.分析北京城市污泥中鉛砷鎘形態(tài)濃度的ICP-MS[J].光譜學與光譜分析，2009，29（7）：1976-1978.

[6]施章宏，黃鶴翔，羅文華，等.ICP-MS技術快速測量尿樣中的鈾同位素[J].化學通報，2015，78（5）：464-466.