土壤重金屬快速監(jiān)測(cè)技術(shù)分析及應(yīng)用

謝志峰 趙金柱 李小娟 邵佳慧

（河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北秦皇島 066000）

引言

重金屬會(huì)對(duì)土壤造成嚴(yán)重的污染，危害程度比較大，為了更好地了解土壤中重金屬物質(zhì)的含量，需要對(duì)土壤中的重金屬成分進(jìn)行檢測(cè)和分析。原多采用化學(xué)分析方法，例如，電化學(xué)法、原子吸收光譜、分光光度法等，需要檢測(cè)部門購(gòu)置成本較高的儀器設(shè)備，還需要做好前期的處理工作，檢測(cè)流程比較復(fù)雜，重金屬檢測(cè)效率不高，應(yīng)用的有機(jī)試劑還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，很難滿足對(duì)環(huán)境應(yīng)急檢測(cè)的需要，需要采用便捷、快速地土壤重金屬檢測(cè)設(shè)備及儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的快速檢測(cè)。

1 土壤重金屬快速監(jiān)測(cè)方法

1.1 激光誘導(dǎo)擊穿光譜法

該技術(shù)為光譜分析領(lǐng)域中新型的激光燒蝕光譜分析技術(shù)，應(yīng)用物質(zhì)等離子體發(fā)出光線來(lái)對(duì)物質(zhì)成分進(jìn)行探測(cè)分析的技術(shù)。激光經(jīng)過(guò)聚透鏡后會(huì)產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，高峰值及功率密度會(huì)導(dǎo)致檢則樣品產(chǎn)生氣化、電離，從而生成溫度較高、能量較大的等離子體，從而放射出原子和離子光譜，光學(xué)系統(tǒng)收集光譜之后發(fā)送到光纖進(jìn)行耦合，進(jìn)入到光譜分析儀的入射狹縫當(dāng)中，形成的數(shù)據(jù)被采集之后輸送到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，對(duì)物質(zhì)的光譜進(jìn)行分析就可以獲得檢測(cè)物質(zhì)的成分和濃度。該技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)有著較大的差別，可以在相同時(shí)刻對(duì)多種元素進(jìn)行定性、定量地分析，多種狀在態(tài)的物質(zhì)均可以慶用，不再進(jìn)行復(fù)雜的樣品處理，被檢測(cè)樣品二次污染的概率較小，可以進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)沒，有著較高的分析效率，為一種非接觸式無(wú)損檢測(cè)。但該種檢測(cè)辦法成本較高，被檢測(cè)樣品具備的特性會(huì)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生影響。

1.2 X射線熒光光譜法

該技術(shù)是應(yīng)用被檢測(cè)樣品對(duì)X射線的吸收，根據(jù)成分及含量的改變進(jìn)行定量、定性方面的分析，在很多元素分析檢測(cè)技術(shù)當(dāng)中，XRF檢測(cè)分析技術(shù)應(yīng)用的較早，可以對(duì)多種元素進(jìn)行分析。采用X射線用于激發(fā)和照射待檢測(cè)試樣，從而使樣品內(nèi)的元素形成特征X射線，結(jié)合熒光波長(zhǎng)及能量來(lái)檢測(cè)元素濃度及類型。此種檢測(cè)辦法可以對(duì)樣品直接進(jìn)行分析檢測(cè)，不會(huì)對(duì)樣本進(jìn)行污染和破壞，有著較快的檢測(cè)速度和很高的穩(wěn)定性，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析。最近一些年來(lái)，XRF檢測(cè)技術(shù)取得了新的進(jìn)展，比例，X射線微熒光分析、全反射X射線熒光分析等，新技術(shù)的應(yīng)用使得檢測(cè)靈敏度得到大幅提升，不需要提取大量的樣品，進(jìn)行定量分析比較簡(jiǎn)單，全反射X射線熒光分析技術(shù)可以更好地應(yīng)用到重金屬檢測(cè)領(lǐng)域。

全反射X射線熒光分析是對(duì)能量色散射線熒光分析技術(shù)的改進(jìn)，幅射背景較低，而峰背比很高，檢出限可以達(dá)到以pg級(jí)。入射及反射角度都不高，不會(huì)形成較深地穿透，可以避免產(chǎn)基本效應(yīng)。與XRF技術(shù)進(jìn)行比較來(lái)看，XRF技術(shù)入射角約為45度X射線來(lái)對(duì)被檢測(cè)樣品進(jìn)行激發(fā)，而全反射X射線熒光分析技術(shù)以0.1度的入射角來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行激發(fā)，可以把樣品放置到載體中，原級(jí)射線經(jīng)過(guò)全反射處理作用到載體表面，從而形成全反射X射線熒光，利用放置到樣品中的硅或鋰探測(cè)器來(lái)完成檢測(cè)，該技術(shù)的痕量分析可以取得較好的效果，有著很好地應(yīng)用前景。

1.3 酶抑制法

利用該技術(shù)來(lái)對(duì)重金屬成分進(jìn)行檢測(cè)，是應(yīng)用重金屬離子和酶活性中心內(nèi)的甲巰基等進(jìn)行結(jié)合，使得酶活性中心結(jié)構(gòu)方式及具備的性質(zhì)產(chǎn)生了改變，從而使酶活力降低，會(huì)導(dǎo)致底物-酶形成改變?？梢允刮舛取@色劑顏色等出現(xiàn)變化，利用電、光等信號(hào)來(lái)進(jìn)行定量、定性方面的檢測(cè)和分析。很多酶已經(jīng)被應(yīng)用到重金屬檢測(cè)當(dāng)中，主要有葡萄糖氧化酶、脲酶等，應(yīng)用酶抑制法多采用水質(zhì)內(nèi)的重金屬離子成分的檢測(cè)和分析，利用該技術(shù)對(duì)土壤重金屬進(jìn)行檢測(cè)，需要對(duì)土壤樣品進(jìn)行前期地處理。此技術(shù)十分方便，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中應(yīng)用較廣，但不具備較高的精度和靈敏度。把不同類型的酶作為識(shí)別元件，再配合轉(zhuǎn)換元件和濃度傳感器，可以解決單一酶分析法的缺點(diǎn)。

1.4 免疫分析法

該檢測(cè)方法有著較高的靈敏度和特異性，按照抗原及抗體反應(yīng)原理，通過(guò)已知的抗原檢測(cè)來(lái)對(duì)抗體進(jìn)行檢測(cè)。普遍采用的免疫學(xué)檢測(cè)技術(shù)有酶聯(lián)免疫吸附技術(shù)、免疫熒光技術(shù)等，此技術(shù)具備的靈敏度要高于原子吸收光譜法。利用該技術(shù)對(duì)土壤重金屬進(jìn)行檢測(cè)，需要做好下面幾項(xiàng)工作：（1）選取合理化合物來(lái)實(shí)現(xiàn)與重金屬離子的結(jié)合，可以得到相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)，從而得到反應(yīng)原性。（2）把重金屬離子形成的化合物，與載體蛋白進(jìn)行連接，從而形成免疫原性。確定最為合理的化合物決定著是否形成特異性抗體。優(yōu)先選擇特異性良好的單克隆抗體、螯合劑是將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。該種檢測(cè)技術(shù)的選擇性較高，可以實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度，檢則效率較高，在土壤重金屬檢測(cè)方式有著較好的應(yīng)用前景。

1.5 生物傳感器分析法

該技術(shù)利用特異性蛋白、酶等作用于電極、生物膜中，可以對(duì)重金屬物質(zhì)進(jìn)行迅速地檢測(cè)。應(yīng)用生物識(shí)別特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與被檢測(cè)物質(zhì)的結(jié)合，形成的變化情況信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器處理后，可以被采集系統(tǒng)獲取到光、電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)來(lái)對(duì)被測(cè)檢物質(zhì)含量進(jìn)行分析。重金屬檢測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中已經(jīng)開發(fā)出細(xì)胞傳感器、免疫傳感器、酶生物傳感器等。免疫傳感器有效地?cái)U(kuò)展了重金屬離子檢則的應(yīng)用范圍，功能DNA傳感器為土壤重金屬快速檢測(cè)提供了新型技術(shù)。傳感器具有較高的穩(wěn)定性和靈敏度，可以進(jìn)行快速檢測(cè)分析，還有著較高的選擇性，但在同時(shí)檢測(cè)多種重金屬成分存在著較大的困難。但實(shí)際上，土壤樣品中具有多種重金屬物質(zhì)，應(yīng)用不同酶來(lái)對(duì)重金屬離子進(jìn)行識(shí)別，是將來(lái)的生物傳感器發(fā)展方向。

2 土壤重金屬快速監(jiān)測(cè)儀器

2.1 激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀

采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，可以在實(shí)驗(yàn)室條件下和現(xiàn)場(chǎng)來(lái)對(duì)土壤重屬進(jìn)行快捷地檢測(cè)。隨著科技進(jìn)步，一些穩(wěn)定性高的激光器、分辨率光譜分析儀和應(yīng)用軟件被研發(fā)出來(lái)，LIBS也得到了較快的進(jìn)步，可以用到實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)分析，不再對(duì)被檢測(cè)樣品進(jìn)行處理即可進(jìn)行檢測(cè)，內(nèi)部安裝有雙攝像頭，采取微秒級(jí)的時(shí)序分析控制辦法，可以進(jìn)行微米級(jí)的深度分析和檢測(cè)，該檢測(cè)儀器的可靠性高，可以滿足土壤重金屬快速檢則的需要，形成的激光源不會(huì)對(duì)人眼造成傷害，在數(shù)秒鐘時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)和分析。

2.2 X射線熒光光譜儀

該技術(shù)需要對(duì)待檢測(cè)樣品進(jìn)行單易處理，檢測(cè)步驟較少，可實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，在土壤重金屬篩查方面廣泛應(yīng)用。NITONXL3t 600X射線熒光光譜分析儀，可以達(dá)到更高的精度，對(duì)土壤樣品檢測(cè)只需要120-200秒。X-MET 5000分析儀，可以對(duì)輕元素的干擾進(jìn)行處理，對(duì)土壤重金屬進(jìn)行快速地分析。全反X射線熒光光譜儀，有著更好的靈敏度，結(jié)構(gòu)小巧緊湊，方便檢測(cè)人員攜帶。

2.3 生物類檢測(cè)儀

該檢測(cè)儀器應(yīng)用生物特異性進(jìn)行研發(fā)，已經(jīng)研發(fā)出滿足水體監(jiān)測(cè)的微生物傳感器，利用重金屬離子對(duì)生物體新陳代謝的抑制作用來(lái)檢測(cè)。

抑制作用的酶生物傳感器用于檢測(cè)土壤樣品中的抑制劑得到了人們的廣泛關(guān)注，可以對(duì)汞、銅和鎘等進(jìn)行檢測(cè)，但生物類檢測(cè)儀器的工業(yè)化應(yīng)用還沒有實(shí)現(xiàn)，還停留在原機(jī)試制階段。

結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的不斷重視，對(duì)大面積、持續(xù)性、高密度的土壤檢測(cè)提出了更高的要求，在保證時(shí)效性的同時(shí)還應(yīng)該避免附近土壤不會(huì)受到干擾，研發(fā)出高業(yè)、便攜工的土壤重金屬檢測(cè)儀是將來(lái)的發(fā)展方向。