關(guān)于土壤重金屬光譜檢測方法的探析

李萬杰

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師環(huán)境監(jiān)測站，新疆 阿拉爾 843300）

當前，我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，工業(yè)化持續(xù)推進，然而工業(yè)廢棄物和工業(yè)廢水的排放對人體健康造成嚴重的威脅。工業(yè)廢棄物和工業(yè)廢水中往往含有大量重金屬，一旦未經(jīng)處理而進入環(huán)境，不僅會污染農(nóng)作物，還會致使糧食大量減產(chǎn)，阻礙我國經(jīng)濟發(fā)展[1-3]。為此，本文分析了土壤重金屬光譜檢測國內(nèi)現(xiàn)狀和檢測方法，以期不斷推進土壤污染防治工作。

1 土壤重金屬光譜檢測國內(nèi)現(xiàn)狀

新時代，我國大力開展城市建設(shè)，工業(yè)迅速發(fā)展和壯大，不僅為人們的生活帶來翻天覆地的變化，也改變了世界的面貌。然而，工業(yè)生產(chǎn)會產(chǎn)生大量污染物，導致環(huán)境污染，嚴重威脅人體健康，使得人們開始正視環(huán)境污染問題。企業(yè)要不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)，加大環(huán)境治理的資金投入。可是，環(huán)境污染的治理不是一朝一夕就能實現(xiàn)的，往往需要投入大量時間和精力，尤其是對土壤污染的綜合治理。

地表土壤不僅是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是人類賴以生存的根本，土壤環(huán)境質(zhì)量安全直接影響人類可持續(xù)發(fā)展，也是確保農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素。一旦土壤被重金屬污染，農(nóng)作物可能會吸收重金屬元素，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，威脅人體健康[4-6]。為此，人們必須采用有效的檢測技術(shù)手段，科學檢測土壤中的重金屬物質(zhì)。

與發(fā)達國家相比，我國重金屬光譜檢測研究起步較晚，但是發(fā)展十分迅速。重金屬光譜檢測主要利用原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、激光誘導擊穿光譜法、X射線熒光光譜法、表面增強拉曼光譜法等來實現(xiàn)對土壤中重金屬物質(zhì)的檢測。這些檢測技術(shù)可以大幅度提高檢測結(jié)果的精準度、準確度，同時現(xiàn)代治理技術(shù)相輔相成，可以有效降低或清除掉土壤中的重金屬物質(zhì)，從而大幅度提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，推動我國社會經(jīng)濟長久發(fā)展。

2 土壤重金屬光譜檢測方法的探析

2.1 原子吸收光譜法

原子吸收光譜又被稱為原子分光光度法，它是基于待測元素的基態(tài)原子蒸氣對其特征譜線進行吸收的一種技術(shù)，它是根據(jù)特征譜線的基本特征和譜線減弱的不同程度對待測元素進行定性、定量分析的一種儀器分析方法[2]。原子吸收光譜法的基本原理是利用氣態(tài)原子來吸收一定波長的光輻射，使得原子中層或外層的電子能夠從基本常態(tài)跳躍至激發(fā)狀態(tài)。各原子中的不同電子帶有的能級不同，可以有選擇性地吸收一定波長的輻射光，使入輻射光大幅度減弱。

利用原子吸收光譜法對土壤重金屬進行檢測有很多優(yōu)點。一是選擇性比較強，因為原子吸收帶寬很窄。二是靈敏度高。原子吸收光譜法是我國目前土壤重金屬檢測使用最多的方法之一，該技術(shù)靈敏度較高，需要的進樣量相對較少。三是分析范圍廣。原子吸收光譜法往往與元素的激發(fā)性能有著密不可分的關(guān)聯(lián)，它不僅可以檢測微量甚至是超痕量元素，也可以檢測氣態(tài)樣品和部分固態(tài)樣品，這是其他分析技術(shù)所不能實現(xiàn)的。四是抗干擾能力比較強，它不會因外界溫度而受到影響，靈敏度高，土壤重金屬檢測成果較為顯著。

2.2 原子熒光光譜法

原子熒光光譜法又可以稱為原子吸收分光光度分析法，它是介于原子發(fā)射光譜和原子吸收之間的光譜分析技術(shù)。它主要利用待檢測的特定原子蒸氣輻射的特有光波，對土壤中的重金屬元素進行定量檢測和分析[3]。基本原理是利用基本形態(tài)的原子來吸收特定頻率的輻射而被激發(fā)至高能態(tài)，激發(fā)期間以光輻射的基本形式發(fā)射出特征波長的熒光。原子熒光光譜法有諸多優(yōu)點，在對重金屬土壤進行檢測時，靈敏度很高，校正曲線的線性范圍很寬，可以同時測定多種元素。該技術(shù)在冶金、地質(zhì)、石油、農(nóng)業(yè)、材料科學、環(huán)境科學等領(lǐng)域均獲得了廣泛的應用。

2.3 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法

電感耦合等離子體發(fā)射光譜法利用高頻電感耦合產(chǎn)生等離子體放電的光源，進行原子發(fā)射光譜分析，它是一種火焰溫度在6 000～10 000 K的火焰技術(shù)。該發(fā)射強度表示樣品中元素的濃度，它也是一種新型激發(fā)光源，性能極強，應用范圍十分廣泛。該方法可以分析檢測多種元素，實現(xiàn)對重金屬元素的定量、定性分析，同時可以對土壤中的部分非重金屬元素進行相關(guān)分析，檢測結(jié)果的精準度高。電感耦合等離子體發(fā)射光譜主要由離子體炬管、高頻發(fā)生器（產(chǎn)生高頻電流）、感應圈、供氣系統(tǒng)和霧化系統(tǒng)等組成，其中，炬管由三層同心石英玻璃管組成[4]。

2.4 激光誘導擊穿光譜法

激光誘導擊穿光譜法是通過超短脈沖激光聚焦樣品表面形成的等離子體，對等離子體發(fā)射光譜進行分析，進一步確定待檢測樣品的物質(zhì)成分和含量，被廣泛應用在諸多領(lǐng)域，是一種現(xiàn)代化的土壤重金屬檢測分析技術(shù)。其中，超短脈沖激光在聚焦后產(chǎn)生的能量密度往往比較高，可以將自然界中的任何物態(tài)檢測樣品激發(fā)成等離子體，同時受到激光功率、攝譜儀檢測器的靈敏度和波長范圍限制。在利用激光誘導擊穿光譜法對土壤中的重金屬進行檢測時，假如待檢測材料物質(zhì)成分和含量是已知的，該技術(shù)就可以用于評估待檢測樣品中的每種元素和物質(zhì)相對濃度，或?qū)Υ龣z測樣品中的雜質(zhì)進行檢測。激光誘導擊穿光譜法的主要硬件是1 064 nm Nd:YAG脈沖激光器，脈寬約為10 ns，聚焦后能量密度可達1 GW/cm。除此之外，該方法的檢測儀器成本較高，土壤重金屬檢測結(jié)果的精準性往往會受到待檢測樣品均勻性的影響，其有待進一步優(yōu)化。

2.5 X射線熒光光譜法

X射線熒光光譜法集現(xiàn)代電子技術(shù)、光譜檢測分析技術(shù)、計算機技術(shù)和化學技術(shù)于一體，主要利用待檢測樣品對X線的吸收，對樣品進行定性或定量分析。該技術(shù)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)，可以檢測土壤中的多種重金屬元素，檢測物質(zhì)的濃度范圍較寬，操作十分簡單，環(huán)保且成本低。該技術(shù)被廣泛應用在諸多固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的檢測上，可以進一步實現(xiàn)重金屬檢測和分析的自動化，操作快捷，成效顯著。

當照射原子核的X射線能量與原子核的內(nèi)層電子能量在同一數(shù)量級時，核的內(nèi)層電子共振吸收射線的輻射能量后發(fā)生躍遷，而在內(nèi)層電子軌道上留下一個空穴，處于高能態(tài)的外層電子跳回低能態(tài)的空穴，將過剩的能量以X射線的形式放出，所產(chǎn)生的X射線即為代表各元素特征的X射線熒光譜線[5]。該方法的靈敏度高，譜線簡單，在檢測土壤中的重金屬時，即使土壤濃度較低，校準曲線的線性范圍也可寬達3～5個數(shù)量級。其應用范圍廣泛，不僅可以應用于土壤重金屬檢測，還可以應用于環(huán)境科學、高純物質(zhì)、礦物、水質(zhì)監(jiān)控、生物制品以及醫(yī)療病理分析等方面。

2.6 表面增強拉曼光譜法

表面增強拉曼光譜法利用增強因子將常規(guī)拉曼光譜信號進行強化，它是一種表征分子震動能力的指紋管光譜。拉曼光譜和紅外光譜均屬于分子震動光譜，可以直接反映分子特征結(jié)構(gòu)。需要注意的是，拉曼信號都很弱，對表面吸附物種進行拉曼光譜研究時，人們幾乎都要利用某種增強效應。該技術(shù)廣泛應用于物理、化學和生物等領(lǐng)域，是目前土壤重金屬檢測領(lǐng)域較為先進的檢測方法，具有超高的精準性、準確性以及特異性，可以使檢測人員對土壤中的各類重金屬進行分子級別分析和檢測。人們可以利用表面增強拉曼光譜法來檢測土壤中的重金屬，但是重金屬自身不具備明顯的譜峰特征，檢測人員需要對其進行標記分子間接性檢測。表面增強拉曼光譜法不只應用于土壤重金屬檢測領(lǐng)域，也被廣泛應用于材料、化工、石油、高分子、生物、環(huán)保和地質(zhì)等領(lǐng)域。

3 結(jié)語

隨著城市化和工業(yè)化的快速推進，工業(yè)垃圾和生活垃圾不斷增加，致使地表土壤受到嚴重的重金屬污染，不僅對人體健康造成威脅，也威脅地表生物的生存。因此，要不斷優(yōu)化土壤重金屬檢測技術(shù)，有效提高土壤重金屬檢測的靈敏度，以實現(xiàn)我國社會的可持續(xù)發(fā)展。