水中鋁元素檢測方法對比研究

王主華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

鋁元素作為地殼中含量最多的金屬元素，廣泛存在于土壤、礦石、水體等環(huán)境介質(zhì)中。由于人類對礦產(chǎn)的肆意開采，環(huán)境破壞帶來酸雨加劇，使得鋁元素大量溶出到地表水和地下水環(huán)境中，給環(huán)境水體帶來不同程度的污染[1-2]。鋁不僅能夠通過飲用水直接進入人體，還能夠通過動植物富集作用間接被人體攝入，長此以往會在人體組織器官內(nèi)蓄積，產(chǎn)生慢性毒素，當達到一定濃度，便會造成組織器官病變，嚴重危害人體健康。

現(xiàn)實生活中鋁主要來自于凈水廠水處理過程中投加的鋁鹽混凝劑，國家標準對生活飲用水中的鋁含量有嚴格要求。研究表明，鋁含量過高容易引發(fā)骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮、腎衰竭、尿毒癥以及大腦中樞神經(jīng)損壞等重大疾病[3-4]。準確測定生活飲用水中的鋁濃度是保證水安全的重要前提。目前，鋁的測定方法主要有傳統(tǒng)的分光光度法和電化學分析法，逐漸發(fā)展流行的原子吸收法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)及電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[5]。相比于傳統(tǒng)化學方法，儀器法的檢測不僅更加準確、穩(wěn)定，同時具有快速高效、操作便捷、節(jié)省試劑等優(yōu)勢[6-7]，儀器法越來越多地被應用到常規(guī)檢測中。目前的研究大多都集中在儀器法與傳統(tǒng)方法的比較和優(yōu)勢，對于儀器法之間的比較研究甚少[8-9]。本文擬將ICP-AES和石墨爐原子吸收法測定鋁含量數(shù)據(jù)進行對比，多方面分析兩者在水質(zhì)檢測中的優(yōu)劣勢，旨在為生活飲用水安全和水生態(tài)保護等領域中鋁的檢測提供科學合理的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗原理

光譜法依照《鉛、鎘、釩、磷等34種元素的測定——電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)》(SL 394.1—2007)測定水中鋁元素。該技術主要通過電感耦合等離子炬為激發(fā)光源，產(chǎn)生高頻電磁場，使樣品中的鋁元素和惰性氣體(氬氣)充分原子化。通過電離、激發(fā)過程，鋁元素的原子會發(fā)射出特異性光譜，光譜強度與元素含量成正比，從而對鋁元素進行定性定量分析[10]。

原子吸收法依照《生活飲用水標準檢驗方法 金屬指標》(GB/T 5750.6—2006)中石墨爐原子吸收光度法測定水中鋁元素。采用石墨管作為原子化器，經(jīng)酸化處理的水樣注入石墨爐內(nèi)，經(jīng)高溫原子化后，鋁的基態(tài)原子能夠吸收空心陰極燈發(fā)射的共振線，通過吸收強度與鋁含量成正比，進行定性定量分析[11]。

1.2 儀器條件與試劑

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法采用的儀器為離子體光譜儀。參數(shù)條件：測定波長396.15nm，高頻發(fā)生器(RF)功率1.25kW，等離子氣流量15.0L/min，載氣流量1.2L/min，霧化氣壓220kPa，觀測高度10mm。

原子吸收法采用的儀器為石墨爐原子吸收分光光度儀，配備鋁空心陰極燈和熱解涂層石墨管。參數(shù)條件：測定波長309.30nm，光通道0.40nm，燈電流10mA，載氣流量0.3L/min，設定灰化溫度700℃，原子化溫度2400℃。

試劑采用的鋁標準溶液(濃度為1000.0mg/L)和鋁標準物質(zhì)(GSB 07-1375—2001)，均來自于國家標準物質(zhì)中心；鋁標準使用液：取10.0mL鋁標準溶液于1000mL容量瓶，配得10mg/L的鋁標準使用液備用；硝酸(優(yōu)級純)；去離子水。

1.3 配制標準曲線

光譜法和原子吸收法均采用同一標準曲線溶液配制。用移液管分別取上述10.0mg/L鋁標準使用液1mL、2mL、4mL、8mL、10mL，分別加入到5個100mL容量瓶中，加入2%硝酸，去離子水定容，配得濃度為0.1mg/L、0.2mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L、1.0mg/L的標準曲線溶液。

1.4 樣品前處理與測定

向水樣中加入2%硝酸，酸化后可按照儀器規(guī)范直接進樣分析。

2 結果與討論

2.1 標準曲線與檢出限

比較標準曲線數(shù)據(jù)，ICP-AES和石墨爐原子吸收光度法均具有良好的相關性，相關系數(shù)無顯著差異，表明兩種方法均適用于水中鋁元素的檢測。通過連續(xù)測定11次空白樣品數(shù)據(jù)，根據(jù)信噪比S/N=3，以空白值標準差(n=11)的3倍作為兩種方法的儀器檢出限，再以儀器檢出限的3～5倍設定方法檢出限，其結果見表1。比較檢出限結果，石墨爐原子吸收法相對于ICP-AES具有更低的檢出限，對于微量濃度樣品的檢測更加有優(yōu)勢。

表1 兩種方法的標準曲線與檢出限對比情況

2.2 精密度與準確度

選取大連碧流河水庫飲用水水源地、夏家河子地下水水樣以及鋁元素標準物質(zhì)(GSB 07-1375—2001)，分別采用ICP-AES和石墨爐原子吸收法測定3個樣品的鋁含量。水樣平行測定7次，通過計算相對標準偏差和標準物質(zhì)的相對誤差，對比分析兩種方法的精密度和準確度，結果見表2。

表2 精密度與準確度對比

對比3個不同濃度樣品的數(shù)據(jù)結果，ICP-AES和石墨爐原子吸收法的相對標準偏差范圍分別為2.2%～6.8%和2.2%～6.0%，兩種方法精密度無顯著差異；在測定較低濃度時，石墨爐原子吸收法的相對標準偏差更小，精密度相對更高。對于標準樣品的測定值結果，ICP-AES和石墨爐原子吸收法的相對誤差分別為1.03%和3.10%，表明ICP-AES具有更高的準確度。不難看出，石墨爐原子吸收法測定的樣品值相對較低，該誤差是由于石墨管的多次使用和老化所致，研究也表明，石墨管的使用和材料對于水中鋁的測定具有一定的限制作用。上述結果表明，ICP-AES對于測定結果的準確性更具優(yōu)勢，且抗干擾能力強。

2.3 加標回收實驗

取上述兩個天然水樣(碧流河水庫和夏家河子地下井)，樣品濃度為上述實驗平均值，鋁元素加標量分別為0.1mg/L和0.2mg/L, 采用ICP-AES和石墨爐原子吸收法平行測定6次，計算加標回收率，結果見表3。

表3 加標回收率對比

實驗測得ICP-AES回收率在97.3%～107.0%范圍內(nèi)，平均回收率為102.0%；石墨爐原子吸收法回收率在95.8%～102.8%范圍內(nèi)，平均回收率為98.3%。兩種方法均具有良好的回收率，且偏差較小，ICP-AES相比石墨爐原子吸收法回收率更高。

2.4 方法對比

配制0.1mg/L的鋁使用液，分別采用ICP-AES和石墨爐原子吸收法進行5次平行測定，計算其平均值和標準偏差，通過F檢驗法和t檢驗法進行顯著性差異判斷，結果見表4。

表4 方法顯著性檢驗

經(jīng)計算，F(xiàn)計算=1.20，f(1)=f(2)=4，查F檢驗分布表可知F表=6.39，F(xiàn)計算

3 結 論

ICP-AES和石墨爐原子吸收法均適用于水中鋁的檢測，標準曲線相關性良好，檢出限、加標回收率、精密度以及準確度均符合實驗標準。通過實驗數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn)，原子吸收法具有更低的檢出限，測量范圍更廣泛，且精密度略高于ICP-AES，但其準確度易受到石墨管的影響；而ICP-AES具有更好的準確度，抗干擾性強，因此兩種方法在水質(zhì)檢測方面各具優(yōu)勢。在儀器使用方面，石墨爐原子吸收法的操作相對簡單，但對于石墨管的要求較高，需加入改進劑和特殊涂層，且石墨管的使用次數(shù)會影響其檢測結果，因此在測定中存在一定的弊端[12]。ICP-AES儀器自動化程度高，可以同時測定包括鋁在內(nèi)的多種金屬元素，方便快捷且省時省力[13]。綜上所述，光譜法對于水中鋁的檢測具有更大的優(yōu)勢。