水中重金屬檢測技術(shù)研究

劉妍君

(西山煤電(集團)有限責(zé)任公司職業(yè)病防治所，山西 太原 030052)

引 言

我國是工業(yè)大國。在生產(chǎn)過程中，重金屬經(jīng)常被引入作為原料或輔料。然而由于處理不當(dāng)，大量超標(biāo)重金屬元素廢水被直接排放至環(huán)境中，對水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。而且排入水體中的重金屬不僅無法被生物降解，部分重金屬元素還可能與水中其他物質(zhì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為毒性更強、遷移率更高的污染物。重金屬污染物隨著食物鏈在水環(huán)境中逐級富集，逐級放大其危害作用，對人類的生命健康造成嚴(yán)重的威脅。重金屬對人體所產(chǎn)生的危害程度取決于其種類、性質(zhì)、存在形態(tài)和濃度等因素[1]。長久以來，人們不斷研究探索重金屬的檢測技術(shù)。因此,只有熟悉水環(huán)境中重金屬的檢測技術(shù)及應(yīng)用情況，才能在水環(huán)境實踐檢測中準(zhǔn)確高效采用最恰當(dāng)?shù)姆椒ㄈz測及判定重金屬的含量和性質(zhì)。另外，也進一步為人類的生命安全以及自然生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)建設(shè)提供保障。

1 水體中重金屬污染的現(xiàn)狀

在我國，水體環(huán)境中重金屬污染十分嚴(yán)重且呈逐年上升的趨勢。大部分城市都存在不同程度的水污染問題。在七大水系中，以往水質(zhì)較好的長江水域現(xiàn)在也面臨比較嚴(yán)重的鎘污染，而黃河水體中鎘含量超標(biāo)的斷面大概占16%?；春雍秃：拥闹饕恿髦墟k含量也較高。重金屬不僅會污染水體，還會直接影響水中生物。例如魚類的重金屬離子含量如果超過一定濃度會導(dǎo)致中毒甚至死亡，嚴(yán)重影響了水生生物的正常生長。此外，生物一部分會通過食物鏈進入人體，間接對人體健康造成威脅，例如鎘會積存于人體的肝或腎臟，破壞中樞神經(jīng)系統(tǒng)。除此之外，重金屬在水環(huán)境中的含量與形態(tài)主要和水環(huán)境鹽度、pH 值等有關(guān)。在適宜的水環(huán)境中，重金屬污染物易于聚集沉積，導(dǎo)致水底污染[2]。眾所周知水底污染的環(huán)境治理工作的難度極大。但是根據(jù)近幾年的長江水樣檢測數(shù)據(jù)得出，無論是水體樣本的沉淀物還是懸浮物中，重金屬含量都已嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)。因此，對于重金屬污染與檢測技術(shù)的研究迫在眉睫。

2 水環(huán)境中重金屬檢測技術(shù)

2.1 紫外可見分光光度法

紫外可見分光光度法是基于光學(xué)原理，通過物質(zhì)對光的選擇性吸收，對水環(huán)境中的重金屬進行檢測。其基本原理是通過利用物質(zhì)中價電子的能級躍遷，對水中介質(zhì)的光譜吸收區(qū)域進行檢測，進而定性分析或定量的探測出水中重金屬含量。簡單而言，紫外可見分光光度法是根據(jù)水樣物質(zhì)性質(zhì)以及吸收光的種類進行水質(zhì)檢測的。若是在吸收光的變化過程中變化特別明顯，那么整個水中的水質(zhì)金屬含量就會越高；若是變化并不明顯，那么就證明水中所含有的金屬物質(zhì)不多。紫外可見分光光度法在水樣檢測中非常常見，因為其具有設(shè)備簡單、方法可靠、檢測結(jié)果準(zhǔn)確、簡便快速等優(yōu)點。但由于其前處理復(fù)雜、靈敏度或選擇性不能滿足某些實際檢測要求，存在一定的局限性。

2.2 原子熒光分光光度法

原子熒光分光光度法也是水中重金屬檢測的主流方法。其最大的特點是靈敏度高、選擇性強。該方法利用氫化物發(fā)生技術(shù),將水樣中某些重金屬元素的活性激發(fā)，使其得到分離, 等到它再次恢復(fù)到基本狀態(tài)時，便會發(fā)射出特定的熒光。對檢測得到的熒光進行光譜分析，便測出水樣中所含重金屬的濃度。相對于紫外-可見分光光度法,原子熒光分析法有更高的靈敏度、更低的檢出限，并且在樣品測定的前處理，分離、富集、顯色等過程可以跳過，操作相對簡單，重現(xiàn)性好、選擇性強[3]。但由于許多重金屬元素本身不產(chǎn)生熒光，需要額外加入納米材料、量子點、熒光染料等熒光物質(zhì)才可以進行測定，因此原子熒光分光光度法在實際檢測中的應(yīng)用有一定程度的限制。

2.3 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法的基本原理是由于待測元素的基態(tài)原子吸收特征譜線，根據(jù)特征譜譜線減弱程度來確定待測元素的含量。但是在實際測定中，不同水樣中含有不同類型的重金屬元素，需要進行反復(fù)且相對繁瑣的更換環(huán)節(jié)，導(dǎo)致檢測工作量增大，耗費了大量的人力物力?？偠灾摲ň哂锌焖?、精度高、抗干擾強、操作較為復(fù)雜的特點。

2.4 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法

電感耦合等離子體發(fā)射光譜法通過激發(fā)水樣中重金屬離子形成特定光譜，對水質(zhì)中重金屬進行定量的有效檢測。該技術(shù)作用原理簡單，并能夠多元素同時測定，具有基體干擾性比較小，檢出限低，靈敏度高、高效精準(zhǔn)、操作簡便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于水環(huán)境檢測實踐中。另外，該方法還可以與分離富集技術(shù)結(jié)合使用。例如，使用溶劑萃取法、共沉淀法和離子交換法測定中重金屬元素含量為微量的水樣，不僅降低檢測限并且富集提高了檢測濃度。但是，這種新型檢測技術(shù)的高成本限制了其在重金屬水質(zhì)檢測中的普及[4]。

2.5 電感耦合等離子體質(zhì)譜法

電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)由于高靈敏度、低檢出限而被廣泛應(yīng)用。該法是一種微量與超微量多元素同時分析的方法，靈敏快速。其工作原理是：將待測水樣在等離子體的高溫使樣品蒸發(fā)、氣化解離、原子化、電離，再將離子轉(zhuǎn)化為電子脈沖。電感耦合等離子體質(zhì)譜法就是通過電子脈沖的大小反映水樣中分析離子的濃度，實現(xiàn)未知樣品的重金屬元素定量分析，具有檢出限低、方便快速、實際工作量較少等優(yōu)點。

2.6 電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析法是水環(huán)境重金屬污染檢測技術(shù)的較為常見的方法，其檢測原理是根據(jù)溶液中待測物質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)和變化規(guī)律來測定水中重金屬離子的含量。就電位分析法檢測而言，一般在電流為零的條件下進行，而極譜法則采用滴汞電極。伏安法與極譜法這兩種電化學(xué)分析手段可以自動生成電流、電位曲線圖，這樣能夠可以對檢測工作進行優(yōu)化。最后，由于這種方法有時會受基體效應(yīng)等其他因素影響，導(dǎo)致檢測的效率較為低下。電化學(xué)分析法主要具有以下特點：1)準(zhǔn)確度高，檢測不同含量有不同的適用的電化學(xué)方法；2)檢出限低，溶出伏安法采用液態(tài)電極，檢測下限要求相對較低，能夠在現(xiàn)場或在線進行檢測；借助電位分析法，對電極電位進行分析與檢測，集合濃度實現(xiàn)有效檢測；3)儀器簡單，操作方便，易自動化，例如：在實際運用的檢測過程中，能夠運用直接電導(dǎo)法進行具體分析。

3 水環(huán)境中重金屬檢測技術(shù)的應(yīng)用

目前，我國質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和排放標(biāo)準(zhǔn)中對于各種重金屬元素的檢測方法均有規(guī)定。首先，原子熒光與發(fā)射光譜法在實際開展檢測工作的過程中，均不受熒光類型的影響，其熒光強度與物質(zhì)原子濃度成正比，但由于實際運用相對較為煩瑣以及使用范圍有限，限制了它的廣泛應(yīng)用[5]。一般來講, 原子熒光法適合對于易揮發(fā)元素如砷、汞、硒、銻等進行測定。原子發(fā)射光譜法可以對水樣中重金屬元素(原子或離子)進行高效分析，但要借助電與熱支撐。例如，有研究建立了測定環(huán)境水樣中痕量Cd(Ⅱ)的新方法，是使用包含F(xiàn)e3O4-SiO2-二氧化石墨烯和氨基酸的液態(tài)離子復(fù)合材料作為磁性固相萃取劑，與電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)相結(jié)合。結(jié)果表明該復(fù)合材料可以用于高效檢測水樣中的Cd(Ⅱ)含量，回收率也很高。

其次，對于高溫元素如鋇、鈹、鉬等的測定，應(yīng)選擇ICP-MS。ICP-MS比原子吸收法和分光光度法更靈敏，是最為廣泛的痕量元素的檢測手段之一。在分析能力上，ICP-MS以靈敏高效為特點，獨具自身的優(yōu)越性。但其儀器購置成本較高成為了實踐中較大的局限。

電化學(xué)分析法來檢測水質(zhì)中重金屬含量在實際應(yīng)用的過程中具有一定優(yōu)勢，不僅可以節(jié)約技術(shù)成本，還可以保證檢測結(jié)果真實可靠，并且可以與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，以建立重金屬污染數(shù)據(jù)庫并創(chuàng)建特定的水質(zhì)文件，實現(xiàn)檢測自動化。例如：采用溶出伏安法還可結(jié)合最新的電化學(xué)傳感器分析水環(huán)境中重金屬含量，方便快捷，基本不會受其他外界因素的干擾。有研究通過機械化學(xué)合成法合成了一種電極材料—共價有機框架材料TpPa-1,制備出了化學(xué)修飾電極,通過電化學(xué)分析法研究了修飾電極的差分脈沖(DPASV)同時測定了水樣中的銅離子和汞離子，結(jié)論表明這是一種高靈敏度、高選擇性、制備簡單、快速高效的分析方法。

4 結(jié)語

重金屬不僅嚴(yán)重污染水體，還對人體健康和生產(chǎn)生活有著極大的危害。因此，研究環(huán)境中重金屬元素測定技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。但是，重金屬檢測技術(shù)的發(fā)展需要長期、全面的工作。首先相關(guān)部門應(yīng)該高度重視，對檢測技術(shù)的研究進展緊密跟進，掌握最新最全面的技術(shù)發(fā)展動態(tài)；相關(guān)專業(yè)人員也要在實踐工作中總結(jié)經(jīng)驗，選擇合適的重金屬檢測分析技術(shù)，在檢測前期，做好現(xiàn)場調(diào)研工作并進行全面客觀的分析，在檢測中要確保選擇合理的檢測方法。盡管目前對水環(huán)境進行重金屬檢測的技術(shù)多種多樣，但每種方法都有特點和適用條件。在實際測定過程中，要求檢測人員要全面分析，因地制宜地采取合適的一種或兩種聯(lián)合使用測定，以減輕重金屬對環(huán)境、對人類的影響。