基于ICP-MS的西咸地區(qū)水質(zhì)檢測(cè)

江永洪

摘 要：針對(duì)西咸地區(qū)飲用水水質(zhì)檢測(cè)困難，金屬元素分析方法匱乏的問(wèn)題，本研究基于ICP-MS分析技術(shù)，對(duì)該區(qū)域的飲用水水質(zhì)進(jìn)行了研究。首先，著重分析了ICP-MS的原理，并根據(jù)其原理建立了金屬元素分析方法，包括樣品的前處理、標(biāo)準(zhǔn)曲線選擇、參數(shù)優(yōu)化設(shè)置等，為后續(xù)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。然后，根據(jù)建立的ICP-MS檢測(cè)方法，對(duì)西安和咸陽(yáng)兩個(gè)地區(qū)的水樣分別進(jìn)行了試驗(yàn)，得到試驗(yàn)水質(zhì)中不同金屬元素的分布情況及金屬元素之間相關(guān)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，西咸地區(qū)的飲用水樣品中大部分金屬元素濃度符合我國(guó)國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，只有個(gè)別金屬元素超出了我國(guó)國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。此外，這兩個(gè)地區(qū)的金屬元素分布具有相似性，且元素之間普遍存在相關(guān)性。同時(shí)，這兩個(gè)地區(qū)的金屬元素也存在差異性。

關(guān)鍵詞：ICP-MS;水質(zhì)檢測(cè);飲用水;金屬元素

中圖分類(lèi)號(hào)：TX832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）06-0035-04

Abstract：In view of the difficulty of drinking water quality detection and the shortage of metal element analysis methods in Xixian region， the drinking water quality in this region was studied based on ICP-MS analysis technology. Firstly， the principle of ICP-MS is analyzed emphatically， and the analytical methods of various metal elements are established according to its principle， including sample pretreatment， standard curve selection， parameter optimization and so on， which laid the foundation for subsequent experiments. Then， according to the established ICP-MS method， water samples from Xian and Xianyang were tested， and the distribution and correlation of metal elements in water quality were obtained. The results showed that the concentrations of most metal elements in drinking water samples from Xixian region were in line with the national water quality standards， and only some metal elements exceeded the limits of the national water quality standards. In addition， the distribution of metal elements in the two areas is similar， and there is a general correlation between the elements. At the same time， there are differences in the metal elements between the two regions.

Key words：ICP-MS; water quality detection; drinking water; metal elements

飲用水作為人類(lèi)賴(lài)以生存的寶貴資源，在工業(yè)快速發(fā)展的今天，它的污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其是重金屬污染，已成為飲用水最主要的污染物。重金屬元素由于其本身具有毒性且不易被分解，因此當(dāng)它通過(guò)飲用水進(jìn)入人體后，容易堆積在人體的循環(huán)系統(tǒng)和脂肪組織中，破壞人體的分泌系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)人體造成危害。如人體接觸As可能引起皮膚損傷，誘發(fā)皮膚癌[1];人體長(zhǎng)期飲用富含Mn元素的水質(zhì)可能導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病[2]等。雖然飲用水重金屬污染問(wèn)題已受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，但由于飲水檢測(cè)技術(shù)受限，某些地區(qū)的檢測(cè)措施還不夠完善。為此，本文以西咸地區(qū)飲用水檢測(cè)為例，探討了這兩個(gè)地區(qū)水質(zhì)中的金屬元素分布，同時(shí)對(duì)這些元素的相關(guān)性進(jìn)行了研究，為該區(qū)域的飲用水風(fēng)險(xiǎn)管理提供了參考基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料采集

為研究西咸地區(qū)水質(zhì)，本研究共收集了50份飲用水作為試驗(yàn)樣品。其中，25份來(lái)自西安地區(qū)，各樣品5份;25份來(lái)自咸陽(yáng)地區(qū)，各樣品5份。

1.2 設(shè)備與試劑

本研究中，設(shè)備器材包括Agilent7700x ICP-MS、Elan DRC-e ICP-MS、超純水機(jī)、注射器、天平、超聲波清洗器、濾膜、一次性要用聚乙烯瓶。試驗(yàn)試劑包括IPC-MS調(diào)諧液;超純水機(jī)制備的超純水;來(lái)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的33種元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液以及用1%稀釋后的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液;濃硝酸溶液以及用超純水稀釋的5%稀硝酸溶液和1%的稀硝酸溶液;內(nèi)標(biāo)元素混合溶液。

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

1.3.1 ICP-MS簡(jiǎn)介

ICP-MS指電感耦合等離子體質(zhì)譜，是一種用于分析痕量和超痕量的新型儀器[3]，其核心部件包括樣品引入系統(tǒng)、等離子體、等離子體/真空接口、離子聚焦透鏡、質(zhì)量分析系統(tǒng)、離子檢測(cè)系統(tǒng)[4]。

樣品引入系統(tǒng)是整個(gè)ICP-MS的關(guān)鍵部件，主要功能是對(duì)液體樣品進(jìn)行霧化，并將其傳輸?shù)降入x子體[5]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

等離子體的主要目的是獲取帶有正電荷的離子[6]。首先，將氣溶膠形式的樣品在等離子體中進(jìn)行干燥，然后將其分解成原子，最后進(jìn)行電離。等離子體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

等離子體/真空接口指的是ICP-MS中采樣錐和截取錐之間的真空區(qū)域[7]。該接口的主要功能是提取樣品離子，并將其輸送到離子聚焦透鏡、質(zhì)譜分析器和檢測(cè)系統(tǒng)中[8]。離子聚焦透鏡的主要功能是剔除待測(cè)離子中的中性粒子和光子等干擾離子，使進(jìn)入質(zhì)量分析器中的離子更純凈[9]。質(zhì)量分析系統(tǒng)和離子檢測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)待測(cè)離子進(jìn)行定性和定量的分析，已得到分析結(jié)果[10]。

1.3.2 試驗(yàn)步驟

典型的ICP-MS儀器分析樣品的流程主要是霧化-去溶劑-蒸發(fā)-原子化-電離，如圖3所示。

首先，將液體樣品引入蠕動(dòng)泵中進(jìn)行提升，然后將提升后的樣品引入霧化室中產(chǎn)生氣溶膠，接著進(jìn)入等離子體進(jìn)行電離，最后在質(zhì)量分析器中進(jìn)行分離，利用電子倍增管計(jì)算待測(cè)離子個(gè)數(shù)，進(jìn)而得到對(duì)液體樣品定性和定量的分析結(jié)果。

基于對(duì)西咸地區(qū)水質(zhì)情況的研究目的，本研究建立了ICP-MS分析多種痕量元素的方法，具體流程如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 樣品前處理

將水質(zhì)樣品分別裝入體積為1L的聚乙烯瓶中，并貼上對(duì)應(yīng)標(biāo)簽帶回研究實(shí)驗(yàn)室。用注射器分別取50mL的樣品并經(jīng)過(guò)濾膜過(guò)濾。將濾液倒入100mL的聚乙烯瓶中，加入濃硝酸進(jìn)行酸化，得到pH值<2的混合溶液。將混合溶液儲(chǔ)存在4℃的環(huán)境中，剩余樣品儲(chǔ)存在冷藏中。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線配置

根據(jù)西咸地區(qū)的水環(huán)境特點(diǎn)，本研究選擇0μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、50μg/mL、100μg/mL五個(gè)點(diǎn)繪制的曲線作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，并采用體積法的方式配置標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.3 ICP-MS工作參數(shù)

ICP-MS工作參數(shù)的獲取主要包括以下3個(gè)步驟：

步驟1：開(kāi)機(jī)

開(kāi)啟ICP-MS儀器電源，調(diào)節(jié)氬氣壓力至700kPa，調(diào)節(jié)氦氣閥門(mén)至40kPa，安裝蠕動(dòng)泵管并打開(kāi)循環(huán)冷凝水和空調(diào)，保證工作環(huán)境在18℃，且循環(huán)水溫度在15℃至20℃之間，循環(huán)水壓力在230kPa至400kPa之間。最后打開(kāi)電腦，進(jìn)入ICP-MS操作界面。

步驟2：儀器參數(shù)設(shè)置與調(diào)諧

儀器參數(shù)設(shè)置具體如表1所示。

按表1設(shè)置儀器參數(shù)，待等離子體點(diǎn)火預(yù)熱20min后進(jìn)入儀器調(diào)諧階段。引入調(diào)諧液，優(yōu)化儀器性能，使儀器參數(shù)符合要求。具體調(diào)諧參數(shù)如表2所示。

步驟3：采集參數(shù)設(shè)置

將儀器此埃及參數(shù)設(shè)置為參考值，譜圖設(shè)置為質(zhì)譜圖，采用3個(gè)點(diǎn)的峰型，重復(fù)次數(shù)設(shè)置為3次，積分時(shí)間為0.3s，共采樣20次。

為對(duì)保證儀器的穩(wěn)定性，在進(jìn)行樣品分析時(shí)，對(duì)每間隔10的樣品重新做一次標(biāo)準(zhǔn)曲線，使檢測(cè)結(jié)果的RSD<10%。通過(guò)不斷調(diào)試得到ICP-MS的主要工作參數(shù)，冷卻器流速、載氣流速、補(bǔ)償器流速、氦氣流速分別為20L/min、0.8L/min、0.6L/min、4.0mL/min;霧化室溫度為2.5℃;采樣深度為7.0mm;元素重復(fù)采樣次數(shù)為3次。

3 結(jié)果與分析

3.1 水樣金屬元素分布

應(yīng)用ICP-MS對(duì)西咸地區(qū)中的飲用水進(jìn)行檢測(cè)，西安地區(qū)飲用書(shū)金屬元素含量如表3所示;咸陽(yáng)地區(qū)飲用水中的金屬元素分布，如表4所示。

由表3可知，西安地區(qū)飲用水中鋇元素含量最高，平均含量為39.55μg/L，其次是銻元素，平均含量為3.45μg/L;錳元素與鈷元素含量相近;鈹含量最低，平均含量為0.05μg/L。由表4可知，咸陽(yáng)地區(qū)飲用水中的16種金屬元素，鋇元素含量最高，平均含量為27.39μg/L;鎘含量最低，平均含量為0.09μg/L。

通過(guò)對(duì)比可知，西安和咸陽(yáng)飲用水中金屬元素的分布既有相似的地方，也存在較大的差異。咸陽(yáng)地區(qū)水質(zhì)中的金屬元素含量均高于西安地區(qū)水質(zhì)中金屬元素的含量，而造成這種差異的原因可能是地質(zhì)因素或人為因素。

本研究將水樣檢測(cè)結(jié)果按Ⅱ類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估可知，這兩個(gè)地區(qū)的大部分金屬元素含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，只有少數(shù)元素含量超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的范圍，如咸陽(yáng)地區(qū)25份水樣中有一份中的錳元素超出了規(guī)定范圍。

3.2 相關(guān)性分析

通過(guò)分別對(duì)西咸地區(qū)的飲用水中16種金屬元素相關(guān)性分析，得到如表5、表6所示的分析結(jié)果。

由表5可知，西安地區(qū)的飲用水中金屬元素鈷-錳、鈷-鎳、鋅-鎘之間的p值小于0.01，說(shuō)明這些金屬元素之間呈顯著相關(guān);銻-鈹、鈷-銅金屬元素之間的p值小于0.05，說(shuō)明這些金屬元素之間具有相關(guān)性;其余金屬元素之間，p值均大于0.05。在具有相關(guān)性的金屬元素中，密切正相關(guān)的金屬元素為銅-鎳;一般正相關(guān)的金屬元素有鈷-銅、鈷-錳、鎳-鈷;負(fù)相關(guān)的金屬元素有鈹-銅。

由表6可知，咸陽(yáng)地區(qū)的飲用水中金屬元素銅-鈷、鎘-銻的p值均小于0.01，說(shuō)明這些元素之間呈顯著相關(guān);金屬元素鎳-鈷之間的p值均小于0.05，說(shuō)明這些元素之間具有相關(guān)性;其余金屬元素之間，p值均大于0.05，說(shuō)明這些金屬元素之間不具有相關(guān)性。另外，在具有相關(guān)性的金屬元素中，密切正相關(guān)的金屬元素有鎘-銻、銅-鈷;一般正相關(guān)的金屬元素有鎳-鈷。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，西咸地區(qū)的飲用水樣品中9種金屬元素的大部分元素，包括鋅、錳、鎳、銅等元素濃度符合我國(guó)國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，只有個(gè)別樣品中的元素，如咸陽(yáng)地區(qū)有一份水樣中錳元素超出了我國(guó)國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。兩個(gè)地區(qū)的金屬元素分布具有相似性，同時(shí)也存在差異性。兩個(gè)地區(qū)水質(zhì)中的金屬元素之間普遍存在相關(guān)性，且呈正相關(guān)，說(shuō)明大多數(shù)的金屬元素可能來(lái)源形同。

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