環(huán)境水質(zhì)分析中重金屬檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用探究

黃治華 郭志娟

關(guān)鍵詞： 環(huán)境水質(zhì)分析 重金屬檢測(cè)技術(shù) 電感耦合 等離子體質(zhì)譜法 水污染治理

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)于環(huán)境污染問(wèn)題的關(guān)注度也越來(lái)越高。重金屬污染是環(huán)境污染問(wèn)題的分支之一，將對(duì)水中生物及人類生命安全產(chǎn)生極大威脅。當(dāng)前，工業(yè)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，環(huán)境水質(zhì)重金屬實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)也是尤為重要的?；诖?，該文分析環(huán)境水質(zhì)檢測(cè)中不同重金屬檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于水污染治理、環(huán)境保護(hù)及人們生活質(zhì)量的提高均具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 檢測(cè)環(huán)境水質(zhì)重金屬的重要性

水資源是人類賴以生存的自然資源，其并不是取之不盡用之不竭的。隨著重金屬離子等污染物質(zhì)進(jìn)入水中就會(huì)對(duì)環(huán)境水質(zhì)產(chǎn)生污染，使可利用水資源儲(chǔ)備量越來(lái)越少，潛移默化地威脅著人類的生命安全。通過(guò)對(duì)環(huán)境水質(zhì)進(jìn)行重金屬檢測(cè)，能夠檢測(cè)出水中鉛、汞、銅、鉻、鋅等重金屬離子水平[1]，不同重金屬離子對(duì)人類的危害，具體見(jiàn)表1。通過(guò)合理運(yùn)用重金屬檢測(cè)技術(shù)，分析環(huán)境水質(zhì)中重金屬離子種類及水平，對(duì)比現(xiàn)行水環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)，明確是否存在重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，依據(jù)污染情況予以環(huán)境治理。由此可見(jiàn)，檢測(cè)分析環(huán)境水質(zhì)重金屬水平是實(shí)現(xiàn)水環(huán)境保護(hù)及環(huán)境污染治理的關(guān)鍵。

2 環(huán)境水質(zhì)分析中常見(jiàn)重金屬檢測(cè)技術(shù)

2. 1 光譜檢測(cè)技術(shù)

2.1.1 分光光度法

分光光度法的原理為個(gè)別污染物質(zhì)中價(jià)電子可越過(guò)200～800 nm 光譜區(qū)輻射吸收，從而產(chǎn)生可見(jiàn)紫外吸收光譜，從定性、定量及結(jié)構(gòu)層次等方面對(duì)污染物進(jìn)行分析。該方法充分利用物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收，水質(zhì)中若存在重金屬離子，其結(jié)合物質(zhì)后，將影響物質(zhì)對(duì)特定光的吸收，隨著重金屬含量的提高，其影響將越來(lái)越大[2]。該檢測(cè)方法以其操作便捷、設(shè)備要求低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已成為使用較為普遍的水環(huán)境重金屬檢測(cè)方法。隨著人們對(duì)檢測(cè)效率及可靠性要求不斷提高，已基于該方法引申出多種光譜干擾較小的吸光光度法，如導(dǎo)數(shù)法、雙波長(zhǎng)吸光光度法等。

2.1.2 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法的檢測(cè)原理為水環(huán)境中若存在重金屬原子，其自由基態(tài)原子將對(duì)共振輻射產(chǎn)生吸附作用，可通過(guò)分析吸收程度進(jìn)而明確重金屬污染水平。氫化物發(fā)生法、火焰法以及石墨爐法是較為常見(jiàn)的幾種原子吸收光譜法。（1）氫化物發(fā)生法綜合利用重金屬離子氫化物在常溫環(huán)境下具有較差的熱穩(wěn)定性且為氣態(tài)的特點(diǎn)，其檢測(cè)時(shí)以惰性氣體為載體，在石英管中配合使用還原劑使其發(fā)生受熱分解反應(yīng)，根據(jù)原子特征發(fā)射信號(hào)測(cè)定污染物水平[3]。（2）火焰法即在霧化器輔助下向燃燒頭噴入樣品溶液，在高溫條件下樣品溶液干燥后將發(fā)生熱解還原反應(yīng)，此時(shí)呈自由基態(tài)的重金屬原子將不同程度吸收共振輻射。（3）石墨爐法是將原子處于高溫條件下，獲取具有峰值變化走向的原子變化走向，依據(jù)不同時(shí)間段維持時(shí)間及溫度的不同，對(duì)相應(yīng)重金屬元素進(jìn)行分析[4]。上述3 種檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)各有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于氫化物發(fā)生法而言，其對(duì)于測(cè)定最佳分析線較近的重金屬元素時(shí)更為適用；而火焰法則恰好相反，其測(cè)定分析線較近元素時(shí)，易由于背景吸收而影響檢測(cè)精準(zhǔn)度，更適合檢測(cè)分析線相差較遠(yuǎn)的重金屬元素；由于石墨爐法具有較快的升溫速度，其在檢測(cè)稀土元素時(shí)更占優(yōu)勢(shì)。

2.1.3 電感耦合等離子質(zhì)譜法

電感耦合等離子質(zhì)譜法的重金屬檢測(cè)原理為將待檢測(cè)水質(zhì)樣品放入電感耦合等離子體后，在高溫條件下使待檢溶液發(fā)生離子化。水質(zhì)樣品重金屬離子被提取到高真空狀態(tài)的質(zhì)譜儀中，經(jīng)質(zhì)量篩選器處理后，可檢測(cè)出特定質(zhì)荷比的離子。由于不同重金屬元素離子其質(zhì)荷比不同，通過(guò)電感耦合等離子質(zhì)譜法可實(shí)現(xiàn)對(duì)80 余種元素的分析與檢測(cè)[5]。相比于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)監(jiān)測(cè)方法，電感耦合等離子質(zhì)譜法具有樣本采集量與干擾因素少、動(dòng)態(tài)線性范圍好且檢出限低、檢測(cè)效率高等優(yōu)勢(shì)，能夠在實(shí)現(xiàn)多種重金屬的同時(shí)檢驗(yàn)。在環(huán)境水質(zhì)分析中，該技術(shù)的運(yùn)用具有高效的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.1.4 熒光分析法

通常情況下，物質(zhì)在常溫狀態(tài)下若照射特定波長(zhǎng)的光，其價(jià)電子將由穩(wěn)定的基態(tài)向不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)所躍遷，此時(shí)價(jià)電子將出現(xiàn)衰變直至基態(tài)，在光照輻射下生成波長(zhǎng)相較入射光長(zhǎng)的光，即熒光。停止照射后，熒光即消失。熒光分析法可被細(xì)分為分子或原子熒光光譜法[6]。當(dāng)前，量子點(diǎn)、有機(jī)熒光染料及稀土納米材料等為檢測(cè)時(shí)常用的能夠發(fā)射熒光的物質(zhì)。若環(huán)境水質(zhì)中存在重金屬離子，其將強(qiáng)化或消滅熒光作用，重金屬含量越高表現(xiàn)越為明顯，該方法正是利用這一原理監(jiān)測(cè)水環(huán)境中的重金屬離子。

相比于常規(guī)原子吸收光譜法、分光光度法等，熒光分析法的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在高敏感度、低檢出限、不需實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)水樣進(jìn)行分離、顯色處理，操作簡(jiǎn)便。但由于重金屬物質(zhì)本身并不會(huì)自然產(chǎn)生熒光，需配合使用熒光物質(zhì)[7]。而上述幾種常用的熒光物質(zhì)只能夠?qū)μ囟◣追N重金屬離子有所響應(yīng)，如鎘離子、鉛離子、銅離子等，其他離子則難以檢測(cè)，導(dǎo)致該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。

2. 2 電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析法是基于不同物質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)對(duì)重金屬離子及含量予以測(cè)定。將試液作為化學(xué)電池的重要組成，依據(jù)化學(xué)電池參數(shù)（如電流、電阻、點(diǎn)位等）和待測(cè)物質(zhì)濃度關(guān)系予以分析，該檢測(cè)方法以電化學(xué)反應(yīng)為技術(shù)支撐，常見(jiàn)的有電位分析法、伏安法、滴定法、極譜法等。

極譜法也被稱為單掃描極譜分析法。在環(huán)境水質(zhì)重金屬檢測(cè)時(shí)將鋸齒形的脈沖電壓設(shè)置于電池兩側(cè)，根據(jù)后溪電解過(guò)程形成電解曲線，對(duì)樣本中重金屬予以分析。該方法在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的靈敏度與重現(xiàn)性，檢測(cè)效率較高。伏安法也被稱為陽(yáng)極溶出伏安法，其能夠?qū)崿F(xiàn)多種重金屬離子的連續(xù)性檢測(cè)，檢測(cè)儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作便捷，在對(duì)檢測(cè)精度沒(méi)有較高要求時(shí)較為常用。

2. 3 生物化學(xué)分析法

生物化學(xué)分析法具體包括酶分析法和免疫分析法等，是當(dāng)前水環(huán)境中重金屬檢測(cè)時(shí)較為前沿的檢測(cè)方法之一，在相關(guān)領(lǐng)域中有著較高的研究熱度。其中酶分析法的檢測(cè)原理為，若水中存在重金屬離子，其對(duì)于酶活性中心的巰基或甲巰基具有較好的親和力，二者結(jié)合后使酶活性中心結(jié)構(gòu)、性質(zhì)均發(fā)生不同程度的變化，對(duì)酶活性產(chǎn)生抑制，導(dǎo)致底物顯色劑的酸堿度、電導(dǎo)率及顏色等指標(biāo)均發(fā)生變化，通過(guò)定量分析可識(shí)別水中重金屬物質(zhì)，目前常用于酶分析法中的活性酶包括葡萄糖氧化酶、脲酶、異檸檬酸脫氫酶及過(guò)氧化物酶等[8]。有學(xué)者利用乙醇生成乙醛的反應(yīng)中配合醇脫氫酶催化時(shí)，重金屬鎘離子能夠?qū)γ富钚援a(chǎn)生抑制，進(jìn)而明確酶促反應(yīng)和鎘離子濃度間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)樣本中鎘離子濃度的有效測(cè)定[9]。相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性、便捷性，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，但只能實(shí)現(xiàn)定性分析，檢測(cè)準(zhǔn)確性不夠理想。

免疫分析法的檢測(cè)原理為抗原和抗體之間發(fā)生特異性反應(yīng)后對(duì)重金屬含量予以測(cè)定，其對(duì)于重金屬離子的選擇性和靈敏性均較高。在檢測(cè)時(shí)重金屬物質(zhì)能夠結(jié)合絡(luò)合物，形成特定空間結(jié)構(gòu)后，與抗原或抗體發(fā)生特異性反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境水質(zhì)樣本中重金屬元素的定量分析，但由于并非所有絡(luò)合物均能夠與重金屬離子特異性結(jié)合，因此在實(shí)際檢測(cè)中該方法受到一定限制。

2. 4 流動(dòng)注射分析法

流動(dòng)注射分析法檢測(cè)環(huán)境水質(zhì)的原理為在連續(xù)流動(dòng)的載流中注入一定量的試樣，在反應(yīng)器中載流和試樣能夠充分混合，二者反應(yīng)而生成的產(chǎn)物能夠被流通式檢測(cè)器所檢測(cè)，記錄儀能夠準(zhǔn)確記錄峰值信號(hào)，實(shí)現(xiàn)重金屬元素的定量分析。該方法利用簡(jiǎn)單的設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，檢測(cè)效率高。在檢測(cè)時(shí)能夠?qū)⒎蛛x、加熱、冷卻等復(fù)雜的分析化學(xué)單元并入流路體系中，在不平衡且不均勻的狀態(tài)下均能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)[10]，具有試劑消耗量小、檢測(cè)效率及檢測(cè)精度高、節(jié)約檢測(cè)成本等優(yōu)勢(shì)。由于流動(dòng)注射裝置能夠和多種檢測(cè)設(shè)備所聯(lián)用，如原子質(zhì)譜儀、分光光度計(jì)、化學(xué)發(fā)光儀等，可進(jìn)一步拓寬該裝置的檢測(cè)范圍，如有機(jī)物、金屬、非金屬等均可檢測(cè)。

2. 5 液相色譜法

在環(huán)境水質(zhì)重金屬檢測(cè)中，選擇性與靈敏度是有著較高要求的指標(biāo)。液相色譜法能夠?qū)崿F(xiàn)高效分離，但由于尚未出現(xiàn)高靈敏度的檢測(cè)方法，在無(wú)機(jī)分析中受到一定限制。有學(xué)者聯(lián)合使用液相色譜法和分光光度法，實(shí)現(xiàn)了選擇性和靈敏度的高效統(tǒng)一[11]，其研討利用高效液相色譜法對(duì)環(huán)境和工業(yè)廢水中重金屬元素予以測(cè)定，融合了分光光度法的液相色譜法，衍生出了柱前、柱中和柱后衍生方法。隨著研究不斷深入，在柱前衍生試劑取代基、色譜保留機(jī)理及輔助絡(luò)合劑等影響的研究取得諸多進(jìn)展。有學(xué)者利用離子色譜法對(duì)高濃度有機(jī)廢水中堿金屬、堿土金屬元素予以測(cè)定[12]，其運(yùn)用lonPac CS12A 陽(yáng)離子交換柱、抑制型電導(dǎo)、20 mmol/L甲磺酸流動(dòng)相等進(jìn)行檢測(cè)，在14 min 內(nèi)完成了鉀離子、鈉離子、鎂離子等陽(yáng)離子的測(cè)定。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中精簡(jiǎn)的樣本處理流程，該方法具有操作便捷、高靈敏度、選擇性等優(yōu)勢(shì)，在堿金屬、堿土金屬離子的檢測(cè)中具有較好的應(yīng)用效果。

3 案例分析

某水庫(kù)的入庫(kù)水源為黃河、洮河，由下游水庫(kù)出水、泄水。水庫(kù)整體呈現(xiàn)南北走向，最大寬度為6 km，長(zhǎng)度為60 km，水域面積達(dá)130 km2以上，平均水深和平均庫(kù)容分別為32.5 m 和3.2×105 m?。黃河干流與洮河的右岸支流為該水庫(kù)的主要構(gòu)成，洮河在壩址上游的1.6 km 位置匯入該水庫(kù)。每年洮河草量為2 000 m?左右，占總?cè)霂?kù)草量的60% 左右，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)存在較為嚴(yán)重的水土流失，對(duì)飲用水水質(zhì)安全形成威脅。近年來(lái)，該庫(kù)區(qū)范圍隨著旅游業(yè)、農(nóng)牧業(yè)及工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)取水口附近的水質(zhì)產(chǎn)生了不同程度的污染。加強(qiáng)水質(zhì)檢測(cè)，確保重金屬含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，保證用水安全尤為重要。

3. 1 水質(zhì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1.1 水質(zhì)檢測(cè)方法

此次環(huán)境水質(zhì)檢測(cè)中水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）。以電感耦合等離子質(zhì)譜法對(duì)水質(zhì)樣本中鎘離子、鉛離子、鐵離子、銅離子等重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電感耦合等離子質(zhì)譜法檢測(cè)水中重金屬離子所用設(shè)備為電感耦合等離子質(zhì)譜儀（美國(guó)Thermo FisherScientific）、微孔濾膜（0.45 μm孔徑）。在實(shí)驗(yàn)檢測(cè)前利用硝酸溶液對(duì)實(shí)驗(yàn)器具進(jìn)行12 h 浸泡后，使用純凈水進(jìn)行沖洗、晾干。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)試劑準(zhǔn)備

（1）體積分?jǐn)?shù)為2% 的硝酸溶液；（2）1 000 μg/mL的重金屬標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液；（3）單一元素的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液；（4）調(diào)諧液；（5）內(nèi)標(biāo)液；（6）高純度氬氣。

3.1.4 樣本采集及處理

根據(jù)庫(kù)區(qū)形態(tài)及環(huán)境特點(diǎn)，選擇范圍內(nèi)8 個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn)對(duì)水質(zhì)樣本予以采集，分別以①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧表示。存儲(chǔ)于同一環(huán)境下，在試驗(yàn)檢測(cè)前對(duì)水質(zhì)樣本以微孔濾膜（0.45 μｍ孔徑）進(jìn)行過(guò)濾處理，向其中加入適量的2% 的硝酸溶液，使水質(zhì)pH值在2 以下。

3.1.5 設(shè)置實(shí)驗(yàn)儀器

在開(kāi)啟儀器前，調(diào)整實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度、濕度、循環(huán)冷卻水等均符合實(shí)驗(yàn)要求，保證儀器性能。開(kāi)啟儀器后使其穩(wěn)定15 min，使用2% 的硝酸溶液與去離子純凈水各對(duì)管路反復(fù)沖洗5 min。啟動(dòng)調(diào)諧程序優(yōu)化儀器，提高儀器靈敏度確保滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再次使用2% 的硝酸溶液與去離子純凈水各對(duì)管路反復(fù)沖洗5 min，通入空氣干燥處理。

3.1.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

電感耦合等離子質(zhì)譜法以1% 的硝酸溶液為載體，通過(guò)外標(biāo)法展開(kāi)實(shí)驗(yàn)分析。測(cè)定不同水質(zhì)樣本重金屬元素的含量水平，如表2 所示。

3. 2 總結(jié)及結(jié)論

在以電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析水質(zhì)樣本中重金屬元素時(shí)，其存在質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾兩種情況。其中前者源于原子、離子、氧化物等影響。后者則主要以物理干擾為主，干擾因素包括樣本基體及質(zhì)譜內(nèi)的沉積物。鑒于此，為最大限度地減少干擾，在此次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)時(shí)將2% 硝酸溶液作為載流，以內(nèi)標(biāo)溶液予以校正，以消除信號(hào)干擾，保證重金屬離子檢測(cè)準(zhǔn)確性。

分析上表2 數(shù)據(jù)，所有取樣點(diǎn)中均未檢測(cè)出Hg、Cd、Pb，在取樣點(diǎn)⑥的Fe、As 含量均最高，分析原因可能與該取樣點(diǎn)附近的污水處理廠有關(guān)。同時(shí)，隨著周邊城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程逐步推進(jìn)，養(yǎng)殖業(yè)得以發(fā)展，居民數(shù)量越來(lái)越多，導(dǎo)致水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果有所浮動(dòng)，為后續(xù)水污染防治提供指導(dǎo)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，人類離不開(kāi)水資源，但隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程逐步推進(jìn)與工業(yè)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，影響環(huán)境水質(zhì)的因素越來(lái)越多，重金屬污染物的存在，導(dǎo)致生態(tài)失衡，威脅人們身體健康，為此應(yīng)當(dāng)高度重視環(huán)境水質(zhì)重金屬檢測(cè)。該文闡述不同重金屬檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用原理及檢測(cè)價(jià)值的基礎(chǔ)上，以某水庫(kù)水質(zhì)檢測(cè)為背景案例，分析電感耦合等離子質(zhì)譜法的應(yīng)用路徑，通過(guò)檢測(cè)為該水庫(kù)重金屬污染治理提供了理論指導(dǎo)，確保水質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)。