基于ICP-MS法的自來水中重金屬元素含量檢測方法

關(guān)鍵詞：電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）；重金屬；元素含量；自來水 中圖分類號：TS251 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）06-0012-03 DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.003

Detection Method of Heavy Metal Element Content in Tap Water Based onICP-MSMethod

LINKongliang，XUDongchao，JINXue，YANGYiyou，CHENYueyue，ZHOU Yongfang （WenzhouMunicipalWaterworksCo.，Ltd.（WenzhouMonitoringStationofNationalUrbanWaterSuplyQualityMonitoringNetwork）， Wenzhou 325000， China）

Abstract：Whendetectingthecontentofhavymetalelements intapwater，itissusceptibletointerferencefrommatrix substances，resultinginsignificanterors.Therefore，methodfordetecting heavymetalelementcontentintapwaterbased on Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry （ICP-MS）is proposed.Byscientificallseting theparametersof mass spectrometry instruments，standard parameters for mass spectrometry processing applicable to tap water samples are derived，reducing the interferenceof matrix substances on heavy metal elementsignalsand improving thesensitivityand accuracyof detection.Calculate thecoefcientof variationofheavy metalions basedonICP-MS methodand evaluate the degreeofdatadispersion.Using methodssuchascorrelationcoeffcientandchisquare test，combinedwithcoeffcientof variation，todetectthecontentof heavymetal elements intap water.Theexperimentalresultsshowed thatusing ICP-MS method to detect heavy metal elements in tap water samples resulted in a concentration value withan error of ±0.005mg/L （20 compared to the true value， indicating high accuracy.

Keywords： Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry （ICP-MS）; heavy metals;elementcontent; tapwater

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，重金屬污染問題日益突出，檢測自來水中的重金屬元素含量成為保障飲用水安全的重要環(huán)節(jié)[。黃紅云等[2研究了生物傳感技術(shù)在食品重金屬檢測中的應(yīng)用。生物傳感技術(shù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性易受環(huán)境因素影響，且對不同重金屬的響應(yīng)存在差異，限制了其在自來水檢測中的廣泛應(yīng)用。陳婷婷[3]通過提取污水中的特征因子來間接反映重金屬含量，但由于特征因子與重金屬含量的非線性關(guān)系，檢測結(jié)果不準(zhǔn)確?；谏鲜龇椒ǖ木窒扌?，提出利用電感耦合等離子體質(zhì)譜（InductivelyCoupledPlasma-MassSpectrometry，ICP-MS）法檢測自來水中的重金屬元素含量。

1基于ICP-MS法的自來水中重金屬元素含量檢測方法

1.1設(shè)置自來水中重金屬元素處理參數(shù)

ICP-MS技術(shù)利用質(zhì)譜儀高溫電離水樣中的重金屬原子，精確捕捉離子，實(shí)現(xiàn)高效鑒別與定量。在眾多檢測方法中，ICP-MS具有高靈敏度和多元素同時檢測能力，優(yōu)于其他方法。利用高精度ICP-MS儀器定量分析重金屬元素濃度，并據(jù)此推導(dǎo)出質(zhì)譜處理的關(guān)鍵參數(shù)[4-5]，計算公式為

式中： P 為質(zhì)譜處理標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)； β 為質(zhì)譜特性的穩(wěn)定性指標(biāo)； r 為測量濃度與實(shí)際濃度的比值； m，n 分別為元素的最大與最小濃度閾值。根據(jù)式（1），可以得出適用于自來水樣本的ICP-MS光譜處理標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

利用所得參數(shù)可評估ICP-MS檢測效能。若實(shí)測重金屬濃度符合標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍，則自來水中的重金屬含量安全可控；反之，則需要調(diào)整ICP-MS檢測條件。

1.2基于ICP-MS法計算重金屬離子變異系數(shù)

取 200mL 含有 Cu²⁺ ） Zn²⁺ 、 Cd²⁺ （ Pb²⁺ ！ Cr³⁺ 、 ΔNi²⁺ 、Hg²⁺ 的自來水樣品，調(diào)整各重金屬離子的質(zhì)量濃度至 。取適量處理后水樣置于分析容器中。利用ICP-MS法檢測這些重金屬離子，其反應(yīng)原理如圖1所示。

ICP-MS技術(shù)利用高能射頻場將樣品溶液蒸發(fā)、解離并離子化，隨后通過質(zhì)量分析器將離子按質(zhì)荷比分離，從而測定重金屬元素的含量。在室溫條件下，收集并分析這些離子的特征質(zhì)譜峰，以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。采用特征離子法處理多變量數(shù)據(jù)，提高重金屬含量測定的精度。試驗中，采用ICP-MS儀器，通過優(yōu)化射頻功率、載氣流速、采樣深度等參數(shù)，確保分析高效準(zhǔn)確，提升對目標(biāo)重金屬離子的檢測靈敏度。

根據(jù)檢測結(jié)果，計算重金屬離子的變異系數(shù) δ 從而完成對數(shù)據(jù)離散程度的評估。 δ 的計算公式為

式中： A 為檢測結(jié)果平均值。 δ 能夠反映重金屬離子含量數(shù)據(jù)的相對波動性，為提升檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性提供重要依據(jù)。

1.3檢測自來水中的重金屬元素含量

在檢測自來水中重金屬元素含量的試驗中，基于式（2）的結(jié)果，將 Cu²⁺ 、 Zn²⁺ 視為主要變量， Cd²⁺ 、Pb²⁺ 、 Cr³⁺ 、 Ni²⁺ 、 Hg²⁺ 作為輔助變量數(shù)據(jù)集。利用相關(guān)系數(shù) R 完成對檢測準(zhǔn)確性的評估， R 的計算公式為

式中： 分別為第 i 個重金屬元素含量的實(shí)際測量值與檢測值； y_m 為所有重金屬元素含量的平均值。 R 越接近1，表示正相關(guān)，說明檢測結(jié)果越準(zhǔn)確;R 越接近-1，表示負(fù)相關(guān)； R=0 時，表示兩者不相關(guān)。

為驗證變量間的獨(dú)立性，采用卡方檢驗， χ 值越大，說明檢測值與實(shí)際值具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。將自來水樣中 Cu²⁺ 、 Zn²⁺ 、 Cd²⁺ 、 Pb²⁺ 、 Cr³⁺ ， Ni²⁺ 、 Hg²⁺ 的含量數(shù)據(jù)整理成數(shù)據(jù)集，各變量均有明確分類與等級。根據(jù)分類變量的概率與總頻數(shù)，獲得期望頻數(shù)?？ǚ浇y(tǒng)計量 χ 可以表示為

式中： Q_ij 為實(shí)際數(shù)據(jù)在第 i 行第 j 列的出現(xiàn)次數(shù)； 為行數(shù)與列數(shù)； E_ij 為假設(shè)兩分類變量獨(dú)立時，第 i 行第 j 列的期望出現(xiàn)次數(shù)。

通過方差膨脹因子 V 對自變量間的共線性進(jìn)行評估， V 值越大，說明共線性越強(qiáng)，變量會影響重金屬元素含量檢測的準(zhǔn)確性。 V 可以表示為

式中： o 為自變量間的決定系數(shù)。

為優(yōu)化檢測條件，試驗設(shè)定光譜信號采集延時為

400ns ，激光能量為 120MJ ，液體射流速度為 60mL/min 0將重金屬鹽溶液 Hg（NO₃）₂ 、 Pb（NO₃）₂ 、 CdCl₂ 、 CuCl₂ 等配制成濃度為 3000×10^-6mol/L 的混合母液，通過蒸餾水稀釋至不同濃度，分別裝入10個等份的量瓶中。隨后，重新計算 δ / R 、V、 χ 等特征因子，以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)自來水中重金屬元素含量的檢測[。

2 試驗分析

2.1試驗對象

在某城市自來水供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的3個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置采樣站點(diǎn)，各采集水樣 100mL ，并安全存儲于清潔玻璃容器中。首先采用硫酸銨混合溶液進(jìn)行滴定，然后利用硝酸銀溶液對水樣中的重金屬含量實(shí)施測定。水樣經(jīng) 0.2% （體積分?jǐn)?shù)）硝酸溶液酸化處理，以促進(jìn)目標(biāo)重金屬元素鉛與鎘的有效釋放與分離。鉛與鎘這兩種重金屬元素被成功從水樣中分離出來。硫酸銨溶液的使用依據(jù)預(yù)設(shè)的重金屬含量范圍參考表進(jìn)行分析。

2.2試驗結(jié)果分析

本研究利用ICP-MS法提取自來水樣本中的重金屬元素，并對比了其真實(shí)濃度與檢測濃度（柱狀圖），結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，自來水中的重金屬元素真實(shí)質(zhì)量濃度為 0.05～0.75mg/L， 。其中， Hg 的含量最低，Cr的含量最高。對比檢測濃度值與真實(shí)濃度值可以得出，其誤差范圍控制在 ±0.005mg/L ，顯示出較高的檢測精確度。

3結(jié)論

本研究提出基于ICP-MS法的自來水中重金屬元素含量檢測方法，并進(jìn)行試驗分析。結(jié)果表明，檢測濃度值與真實(shí)濃度值誤差控制在 0.005mg/L ，檢測準(zhǔn)確性有所提高。未來研究將擴(kuò)大樣本范圍，優(yōu)化檢測條件，以期進(jìn)一步提高自來水中重金屬元素含量檢測的精確度和實(shí)用性。

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