用于环境水质分析的重金属监测技术探究
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作者:马珊 吕冬梅
摘要：水体污染是环境污染的常见类型之一，若重金属含量超标的污水被人、牲畜饮用后，将会对其生命健康构成严重威胁。为保证人畜饮水的安全，应严格依照相关规范做好水质重金属成分及含量的监测工作，使人们可以获得水质达标的水源。本文主要探究当下环境水质分析领域中常用于监测重金属的技术手段，以供同行参考。
关键词：环境水质;重金属;水质污染;检测技术
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）05-0-01
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.064
Heavy metal monitoring technology for environmental water quality analysis
Ma Shan， Lü Dongmei
（Shandong Zibo Ecological Environment Monitoring Center，Zibo Shandong 255000，China）
Abstract：Water pollution is one of the common types of environmental pollution.If the sewage with excessive heavy metal content is drunk by people and livestock，it will pose a serious threat to their life and health. In order to ensure the safety of human and animal drinking water，it is necessary to monitor the heavy metal composition and content of the water in strict accordance with the relevant specifications，so that people can obtain the water source with the water quality up to the standard.This paper mainly explores the current environmental water quality analysis field is often used to monitor heavy metal technical means for peer reference.
Key words：Environmental water quality;Heavy metal;Water pollution;Detection technology
1 原子吸收光譜检测技术
20世纪中叶原子吸收光谱法被开发出来，其在定量分析无机元素含量领域中有广泛应用[1]。其可用于定量监测水质重金属的原理为：试样中的金属元素经原子化后转化为气态基态原子，并吸收同种元素空心阴极灯发射出的能量，能量降低的程度与试样中金属元素的浓度成正比[2]。
该项技术在选择性、灵敏度、精密性、分析速度及适用性等多种方面均具有一定优势，在地表水、废水、污水重金属含量分析领域有较广泛应用[3-4]。但该技术应用中也暴露出一定不足：因为选用单元素空心阴极灯作为锐线光源，每次仅分析一种元素，在多元素混合物同步分析中适用性偏低;不能灵敏地分析高熔点、易形成碳化物的重金属元素。依据原子化的差异性，可以将该种水质监测分析技术分为如下类别：
（1）火焰原子吸收光谱法（FAAS）：原子化原理是应用火焰原子化器对试样中金属元素进行原子化处理，使其转化为气态基态原子。技术优势主要包括原子化条件相对较稳定、再现性良好、相对标准偏差可达0.2%;分析过程快速;适用范围广，可监测的重金属元素较多。现如今，国家相关部门已颁发了诸多FAAS的标准方法，在数十年的发展历程中，FAAS技术成熟度不断提升，但依然存在一些不足，比如采用气动雾化器时工效偏低（10%～15%），多数样品会变为废液，检测灵敏度偏低;检测硅、稀土金属元素等易形成难溶性氧化物，原子化效率有不同程度的降低。
（2）石墨炉原子吸收光谱法（CFAAS）：使用石墨炉原子化器，在石墨炉的高温作用下，促进样品蒸发以及原子化过程。灵敏度高、进样体积小是石墨炉法的典型特征，其能确保大量“游离型”原子滞留在光路上，检测阶段需要的样品量极少（一般是2～50μg/L）;因为该技术原子化效率高，与FAAS相比灵敏度有3个数量级的提升，该技术可用于检测水质铝、钒、铅、镉、铍等多种重金属元素[2]。但该方法也存在缺点，存在背景吸收干扰，精密度逊色于FAAS，在样品测试中需添加合适的改进剂以减少或解除干扰。
2 原子荧光分析法
原子荧光法在重金属元素分析中具有重要的地位，其原理为：气态基态原子（汞、砷、硒等）受到相应元素灯共振辐射后，吸收一定的能量由基态跃迁至激发态，激发态不稳定，在短时间内会回到基态，在此过程中发射出共振荧光，荧光强度与待测元素原子蒸汽的浓度成正比。
该方法具有谱线简单、干扰少、灵敏度高、检出限低，且仪器简单价格低廉，在测定低温元素汞、硒、砷等方面具有较大优势。但是该方法具有一定的局限性：其只能测定低温元素汞、砷、硒、锑等，测定范围较窄;每次仅能分析一种元素，无法实现多元素同时测定;由于原子荧光是微量、痕量检测仪器，可以检测到μg/L或ng/L级别，所以如果检测样品中待测元素含量太高，需要稀释检测，会带来误差。
3 电化学溶出伏安法
该项检测技术的应用原理可以做出如下阐述：在一定的电位下，把部分被检金属离子还原处理成为金属，同时将溶到微电极，而后将反向电压施加给电极，促进微电极上金属氧化规程，进而形成氧化电流，结合以上过程勾画出的电流—电压曲线进行相关分析的一种方法。电化学溶出伏安法是将电化学富集与测定方法有机地结合一种方法，包含电解富集和电解溶出两个过程。 电化学富集是一个控制阴极电位的电解过程。用于电解富集的电极有悬汞电极、汞膜电极和固体电极。悬汞电极的面积不能过大，大的悬汞易于脱落。用悬汞电极测定的灵敏度并不太高，但再现性好。汞膜电极面积大，同样的汞量做成厚度为20～10 000的汞膜，其电极表面积比悬汞大得多，电解效率高。而且搅拌速度可以加快。因此，溶出峰尖锐，分辨能力高、灵敏度比悬汞电极高出1～2个数量级。汞膜电极的缺点，是再现性不如悬汞电极。
4 电感耦合等离子体发射光谱法
电感耦合等离子发射光谱法（ICP-AES）以等离子体为激发光源的原子发射光谱分析法。
该方法由于高频感应电流的趋肤效应产生的电屏蔽大大地减缓了原子和离子的扩散，因而是非常灵敏的分析方法，检出限低（10-8g/mL）;激发温度高，可达8 000～10 000K，能激发一些在一般火焰中难以激发的元素，且不易生成难熔金属氧化物;放电十分稳定，分析精密度高，偏差系数可小至0.3%;可以进行多元素同时测定，解决了原子吸收光谱法、原子荧光法等每次仅能测定一种元素的缺点。
5 电感耦合等离子体质谱法
电感耦合等离子体质谱仪主要用于检测超痕量元素与同位素比值，构成以等离子体发生器、雾化室、炬管、质谱检测器等为主。该项检测技术的工作原理为：雾化器使样品溶液形成气溶胶并被氬气带入等离子体光源内，于等离子体高温条件下完成气化，分解、电离出离子化气体，于真空度低于133.322Pa条件下形成分子束，而后经内径1～2mm截取锥进入质量分析器进行分离，最后抵达离子检测器，通过待测元素质荷比进行定性分析，依据检测器计数和试样浓度之间的相关性，计算元素含量或同位素比。该技术有检出限低（可达到ng/mL或更低）、基体效应小、谱线简洁、能同步检测多种元素及动态线性范围较宽等诸多优势。目前研究表明通过串联高效液相色谱对不同价态的金属元素进行分离，可实现元素的价态分析。目前其在环境监测领域中应用范畴有不断拓展的趋势。
6 流动注射分析法
流动注射分析法是一种流动注射与监测分析方法相结合的快速测定方法。它可将分离、浓缩、稀释、加标等操作均能实现在线完成。流动注射联用的分析仪器往往包括上述原子吸收，电感耦合等离子体发射光谱、质谱仪，还包括分光光度计、化学发光仪等，应用领域宽。这一方法投用于水质监测范畴，预示着监测技术有智能化的发展趋向，一方面较明显地提升了监测工作效率，另一方面科学处理了效率低、成本高、复杂前处理等诸多环境监测局限。
7 结束语
21世纪以来，我国社会经济获得前所未有的发展，城市垃圾、污水及工业废水等排放量均有不断增加趋势，对环境水质构成较大的不良影响，促进了生态环境恶化、农产品品质降低过程，也对人类身体健康构成一定威胁。加大水质重金属监测技术的开发力度，并在实践中加以应用及完善，力争从源头上减少水体污染，实现对生态环境的有效保护。
参考文献
[1]冯传玲，谢倩，葛鑫，等.原子吸收分光光度法测定水中的重金属铅含量[J].食品安全导刊，2016（30）：119.
[2]李晓静，王晓杰，王爽，等.光谱分析在水质监测中的应用进展[J].盐科学与化工，2019，48（09）：12-16.
[3]蒙明姜，李丽，俞兰.原子吸收分光光度法测定水溶液中镉含量[J].中国药业，2018，27（16）：17-20.
[4]王露，王芹，宋鑫，等.磁固相萃取-石墨炉原子吸收光谱法测定水中铅[J].分析科学学报，2019，35（03）：367-371.
收稿日期：2020-03-19
作者简介：马珊（1988-），女，汉族，硕士研究生，工程师，研究方向为环境监测。
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