重金屬檢測技術(shù)研究進(jìn)展及其在環(huán)境檢測中的應(yīng)用

陳強(qiáng) 傅彥斌 李鷹

摘要：人們賴以生活的環(huán)境是由氣體、水體和土地等部分組合形成的，環(huán)境安全性是人們健康得以保障、生產(chǎn)生活得以正常開展的基礎(chǔ)性條件。人類社會發(fā)展也導(dǎo)致人口增長和工業(yè)發(fā)展，為滿足生存與發(fā)展的需求，大量化石能源被開采使用，導(dǎo)致重金屬顆粒進(jìn)入大氣、水體、土壤等環(huán)境中，其負(fù)面影響通過生物富集效應(yīng)不斷放大，最終對人們的健康造成危害。隨著人們對重金屬污染的了解和關(guān)注增加，重金屬檢測技術(shù)也得到了快速的發(fā)展與越來越廣泛的應(yīng)用。本文重點介紹了重金屬檢測的物理方式、化學(xué)方式和生物方式，以此分析其在環(huán)境檢測中的重要作用。

關(guān)鍵詞：環(huán)境檢測;重金屬檢測技術(shù);研究進(jìn)展;應(yīng)用現(xiàn)狀

一、引言

重金屬元素是存在于自然界并富集于金屬礦、化石燃料等物質(zhì)中的化學(xué)元素，學(xué)界將密度高于5.0 g/cm3的金屬元素定義為重金屬，包含鎘、汞、砷、銅、鉛等45類。[1]此類元素能夠通過生物鏈形成富集效應(yīng)，并通過人們直接接觸或者食用受污染失誤等方式進(jìn)入人體，危害人們的健康，歷史上汞污染造成的水俁病與鎘污染造成的骨癌病就是突出的案例。[2]多年以來國內(nèi)工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了大量污染和排放，也導(dǎo)致重金屬元素進(jìn)入大氣、土壤和水體等環(huán)境中，加快重金屬檢測技術(shù)的研究并將其廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測對于保障人們的生命健康具有重要的意義。

二、環(huán)境檢測概述

環(huán)境檢測是一門發(fā)展歷史較為悠久的學(xué)科，具體是指整合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究成果，運用物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)和信息技術(shù)等交叉學(xué)科技術(shù)手工或人工收集檢測對象信息并進(jìn)行定向分析的過程。環(huán)境檢測的內(nèi)容涵蓋氣候、地質(zhì)、水文、水體等眾多方面，其中重金屬檢測是一項重要的分支。近年來國內(nèi)部分區(qū)域因長期工業(yè)污染管制不當(dāng)導(dǎo)致水體污染、空氣污染等事件引起廣泛關(guān)注，政府政策也傾向于引導(dǎo)高污染經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式向環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型，重金屬檢測成為評價環(huán)境質(zhì)量的重要參考因素，其技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與升級得到了大量支持。

三、環(huán)境檢測重點分析

從檢測對象來看，目前重金屬檢測在環(huán)境檢測中主要應(yīng)用于土壤、大氣和水體三個方面。

（一）土壤重金屬檢測重要性分析

土壤是自然環(huán)境的重要組成部分，也是人們種植食用和工業(yè)原料型植物、生活中經(jīng)常接觸的重要對象。但是高污染型發(fā)展帶來的含重金屬物質(zhì)的排放、廢棄物堆疊、農(nóng)藥濫用等致使土壤重金屬含量持續(xù)提升。已有研究就中國耕地的重金屬污染情況開展統(tǒng)計研究與數(shù)據(jù)分析，結(jié)果顯示存在重金屬污染的耕地占比約為1/6。[3]人們?nèi)绻秤没蚴褂弥亟饘傥廴靖胤N植出的產(chǎn)品，可能導(dǎo)致難以被人體降解吸收的重金屬元素在身體中富集，引發(fā)器官損傷、細(xì)胞病變等嚴(yán)重后果。

（二）水質(zhì)重金屬檢測重要性分析

從全球水資源分布來看，水體面積占地球表面總面積的7成左右，人類生活所需的淡水通過蒸發(fā)-云層移動-降雨-地表流動和地下流動等方式形成，因此區(qū)域性水體污染會通過水循環(huán)影響大范圍水體質(zhì)量。目前水體檢測主要指標(biāo)是酸度、氧化還原電位、電導(dǎo)率、總有機(jī)碳、余氯等，一定程度上能夠反映重金屬污染情況，但是精度有限。[4]近年來越來越多地區(qū)關(guān)注到水體質(zhì)量的重要性，并應(yīng)用了專業(yè)的重金屬檢測技術(shù)，對控制重金屬污染程度及其擴(kuò)散產(chǎn)生了顯著影響。

（三）大氣重金屬檢測重要性分析

中國人口總量較大，工業(yè)發(fā)展、居民生活帶來的用電需求、出行需求和工業(yè)加工需求導(dǎo)致以煤炭、石油為主的化石能源持續(xù)燃燒，其轉(zhuǎn)化形成的廢氣中富含大量重金屬顆粒，此部分氣體的排放導(dǎo)致了大氣重金屬污染。氣候條件和大氣循環(huán)等因素的綜合作用和協(xié)同毒理作用使得重金屬顆粒轉(zhuǎn)化為復(fù)合型污染物，并導(dǎo)致酸雨、霧霾等問題出現(xiàn)，破壞大氣環(huán)境的同時增加了生物致癌、致畸、致病風(fēng)險。[5]隨著人們對大氣污染治理關(guān)注，以電感耦合等離子體發(fā)射光譜法為主的新型重金屬檢測技術(shù)在大氣檢測中得到了較好的應(yīng)用。

四、重金屬檢測技術(shù)在環(huán)境檢測中的應(yīng)用分析

目前應(yīng)用與環(huán)境檢測的重金屬檢測技術(shù)主要分為化學(xué)法、物理法和生物法三大類，技術(shù)路線和應(yīng)用現(xiàn)狀分析如下。

（一）重金屬化學(xué)檢測法

1、原子吸收光譜法

原子吸收光譜法的技術(shù)原理是基于氣態(tài)的被測元素基態(tài)原子對其原子共振輻射的吸收進(jìn)行元素定量分析。從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，此項技術(shù)在環(huán)境重金屬檢測中得到了較好的應(yīng)用，能夠精準(zhǔn)快速識別銅、鎳、鉛等重金屬元素，相對偏差水平已經(jīng)能夠控制在5%以內(nèi)。但是這一方法使用特制光源燈，每種重金屬檢測均需要更換光源燈，且只能就已知元素進(jìn)行定向分析檢測，對于難熔元素檢測的靈敏度也比較低。

2、原子熒光光譜法

這一檢測方法與原子吸收光譜法的檢測環(huán)境與條件基本一致，但其原理是測定蒸汽形態(tài)被測對象在一定波長輻射下被激發(fā)的熒光強(qiáng)度開展定量分析并以此確定所含的重金屬元素。在實際應(yīng)用中，這一方式相較于原子吸收光譜法的靈敏度更高、單次分析可測定多項重金屬、抗干擾能力也更強(qiáng)，是一種精準(zhǔn)快速開展環(huán)境重金屬測驗的可行方式。

3、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法

這一檢測方法的原理是測定對象中原子或離子在光源中被激發(fā)產(chǎn)生特征輻射的強(qiáng)度而對重金屬濃度進(jìn)行判定。這一技術(shù)不僅可以單次完成多項重金屬的測定，還能單次完成大批量樣本的檢驗，兼具進(jìn)度、速度和數(shù)量優(yōu)勢，但是需要大量人工先行將受測對象轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溶液，檢測設(shè)備購置也較為昂貴。

4、電感耦合等離子體質(zhì)譜法

這一檢測技術(shù)的原理是在等離子體中加入樣品溶液并監(jiān)測其原子化或電離情況，收集不同質(zhì)荷比的離子或氧化物結(jié)果后進(jìn)行分析。這一技術(shù)同樣能夠單次大批量、精準(zhǔn)地測定多項重金屬元素，其成本較為低廉，因此在環(huán)境檢測、食品藥品檢測等方面均有極為廣泛的應(yīng)用。[6]

5、電化學(xué)分析方法

電化學(xué)分析方法分為極譜法和溶出伏安法。極譜法是通過測定電解過程中所得到的極化電極的電流-電位（或電位-時間）曲線來確定溶液中被測物質(zhì)濃度的一類電化學(xué)分析方法。極譜法可分為控制電位極譜法（如單掃描極譜法）和控制電流極譜法（示波極譜法）。除此之外還有溶出伏安法、催化極譜法。在土壤重金屬檢測中，電化學(xué)分析方法可用于檢測銅、鉛、鎘、鋅、砷、鎢、鉬、錫、釩、鎳等項目。

（二）重金屬物理檢測法

1、X射線熒光光譜法

這一檢測方法原理是利用基態(tài)原子吸收合適的特定頻率的輻射并將對象轉(zhuǎn)為高能態(tài)并檢測轉(zhuǎn)化過程中特征波長熒光。這一技術(shù)可以同時對大量樣本進(jìn)行多種金屬元素的批量分析，檢驗效率較高且成本相對可控，但是儀器敏感度要求較高，存在一定局限。

2、激光誘導(dǎo)

這一檢測方法原理是用脈沖激發(fā)器向受測對象表面發(fā)射高功率密度激光，以此帶動對象表面等離子體脫離噴射，在噴射部分冷卻過程中采集光譜信息并對照不同重金屬光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這一技術(shù)基本不改變受測體性質(zhì)，操作便利且成本可控。

3、測汞儀法

這一技術(shù)的原理是使用低壓汞燈向已經(jīng)蒸汽化的受測對象發(fā)射特征譜線并使用光電檢測器對譜線的強(qiáng)度已分析對象的重金屬含量、這一技術(shù)精度有限且操作需注意安全，在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用。

4、中子活化分析法

這一檢測方法的原理是使用特制儀器進(jìn)行中子活化的非破壞性分析，能夠及其精準(zhǔn)地測定多項重金屬元素，并在La、Ge、Sm等元素測定方面具有顯著優(yōu)勢。但是器械敏感度高且測定成本較高，在實踐中主要應(yīng)用于重要關(guān)鍵樣本分析，日?；褂貌⒉黄毡?。

（三）重金屬生物檢測法

1、酶抑制法

這一檢測方法原理是利用重金屬含量對酶的活性具有抑制作用間接完成環(huán)境樣本中的重金屬元素檢測，選用的酶緩沖系統(tǒng)對于其測定結(jié)果的有效性影響突出。這一技術(shù)早在上世紀(jì)末就已經(jīng)提出并應(yīng)用，發(fā)展至今使用頻率最高的酶為脲酶。這一技術(shù)所需樣本數(shù)量小、過程快速且操作簡單，日常應(yīng)用較為廣泛。

2、生物傳感器法

這一檢測技術(shù)在現(xiàn)場、原位和遠(yuǎn)程環(huán)境檢測中均有較好的適用性，是日?；瘧?yīng)用廣泛的一類快速檢測技術(shù)。

五、總結(jié)

總結(jié)來看，近年來人們對環(huán)境質(zhì)量提升給予廣泛關(guān)注，化學(xué)類、物理類和生物類的檢測技術(shù)在土壤、水體和大氣環(huán)境檢測中也到了越來越廣泛、多元、精準(zhǔn)的應(yīng)用。未來隨著重金屬檢測技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境中重金屬檢測還將向大批量、小樣本、高精度、低成本的方向持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳海華.電感耦合等離子質(zhì)譜法快速檢測豆類及其制品中鉛鎘等重金屬殘留的方法研究[J].食品安全導(dǎo)刊，2021（12）：79-80.

[2]梁婧，陳斌，羅環(huán)，常曉燕，王如剛.職業(yè)健康檢查中生物樣本重金屬檢測分析前因素的質(zhì)量控制[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志，2021，31（05）：630-631.

[3]曹晏，左從蔣，孫喆.水體及土壤污染源氮硫磷及重金屬汞砷鉛鎘綜合檢測儀的構(gòu)建[J/OL].分析試驗室：1-11[2021-10-16].https：//doi.org/10.13595/j.cnki.issn1000-0720.2021.013102.

作者簡介：陳強(qiáng)（1979.7—），男，漢族，福建建甌人，閩江學(xué)院，博士研究生，高級工程師，研究方向為重金屬監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸

項目基金：福建省環(huán)?？萍加媱濏椖浚?016R014）