電感耦合等離子體質(zhì)譜法在水環(huán)境重金屬離子檢測中的應(yīng)用

鄒可可

（河南省平頂山水文水資源勘測局，河南 平頂山 467000）

水是生物體維持生命最基本的保障，對人類和生物健康生存具有重要的作用，但是目前國內(nèi)外水資源嚴重短缺，而且由于工業(yè)發(fā)展過程中對工業(yè)污水肆意排放，使得本就匱乏和短缺的水資源受到了嚴重的污染，其中最為嚴重的就是水環(huán)境重金屬污染。通常情況下水環(huán)境中存在微量的重金屬，但是收到工業(yè)污染，導(dǎo)致水環(huán)境中重金屬離子嚴重超標，重金屬具有不可降解性和毒性的特征，如果水環(huán)境中重金屬離子攝入人體內(nèi)或者其他生物體內(nèi)，將會與體內(nèi)的多種酶以及蛋白質(zhì)發(fā)生結(jié)合，從而使人以及生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和多種酶喪失活性，從而導(dǎo)致體內(nèi)多個器官逐漸衰竭。據(jù)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當人體內(nèi)的重金屬離子超出一定標準時，就會引發(fā)多種癌癥疾病的發(fā)生，因此目前水環(huán)境中重金屬污染已經(jīng)成為引發(fā)癌癥的主要原因之一，因此必須采取有效手段對水環(huán)境中重金屬離子進行檢測，為水環(huán)境治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)。目前現(xiàn)有的檢測方法主要有基于微波消解法的水環(huán)境中重金屬離子檢測，以及基于儀器分析法的水環(huán)境中重金屬離子檢測，這類傳統(tǒng)方法在實際應(yīng)用中雖然具有較高的檢測效率和檢測精度，但是檢出限比較高，無法檢測到水環(huán)境中微量的重金屬離子，已經(jīng)無法滿足水環(huán)境中重金屬離子檢測需求，為此提出電感耦合等離子體質(zhì)譜法在水環(huán)境中重金屬離子檢測中的應(yīng)用研究[1]。

1 基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的水環(huán)境中重金屬離子檢測方法

本文以電感耦合等離子體質(zhì)譜法為理論依據(jù)，對水環(huán)境中重金屬離子進行測定，形成一種新的測定方法，根據(jù)電感耦合等離子體質(zhì)譜法實際應(yīng)用以及水環(huán)境中重金屬離子測定經(jīng)驗，本文提出測定方法共包括儀器和設(shè)備準備、水樣品溶液制備、同位素選擇、測定儀器內(nèi)標以及儀器測定五個工序，具體檢測流程如下圖所示。

以下將結(jié)合圖1對基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的水環(huán)境中重金屬離子檢測方法進行詳細說明[2]。

圖1 水環(huán)境中重金屬離子檢測流程圖

1.1 檢測儀器與試劑準備

在對水環(huán)境中重金屬離子測定中所使用到的儀器設(shè)備主要為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，根據(jù)檢測需求，選取美國Perkin Elermer公司生產(chǎn)的PPSD/5955DS56型號電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，該電感耦合等離子體質(zhì)譜儀配備高靈敏度的同心霧化室以及在線內(nèi)標進樣蠕動泵，其測量精度和靈敏度較高。其次還有上海HUG公司生產(chǎn)的SHED262型號電子天平以及上海合泰有限公司生產(chǎn)的KIHD-365DE4型號超純水機。

所涉及的檢測容器有聚四氟乙烯燒杯、100ml容量瓶、一次性滴管以及玻璃刻度移液管。所使用的主要試劑為鹽酸、硝酸、過氧化氫、重金屬標準溶液、調(diào)諧液，其規(guī)格如下表所示。

表1 檢測中主要化學(xué)試劑

使用上述提出的測定儀器、容器以及化學(xué)試劑對水樣品溶液進行制備以及重金屬離子測定。

1.2 水樣品溶液制備

首先在水環(huán)境中選取待檢測水體樣本，利用濾網(wǎng)將水體中雜質(zhì)去除掉；然后利用SHED262電子天平城區(qū)1000g水體樣本放入到100ml聚四氟乙烯燒杯中，并向聚四氟乙烯燒杯中再加入15ml鹽酸試劑和7.5ml硝酸試劑，蓋上杯蓋令燒杯中水與硝酸和鹽酸緩慢溶解，溶解時間為30min，放在背陰處。待燒杯中水和化學(xué)試劑充分溶解之后，用一次性滴管向燒杯中滴入幾滴過氧化氫試劑，利用玻璃棒對燒杯中溶液進行攪拌，待燒杯中溶液冷卻后將溶液轉(zhuǎn)移到100ml容量瓶中。最后利用超純水對容量瓶中溶液進行定容和搖勻，放在遮光處待測。

1.3 重金屬元素同位素選擇及測定儀器內(nèi)標

為了避免其它干擾因素影響到水環(huán)境中重金屬離子測定精度，在對水體樣品進行測定之前要正確地選擇重金屬元素同位素的質(zhì)量數(shù)，通常情況下水環(huán)境中重金屬元素包括鎂、銅、鋅、錳、鐵、鉛、鉻和汞等，因此在對重金屬同位素質(zhì)量數(shù)選擇上基本以這幾種重金屬為對象，并以“干擾少、豐度高”作為選擇原則，選取鎂金屬元素同位素質(zhì)量數(shù)為53個、銅55個、鋅68個、錳60個、鐵45個、鉛35個、鉻46個、汞63個。選擇完重金屬元素同位素質(zhì)量數(shù)之后，需要對測定儀器進行標定，使用測定儀器對待測元素相對應(yīng)的標準溶液進行霧化，標準溶液霧化后將其由載氣輸送到電感耦合等離子體質(zhì)譜中，根據(jù)標準溶解質(zhì)譜系數(shù)對儀器設(shè)備進行內(nèi)標，這樣可以保證測定儀器設(shè)備的測量精度。

1.4 基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的水環(huán)境中重金屬離子測定

在上述工作的基礎(chǔ)上，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對制備好的水體樣品溶液中重金屬離子進行測定，首先需要對電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作參數(shù)進行設(shè)定，根據(jù)水環(huán)境中重金屬離子測定需求，對儀器設(shè)備的射頻功率、冷卻氣流量、輔助氣流量、碰撞氣流量等工作參數(shù)設(shè)定，具體如下表所示。

表2 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作參數(shù)

按照上表對電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作參數(shù)進行設(shè)定，然后將水樣品溶液輸送到電感耦合等離子體質(zhì)譜儀中，溶液從石英中心管進入電感耦合等離子體中心通道中，形態(tài)上發(fā)送了由氣溶膠到蒸汽，再由蒸汽到氣體，最后由氣體到離子化的改變[3]。利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的射頻發(fā)生器施加強大功率輸出高頻電流到儀器工作線圈，促進水樣品溶液的推動，以及不斷地電離放射，最終將水樣品溶液中重金屬進行電離，從而獲取到重金屬離子數(shù)據(jù)，具體過程如下表所示。

表3 水樣品溶液在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀中的過程

7 電感耦合等離子體中心通道 解離 分子蒸汽8 電感耦合等離子體中心通道 激發(fā)和離子化 原子和粒子

按照上述過程對水樣品溶液進行測定，獲取到水樣品溶液中重金屬離子質(zhì)量分數(shù)以及質(zhì)譜信號強度，根據(jù)測定數(shù)據(jù)以重金屬離子質(zhì)量分數(shù)為橫坐標，以重金屬離子質(zhì)譜信號強度為縱坐標，繪制重金屬離子質(zhì)譜曲線，并計算出水樣品溶液中各種重金屬離子數(shù)，以此完成基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的水環(huán)境中重金屬離子檢測。

2 實驗論證分析

實驗以某水環(huán)境為實驗對象，從該水域中采取50份水體樣本，該水體樣本中含有鎂、銅、鋅、錳、鐵、鉛、鉻和汞等多種重金屬元素，實驗利用此次設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對采取的水體樣本中重金屬離子進行檢測。實驗按照上述流程對水體樣本進行制備，測定儀器內(nèi)標，重金屬同位素選擇，最后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進行測定，每個樣品測定次數(shù)為三次，測定結(jié)果為三次測定值的平均值，對水體樣品中各個重金屬離子測定檢出限為實驗結(jié)果，對兩種測定方法進行對比分析，實驗結(jié)果如下表所示。

檢出限是衡量一個檢測方法的重要指標，用于表示檢測方法的最低檢測范圍，根據(jù)表4中實驗數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計方法檢出限值較低，并且遠遠低于傳統(tǒng)方法，因此實驗證明了本文設(shè)計方法在檢測范圍上優(yōu)于傳統(tǒng)方法，更適用于水環(huán)境中重金屬離子測定。

表4 兩種方法檢出限對比

3 結(jié)語

本文采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定對水環(huán)境中重金屬離子進行了系統(tǒng)地研究，將電感耦合等離子體質(zhì)譜法應(yīng)用到水環(huán)境重金屬離子檢測中，形成了一種新的檢測方法，利用實驗驗證了該方法具有較低的檢出限，對提高水環(huán)境中重金屬離子檢測質(zhì)量和技術(shù)水平具有重要的現(xiàn)實意義。水環(huán)境中重金屬離子檢測一直以來都是研究領(lǐng)域一個難題，并且近幾年國內(nèi)外的電感耦合等離子體質(zhì)譜法發(fā)展較快，現(xiàn)階段電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定水環(huán)境中重金屬離子的方法還不夠完善，在實際應(yīng)用上還需要在檢測精度上和靈敏度上進行進一步提高，因此今后會在基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的水環(huán)境中重金屬離子測定方法完善與優(yōu)化方面進行研究。