ICP—MS在水库水源地重金属污染健康风险评价中的应用

徐波 曹丹

摘 要：自20世纪80年代以来，电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）以其超低检出限（<0.1ppt）、高精密度（RSD<3%）、干扰少、动态线性范围宽（>108）、分析速度快（<3min）、分析元素全、可多种元素同时分析、光谱简单、可定量分析和可进行同位素测定等优点逐渐占据了元素分析的主要位置，被广泛的应用到环境分析（水质、土壤、大气）、临床医学、药学、食品及化妆品、电子工业和核医学（同位素分析）等领域。本文建立了一套多种重金属元素同时测定的检测方法，该方法可以对水库水源地多种重金属污染进行快速定量测定，具有良好的准确度、精密度和检出限，可以为健康风险评价提供准确的数据。

关键词：ICP-MS；水库；水源地；重金属污染；风险评价

在20世纪80年代，电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）分别由英国Surrey大学与VG公司、美国的Iowa州立大学Ames实验室和加拿大的Sciex公司研制成功，电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）以其独特的分析能力得到了快速的发展。电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）除了C、H、O等极少数元素不能分析外，元素周期表上的绝大多数元素都能分析。与电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）相比，ICP-MS检出限约高出了3个数量级；与石墨炉法原子吸收分光光度计（GF-AAS）相比，ICP具有可同时快速测量多种元素的优点；此外，ICP-MS还具有检测同位素的能力。

目前ICP-MS已被国际计量委员会（CIPM）确认为最具权威的化学计量方法之一，本文以河南陆浑水库为例，建立了一套ICP-MS检测法并采用美国环境署的水环境健康风险评价模型对洞庭湖水系中的As、Cd、Pb、Cu和Zn重金属含量进行了健康风险评价。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪（美国Perkin-Elmer公司，型号：DRC-e）；万分之一电子天平（日本岛津公司，型号：AUY220）；可控温电热板（天津塞得利斯，型号：700H）；玻璃量器若干；超纯水（电阻率18.2MΩ·cm）；优级纯硝酸；优级纯盐酸；As、Cd、Pb、Cu、Zn标准溶液（国家标准物质研究中心）。

1.2 仪器条件

雾化气流速：0.94L/min；辅助气流速：0.40L/min；泵转速：4rpm；功率：1.40kW；保留时间：30s；扫描次数：20；样品重复次数：6。在测量样品前应使用调谐液对仪器进行调谐，优化仪器的双电荷比率、灵敏度和氧化物比率，达到实验要求范围才能进样。

1.3 标准溶液配制和样品预处理

将As、Cd、Pb、Cu和Zn单标准溶液配制成混标溶液，并采用1%浓度的HNO3逐级稀释到所需的梯度序列，为了较好适应实际样品，As、Cd浓度配制为（0～25）μg/L，Pb、Cu、Zn浓度配制为（0～0.50）mg/L。

采集的样品需经过0.45μm微孔滤膜的过滤，弃去前段约80mL溶液，收集到测量所需体积溶液，使用硝酸调节溶液的pH<2后进行测量。

1.4 实验结果与讨论

实验结果表明As、Cd、Pb、Cu和Zn的线性相关系数均能达0.999以上，精密度RSD均小于3%，采用此实验方法受干扰性小，可以达到检测目的。空白溶液采用1%浓度HNO3重复测量10次，依据各元素的线性数据可计算检出限。对陆浑水库水样一年四季进行4次采样，测量时对被测样品重复测量6次，取平均值。实验结果如表1所示：

2 健康风险评价

2.1 重金属污染健康风险评价的意义

重金属是水环境常见的一类污染物，且具有可累积性、高稳定性和不可降解的特点。人们可能通过食物、呼吸、皮肤暴露或者饮水等途径摄入重金属污染物，从而对人体健康造成伤害。水环境中的重金属元素含量可能会低于目前的相关水质标准，但是因为其毒性大，依然可能成为潜在的污染物，应该足够引起人们的重视。

健康风险评价（HRA）是通过对有害因子进行估算从而计算出该有害因子对人体健康的影响概率，进而评价出该有害因子风险的大小。因此，对水环境存在的重金属污染进行健康风险评价具有非常重要的和现实的意义。

2.2 健康风险评价模型

目前，我国的健康风险评价体系还不完善，本文主要采用美国环境署（EPA）颁布的环境风险评价模型。水体中的重金属污染物分为：非致癌污染物、致癌污染物和放射性污染物。在水库水源地通常不会存在放射性污染物，因此本文不对放射性重金属污染物进行评价。

目前，经环境保护局确认的危害性较大的重金属污染物有As、Cd、Pb、Cu和Zn等，其中As、Cd是公认的致癌污染物，人体过多的摄入As、Cd会导致肝癌、皮肤癌等其它疾病。其中Pb、Cu、Zn三种元素相比As、Cd毒性较低，为非致癌污染物，但是过多摄入依然会导致人体累计和重金属中毒。

目前，国际推荐的风险水平大约在10-6a-1～10-4a-1之间，根据我国的地质环境条件选择美国环境署（EPA）推荐的1×10-4a-1作为水库水源地重金属污染健康风险评价标准，美国环境署（EPA）颁布的化学致癌物健康风险评价模型如下所示：

（2）有毒物健康风险评价模型

致癌健康风险评价模型中：

Rc表示水体中各种致癌物产生的年人均致癌风险总和；

Rcj为水体中各种致癌物产生的年人均致癌风险，单位a-1；

Dj为水体中致癌物j的单位体积质量下的日均暴露量，单位mg·（kg·d）-1；

qj为水体中致癌物j的致癌系数，依据国际癌症研究机构和WHO颁布的As取值为15mg·（kg·d）-1，Cr为41mg·（kg·d）-1；

Y为人的平均寿命，本文取70年。

Q1是成年人每日的平均饮水量，本文取值2L；

Q2是儿童每日的平均饮水量，本文取值1L；

Cj 为致癌物j的质量浓度，单位mg·L-1；

W1和W2为成年的体重和儿童的体重，分别取70kg和25kg。

有毒物健康风险评价中：

Rn为表示水体中有毒物质产生的年人均致癌风险总和；

Rnk为水体中有毒物质产生的年人均致癌风险，单位a-1；

RfDk为有毒物质进入人体的参考剂量，单位mg·（kg·d）-1，依据国际癌症研究机构和WHO颁布的Pb参考剂量为1.4×10-3mg·（kg·d）-1，Zn的参考剂量为0.3mg·（kg·d）-1，Cu的参考剂量为5×10-3mg·（kg·d）-1。

经计算可知：As的平均健康风险为4.68×10-5a-1，Cd的平均健康风险为9.53×10-7a-1，Cu的平均健康风险为2.38×10-10a-1，Zn的平均健康风险为8.14×10-12a-1，Pb的平均健康风险为1.28×10-9a-1，均小于美国环境署（EPA）推荐的1×10-4a-1标准，按照健康风险的大小进行排序如下：As>Cd>Pb>Cu>Zn，陆浑水库的总健康风险为以上风险相加为：4.7×10-5a-1未达到1×10-4a-1风险警戒值。

3 结语

本文通过对水样制备和ICP-MS的检测条件进行实验，建立了一套准确、快速和简单的As、Cd、Pb、Cu、Zn元素的ICP-MS检测方法，为水库水源地重金属污染健康风险评价提供了技术支持。

本文采用了美国环境署的风险评价模型对河南陆浑水库的重金属污染进行了健康风险评价，但是也存在只考虑了通过饮水进入人体和没有考虑重金属污染分布不均等不足，因此此评价方法还有待进一步完善。

参考文献：

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