电感耦合等离子体质谱法测定PM2.5中的重金属元素

薛园园， 刘国红， 田海娇， 武 婷

（山西省分析科学研究院，山西 太原 030006）

电感耦合等离子体质谱法测定PM2.5中的重金属元素

薛园园， 刘国红， 田海娇， 武 婷

（山西省分析科学研究院，山西 太原 030006）

摘 要：采集环境空气细颗粒物（PM2.5）样品，建立了电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）同时测定PM2.5中10种重金属元素的方法。样品经5% HNO3超声浸提，过滤后，用ICP-MS测定。结果表明：10种重金属元素的检出限在0.030 µg/L～0.13 µg/L之间；线性关系良好，精密度为0.82%～4.3%，回收率为80.1%～113.0%。该方法快速、准确，可用于PM2.5中重金属元素的测定。

关键词：ICP-MS；PM2.5；重金属

近年来，随着经济的发展以及工业化进程的加速，越来越多的污染物被引入环境中，尤其是颗粒物已成为我国许多城市大气污染的主要污染物[1-5]，PM2.5为颗粒物中空气动力学当量直径小于2.5 μm的部分[6]，其比表面积较大，很容易富集多环芳烃（PAHs）、病菌等有毒有害物质以及重金属[1]。重金属污染物是细颗粒物（PM2.5）的重要组成部分，PM2.5中的重金属等污染物能够对人体健康、环境、大气能见度等造成严重的危害[7-16]，因此，开展PM2.5中重金属的快速简便的检测技术对于控制污染以及保护人民群众身体健康具有重要意义。

本文采用超声浸提法，对使用ICP-MS同时测定PM2.5中10种重金属元素的方法进行了研究，结果表明，该方法操作简单、快捷、准确，用于测定环境空气中PM2.5中的 As、Be、Cr、Mn、Ni、Se、Sb、Cd、Pb、Tl十种重金属元素，结果满意。

1 实验

1.1 仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪：Nexion 300X 型，美国Perkin Elmer 公司；在线内标进样系统：NO774067型，美国Perkin Elmer 公司；KQ-500D 智能数字超声仪器：东莞市科桥超声波设备有限公司；超纯水系统：明澈-D24UV 型，美国Merck Millipore 公司；实验用水为明澈-D24UV 实验室超纯水系统制得的超纯水。

调谐液：含有Be、Ce、Fe 等元素的混合溶液，美国Perkin Elmer 公司；含有Al、As、Ba等元素的混合标准储备液，每种元素的浓度均为10 μg/mL，美国Agilent Technologies公司；Sc单元素标准溶液，元素的浓度为1 000 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心；Tb单元素标准溶液，元素的浓度为1 000 μg/mL国家有色金属及电子材料分析测试中心。硝酸：优级纯。

收稿日期：2016-04-06

作者简介：薛园园（1983～），女，山西霍州人，硕士，工程师；主要从事食品以及环境中重金属的检测与研究。

1.2 仪器工作条件

对仪器的检测条件进行了优化，优化后的具体工作参数如表1所示。

表1 ICP-MS工作参数

1.3 样品前处理

使用石英滤膜采集获得的环境空气细颗粒物（PM2.5）样品，用石英剪刀将样品剪成小碎片置于具有刻度的离心管底部，加入10 mL的5%浓硝酸，拧紧离心管的螺旋盖，于70℃水浴超声浸提3 h，然后取出放至室温，用0.45 μm滤头过滤，待测，同时用空白滤膜做样品空白。

1.4 测试过程

开机，当仪器真空度达到测试要求后，点矩，稳定10 min左右后，用调谐液调整仪器各项指标，各项指标达标后，可以进行测试，同时在线引入内标物质。

2 结果与讨论

2.1 线性方程及检出限

将10种元素混合标准储备液以1%硝酸为介质逐级稀释成浓度分别为0、0.20、0.50、2.00、5.00、10.0、25.0、50.0、100 μg/L 的标准浓度系列，依次测定试剂空白及标准系列溶液，以质量浓度为横坐标，信号强度为纵坐标，得到标准曲线。按照消解样品的方法消解11份空白膜，以测得结果的标准偏差的3倍为检出限，10种重金属元素的标准曲线线性方程、相关系数及方法检出限如表2所示。

表2 方法检出限和线性相关系数

2.2 精密度试验

选择采集的某一样品，同时测定七次后计算结果的相对标准偏差，结果如表3所示。由表3可知，7次平行测定的相对标准偏差在0.82%～4.3%之间，表明本方法精密度良好。

表3 样品精密度（2 μg/L）

2.3 加标回收试验

对空白膜进行三水平的添加回收实验，添加浓度分别为5.00 μg/L、10.0 μg/L 、50.0 μg/L，6 次测定所得各元素的回收率如表4所示。由表4可知，10种重金属元素的回收率在80.1%～113.0%之间，满足检测要求。

表4 样品加标回收率/ %

2.4 内标元素的选择

为了补偿分析过程中产生的基体效应，提高测定结果的精密度和准确性，采用了内标法进行定量分析。内标法就是在标准试样和被测试样中分别加入一定量的内标元素（内标物质中不得含有被测元素），在标准条件下测定分析元素与内标元素的强度之比，绘制标准曲线，在同样条件下，测定分析元素与待测元素强度之比，根据所得的比值，在标线上求得被测元素含量。为了校正样品，根据分析元素的电离特性的相似性及质量数能否覆盖被测元素，选择Sc和Tb两种作为内标物进行分组测定。测定As、Be、Cr、Mn、Ni、Se 以Sc 作为内标物；测定Sb、Cd、Pb、Tl以Tb作为内标物，内标元素的质量浓度均为100 μg/L。

2.5 内标元素的在线引入

采用在线内标系统引入内标，用蠕动泵将内标溶液与空白、标准物质、样品充分混合，既有效节省了内标物质，提高了准确度，又缩短了配制溶液的时间，提高了工作效率，还能使内标溶液在整个测试工作中保持稳定。

3 结论

用5% HNO3超声浸提，过滤后，用ICP-MS法同时测定PM2.5中10种重金属元素。结果表明，10种重金属元素的检出限在 0.030～0.13 μg/L之间；线性关系良好，精密度为 0.82%～4.3%，回收率为80.1%～113.0%。该方法简单快捷，精密度高，检出限低，可满足PM2.5中重金属的检测需求。

参考文献：

[1] Zhou Xuehua, Cao Zhaoyu, Ma Yujie, et al. Concentrations, correlations and chemical species of PM2.5/PM10 based on published data in China: Potential implications for the revised particulate standard[J]. Chemosphere, 2016, 144: 518-526.

[2] 耿柠波, 王佳, 徐艺斐, 等. ICP-MS分析郑州市高新区PM2.5中的金属元素[J]. 天津师范大学学报（自然科学版）, 2016, 32(2): 88-91.

[3] 王秦, 陈曦, 何公理, 等. 北京市城区冬季雾霾天气 PM2.5中元素特征研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2013, 33(6): 1441-1444.

[4] 张六一, 付川倡, 杨复沫, 等. 微波消解 ICP-OES 法测定 PM2.5中金属元素[J]. 光谱学与光谱分析, 2014, 34(11): 3109-3112.

[5] 王玮, 汤大钢, 刘红杰, 等. 中国PM2.5污染状况和污染特征的研究[J]. 环境科学研究, 2000, 13(1): 1-5.

[6] 徐映如, 王丹侠, 张建文, 等. PM 10和PM 2.5危害、治理及标准体系的概况[J]. 职业与健康, 2013, 29(1): 117-119.

[7] Sun Lingmei, Wu Quli, Liao Kai, et al. Contribution of heavy metals to toxicity of coal combustion related fine particulate matter(PM2.5) in Caenorhabditis elegans with wild-type or susceptible genetic background[J]. Chemosphere, 2016, 144: 2392-2400.

[8] Zhao Mengfei, Qiao Ting, Huang Zhongsi, et al. Comparison of ionic and carbonaceous compositions of PM2.5 in 2009 and 2012 in Shanghai, China[J]. Science of the Total Environment, 2015, 536: 695-703.

[9] 陈 曦, 杜鹏, 关清, 等. ICP-MS 和 ICP-AES 用于北京雾霾天气 PM2.5来源解析研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2015, 35(6): 1724-1729.

[10] 王雪, 李丽华, 张金生. MPT-AES 法测定抚顺市采暖期 PM2.5和 PM10中的重金属[J]. 当代化工, 2014, 43(10): 2208-2210.

[11] 冯茜丹, 党志, 吕玄文, 等. 大气PM2.5 中重金属的化学形态分布[J]. 生态环境学报, 2011, 20(6-7): 1048-1052.

[12] 冯茜丹, 明彩兵, 刘晖, 等. 广州市大气细颗粒物及微量元素的分析[J]. 广东化工, 2011, 38(220): 239-242.

[13] 史建平, 梁丽绒, 张燕萍, 等. 太原市室内外空气中颗粒物污染特征[J]. 环境与健康杂志, 2008, 25(3): 224-225.

[14] 孙龙仁, 郑春霞, 王文全, 等. 乌鲁木齐市夏季大气PM10、PM2.5中重金属的分布特征[J]. 天津农业科学, 2009, 15(2): 37-41.

[15] 段国霞, 张承中, 周变红. 西安市南郊冬季PM2.5中重金属污染与危害分析[J]. 农业灾害研究2012, 2(02): 27-29.

中图分类号：O657.6

文献标识码：A

文章编号：1009-220X(2016)03-0045-05

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160312

Determination of Heavy Metal Elements in PM2.5 in Taiyuan by ICP-MS

XUE Yuan-yuan， LIU Guo-hong， TIAN Hai-jiao， WU Ting
（Shanxi Analytical Science Academy， Taiyuan 030006， China）

Abstract:Fine particles of ambient air （PM2.5） were collected and an inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS） method for simultaneous determination of 10 heavy metal elements in PM2.5 was established. Samples were extracted using 5% HNO3by ultrasonic， filtrated， and determined by ICP-MS. The results showed that the detection limits ranged from 0.030 μg/L to 0.13 μg/L in 10 heavy metal elements. The correlation coefficients were good. The precision was ranged from 0.82% to 4.3%. The recovery rates were ranged from 80.1% to 113%. This method was simple and quick to operate， and could be used for the determination of heavy metal elements in PM2.5.

Key words:ICP-MS； PM2.5； heavy metal element