ICP-AES在水样品分析中的应用*

李旭 刘茜 关丽 陈金忠 王春生 王颖

(河北省光电信息材料重点实验室，河北大学物理科学与技术学院 河北 保定 071002)

1 引言

近几年，影响人类健康和生态系统的水污染问题成为社会各界和科学界共同关注的话题，这就对水体中的污染元素，尤其是重金属元素的检测提出了更高的要求．ICP-AES因其具有准确度高、精密度好和检出限低等优点，在不同的水质检测中有着广泛的应用，相关技术发展比较成熟．本文就ICP-AES法分析技术对各种水质样品中不同成分的检测以及影响检测的因素进行了综述．

2 ICP-AES分析的原理

ICP-AES仪器原理如图1所示.

图1 ICP-AES测试原理图

仪器主要包括矩管、射频发生器、进样系统和光电采集系统．ICP谱仪利用高频发生器通过感应线圈在矩管内产生交变磁场，氩气被触发后形成高速运动的带电粒子，这些带电粒子相互碰撞，产生“雪崩”放电，从而形成低电阻高电流的感应电流，产生的高温将载气带入的雾化后的样品气体加热在管口形成等离子体火焰．各种元素的原子在被激发或电离时发射出特征光谱，根据特征光的波长可对样品进行定性分析；元素的含量不同影响特征光谱发射强度，由此可进行定量分析．

3 ICP-AES分析在水体中的应用

电感耦合等离子体光谱分析方法具有高检测准确度和灵敏度以及较宽的线性动态范围，能够快速进行物质的定性定量分析．因此，在饮用水、河海水体以及废水等水体中的次量和微量元素的检测中得到了广泛的应用．

(1)生活饮用水及自来水

通过对不同引用水源中微量元素的分析，可以有效地鉴别各种水源中有害和有益的元素含量，减少不当的饮用水对人体的危害．Satapathy[1]等收集了208个地下水和35个地表水样品，用ICP-AES检测样品中的主量和微量元素，并且得出它们的浓度空间分布．检测结果发现，地下水的浓度分布是Fe(48%),Mn(12%),Zn(9%),Al(8%),Pb(7%),Cu(6%),Ni(4%),Cd(3%)和总Cr (3%)，而地表水的浓度分布为Al(47.8%),Fe(42.8%),Mn(5.5%),Zn(2.3%),Pb(0.56%),Ni(0.42%),Cu

(0.16%),Cr(0.16%)和Cd(0.10%)．这种分析有助于了解地表水和地下水的差别．

(2)河水、湖水和海水

对河水、湖水和海水中杂质含量的连续检测，有助于了解水体水质变化情况，从而及时抑制水体污染的发生．Wu B[2]等检测了长江水域地表水中的19种痕量元素的含量并将其结果与国家水质标准相比较，发现有As，Cd，Mo，Ni，Pb，Sb和Se 7种元素的含量超过了美国环保局和世界卫生组织的标准值．贺惠等通过调节实验条件，准确测定了水中的磷元素含量，使得该方法更加方便地用于对湖水和河水的日常监测．

(3)废水和污水

而对废水和污水的检测可以判别排放的污水是否对环境造成不可逆转的污染，还可以判断这些污水中有害元素的来源．Anubhuti[3]等分析了某钢铁厂附近地表水中汞含量的时空变化，推测出钢厂中的煤屑是汞的主要来源．王东锋等利用ICP-AES方法对炼焦、炼钢废水中的多种元素含量进行了测试，并得到了与原子吸收法一致的结果，说明该方法可以推广应用于废水的综合利用[4]．

4 提高ICP发射光谱强度和信背比的方法

近年来，随着科学技术的飞速发展，ICP-AES的应用领域越来越广，从而对其光谱质量，降低光谱分析检出限提出了更高的要求．因此，研究人员采用了在水溶液中加入有机/无机溶剂、固体萃取分离[5]以及对水溶液进行磁化等手段，有效地提高了发射光谱强度．

(1)改变测试溶液的温度

在溶液中添加乙醇可以有效增强等离子体光源的辐射强度．哈静、陈金忠等的实验表明，随着含乙醇样品溶液温度的提高，溶液中元素Zn，Fe，Mg，Si和Sr的谱线强度也明显增强．在乙醇含量一定的条件下，上述5种元素在60℃的谱线强度比20℃时分别高出了55.8%，45.4%，48.9%，17.7%和21.6%，改变水溶液样品的温度，提高了挥发性和原子化效率从而增强电感耦合等离子体光源的发射强度[6]．

(2)加入有机/无机添加剂

陈金忠、温暖等研究了在样品中添加钾离子添加剂对光谱强度、信背比等的影响．研究的6种元素谱线Zn(213.857 nm)，Ni(231.604 nm)，Cr(267.716 nm)，Mn(257.61 nm)，Cu(327.395 nm)和Al(396.152 nm)的发射强度均随着钾含量的增加而呈现先增后减的趋势，发射强度增加量在6.06%～108.45%之间．适量的钾离子的加入可以提高ICP光源的激发温度和电子密度的，从而有效地降低分析检出限，提高分析准确度[7]．研究人员选择正丙醇等有机溶剂添加，对检出限也有一定程度的影响．

(3) 磁力搅拌与激光辐照

使用波长976 nm的近红外激光和10.6 μm的CO2激光辐照水溶液，将两种激光器功率密度分别调至为0.2657 W·cm-2，0.2069 W·cm-2，对样品辐照40 min，水溶液的表面张力和粘度比减小了42.13%和14.03%，雾化效率也提高了51.26%．测试的As，Cd，Cr，Hg和Pb元素的光谱强度分别提高了30.67%～94.58%，而信背比、等离子温度和电子密度也有一定的提高．陈金忠、徐丽晶等通过结合磁力搅拌和激光辐照两种方法，使液体表面张力和粘度进一步降低，等离子体辐射增强[8]．

(4)其他方法

利用ICP-AES和其他设备结合，也可以有效提高一些特殊元素的检测灵敏度．Faraji等建立了四氧化三铁纳米颗粒固相萃取-流动注射-ICP-AES测定自来水样品中的重金属离子Cd，Co，Cr，Ni，Pb和Zn的方法，是基于在外磁场的作用下，磁性纳米颗粒很容易将水溶液中所测的元素分离出来[9]．

综上所述，ICP-AES分析法已经成为微量元素检测的重要方法，尤其是与其他物理和化学手段相连接预处理样品在国内外的光谱研究中得到了广泛的应用．在目前的工作中，如何可以检测更低浓度的元素含量，如何最大限度地使样品溶液雾化是广大光谱工作者继续努力研究的方向．相信随着科学的不断进步，光谱工作者对电感耦合等离子体的认识和仪器设备的改进将更加深入，使其应用范围更加广泛．