水中铝元素检测方法对比研究

王主华

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

铝元素作为地壳中含量最多的金属元素，广泛存在于土壤、矿石、水体等环境介质中。由于人类对矿产的肆意开采，环境破坏带来酸雨加剧，使得铝元素大量溶出到地表水和地下水环境中，给环境水体带来不同程度的污染[1-2]。铝不仅能够通过饮用水直接进入人体，还能够通过动植物富集作用间接被人体摄入，长此以往会在人体组织器官内蓄积，产生慢性毒素，当达到一定浓度，便会造成组织器官病变，严重危害人体健康。

现实生活中铝主要来自于净水厂水处理过程中投加的铝盐混凝剂，国家标准对生活饮用水中的铝含量有严格要求。研究表明，铝含量过高容易引发骨质疏松、肌肉萎缩、肾衰竭、尿毒症以及大脑中枢神经损坏等重大疾病[3-4]。准确测定生活饮用水中的铝浓度是保证水安全的重要前提。目前，铝的测定方法主要有传统的分光光度法和电化学分析法，逐渐发展流行的原子吸收法、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)及电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[5]。相比于传统化学方法，仪器法的检测不仅更加准确、稳定，同时具有快速高效、操作便捷、节省试剂等优势[6-7]，仪器法越来越多地被应用到常规检测中。目前的研究大多都集中在仪器法与传统方法的比较和优势，对于仪器法之间的比较研究甚少[8-9]。本文拟将ICP-AES和石墨炉原子吸收法测定铝含量数据进行对比，多方面分析两者在水质检测中的优劣势，旨在为生活饮用水安全和水生态保护等领域中铝的检测提供科学合理的依据。

1 材料与方法

1.1 实验原理

光谱法依照《铅、镉、钒、磷等34种元素的测定——电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)》(SL 394.1—2007)测定水中铝元素。该技术主要通过电感耦合等离子炬为激发光源，产生高频电磁场，使样品中的铝元素和惰性气体(氩气)充分原子化。通过电离、激发过程，铝元素的原子会发射出特异性光谱，光谱强度与元素含量成正比，从而对铝元素进行定性定量分析[10]。

原子吸收法依照《生活饮用水标准检验方法 金属指标》(GB/T 5750.6—2006)中石墨炉原子吸收光度法测定水中铝元素。采用石墨管作为原子化器，经酸化处理的水样注入石墨炉内，经高温原子化后，铝的基态原子能够吸收空心阴极灯发射的共振线，通过吸收强度与铝含量成正比，进行定性定量分析[11]。

1.2 仪器条件与试剂

电感耦合等离子体原子发射光谱法采用的仪器为离子体光谱仪。参数条件：测定波长396.15nm，高频发生器(RF)功率1.25kW，等离子气流量15.0L/min，载气流量1.2L/min，雾化气压220kPa，观测高度10mm。

原子吸收法采用的仪器为石墨炉原子吸收分光光度仪，配备铝空心阴极灯和热解涂层石墨管。参数条件：测定波长309.30nm，光通道0.40nm，灯电流10mA，载气流量0.3L/min，设定灰化温度700℃，原子化温度2400℃。

试剂采用的铝标准溶液(浓度为1000.0mg/L)和铝标准物质(GSB 07-1375—2001)，均来自于国家标准物质中心；铝标准使用液：取10.0mL铝标准溶液于1000mL容量瓶，配得10mg/L的铝标准使用液备用；硝酸(优级纯)；去离子水。

1.3 配制标准曲线

光谱法和原子吸收法均采用同一标准曲线溶液配制。用移液管分别取上述10.0mg/L铝标准使用液1mL、2mL、4mL、8mL、10mL，分别加入到5个100mL容量瓶中，加入2%硝酸，去离子水定容，配得浓度为0.1mg/L、0.2mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L、1.0mg/L的标准曲线溶液。

1.4 样品前处理与测定

向水样中加入2%硝酸，酸化后可按照仪器规范直接进样分析。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线与检出限

比较标准曲线数据，ICP-AES和石墨炉原子吸收光度法均具有良好的相关性，相关系数无显著差异，表明两种方法均适用于水中铝元素的检测。通过连续测定11次空白样品数据，根据信噪比S/N=3，以空白值标准差(n=11)的3倍作为两种方法的仪器检出限，再以仪器检出限的3～5倍设定方法检出限，其结果见表1。比较检出限结果，石墨炉原子吸收法相对于ICP-AES具有更低的检出限，对于微量浓度样品的检测更加有优势。

表1 两种方法的标准曲线与检出限对比情况

2.2 精密度与准确度

选取大连碧流河水库饮用水水源地、夏家河子地下水水样以及铝元素标准物质(GSB 07-1375—2001)，分别采用ICP-AES和石墨炉原子吸收法测定3个样品的铝含量。水样平行测定7次，通过计算相对标准偏差和标准物质的相对误差，对比分析两种方法的精密度和准确度，结果见表2。

表2 精密度与准确度对比

对比3个不同浓度样品的数据结果，ICP-AES和石墨炉原子吸收法的相对标准偏差范围分别为2.2%～6.8%和2.2%～6.0%，两种方法精密度无显著差异；在测定较低浓度时，石墨炉原子吸收法的相对标准偏差更小，精密度相对更高。对于标准样品的测定值结果，ICP-AES和石墨炉原子吸收法的相对误差分别为1.03%和3.10%，表明ICP-AES具有更高的准确度。不难看出，石墨炉原子吸收法测定的样品值相对较低，该误差是由于石墨管的多次使用和老化所致，研究也表明，石墨管的使用和材料对于水中铝的测定具有一定的限制作用。上述结果表明，ICP-AES对于测定结果的准确性更具优势，且抗干扰能力强。

2.3 加标回收实验

取上述两个天然水样(碧流河水库和夏家河子地下井)，样品浓度为上述实验平均值，铝元素加标量分别为0.1mg/L和0.2mg/L, 采用ICP-AES和石墨炉原子吸收法平行测定6次，计算加标回收率，结果见表3。

表3 加标回收率对比

实验测得ICP-AES回收率在97.3%～107.0%范围内，平均回收率为102.0%；石墨炉原子吸收法回收率在95.8%～102.8%范围内，平均回收率为98.3%。两种方法均具有良好的回收率，且偏差较小，ICP-AES相比石墨炉原子吸收法回收率更高。

2.4 方法对比

配制0.1mg/L的铝使用液，分别采用ICP-AES和石墨炉原子吸收法进行5次平行测定，计算其平均值和标准偏差，通过F检验法和t检验法进行显著性差异判断，结果见表4。

表4 方法显著性检验

经计算，F计算=1.20，f(1)=f(2)=4，查F检验分布表可知F表=6.39，F计算

3 结 论

ICP-AES和石墨炉原子吸收法均适用于水中铝的检测，标准曲线相关性良好，检出限、加标回收率、精密度以及准确度均符合实验标准。通过实验数据的对比分析发现，原子吸收法具有更低的检出限，测量范围更广泛，且精密度略高于ICP-AES，但其准确度易受到石墨管的影响；而ICP-AES具有更好的准确度，抗干扰性强，因此两种方法在水质检测方面各具优势。在仪器使用方面，石墨炉原子吸收法的操作相对简单，但对于石墨管的要求较高，需加入改进剂和特殊涂层，且石墨管的使用次数会影响其检测结果，因此在测定中存在一定的弊端[12]。ICP-AES仪器自动化程度高，可以同时测定包括铝在内的多种金属元素，方便快捷且省时省力[13]。综上所述，光谱法对于水中铝的检测具有更大的优势。