水中重金属检测技术研究

刘妍君

(西山煤电(集团)有限责任公司职业病防治所，山西 太原 030052)

引 言

我国是工业大国。在生产过程中，重金属经常被引入作为原料或辅料。然而由于处理不当，大量超标重金属元素废水被直接排放至环境中，对水环境造成严重污染。而且排入水体中的重金属不仅无法被生物降解，部分重金属元素还可能与水中其他物质反应转化成为毒性更强、迁移率更高的污染物。重金属污染物随着食物链在水环境中逐级富集，逐级放大其危害作用，对人类的生命健康造成严重的威胁。重金属对人体所产生的危害程度取决于其种类、性质、存在形态和浓度等因素[1]。长久以来，人们不断研究探索重金属的检测技术。因此,只有熟悉水环境中重金属的检测技术及应用情况，才能在水环境实践检测中准确高效采用最恰当的方法去检测及判定重金属的含量和性质。另外，也进一步为人类的生命安全以及自然生态环境的可持续建设提供保障。

1 水体中重金属污染的现状

在我国，水体环境中重金属污染十分严重且呈逐年上升的趋势。大部分城市都存在不同程度的水污染问题。在七大水系中，以往水质较好的长江水域现在也面临比较严重的镉污染，而黄河水体中镉含量超标的断面大概占16%。淮河和海河的主要河流中镉含量也较高。重金属不仅会污染水体，还会直接影响水中生物。例如鱼类的重金属离子含量如果超过一定浓度会导致中毒甚至死亡，严重影响了水生生物的正常生长。此外，生物一部分会通过食物链进入人体，间接对人体健康造成威胁，例如镉会积存于人体的肝或肾脏，破坏中枢神经系统。除此之外，重金属在水环境中的含量与形态主要和水环境盐度、pH 值等有关。在适宜的水环境中，重金属污染物易于聚集沉积，导致水底污染[2]。众所周知水底污染的环境治理工作的难度极大。但是根据近几年的长江水样检测数据得出，无论是水体样本的沉淀物还是悬浮物中，重金属含量都已严重超出标准。因此，对于重金属污染与检测技术的研究迫在眉睫。

2 水环境中重金属检测技术

2.1 紫外可见分光光度法

紫外可见分光光度法是基于光学原理，通过物质对光的选择性吸收，对水环境中的重金属进行检测。其基本原理是通过利用物质中价电子的能级跃迁，对水中介质的光谱吸收区域进行检测，进而定性分析或定量的探测出水中重金属含量。简单而言，紫外可见分光光度法是根据水样物质性质以及吸收光的种类进行水质检测的。若是在吸收光的变化过程中变化特别明显，那么整个水中的水质金属含量就会越高；若是变化并不明显，那么就证明水中所含有的金属物质不多。紫外可见分光光度法在水样检测中非常常见，因为其具有设备简单、方法可靠、检测结果准确、简便快速等优点。但由于其前处理复杂、灵敏度或选择性不能满足某些实际检测要求，存在一定的局限性。

2.2 原子荧光分光光度法

原子荧光分光光度法也是水中重金属检测的主流方法。其最大的特点是灵敏度高、选择性强。该方法利用氢化物发生技术,将水样中某些重金属元素的活性激发，使其得到分离, 等到它再次恢复到基本状态时，便会发射出特定的荧光。对检测得到的荧光进行光谱分析，便测出水样中所含重金属的浓度。相对于紫外-可见分光光度法,原子荧光分析法有更高的灵敏度、更低的检出限，并且在样品测定的前处理，分离、富集、显色等过程可以跳过，操作相对简单，重现性好、选择性强[3]。但由于许多重金属元素本身不产生荧光，需要额外加入纳米材料、量子点、荧光染料等荧光物质才可以进行测定，因此原子荧光分光光度法在实际检测中的应用有一定程度的限制。

2.3 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法的基本原理是由于待测元素的基态原子吸收特征谱线，根据特征谱谱线减弱程度来确定待测元素的含量。但是在实际测定中，不同水样中含有不同类型的重金属元素，需要进行反复且相对繁琐的更换环节，导致检测工作量增大，耗费了大量的人力物力。总而言之，该法具有快速、精度高、抗干扰强、操作较为复杂的特点。

2.4 电感耦合等离子体发射光谱法

电感耦合等离子体发射光谱法通过激发水样中重金属离子形成特定光谱，对水质中重金属进行定量的有效检测。该技术作用原理简单，并能够多元素同时测定，具有基体干扰性比较小，检出限低，灵敏度高、高效精准、操作简便等优点，广泛应用于水环境检测实践中。另外，该方法还可以与分离富集技术结合使用。例如，使用溶剂萃取法、共沉淀法和离子交换法测定中重金属元素含量为微量的水样，不仅降低检测限并且富集提高了检测浓度。但是，这种新型检测技术的高成本限制了其在重金属水质检测中的普及[4]。

2.5 电感耦合等离子体质谱法

电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)由于高灵敏度、低检出限而被广泛应用。该法是一种微量与超微量多元素同时分析的方法，灵敏快速。其工作原理是：将待测水样在等离子体的高温使样品蒸发、气化解离、原子化、电离，再将离子转化为电子脉冲。电感耦合等离子体质谱法就是通过电子脉冲的大小反映水样中分析离子的浓度，实现未知样品的重金属元素定量分析，具有检出限低、方便快速、实际工作量较少等优点。

2.6 电化学分析法

电化学分析法是水环境重金属污染检测技术的较为常见的方法，其检测原理是根据溶液中待测物质的电化学性质和变化规律来测定水中重金属离子的含量。就电位分析法检测而言，一般在电流为零的条件下进行，而极谱法则采用滴汞电极。伏安法与极谱法这两种电化学分析手段可以自动生成电流、电位曲线图，这样能够可以对检测工作进行优化。最后，由于这种方法有时会受基体效应等其他因素影响，导致检测的效率较为低下。电化学分析法主要具有以下特点：1)准确度高，检测不同含量有不同的适用的电化学方法；2)检出限低，溶出伏安法采用液态电极，检测下限要求相对较低，能够在现场或在线进行检测；借助电位分析法，对电极电位进行分析与检测，集合浓度实现有效检测；3)仪器简单，操作方便，易自动化，例如：在实际运用的检测过程中，能够运用直接电导法进行具体分析。

3 水环境中重金属检测技术的应用

目前，我国质量标准和排放标准中对于各种重金属元素的检测方法均有规定。首先，原子荧光与发射光谱法在实际开展检测工作的过程中，均不受荧光类型的影响，其荧光强度与物质原子浓度成正比，但由于实际运用相对较为烦琐以及使用范围有限，限制了它的广泛应用[5]。一般来讲, 原子荧光法适合对于易挥发元素如砷、汞、硒、锑等进行测定。原子发射光谱法可以对水样中重金属元素(原子或离子)进行高效分析，但要借助电与热支撑。例如，有研究建立了测定环境水样中痕量Cd(Ⅱ)的新方法，是使用包含Fe3O4-SiO2-二氧化石墨烯和氨基酸的液态离子复合材料作为磁性固相萃取剂，与电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)相结合。结果表明该复合材料可以用于高效检测水样中的Cd(Ⅱ)含量，回收率也很高。

其次，对于高温元素如钡、铍、钼等的测定，应选择ICP-MS。ICP-MS比原子吸收法和分光光度法更灵敏，是最为广泛的痕量元素的检测手段之一。在分析能力上，ICP-MS以灵敏高效为特点，独具自身的优越性。但其仪器购置成本较高成为了实践中较大的局限。

电化学分析法来检测水质中重金属含量在实际应用的过程中具有一定优势，不仅可以节约技术成本，还可以保证检测结果真实可靠，并且可以与大数据技术相结合，以建立重金属污染数据库并创建特定的水质文件，实现检测自动化。例如：采用溶出伏安法还可结合最新的电化学传感器分析水环境中重金属含量，方便快捷，基本不会受其他外界因素的干扰。有研究通过机械化学合成法合成了一种电极材料—共价有机框架材料TpPa-1,制备出了化学修饰电极,通过电化学分析法研究了修饰电极的差分脉冲(DPASV)同时测定了水样中的铜离子和汞离子，结论表明这是一种高灵敏度、高选择性、制备简单、快速高效的分析方法。

4 结语

重金属不仅严重污染水体，还对人体健康和生产生活有着极大的危害。因此，研究环境中重金属元素测定技术具有重要的现实意义。但是，重金属检测技术的发展需要长期、全面的工作。首先相关部门应该高度重视，对检测技术的研究进展紧密跟进，掌握最新最全面的技术发展动态；相关专业人员也要在实践工作中总结经验，选择合适的重金属检测分析技术，在检测前期，做好现场调研工作并进行全面客观的分析，在检测中要确保选择合理的检测方法。尽管目前对水环境进行重金属检测的技术多种多样，但每种方法都有特点和适用条件。在实际测定过程中，要求检测人员要全面分析，因地制宜地采取合适的一种或两种联合使用测定，以减轻重金属对环境、对人类的影响。