重金属检测技术研究进展及其在环境检测中的应用

陈强 傅彦斌 李鹰

摘要：人们赖以生活的环境是由气体、水体和土地等部分组合形成的，环境安全性是人们健康得以保障、生产生活得以正常开展的基础性条件。人类社会发展也导致人口增长和工业发展，为满足生存与发展的需求，大量化石能源被开采使用，导致重金属颗粒进入大气、水体、土壤等环境中，其负面影响通过生物富集效应不断放大，最终对人们的健康造成危害。随着人们对重金属污染的了解和关注增加，重金属检测技术也得到了快速的发展与越来越广泛的应用。本文重点介绍了重金属检测的物理方式、化学方式和生物方式，以此分析其在环境检测中的重要作用。

关键词：环境检测;重金属检测技术;研究进展;应用现状

一、引言

重金属元素是存在于自然界并富集于金属矿、化石燃料等物质中的化学元素，學界将密度高于5.0 g/cm3的金属元素定义为重金属，包含镉、汞、砷、铜、铅等45类。[1]此类元素能够通过生物链形成富集效应，并通过人们直接接触或者食用受污染失误等方式进入人体，危害人们的健康，历史上汞污染造成的水俣病与镉污染造成的骨癌病就是突出的案例。[2]多年以来国内工业发展产生了大量污染和排放，也导致重金属元素进入大气、土壤和水体等环境中，加快重金属检测技术的研究并将其广泛应用于环境检测对于保障人们的生命健康具有重要的意义。

二、环境检测概述

环境检测是一门发展历史较为悠久的学科，具体是指整合现代科学技术研究成果，运用物理、化学、生物、数学和信息技术等交叉学科技术手工或人工收集检测对象信息并进行定向分析的过程。环境检测的内容涵盖气候、地质、水文、水体等众多方面，其中重金属检测是一项重要的分支。近年来国内部分区域因长期工业污染管制不当导致水体污染、空气污染等事件引起广泛关注，政府政策也倾向于引导高污染经济发展模式向环境友好型经济发展方式转型，重金属检测成为评价环境质量的重要参考因素，其技术的研发、应用与升级得到了大量支持。

三、环境检测重点分析

从检测对象来看，目前重金属检测在环境检测中主要应用于土壤、大气和水体三个方面。

（一）土壤重金属检测重要性分析

土壤是自然环境的重要组成部分，也是人们种植食用和工业原料型植物、生活中经常接触的重要对象。但是高污染型发展带来的含重金属物质的排放、废弃物堆叠、农药滥用等致使土壤重金属含量持续提升。已有研究就中国耕地的重金属污染情况开展统计研究与数据分析，结果显示存在重金属污染的耕地占比约为1/6。[3]人们如果食用或使用重金属污染耕地种植出的产品，可能导致难以被人体降解吸收的重金属元素在身体中富集，引发器官损伤、细胞病变等严重后果。

（二）水质重金属检测重要性分析

从全球水资源分布来看，水体面积占地球表面总面积的7成左右，人类生活所需的淡水通过蒸发-云层移动-降雨-地表流动和地下流动等方式形成，因此区域性水体污染会通过水循环影响大范围水体质量。目前水体检测主要指标是酸度、氧化还原电位、电导率、总有机碳、余氯等，一定程度上能够反映重金属污染情况，但是精度有限。[4]近年来越来越多地区关注到水体质量的重要性，并应用了专业的重金属检测技术，对控制重金属污染程度及其扩散产生了显著影响。

（三）大气重金属检测重要性分析

中国人口总量较大，工业发展、居民生活带来的用电需求、出行需求和工业加工需求导致以煤炭、石油为主的化石能源持续燃烧，其转化形成的废气中富含大量重金属颗粒，此部分气体的排放导致了大气重金属污染。气候条件和大气循环等因素的综合作用和协同毒理作用使得重金属颗粒转化为复合型污染物，并导致酸雨、雾霾等问题出现，破坏大气环境的同时增加了生物致癌、致畸、致病风险。[5]随着人们对大气污染治理关注，以电感耦合等离子体发射光谱法为主的新型重金属检测技术在大气检测中得到了较好的应用。

四、重金属检测技术在环境检测中的应用分析

目前应用与环境检测的重金属检测技术主要分为化学法、物理法和生物法三大类，技术路线和应用现状分析如下。

（一）重金属化学检测法

1、原子吸收光谱法

原子吸收光谱法的技术原理是基于气态的被测元素基态原子对其原子共振辐射的吸收进行元素定量分析。从应用现状来看，此项技术在环境重金属检测中得到了较好的应用，能够精准快速识别铜、镍、铅等重金属元素，相对偏差水平已经能够控制在5%以内。但是这一方法使用特制光源灯，每种重金属检测均需要更换光源灯，且只能就已知元素进行定向分析检测，对于难熔元素检测的灵敏度也比较低。

2、原子荧光光谱法

这一检测方法与原子吸收光谱法的检测环境与条件基本一致，但其原理是测定蒸汽形态被测对象在一定波长辐射下被激发的荧光强度开展定量分析并以此确定所含的重金属元素。在实际应用中，这一方式相较于原子吸收光谱法的灵敏度更高、单次分析可测定多项重金属、抗干扰能力也更强，是一种精准快速开展环境重金属测验的可行方式。

3、电感耦合等离子体发射光谱法

这一检测方法的原理是测定对象中原子或离子在光源中被激发产生特征辐射的强度而对重金属浓度进行判定。这一技术不仅可以单次完成多项重金属的测定，还能单次完成大批量样本的检验，兼具进度、速度和数量优势，但是需要大量人工先行将受测对象转化为标准溶液，检测设备购置也较为昂贵。

4、电感耦合等离子体质谱法

这一检测技术的原理是在等离子体中加入样品溶液并监测其原子化或电离情况，收集不同质荷比的离子或氧化物结果后进行分析。这一技术同样能够单次大批量、精准地测定多项重金属元素，其成本较为低廉，因此在环境检测、食品药品检测等方面均有极为广泛的应用。[6]

5、电化学分析方法

电化学分析方法分为极谱法和溶出伏安法。极谱法是通过测定电解过程中所得到的极化电极的电流-电位（或电位-时间）曲线来确定溶液中被测物质浓度的一类电化学分析方法。极谱法可分为控制电位极谱法（如单扫描极谱法）和控制电流极谱法（示波极谱法）。除此之外还有溶出伏安法、催化极谱法。在土壤重金属检测中，电化学分析方法可用于检测铜、铅、镉、锌、砷、钨、钼、锡、钒、镍等项目。

（二）重金属物理检测法

1、X射线荧光光谱法

这一检测方法原理是利用基态原子吸收合适的特定频率的辐射并将对象转为高能态并检测转化过程中特征波长荧光。这一技术可以同时对大量样本进行多种金属元素的批量分析，检验效率较高且成本相对可控，但是仪器敏感度要求较高，存在一定局限。

2、激光诱导

这一检测方法原理是用脉冲激发器向受测对象表面发射高功率密度激光，以此带动对象表面等离子体脱离喷射，在喷射部分冷却过程中采集光谱信息并对照不同重金属光谱数据进行分析。这一技术基本不改变受测体性质，操作便利且成本可控。

3、测汞仪法

这一技术的原理是使用低压汞灯向已经蒸汽化的受测对象发射特征谱线并使用光电检测器对谱线的强度已分析对象的重金属含量、这一技术精度有限且操作需注意安全，在一定范围内得到应用。

4、中子活化分析法

这一检测方法的原理是使用特制仪器进行中子活化的非破坏性分析，能够及其精准地测定多项重金属元素，并在La、Ge、Sm等元素测定方面具有显著优势。但是器械敏感度高且测定成本较高，在实践中主要应用于重要关键样本分析，日常化使用并不普遍。

（三）重金属生物检测法

1、酶抑制法

这一检测方法原理是利用重金属含量对酶的活性具有抑制作用间接完成环境样本中的重金属元素检测，选用的酶缓冲系统对于其测定结果的有效性影响突出。这一技术早在上世纪末就已经提出并应用，发展至今使用频率最高的酶为脲酶。这一技术所需样本数量小、过程快速且操作简单，日常应用较为广泛。

2、生物传感器法

这一检测技术在现场、原位和远程环境检测中均有较好的适用性，是日常化应用广泛的一類快速检测技术。

五、总结

总结来看，近年来人们对环境质量提升给予广泛关注，化学类、物理类和生物类的检测技术在土壤、水体和大气环境检测中也到了越来越广泛、多元、精准的应用。未来随着重金属检测技术的发展，环境中重金属检测还将向大批量、小样本、高精度、低成本的方向持续发展。

参考文献：

[1]吴海华.电感耦合等离子质谱法快速检测豆类及其制品中铅镉等重金属残留的方法研究[J].食品安全导刊，2021（12）：79-80.

[2]梁婧，陈斌，罗环，常晓燕，王如刚.职业健康检查中生物样本重金属检测分析前因素的质量控制[J].中国卫生检验杂志，2021，31（05）：630-631.

[3]曹晏，左从蒋，孙喆.水体及土壤污染源氮硫磷及重金属汞砷铅镉综合检测仪的构建[J/OL].分析试验室：1-11[2021-10-16].https：//doi.org/10.13595/j.cnki.issn1000-0720.2021.013102.

作者简介：陈强（1979.7—），男，汉族，福建建瓯人，闽江学院，博士研究生，高级工程师，研究方向为重金属监测与数据传输

项目基金：福建省环保科技计划项目（2016R014）