电感耦合等离子体质谱法在水环境重金属离子检测中的应用

邹可可

（河南省平顶山水文水资源勘测局，河南 平顶山 467000）

水是生物体维持生命最基本的保障，对人类和生物健康生存具有重要的作用，但是目前国内外水资源严重短缺，而且由于工业发展过程中对工业污水肆意排放，使得本就匮乏和短缺的水资源受到了严重的污染，其中最为严重的就是水环境重金属污染。通常情况下水环境中存在微量的重金属，但是收到工业污染，导致水环境中重金属离子严重超标，重金属具有不可降解性和毒性的特征，如果水环境中重金属离子摄入人体内或者其他生物体内，将会与体内的多种酶以及蛋白质发生结合，从而使人以及生物体内的蛋白质和多种酶丧失活性，从而导致体内多个器官逐渐衰竭。据有关研究发现，当人体内的重金属离子超出一定标准时，就会引发多种癌症疾病的发生，因此目前水环境中重金属污染已经成为引发癌症的主要原因之一，因此必须采取有效手段对水环境中重金属离子进行检测，为水环境治理提供科学数据依据。目前现有的检测方法主要有基于微波消解法的水环境中重金属离子检测，以及基于仪器分析法的水环境中重金属离子检测，这类传统方法在实际应用中虽然具有较高的检测效率和检测精度，但是检出限比较高，无法检测到水环境中微量的重金属离子，已经无法满足水环境中重金属离子检测需求，为此提出电感耦合等离子体质谱法在水环境中重金属离子检测中的应用研究[1]。

1 基于电感耦合等离子体质谱法的水环境中重金属离子检测方法

本文以电感耦合等离子体质谱法为理论依据，对水环境中重金属离子进行测定，形成一种新的测定方法，根据电感耦合等离子体质谱法实际应用以及水环境中重金属离子测定经验，本文提出测定方法共包括仪器和设备准备、水样品溶液制备、同位素选择、测定仪器内标以及仪器测定五个工序，具体检测流程如下图所示。

以下将结合图1对基于电感耦合等离子体质谱法的水环境中重金属离子检测方法进行详细说明[2]。

图1 水环境中重金属离子检测流程图

1.1 检测仪器与试剂准备

在对水环境中重金属离子测定中所使用到的仪器设备主要为电感耦合等离子体质谱仪，根据检测需求，选取美国Perkin Elermer公司生产的PPSD/5955DS56型号电感耦合等离子体质谱仪，该电感耦合等离子体质谱仪配备高灵敏度的同心雾化室以及在线内标进样蠕动泵，其测量精度和灵敏度较高。其次还有上海HUG公司生产的SHED262型号电子天平以及上海合泰有限公司生产的KIHD-365DE4型号超纯水机。

所涉及的检测容器有聚四氟乙烯烧杯、100ml容量瓶、一次性滴管以及玻璃刻度移液管。所使用的主要试剂为盐酸、硝酸、过氧化氢、重金属标准溶液、调谐液，其规格如下表所示。

表1 检测中主要化学试剂

使用上述提出的测定仪器、容器以及化学试剂对水样品溶液进行制备以及重金属离子测定。

1.2 水样品溶液制备

首先在水环境中选取待检测水体样本，利用滤网将水体中杂质去除掉；然后利用SHED262电子天平城区1000g水体样本放入到100ml聚四氟乙烯烧杯中，并向聚四氟乙烯烧杯中再加入15ml盐酸试剂和7.5ml硝酸试剂，盖上杯盖令烧杯中水与硝酸和盐酸缓慢溶解，溶解时间为30min，放在背阴处。待烧杯中水和化学试剂充分溶解之后，用一次性滴管向烧杯中滴入几滴过氧化氢试剂，利用玻璃棒对烧杯中溶液进行搅拌，待烧杯中溶液冷却后将溶液转移到100ml容量瓶中。最后利用超纯水对容量瓶中溶液进行定容和摇匀，放在遮光处待测。

1.3 重金属元素同位素选择及测定仪器内标

为了避免其它干扰因素影响到水环境中重金属离子测定精度，在对水体样品进行测定之前要正确地选择重金属元素同位素的质量数，通常情况下水环境中重金属元素包括镁、铜、锌、锰、铁、铅、铬和汞等，因此在对重金属同位素质量数选择上基本以这几种重金属为对象，并以“干扰少、丰度高”作为选择原则，选取镁金属元素同位素质量数为53个、铜55个、锌68个、锰60个、铁45个、铅35个、铬46个、汞63个。选择完重金属元素同位素质量数之后，需要对测定仪器进行标定，使用测定仪器对待测元素相对应的标准溶液进行雾化，标准溶液雾化后将其由载气输送到电感耦合等离子体质谱中，根据标准溶解质谱系数对仪器设备进行内标，这样可以保证测定仪器设备的测量精度。

1.4 基于电感耦合等离子体质谱法的水环境中重金属离子测定

在上述工作的基础上，利用电感耦合等离子体质谱仪对制备好的水体样品溶液中重金属离子进行测定，首先需要对电感耦合等离子体质谱仪工作参数进行设定，根据水环境中重金属离子测定需求，对仪器设备的射频功率、冷却气流量、辅助气流量、碰撞气流量等工作参数设定，具体如下表所示。

表2 电感耦合等离子体质谱仪工作参数

按照上表对电感耦合等离子体质谱仪工作参数进行设定，然后将水样品溶液输送到电感耦合等离子体质谱仪中，溶液从石英中心管进入电感耦合等离子体中心通道中，形态上发送了由气溶胶到蒸汽，再由蒸汽到气体，最后由气体到离子化的改变[3]。利用电感耦合等离子体质谱仪的射频发生器施加强大功率输出高频电流到仪器工作线圈，促进水样品溶液的推动，以及不断地电离放射，最终将水样品溶液中重金属进行电离，从而获取到重金属离子数据，具体过程如下表所示。

表3 水样品溶液在电感耦合等离子体质谱仪中的过程

7 电感耦合等离子体中心通道 解离 分子蒸汽8 电感耦合等离子体中心通道 激发和离子化 原子和粒子

按照上述过程对水样品溶液进行测定，获取到水样品溶液中重金属离子质量分数以及质谱信号强度，根据测定数据以重金属离子质量分数为横坐标，以重金属离子质谱信号强度为纵坐标，绘制重金属离子质谱曲线，并计算出水样品溶液中各种重金属离子数，以此完成基于电感耦合等离子体质谱法的水环境中重金属离子检测。

2 实验论证分析

实验以某水环境为实验对象，从该水域中采取50份水体样本，该水体样本中含有镁、铜、锌、锰、铁、铅、铬和汞等多种重金属元素，实验利用此次设计方法与传统方法对采取的水体样本中重金属离子进行检测。实验按照上述流程对水体样本进行制备，测定仪器内标，重金属同位素选择，最后利用电感耦合等离子体质谱仪进行测定，每个样品测定次数为三次，测定结果为三次测定值的平均值，对水体样品中各个重金属离子测定检出限为实验结果，对两种测定方法进行对比分析，实验结果如下表所示。

检出限是衡量一个检测方法的重要指标，用于表示检测方法的最低检测范围，根据表4中实验数据可知，本文设计方法检出限值较低，并且远远低于传统方法，因此实验证明了本文设计方法在检测范围上优于传统方法，更适用于水环境中重金属离子测定。

表4 两种方法检出限对比

3 结语

本文采用电感耦合等离子体质谱法测定对水环境中重金属离子进行了系统地研究，将电感耦合等离子体质谱法应用到水环境重金属离子检测中，形成了一种新的检测方法，利用实验验证了该方法具有较低的检出限，对提高水环境中重金属离子检测质量和技术水平具有重要的现实意义。水环境中重金属离子检测一直以来都是研究领域一个难题，并且近几年国内外的电感耦合等离子体质谱法发展较快，现阶段电感耦合等离子体质谱法测定水环境中重金属离子的方法还不够完善，在实际应用上还需要在检测精度上和灵敏度上进行进一步提高，因此今后会在基于电感耦合等离子体质谱法的水环境中重金属离子测定方法完善与优化方面进行研究。