水中重金属光谱检测技术略论

李志明

（惠州市水质检测综合服务有限公司，广东 惠州 516003）

水是人类赖以生存的重要资源之一，也是国家经济发展的重要基础，但是随着工农业及经济的快速发展，生活废水、工业污水、农业废水的大量排放，加重了对生活用水的污染，严重影响了人们的身体健康，特别是水中的重金属对环境造成了极大地影响，如铜、锌、镉、铅、汞等重金属元素迁移性比较高、累积性强，过量累积的重金属元素具有毒性高的特征，会被植物、农作物等吸收，对人体造成伤害［1］。因此，对水中的重金属进行检测是十分必要的。采用重金属光谱检测技术，可以快速有效地对重金属元素进行检测分辨，因而在水质检测中具有广泛的应用。

1 原子吸收光谱法在水中重金属检测中的应用

1.1 原子吸收光谱法的原理

原子吸收光谱法的基本原理是利用外层电子不稳定的特点。当不同元素受到不同波段光谱光照后，其外层电子就会发生跃迁，由稳定状态向相对不稳定的状态转变，在此过程中，将原子发出的特征光谱与标准的光谱曲线进行比对和定性分析，就可以确定金属的类型。原子吸收光谱法具有检测精度高、抗干扰能力强，能够快速检测出微量元素等的特征，是水中重金属元素检测常用的技术之一，例如采用这种方法能够快速检测水中的重金属铅，而且该方法对重金属浓度的检测具有很强的广泛性，因而经常应用于对废水和地表水中的重金属进行检测。

1.2 原子吸收光谱法在重金属检测中的应用

1.2.1 水中重金属有机化合物的测定

重金属有机化合物是水中常见的污染物，容易形成多种金属衍生物，因而需要采用不同方法对其进行净化处理。分离水中重金属有机化合物常用的方法包括灰化法、消解法等，应用这些方法可以去除水中的有机物，使重金属离子能够在水中单独存在，以减少有机物对光谱法检测结果的干扰，从而有效提高光谱法检测重金属的灵敏度。

1.2.2 重金属离子的测定

不同的重金属离子，其测定方法不同，例如在对水中金属铁、锌、锰、铬等进行测定时，可以配置几种重金属混合硝酸根溶液，先对水中的重金属离子进行处理，然后用火焰原子吸收光谱仪，通过空气—乙炔燃烧形成火焰，对水中的重金属元素进行汽化，再使用空心阴极灯或者无极放电灯测试重金属原子发射的光源，最后通过光谱仪与吸收的光源进行比对，能够得到水中重金属的含量，同时还可以有效去除水中的铁、磷等元素的干扰。在进行测试时，为保证光谱法测定的稳定性，工作人员可以使用贫燃火焰进行原子化过程，在进行光谱比对时，便于分析。在对水中重金属元素锌进行处理时，需要将溶液的pH值调节到2以下，以提高对待测样品测定的精确性，同时还能减小测试误差。在测定原子吸收光谱前，为提高测定精度，减小测试误差，在对待测样品进行原子吸收光谱测定前，先将重金属溶液浓缩到15倍以上，以保证测定时溶液的浓度能够达到原子吸收光谱仪可以测定的浓度范围，避免检测浓度不够导致测试样品的浪费，或者计算机无法检测出水溶液中的重金属含量［2］。

1.2.3 原子吸收光谱法利用重金属间接检测有机物的应用

水中的重金属有机污染物，主要是以官能团或者基团的方式存在，一般是采用红外光谱、紫外光谱等方法进行测定，但是有些重金属物质还需要采用原子吸收光谱法进行测定，是根据有机物的性质对待测物质按照比例转化进行测试。例如，对水中甲醛含量的测定，在测定时，可以采用0.1 g/mL的NaOH、0.05 g/mL的CuSO4溶液、0.2 g/mL配制的斐林试剂在沸水浴中加热半小时，直到溶液中出现砖红色的沉淀时进行鉴定；也可以采用1 mL、2%的AgNO3溶液，边振荡边滴入2%的稀氨水，刚好将砖红色的沉淀溶解后，加入50 ℃水浴加热进行鉴定，这时溶液中就会产生单质银，再利用HCl溶液、AgNO3溶液对甲醛反应产生的沉淀进行溶解，在溶解过程中会产生Cu2+与Ag+，然后再分别采用原子吸收光谱法测定Cu2+与Ag+的含量，并根据沉淀中金属离子和有机物甲醛的配平系数，间接地测定水中甲醛的占比。

2 电感耦合等离子原子发射光谱法

2.1 电感耦合等离子原子发射光谱法的原理

电感耦合等离子原子发射光谱法的主要原理是利用电感耦合等离子体作为激发光源，将待测重金属离子作为处于激发态的原子，在其能量释放回到基态时，会发射出不同的特征谱线，然后采用重金属的光谱进行比对，确定重金属的类型。由于待测重金属原子的能级结构不同，所发射出的光谱特征线也不同，针对这种特征光谱线强度的不同，运用电感耦合等离子原子发射光谱仪就可以测定出待测原子的类型和含量。采用该方法测定水中重金属元素的速度较快，操作也比较简便快捷，而且检测精度高、检测范围比较广泛，是目前常用的检测重金属水污染的方法之一。

2.2 电感耦合等离子原子发射光谱法的应用

电感耦合等离子原子发射光谱法的关键是电感耦合等离子炬是激发原子发光的重要激光光源，利用该电感耦合等离子体发射光谱法可以快速测定水中的重金属K、Na、Ca、Mg离子及其含量，在对其含量进行检测与分析的过程中，需要将K、Na、Ca、Mg元素的光谱分析谱线值依次设定为766.491、589.593、317.932、285.215。采用电感耦合等离子原子发射光谱法测定K、Na、Ca、Mg元素时，需要设置好测定条件：光矩的激发功率为1 150 W，设备的雾化压力为0.2 MPa，将光室温度控制在38 ℃，Camera温度为-46.6 ℃，对重金属水溶液测试样品冲洗时间为30 s，循环水制冷功率为1 500 W，要求氩气纯度为99.999%才能满足要求，电感耦合的泵速为45 r/min。同时还要采用样品稀释法和背景扣除法校正测试的光谱背景，以降低基体效应的影响。在经过多次测试后，采用该方法的检出限为0.000 6～0.01 mg／L，4种重金属测定值的相对标准偏差依次为0.429%、1.28%、0.426%、0.538%。在进行实验分析的过程中，测得的重金属回收率为99.6%～102%，总体结果满足对污染水中重金属的测定，而且也能准确测定出重金属的类型，并能够对污水中的重金属元素进行定性与定量分析［3］。因此，采用电感耦合等离子原子发射光谱法能同时完成多种重金属的测定分析，而且采用这种方法的检测精度高、速度快、便捷，同时化学与电离干扰也比较少、检测的限制也比较少、检测的范围比较广泛，同时还可以对污染水中重金属的痕量与常量进行分析，但是该方法对仪器维护和实验测试方法有较高的要求。

3 原子荧光光谱法的应用分析

3.1 原子荧光光谱法的原理

原子荧光光谱法的原理是重金属原子在吸收到外界能量时，外层不稳定电子会发生跃迁，采用基态原子（一般蒸汽状态）的特征频谱，来吸收合适的特定频率的光能量辐射，将原子激发至高能状态，然后激发过程中的能量以光辐射的形式发射，使不同的重金属元素呈现出不同特征的荧光，通过比对荧光谱特征，确定重金属的类型。该方法主要是利用原子辐射能激发而发出的荧光来测定水中的重金属污染，是一种定量光谱的分析方法。原子荧光的波长在紫外、可见光区，在气态情况下，重金属原子能够在吸收特征波长的辐射能后，使重金属元素的外层电子从基态或者低能状态跃迁到高能状态，大约经过8～10秒后，外层电子又会从高能状态跃迁到低能状态，同时还会发出荧光。

3.2 原子荧光光谱法的应用

原子荧光光谱法具有检测精度高、检测的重金属元素种类比较多、对重金属检测的选择性较好、检测限制低，能同时检测多种重金属元素、所需样品量比较少等优势。例如，在对污水中的砷与汞元素进行检测时，检出限分别为0.198 μg/L和0.009 8μg/L，对两种重金属元素的回收率在97.36%～105.78%和96.33%～107.52%之间，具体的测试结果见表1。

表1 砷与汞元素标准溶液精密度实验（n=6）

这种方法特别适合测定矿区污水中的金属砷和汞，因其检测时间较短，在污水重金属检测中应用十分广泛。由于水质样品中的重金属元素含量比较低，只有在重金属元素富集检测时才是研究的重点。在检测水中重金属时，由于部分有机重金属化合物处于不稳定状态，部分重金属的不荧光性限制了该方法对水质检测的应用，所以在选择该方法进行检测时，首先要确定重金属元素的种类。例如，可以采用水浴消解氢化物发生-原子荧光光谱法，综合测定污水中的砷、汞元素的含量。该方法操作比较简单，使用的酸类物质也较少，同时还可以消解污水样品，且空白值低，测定结果准确、可靠，也为污水中砷、汞含量的检测与分析提供了简单、快捷的方法。

4 可见紫外分光光度法

可见紫外可见光光度法也是一种常用的检测方法，是光谱检测技术中的一种重要方法，该方法主要是对部分重金属离子进行检测。由于重金属中的电子在受到紫外线照射时，可以吸收可见紫外光的辐射能，使外层的不稳定电子能级发生跃迁，并依据可见紫外吸收光谱的特征进行比对，从而可以快速完成对重金属的检测。这种技术应用也比较广泛，如对某一种中草药中的特定元素进行检测，而且检测结果的精确度较高，但是应用于水污染中的重金属检测还处于研究阶段。可见紫外分光光度法具有简便快速、安全可靠、使用方便、检测精确度比较高、实验操作流程简单等优点，在重金属检测中有着较好的应用前景。但是，在具体应用过程中，在污染物的选择性、灵敏性和谱线重叠方面需要进行认真地分析，才能提高检测的有效性和准确性［4］。

5 结语

光谱法作为高效的水质检测方法，能够快速检测出污水中的重金属类型和含量，具有检测方便、快捷，检测结果精度、准确度比较高的优势，因而在检测水中重金属污染物时具有良好的发展前景，也是重金属检测常用的方法之一。光谱法检测重金属有很多方法，不同的检测方法具有不同的优势，因而在具体检测过程中，可以结合重金属的类型，选择合适的光谱检测方法，以提高水中重金属的检测效率。