环境水质分析中重金属检测技术的运用探究

黄治华 郭志娟

关键词： 环境水质分析 重金属检测技术 电感耦合 等离子体质谱法 水污染治理

随着人们环保意识的增强，对于环境污染问题的关注度也越来越高。重金属污染是环境污染问题的分支之一，将对水中生物及人类生命安全产生极大威胁。当前，工业产业高速发展，环境水质重金属实现快速检测也是尤为重要的。基于此，该文分析环境水质检测中不同重金属检测技术的应用，对于水污染治理、环境保护及人们生活质量的提高均具有现实意义。

1 检测环境水质重金属的重要性

水资源是人类赖以生存的自然资源，其并不是取之不尽用之不竭的。随着重金属离子等污染物质进入水中就会对环境水质产生污染，使可利用水资源储备量越来越少，潜移默化地威胁着人类的生命安全。通过对环境水质进行重金属检测，能够检测出水中铅、汞、铜、铬、锌等重金属离子水平[1]，不同重金属离子对人类的危害，具体见表1。通过合理运用重金属检测技术，分析环境水质中重金属离子种类及水平，对比现行水环境治理标准，明确是否存在重金属超标现象，依据污染情况予以环境治理。由此可见，检测分析环境水质重金属水平是实现水环境保护及环境污染治理的关键。

2 环境水质分析中常见重金属检测技术

2. 1 光谱检测技术

2.1.1 分光光度法

分光光度法的原理为个别污染物质中价电子可越过200～800 nm 光谱区辐射吸收，从而产生可见紫外吸收光谱，从定性、定量及结构层次等方面对污染物进行分析。该方法充分利用物质对光的选择性吸收，水质中若存在重金属离子，其结合物质后，将影响物质对特定光的吸收，随着重金属含量的提高，其影响将越来越大[2]。该检测方法以其操作便捷、设备要求低、可靠性强等优势，已成为使用较为普遍的水环境重金属检测方法。随着人们对检测效率及可靠性要求不断提高，已基于该方法引申出多种光谱干扰较小的吸光光度法，如导数法、双波长吸光光度法等。

2.1.2 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法的检测原理为水环境中若存在重金属原子，其自由基态原子将对共振辐射产生吸附作用，可通过分析吸收程度进而明确重金属污染水平。氢化物发生法、火焰法以及石墨炉法是较为常见的几种原子吸收光谱法。（1）氢化物发生法综合利用重金属离子氢化物在常温环境下具有较差的热稳定性且为气态的特点，其检测时以惰性气体为载体，在石英管中配合使用还原剂使其发生受热分解反应，根据原子特征发射信号测定污染物水平[3]。（2）火焰法即在雾化器辅助下向燃烧头喷入样品溶液，在高温条件下样品溶液干燥后将发生热解还原反应，此时呈自由基态的重金属原子将不同程度吸收共振辐射。（3）石墨炉法是将原子处于高温条件下，获取具有峰值变化走向的原子变化走向，依据不同时间段维持时间及温度的不同，对相应重金属元素进行分析[4]。上述3 种检测方法在实际应用时各有优势，对于氢化物发生法而言，其对于测定最佳分析线较近的重金属元素时更为适用；而火焰法则恰好相反，其测定分析线较近元素时，易由于背景吸收而影响检测精准度，更适合检测分析线相差较远的重金属元素；由于石墨炉法具有较快的升温速度，其在检测稀土元素时更占优势。

2.1.3 电感耦合等离子质谱法

电感耦合等离子质谱法的重金属检测原理为将待检测水质样品放入电感耦合等离子体后，在高温条件下使待检溶液发生离子化。水质样品重金属离子被提取到高真空状态的质谱仪中，经质量筛选器处理后，可检测出特定质荷比的离子。由于不同重金属元素离子其质荷比不同，通过电感耦合等离子质谱法可实现对80 余种元素的分析与检测[5]。相比于传统的无机监测方法，电感耦合等离子质谱法具有样本采集量与干扰因素少、动态线性范围好且检出限低、检测效率高等优势，能够在实现多种重金属的同时检验。在环境水质分析中，该技术的运用具有高效的技术优势。

2.1.4 荧光分析法

通常情况下，物质在常温状态下若照射特定波长的光，其价电子将由稳定的基态向不稳定的激发态所跃迁，此时价电子将出现衰变直至基态，在光照辐射下生成波长相较入射光长的光，即荧光。停止照射后，荧光即消失。荧光分析法可被细分为分子或原子荧光光谱法[6]。当前，量子点、有机荧光染料及稀土纳米材料等为检测时常用的能够发射荧光的物质。若环境水质中存在重金属离子，其将强化或消灭荧光作用，重金属含量越高表现越为明显，该方法正是利用这一原理监测水环境中的重金属离子。

相比于常规原子吸收光谱法、分光光度法等，荧光分析法的优势体现在高敏感度、低检出限、不需实现对检测水样进行分离、显色处理，操作简便。但由于重金属物质本身并不会自然产生荧光，需配合使用荧光物质[7]。而上述几种常用的荧光物质只能够对特定几种重金属离子有所响应，如镉离子、铅离子、铜离子等，其他离子则难以检测，导致该方法在实际应用中受到一定限制。

2. 2 电化学分析法

电化学分析法是基于不同物质的电化学性质对重金属离子及含量予以测定。将试液作为化学电池的重要组成，依据化学电池参数（如电流、电阻、点位等）和待测物质浓度关系予以分析，该检测方法以电化学反应为技术支撑，常见的有电位分析法、伏安法、滴定法、极谱法等。

极谱法也被称为单扫描极谱分析法。在环境水质重金属检测时将锯齿形的脉冲电压设置于电池两侧，根据后溪电解过程形成电解曲线，对样本中重金属予以分析。该方法在实际应用中具有较高的灵敏度与重现性，检測效率较高。伏安法也被称为阳极溶出伏安法，其能够实现多种重金属离子的连续性检测，检测仪器构造简单、操作便捷，在对检测精度没有较高要求时较为常用。

2. 3 生物化学分析法

生物化学分析法具体包括酶分析法和免疫分析法等，是当前水环境中重金属检测时较为前沿的检测方法之一，在相关领域中有着较高的研究热度。其中酶分析法的检测原理为，若水中存在重金属离子，其对于酶活性中心的巯基或甲巯基具有较好的亲和力，二者结合后使酶活性中心结构、性质均发生不同程度的变化，对酶活性产生抑制，导致底物显色剂的酸碱度、电导率及颜色等指标均发生变化，通过定量分析可识别水中重金属物质，目前常用于酶分析法中的活性酶包括葡萄糖氧化酶、脲酶、异柠檬酸脱氢酶及过氧化物酶等[8]。有学者利用乙醇生成乙醛的反应中配合醇脱氢酶催化时，重金属镉离子能够对酶活性产生抑制，进而明确酶促反应和镉离子浓度间的关系，实现样本中镉离子浓度的有效测定[9]。相比于传统的检测技术，其优势体现在经济性、便捷性，能够实现现场检测，但只能实现定性分析，检测准确性不够理想。

免疫分析法的检测原理为抗原和抗体之间发生特异性反应后对重金属含量予以测定，其对于重金属离子的选择性和灵敏性均较高。在检测时重金属物质能够结合络合物，形成特定空间结构后，与抗原或抗体发生特异性反应，实现环境水质样本中重金属元素的定量分析，但由于并非所有络合物均能够与重金属离子特异性结合，因此在实际检测中该方法受到一定限制。

2. 4 流动注射分析法

流动注射分析法检测环境水质的原理为在连续流动的载流中注入一定量的试样，在反应器中载流和试样能够充分混合，二者反应而生成的产物能够被流通式检测器所检测，记录仪能够准确记录峰值信号，实现重金属元素的定量分析。该方法利用简单的设备就能够实现自动化检测，检测效率高。在检测时能够将分离、加热、冷却等复杂的分析化学单元并入流路体系中，在不平衡且不均匀的状态下均能够实现检测[10]，具有试剂消耗量小、检测效率及检测精度高、节约检测成本等优势。由于流动注射装置能够和多种检测设备所联用，如原子质谱仪、分光光度计、化学发光仪等，可进一步拓宽该装置的检测范围，如有机物、金属、非金属等均可检测。

2. 5 液相色谱法

在环境水质重金属检测中，选择性与灵敏度是有着较高要求的指标。液相色谱法能够实现高效分离，但由于尚未出现高灵敏度的检测方法，在无机分析中受到一定限制。有学者联合使用液相色谱法和分光光度法，实现了选择性和灵敏度的高效统一[11]，其研讨利用高效液相色谱法对环境和工业废水中重金属元素予以测定，融合了分光光度法的液相色谱法，衍生出了柱前、柱中和柱后衍生方法。随着研究不断深入，在柱前衍生试剂取代基、色谱保留机理及辅助络合剂等影响的研究取得诸多进展。有学者利用离子色谱法对高浓度有机废水中碱金属、碱土金属元素予以测定[12]，其运用lonPac CS12A 阳离子交换柱、抑制型电导、20 mmol/L甲磺酸流动相等进行检测，在14 min 内完成了钾离子、钠离子、镁离子等阳离子的测定。在实际检测过程中精简的样本处理流程，该方法具有操作便捷、高灵敏度、选择性等优势，在碱金属、碱土金属离子的检测中具有较好的应用效果。

3 案例分析

某水库的入库水源为黄河、洮河，由下游水库出水、泄水。水库整体呈现南北走向，最大宽度为6 km，长度为60 km，水域面积达130 km2以上，平均水深和平均库容分别为32.5 m 和3.2×105 m?。黄河干流与洮河的右岸支流为该水库的主要构成，洮河在坝址上游的1.6 km 位置汇入该水库。每年洮河草量为2 000 m?左右，占总入库草量的60% 左右，说明该区域内存在较为严重的水土流失，对饮用水水质安全形成威胁。近年来，该库区范围随着旅游业、农牧业及工业产业的发展，对取水口附近的水质产生了不同程度的污染。加强水质检测，确保重金属含量在标准范围内，保证用水安全尤为重要。

3. 1 水质检测实验

3.1.1 水质检测方法

此次环境水质检测中水质评价标准依照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。以电感耦合等离子质谱法对水质样本中镉离子、铅离子、铁离子、铜离子等重金属离子进行检测。

3.1.2 实验设备

电感耦合等离子质谱法检测水中重金属离子所用设备为电感耦合等离子质谱仪（美国Thermo FisherScientific）、微孔滤膜（0.45 μm孔径）。在实验检测前利用硝酸溶液对实验器具进行12 h 浸泡后，使用纯净水进行冲洗、晾干。

3.1.3 实验试剂准备

（1）体积分数为2% 的硝酸溶液；（2）1 000 μg/mL的重金属标准储备溶液；（3）单一元素的标准物质溶液；（4）调谐液；（5）内标液；（6）高纯度氩气。

3.1.4 样本采集及处理

根据库区形态及环境特点，选择范围内8 个具有代表性的采样点对水质样本予以采集，分别以①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧表示。存储于同一环境下，在试验检测前对水质样本以微孔滤膜（0.45 μｍ孔径）进行过滤处理，向其中加入适量的2% 的硝酸溶液，使水质pH值在2 以下。

3.1.5 设置实验仪器

在开启仪器前，调整实验环境温度、湿度、循环冷却水等均符合实验要求，保证仪器性能。开启仪器后使其稳定15 min，使用2% 的硝酸溶液与去离子纯净水各对管路反复冲洗5 min。启动调谐程序优化仪器，提高仪器灵敏度确保满足实验要求。实验结束后再次使用2% 的硝酸溶液与去离子纯净水各对管路反复冲洗5 min，通入空气干燥处理。

3.1.6 实验过程

电感耦合等离子质谱法以1% 的硝酸溶液为载体，通过外标法展开实验分析。测定不同水质样本重金属元素的含量水平，如表2 所示。

3. 2 总结及结论

在以电感耦合等离子体质谱法分析水质样本中重金属元素时，其存在质谱干扰和非质谱干扰两种情况。其中前者源于原子、离子、氧化物等影响。后者则主要以物理干扰為主，干扰因素包括样本基体及质谱内的沉积物。鉴于此，为最大限度地减少干扰，在此次实验检测时将2% 硝酸溶液作为载流，以内标溶液予以校正，以消除信号干扰，保证重金属离子检测准确性。

分析上表2 数据，所有取样点中均未检测出Hg、Cd、Pb，在取样点⑥的Fe、As 含量均最高，分析原因可能与该取样点附近的污水处理厂有关。同时，随着周边城镇化建设进程逐步推进，养殖业得以发展，居民数量越来越多，导致水质检测结果有所浮动，为后续水污染防治提供指导。

4 结语

综上所述，人类离不开水资源，但随着城镇化建设进程逐步推进与工业产业的迅猛发展，影响环境水质的因素越来越多，重金属污染物的存在，导致生态失衡，威胁人们身体健康，为此应当高度重视环境水质重金属检测。该文阐述不同重金属检测技术应用原理及检测价值的基础上，以某水库水质检测为背景案例，分析电感耦合等离子质谱法的应用路径，通过检测为该水库重金属污染治理提供了理论指导，确保水质满足标准。