重金属检测技术在水质分析中的应用与实践

刘亚平，刘 璐，赵丽雅，李梓瑶，赵俊梅

（河北省地质环境监测院/河北省地质资源环境监测与保护重点实验室，河北 石家庄 050000）

引言

在工业产业快速发展的背后，环境污染问题越来越严重，在影响生态环境的同时，也破坏了我们的生存环境。为恢复自然生态环境，加强污染控制，开展水质环境污染治理至关重要。为实现对水质环境的有效监测与治理，相关人员应把握重金属检测技术的应用关键，从根本上提高技术实施水平，从而更好地治理水环境中的重金属污染问题。

1 水质分析中重金属检测技术的有效应用

1.1 光谱检测技术

1.1.1 电感耦合等离子体质谱法

作为光谱检测技术的一种，电感耦合等离子体质谱法主要是指以重金属检测原理为核心，利用电感耦合等离子体与高温作用使检测对象离子化，然后进行筛选处理得到特定质荷比的离子，这是具有极高分析灵敏度和动态范围等优势特点的检测技术。在水质分析中应用此项技术时，主要是将水质样品重金属离子提取到质谱仪中，通过高真空状态的调整与质量筛选器的处理，得到准确的检测结果。在技术实际实施过程中，为保证结果的真实可靠性，使电感耦合等离子体质谱法的应用处于有效状态，相关人员应明确认识到不同重金属元素离子在质荷比方面的差异，根据实际需求尽可能同时完成多个重金属元素的分析与检测。与无机等传统检测工艺不同，电感耦合等离子体质谱法无需开展大量的样本采集，且检测过程中不存在较多的干扰因素，此外，其动态线性范围良好，检出限相对较低，整个检测过程效率较高，在水质分析中具有极强的适用性[1]。

1.1.2 分光光度法

分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析的方法。此项技术的突出优势在于较高水平的灵敏度与较为简便的操作流程，因此，该法是水质分析中常用的检测方法。在分光光度计中，不同波长的光连续照射一定浓度的样品溶液时，便可得到与不同波长相对应的吸收强度，其中，光谱区在200～800 nm，工作人员可结合定量、定性、结构层次等方法完成水质环境中的污染物分析。这一光谱检测技术充分发挥物质对光的选择性吸收特点，若是水环境中含有重金属离子，其结合物质后，将对特定光吸收造成影响，这一影响与重金属含量呈正比例关系，即含量越高，影响越大。作为水质检测中的常用检测技术，其处于不断发展状态，尤其在光谱干扰控制方面，越来越多的吸光光度法被研发出来，包括但不限于双波长吸光光度法、导数法等。

1.1.3 荧光分析法

荧光分析法主要是指利用紫外光照射待测样品，使其处于激发态，通过让激发态分子经历碰撞、发射，得到物质特质的荧光，再结合定量、定性等分析方法获得确切检测结果。但是在此项技术实际应用过程中，势必会遇到不发射荧光或荧光较弱的情况，为得到准确的检测结果，需要应用荧光染料等试剂将此类物质转化为能够发射荧光的物质，然后再开展检测工作。在各种试剂的发展与应用下，荧光分析法检测范围扩大，即便是原本不发荧光的有机物质和无机物质，都可以通过这一技术方法完成真实有效的检测。从荧光分析法目前的发展现状来看，其可被细化为原子荧光光谱法和分子荧光光谱法，常用的能够发射荧光的物质有有机荧光染料、量子点、稀土纳米材料等。开展水质检测工作时，若是水环境中含有重金属离子，应对原本该出现的荧光进行强化或消灭。与常规原子吸收光谱法不同，荧光分析法无需分离检测水样，也无需开展显色处理，整个检测操作流程简便。但是，为保证此项检测技术应用的有效性，相关人员应明确荧光物质对哪种或哪几种金属离子有所响应，检测时选择合适的荧光物质开展工作，以确保检测结果的真实可靠性[2]。

1.2 电化学分析法

电化学分析法主要是指利用不同物质的电化学性质完成对检测对象的重金属离子测定工作，结果涵盖重金属离子类别及其相应的含量数据。一般情况下，在应用这一技术方法开展水质分析工作时，主要将试液作为化学电池的重要组成，以化学电池参数、检测目标浓度关系为基础，完成对目标物质的高效检测。从当前此项技术发展现状来看，常用的电化学分析法有滴安法、电位分析法、极谱法和伏安法。在选择极谱法开展水质分析工作时，主要在电池两侧布置锯齿形的脉冲电压，再通过绘制电解曲线分析水体样本中的重金属及其含量。此项检测技术具有较高的重现性和灵敏度，能够很好地满足水质环境监测的需要。在选择伏安法开展水质分析工作时，工作人员能够对重金属离子开展连续性检测，检测期间涉及的各类检测设备不仅结构简单，对工作人员的专业性要求也不高，该技术常应用于对检测精度要求不高的水质分析工作中[3]。

1.3 液相色谱分析技术

液相色谱分析技术是水质重金属检测工作中的常用技术，作为一类分离与分析技术，流动相为液体是其主要特点。在固定相方面，则具有多种选择，包括薄板、纸、填充床等。若是以固定相为基础进行技术划分，液相色谱分析技术可分为纸色谱分析技术和薄层色谱分析技术。在选择液相色谱分析技术开展水质分析时，能够实现对重金属元素的快速分析，且非单一重金属元素，同时为相关工作人员提供各种类型重金属元素的实际分布情况与范围。但需要注意的是，液相色谱分析技术的灵敏度相对较低，要想保留其优势并弥补其不足，可以结合其他检测技术，依托于综合式的重金属检测技术完成水质检测与分析工作。

1.4 生物化学分析法

从生物化学分析法发展现状来看，其主要包括免疫分析法和酶分析法，作为一种新的重金属检测技术，其研究、应用热度居高不下。

1.4.1 酶分析法

基于水质检测与分析工作的酶分析法应用原理为：利用酶活性中心巯基或甲巯基的亲和力，使重金属离子与其相结合，在这种情况下，酶活性中心将会发生变化，具体变化可能体现在性质、结构等方面，对酶活性产生抑制作用。此时，底物显色剂的酸碱度、电导率及颜色等指标均发生变化，相关人员结合定量分析法即可对水中的重金属物质进行识别，以此完成有效的检测工作。从此项技术发展现状来看，酶分析法实施时常用的活性酶较为丰富，包括但不限于葡萄糖氧化酶、脲酶、异柠檬酸脱氢酶及过氧化物酶。相较于其他传统的水质检测技术，生物化学分析法具有更强的便捷性和经济性，不仅可以满足现场检测需求，还可以根据具体要求开展定性分析，但是其准确性仍有上升空间[4]。

1.4.2 免疫分析法

抗原和抗体之间发生特异性反应是此项技术测定水质环境中重金属元素含量的原理。基于免疫分析法的水质检测与分析，检测重点在于重金属物质能否结合络合物，在特定空间结构下与抗体、抗原发生特异性反应。若是可以，则能够结合定量分析法完成对水质样本中重金属元素的检测。但需要注意的是，能够与重金属离子进行特异性结合的络合物并非全部，所以此项技术在水质重金属检测工作中的应用存在一定限制性。

2 基于实例探究水质分析中重金属检测技术的实践要点

在水环境污染中，重金属污染较为常见，其不仅破坏了自然生态环境，还威胁着水生生物与人类的生命健康及安全。为强化重金属检测技术在水质分析中实践应用研究的现实可靠性，本文选择电感耦合等离子体质谱法开展实例分析，总结技术实践重点。

2.1 实例简介

S水库入库水源较多，水域面积在130 km2以上，整体为南北走向，长度和最大宽度分别为60 km、6 km。水库平均库容、平均水深分别为3.2×105 m3、32.5 m。S水库水的主要构成是当地主要河流的干流与支流，汇入点位于坝址上游1.6 km处。河流草量为2 000 m3左右，是总入库草量的六成，意味着此处存在一定程度上的水土流失。随着当地经济的发展，尤其是旅游业、工业产业的发展，导致S水库范围内出现不同程度的污染问题，尤其是取水口附近。为保证用水安全，当地开展了水质检测工作。

2.2 技术应用

为实现对多种重金属元素的同时检测，本次案例项目选择电感耦合等离子体质谱法开展检测工作。

2.2.1 检测实验

（1）设备与试剂：本次水质检测工作主要采用电感耦合等离子体质谱仪、微孔滤膜（0.45 μm）等设备，在检测作业开始前的12 h开始浸泡所需器具，使用纯净水将其洗净，晾干备用。在检测试剂方面，主要涉及超纯水、单元素标准物质溶液、标准储备溶液（1 000 μg/mL）、调谐液、内标液、高纯氩气。其中，1 000 μg/mL的标准储备溶液含铁、铜、锌、锰、镉。单元素标准物质溶液包括铁（202310），其标准值为1.52±0.07（mg/L）；铜（201126），其标准值为1.07±0.04（mg/L）；锌（201325），其标准值为1.92±0.08（mg/L）；锰（202310），其标准值为1.46±0.07（mg/L）；镉（201425），其标准值为7.75±0.49（mg/L）。调谐液则是氧化钡、铋、铈、钴、铟、锂和铀，均为10 μg/L。内标液则是锂、锗、钇、铑、铟、铱、铋，均为50 μg/L。

（2）预处理与仪器设置：本次案例项目的检测对象为S水库水，水质样品属于地表水，为保证水质检测结果的真实可靠性，开展实际检测工作前，相关人员对水样进行了过滤与处理。工作人员使用孔径为0.45 μm的微孔滤膜完成水样过滤工作，然后使用硝酸溶液对溶液酸碱值进行调控，使其≤2.0。除此之外，对于此类检测工作而言，检测仪器至关重要，为保证水质检测实验顺利推进，仪器开机前，相关工作人员应对环境条件进行检查，比如实验室内的环境湿度、环境温度，以及循环冷却水等，确保仪器处于正常运行状态。仪器设备开机后不可直接投入使用，应使其运作十五分钟，然后再使用硝酸溶液、去离子水对仪器管路进行清洗，时间控制在五分钟即可，然后使用仪器调谐程序优化仪器条件，具体调节内容包括灵敏度、双电荷等，确保其满足后续检测要求[5]。完成实验分析后，应立即对仪器管路进行清洗，清洗试剂与清洗方式和实验前相同，最后通过空气将仪器管路中的水充分排出。

（3）标准曲线绘制及样品测定：本次水质检测工作主要采用外标法开展实验分析，载流选择1%的硝酸溶液，横坐标为标准溶液，指的是样品浓度，纵坐标为样品信号。本次案例项目中，标准溶液浓度为：镉元素的标准溶液浓度（标准1～标准7）分别为0、1.0 μg/L、5.0 μg/L、10.0 μg/L、20.0 μg/L、40.0 μg/L、60.0 μg/L。其余金属元素的标准溶液浓度（标准1～标准7）分别为0、10 μg/L、50 μg/L、100 μg/L、200 μg/L、400 μg/L、600 μg/L。

在样品测定环节，开展样品测定工作前，相关工作人员使用硝酸溶液冲洗系统，降低信号强度。若是测定期间发现重金属元素浓度超标，则要及时对水样加以稀释，然后重新落实规范的检测工作。

2.2.2 实验结果与讨论

检测过程中发现出现的干扰主要来源于质谱干扰和非质谱干扰，前者包括氧化物、多原子离子、同质异位素；后者包括沉淀物、样品基体。为保证检测质量，期间加入内标溶液，实现对信号抑制、信号漂移的消除，同时调整仪器设置，使其处于KED模式。

（1）标准曲线和检出限：标准曲线及仪器检出限如表1所示。

表1 基于水质重金属检测的标准曲线和仪器检出限

根据表1数据可知，在本次水质检测中，五种重金属元素的相关系数都大于0.999，这意味着元素浓度与信号强度之间存在高度线性正相关关系。此外，根据表1中的检出限范围，说明在水质重金属检测中，电感耦合等离子体质谱法灵敏度较高。

（2）准确度与精密度：为进一步判断此项技术在水质重金属元素检测中的适用性，本项目运用原子吸收光谱法开展水质样品测定，并依托对比实验与分析完成判断。在准确度和精密度方面，两种方法的测定结果如表2所示。

表2 准确度与精密度检测对比

根据表2数据可知，两种检测技术均符合水质重金属检测需求，但是电感耦合等离子体质谱法的检测准确度、精密度水平更高，可以很好地应用于多种重金属元素的检测工作中。

3 结论

综上所述，为实现对水环境污染的有效治理，加强水环境监测，开展水质重金属检测工作至关重要。随着现有技术的丰富与发展，水质检测技术体系愈发先进。通过上述分析可知，在技术实际应用过程中，相关人员应从实际出发，结合水质重金属检测条件及要求，选择合适的检测技术，以此提高检测精度和准确度，满足水环境治理需要。