甘志永，劉 浩

(徐州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 徐州 221002)

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ICP-MS在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用及最新進(jìn)展

甘志永，劉 浩

(徐州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 徐州 221002)

電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)分析儀器具有較高的靈敏度，分析精密度高、分析速度快，可多元素同時(shí)分析。本文探討了ICP-MS的干擾與消除，綜述了ICP-MS在固體廢物、水、土壤環(huán)境中金屬元素的監(jiān)測(cè)分析及在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)分析方面的應(yīng)用及最新進(jìn)展。由此可見(jiàn)，ICP-MS技術(shù)提供的諸多優(yōu)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)分析和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

電感耦合等離子體質(zhì)譜；固體廢物；水和土壤環(huán)境；環(huán)境應(yīng)急

電感耦合等離子體質(zhì)譜法ICP-MS(inductively coupled plasma mass spectrometry)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)機(jī)元素分析技術(shù)，能夠檢測(cè)和測(cè)量樣品中無(wú)機(jī)元素的含量，對(duì)多種元素可同時(shí)分析，能夠高效率完成樣品中多種痕量元素的測(cè)定工作。它具有檢出限低(一般在10-15～10-12級(jí)，即(pg/L～ng/L)，靈敏度高，分析精度高，分析元素范圍寬等特點(diǎn)，目前該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境樣品(土壤、水質(zhì)檢測(cè))、固體廢物(痕量金屬污染)、環(huán)境應(yīng)急分析(同位素分析、放射性核素)等各個(gè)方面。ICP-MS主要有氣體供應(yīng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、射頻功率源、樣品提取系統(tǒng)、離子透射系統(tǒng)、碰撞反應(yīng)池系統(tǒng)、四級(jí)桿質(zhì)量過(guò)濾器及離子檢測(cè)器組成。儀器主要分為兩部分：電感耦合等離體(ICP)是一種高溫離子源，能夠把引入的樣品從分子狀態(tài)變?yōu)殡x子狀態(tài)；質(zhì)譜(MS)是離子檢測(cè)器。質(zhì)譜檢測(cè)器不同，使用的質(zhì)量過(guò)濾器也不同，主要有四級(jí)桿質(zhì)譜、磁質(zhì)譜或飛行時(shí)間質(zhì)譜。

1 電感耦合等離子體質(zhì)譜法干擾及消除

電感耦合等離子體質(zhì)譜法主要干擾為質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾[1]。

1.1 質(zhì)譜干擾及校正

質(zhì)譜干擾主要分為同量異位素重疊、氧化物干擾、雙電荷離子干擾和多原子離子干擾。

(1)同量異位素重疊即具有相同質(zhì)量數(shù)的不同元素的重疊干擾，如48Ca對(duì)48Ti干擾。有時(shí)同量異位素重疊可能引起嚴(yán)重的干擾，但由豐度比可知，因?yàn)閷?duì)絕大多數(shù)元素其豐度比是穩(wěn)定的，所以可通過(guò)測(cè)定干擾物的另一個(gè)同位素，然后在待測(cè)物峰處扣除干擾峰而得以校正。由于ICP-MS采用氬氣作為載氣，因此在測(cè)定鈣因素時(shí)，這種類型干擾最嚴(yán)重的是氬和鈣的主要同位素的重合，因而鈣只能用小豐度同位素44Ca測(cè)定。由于鈣在自然界中背景值較高，極少以很低濃度出現(xiàn)，因而小豐度同位素測(cè)定通常是可以接受的，也能獲得較高的靈敏度。

(2)氧化物干擾：在ICP-MS分析中氧化物響應(yīng)的程度常以氧化物峰的大小對(duì)金屬峰大小的比值MO+/M+表示(即MO+/(M++MO+)比值的近似，正常操作條件下，一般不超過(guò)5%，因此對(duì)結(jié)果的影響可以接受)，一般要使MO+/M+小于1.5%。水溶液中的樣品在原子化時(shí)由水蒸氣分解產(chǎn)生過(guò)量的氧原子，因而隨進(jìn)樣系統(tǒng)導(dǎo)入的水量影響MO的分解程度。減少導(dǎo)入水量可能使ICP更適合作為離子源，特別是較低的氧含量能減少譜圖中氧化物離子的比例。約低于7 ℃的溫度可將水蒸氣含量減至可忽略的水平。

(3)雙電荷離子干擾：如138Ba2+干擾69Ga，一般小于1%。

1.2 非質(zhì)譜干擾

在ICP-MS分析中，非質(zhì)譜干擾一般分為兩類：基體效應(yīng)和物理效應(yīng)。基體效應(yīng)程度取決于基體元素的絕對(duì)量而非基體元素與被測(cè)元素的相對(duì)比例。物理效應(yīng)直接和鹽類在取樣錐孔的堆積有關(guān)，控制測(cè)試溶液中的含鹽量，是減輕物理效應(yīng)的有效手段。

2 ICP-MS在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與最新進(jìn)展

2.1 固體廢物中金屬元素的監(jiān)測(cè)分析

固體廢物是指在生產(chǎn)建設(shè)、日常生活和其他活動(dòng)中產(chǎn)生的污染環(huán)境的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質(zhì)[2]，固體廢物如果不進(jìn)行正確處置而排入環(huán)境中，一些有毒成份如金屬元素就會(huì)污染河流、湖泊或進(jìn)入土壤，使得水體和土壤受到污染。由于金屬元素具有不能被生物降解的特性，一旦金屬元素進(jìn)入水體和土壤，就會(huì)在食物鏈中富集，進(jìn)入人體，引發(fā)水俁病(汞)、骨痛病(鎘)等疾病，嚴(yán)重危害人類健康。

我國(guó)對(duì)固體廢物中金屬元素的分析方法采用是《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB5085.3-2007)所規(guī)定的方法，規(guī)定了50個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，涵蓋了無(wú)機(jī)重金屬及化合物，其無(wú)機(jī)污染物主要包括各種金屬元素和類金屬元素及氰根離子、硫離子、氟離子、硫酸根等各種陰離子，新的分析方法ICP-MS彌補(bǔ)了固體廢物分析方法的缺失，完善了我國(guó)固體廢物監(jiān)測(cè)體系。李龍宇等[3]使用ICP-MS對(duì)污水處理廠不同處理工段的污水污泥樣品中重金屬的總量和形態(tài)進(jìn)行測(cè)定。胡忻等[4]利用ICP-MS測(cè)定城市污泥中重金屬元素Cd、Pb，由于城市污泥成分復(fù)雜，因含有豐富的有機(jī)質(zhì)等致使樣品的預(yù)處理困難，此分析方法可以快速有效地監(jiān)測(cè)污泥中重金屬元素含量。陳思楊等[5]利用ICP-MS分析北京城市污泥中鉛砷鉻形態(tài)濃度，由于城市污泥中重金屬的難降解和高毒性限制了污泥的資源化利用，采用BCR三步浸提法對(duì)污泥對(duì)污泥中鉛砷鉻的三種形態(tài)進(jìn)行提取，以硝酸-高氯酸進(jìn)行消解，利用ICP-MS檢測(cè)鉛砷鉻含量和各種形態(tài)的含量，為北京城市污泥的資源開(kāi)發(fā)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Morgana Frena等[6]提出了利用ICP-MS分析技術(shù)，能夠快速測(cè)定河口沉積物樣品中的金屬微量元素。

2.2 水、土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)分析

水環(huán)境和土壤環(huán)境在環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中屬于重要內(nèi)容，ICP-MS技術(shù)具有靈敏度高的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境水樣和土壤樣品的超痕量分析非常有用。對(duì)于環(huán)境水樣品，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的前處理(如酸化和過(guò)濾)即可進(jìn)行快速、多元素分析。任海平等[7]探討了ICP-MS在某地飲用水水源地微量無(wú)機(jī)元素中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，經(jīng)研究表明ICP-MS可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出水中的多種金屬的指標(biāo)，快捷方便，檢測(cè)限低，準(zhǔn)確度和靈敏度均較高，金屬元素監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)顯著。馮麗萍[8]采用ICP-MS同時(shí)測(cè)定地表水中砷、銻、鉛、鉈、鎘、鈹、鈷和釩8中金屬元素含量，通過(guò)對(duì)質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾校正，用外標(biāo)法定量，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確快速同時(shí)測(cè)定金屬元素的目的。Yatai Li等[9]采用ICP-MS法精確測(cè)定高鹽地下水中超痕量的稀土元素。樣品先經(jīng)氫氧化鐵共沉淀除去K、Na、Ca等元素的干擾， 然后采用在線氣溶膠稀釋技術(shù)減少分析檢測(cè)過(guò)程中的基體效應(yīng)和光譜干擾。實(shí)現(xiàn)了對(duì)高鹽地下水中超痕量稀土元素的測(cè)定，ICP-MS分析技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)測(cè)定各種高鹽水樣品中痕量稀土元素。Jeanette E.O’Sullivan等[10]采用自動(dòng)化處理過(guò)程，使用ICP-MS分析技術(shù)測(cè)定海水中的Cd、Co、Cu、Ni、Pb和Zn元素，該方法可為檢測(cè)其他領(lǐng)域遠(yuǎn)洋海水中的微量元素提供參考。

對(duì)于土壤污染，需要對(duì)污染土壤進(jìn)行土壤分析和質(zhì)量分析，而ICP-MS檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用到了土壤元素分析，并且該技術(shù)可同時(shí)檢測(cè)土壤中的多種元素。如張建中[11]采用微波消解ICP-MS測(cè)定土壤中的鉻，通過(guò)在土壤樣品加入氫氟酸和硝酸在一定的條件下微波消解，在低溫低壓條件下進(jìn)行趕酸，探討了ICP-MS 儀器工作條件及影響測(cè)定的因素，結(jié)果表明微波消解ICP-MS 測(cè)定土壤中的鉻準(zhǔn)確、快速、干擾小、重復(fù)性好，適用于土壤中總鉻含量的測(cè)定。蘇榮等[12]建立了微波消解-電感耦合等離子質(zhì)譜法測(cè)定土壤中10種元素的分析方法，研究了同位素干擾對(duì)土壤測(cè)定的影響，建立的方法樣品處理程序簡(jiǎn)單快速，線性范圍寬，分析重現(xiàn)性好，結(jié)果準(zhǔn)確，適用于大批量土壤樣品的分析。

2.3 環(huán)境應(yīng)急分析

近年來(lái)，環(huán)境應(yīng)急事故頻發(fā)，在事故狀態(tài)下的應(yīng)急處理要求對(duì)環(huán)境介質(zhì)中主要污染物進(jìn)行快速分析，為應(yīng)急處理提供參考依據(jù)，面對(duì)環(huán)境應(yīng)急事故，ICP-MS半定量分析技術(shù)可迅速檢定環(huán)境中所有可能存在的元素或同位素的響應(yīng)，從而對(duì)未知樣品濃度進(jìn)行估算。施章宏等[13]研究了在核事故狀態(tài)下，對(duì)事故中的涉鈾人員通過(guò)ICP-MS技術(shù)測(cè)量尿樣中鈾同位素，將其作為內(nèi)照射劑量評(píng)價(jià)的主要手段。實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境介質(zhì)中的放射性核素進(jìn)行快速分析，從而使的涉鈾人員能得到及時(shí)有效救治。沈沁怡等[14]利用ICP-MS半定量分析對(duì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)水樣進(jìn)行全譜圖掃描，初步判斷質(zhì)量范圍6～260的所有重金屬離子及其同位素的濃度，快速找到主要重金屬污染物，對(duì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)過(guò)程中的復(fù)雜基體水樣、未知水樣的分析具有實(shí)際應(yīng)用意義。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)分析技術(shù)相比，ICP-MS技術(shù)提供了最低的檢出限、最寬的動(dòng)態(tài)線性范圍、干擾最少、分析精密度高、分析速度快、可進(jìn)行多元素同時(shí)測(cè)定以及可提供精確的同位素信息等優(yōu)點(diǎn)。因此，該技術(shù)必將為環(huán)境監(jiān)測(cè)分析技術(shù)提供強(qiáng)有力的支持。

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Research Progress and Application of Environmental Monitoring by Using ICP-MS

GANZhi-yong,LIUHao

(Xuzhou Environmental Monitoring Central Station, Jiangsu Xuzhou 221002, China)

The inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) analysis instrument has high sensitivity, high analysis precision and fast analysis speed, which can be used multielement analysis at the same time. The interference and elimination of the ICP-MS were introduced, the latest progress of application of ICP-MS in environmental monitoring analysis was reviewed, such as monitoring analysis of metal elements in solid waste, monitoring analysis of water and soil environment, monitoring analysis of environmental emergency. ICP-MS technology provides many advantages and monitoring advantage, which will act as a powerful analysis in environmental monitoring and environmental science.

the inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS); solid waste; water and soil environment; environmental emergency

甘志永(1982-)，男，工程師，現(xiàn)從事環(huán)境監(jiān)測(cè)分析工作。

X-1

A

1001-9677(2016)020-0033-03