鄒可可
(河南省平頂山水文水資源勘測(cè)局,河南 平頂山 467000)
水是生物體維持生命最基本的保障,對(duì)人類和生物健康生存具有重要的作用,但是目前國(guó)內(nèi)外水資源嚴(yán)重短缺,而且由于工業(yè)發(fā)展過(guò)程中對(duì)工業(yè)污水肆意排放,使得本就匱乏和短缺的水資源受到了嚴(yán)重的污染,其中最為嚴(yán)重的就是水環(huán)境重金屬污染。通常情況下水環(huán)境中存在微量的重金屬,但是收到工業(yè)污染,導(dǎo)致水環(huán)境中重金屬離子嚴(yán)重超標(biāo),重金屬具有不可降解性和毒性的特征,如果水環(huán)境中重金屬離子攝入人體內(nèi)或者其他生物體內(nèi),將會(huì)與體內(nèi)的多種酶以及蛋白質(zhì)發(fā)生結(jié)合,從而使人以及生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和多種酶喪失活性,從而導(dǎo)致體內(nèi)多個(gè)器官逐漸衰竭。據(jù)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)人體內(nèi)的重金屬離子超出一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),就會(huì)引發(fā)多種癌癥疾病的發(fā)生,因此目前水環(huán)境中重金屬污染已經(jīng)成為引發(fā)癌癥的主要原因之一,因此必須采取有效手段對(duì)水環(huán)境中重金屬離子進(jìn)行檢測(cè),為水環(huán)境治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)。目前現(xiàn)有的檢測(cè)方法主要有基于微波消解法的水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè),以及基于儀器分析法的水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè),這類傳統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中雖然具有較高的檢測(cè)效率和檢測(cè)精度,但是檢出限比較高,無(wú)法檢測(cè)到水環(huán)境中微量的重金屬離子,已經(jīng)無(wú)法滿足水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè)需求,為此提出電感耦合等離子體質(zhì)譜法在水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè)中的應(yīng)用研究[1]。
本文以電感耦合等離子體質(zhì)譜法為理論依據(jù),對(duì)水環(huán)境中重金屬離子進(jìn)行測(cè)定,形成一種新的測(cè)定方法,根據(jù)電感耦合等離子體質(zhì)譜法實(shí)際應(yīng)用以及水環(huán)境中重金屬離子測(cè)定經(jīng)驗(yàn),本文提出測(cè)定方法共包括儀器和設(shè)備準(zhǔn)備、水樣品溶液制備、同位素選擇、測(cè)定儀器內(nèi)標(biāo)以及儀器測(cè)定五個(gè)工序,具體檢測(cè)流程如下圖所示。
以下將結(jié)合圖1對(duì)基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明[2]。
圖1 水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè)流程圖
在對(duì)水環(huán)境中重金屬離子測(cè)定中所使用到的儀器設(shè)備主要為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,根據(jù)檢測(cè)需求,選取美國(guó)Perkin Elermer公司生產(chǎn)的PPSD/5955DS56型號(hào)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,該電感耦合等離子體質(zhì)譜儀配備高靈敏度的同心霧化室以及在線內(nèi)標(biāo)進(jìn)樣蠕動(dòng)泵,其測(cè)量精度和靈敏度較高。其次還有上海HUG公司生產(chǎn)的SHED262型號(hào)電子天平以及上海合泰有限公司生產(chǎn)的KIHD-365DE4型號(hào)超純水機(jī)。
所涉及的檢測(cè)容器有聚四氟乙烯燒杯、100ml容量瓶、一次性滴管以及玻璃刻度移液管。所使用的主要試劑為鹽酸、硝酸、過(guò)氧化氫、重金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液、調(diào)諧液,其規(guī)格如下表所示。
表1 檢測(cè)中主要化學(xué)試劑
使用上述提出的測(cè)定儀器、容器以及化學(xué)試劑對(duì)水樣品溶液進(jìn)行制備以及重金屬離子測(cè)定。
首先在水環(huán)境中選取待檢測(cè)水體樣本,利用濾網(wǎng)將水體中雜質(zhì)去除掉;然后利用SHED262電子天平城區(qū)1000g水體樣本放入到100ml聚四氟乙烯燒杯中,并向聚四氟乙烯燒杯中再加入15ml鹽酸試劑和7.5ml硝酸試劑,蓋上杯蓋令燒杯中水與硝酸和鹽酸緩慢溶解,溶解時(shí)間為30min,放在背陰處。待燒杯中水和化學(xué)試劑充分溶解之后,用一次性滴管向燒杯中滴入幾滴過(guò)氧化氫試劑,利用玻璃棒對(duì)燒杯中溶液進(jìn)行攪拌,待燒杯中溶液冷卻后將溶液轉(zhuǎn)移到100ml容量瓶中。最后利用超純水對(duì)容量瓶中溶液進(jìn)行定容和搖勻,放在遮光處待測(cè)。
為了避免其它干擾因素影響到水環(huán)境中重金屬離子測(cè)定精度,在對(duì)水體樣品進(jìn)行測(cè)定之前要正確地選擇重金屬元素同位素的質(zhì)量數(shù),通常情況下水環(huán)境中重金屬元素包括鎂、銅、鋅、錳、鐵、鉛、鉻和汞等,因此在對(duì)重金屬同位素質(zhì)量數(shù)選擇上基本以這幾種重金屬為對(duì)象,并以“干擾少、豐度高”作為選擇原則,選取鎂金屬元素同位素質(zhì)量數(shù)為53個(gè)、銅55個(gè)、鋅68個(gè)、錳60個(gè)、鐵45個(gè)、鉛35個(gè)、鉻46個(gè)、汞63個(gè)。選擇完重金屬元素同位素質(zhì)量數(shù)之后,需要對(duì)測(cè)定儀器進(jìn)行標(biāo)定,使用測(cè)定儀器對(duì)待測(cè)元素相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行霧化,標(biāo)準(zhǔn)溶液霧化后將其由載氣輸送到電感耦合等離子體質(zhì)譜中,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶解質(zhì)譜系數(shù)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行內(nèi)標(biāo),這樣可以保證測(cè)定儀器設(shè)備的測(cè)量精度。
在上述工作的基礎(chǔ)上,利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對(duì)制備好的水體樣品溶液中重金屬離子進(jìn)行測(cè)定,首先需要對(duì)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,根據(jù)水環(huán)境中重金屬離子測(cè)定需求,對(duì)儀器設(shè)備的射頻功率、冷卻氣流量、輔助氣流量、碰撞氣流量等工作參數(shù)設(shè)定,具體如下表所示。
表2 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作參數(shù)
按照上表對(duì)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,然后將水樣品溶液輸送到電感耦合等離子體質(zhì)譜儀中,溶液從石英中心管進(jìn)入電感耦合等離子體中心通道中,形態(tài)上發(fā)送了由氣溶膠到蒸汽,再由蒸汽到氣體,最后由氣體到離子化的改變[3]。利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的射頻發(fā)生器施加強(qiáng)大功率輸出高頻電流到儀器工作線圈,促進(jìn)水樣品溶液的推動(dòng),以及不斷地電離放射,最終將水樣品溶液中重金屬進(jìn)行電離,從而獲取到重金屬離子數(shù)據(jù),具體過(guò)程如下表所示。
表3 水樣品溶液在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀中的過(guò)程
7 電感耦合等離子體中心通道 解離 分子蒸汽8 電感耦合等離子體中心通道 激發(fā)和離子化 原子和粒子
按照上述過(guò)程對(duì)水樣品溶液進(jìn)行測(cè)定,獲取到水樣品溶液中重金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度,根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)以重金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo),以重金屬離子質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度為縱坐標(biāo),繪制重金屬離子質(zhì)譜曲線,并計(jì)算出水樣品溶液中各種重金屬離子數(shù),以此完成基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè)。
實(shí)驗(yàn)以某水環(huán)境為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,從該水域中采取50份水體樣本,該水體樣本中含有鎂、銅、鋅、錳、鐵、鉛、鉻和汞等多種重金屬元素,實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)采取的水體樣本中重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)按照上述流程對(duì)水體樣本進(jìn)行制備,測(cè)定儀器內(nèi)標(biāo),重金屬同位素選擇,最后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)樣品測(cè)定次數(shù)為三次,測(cè)定結(jié)果為三次測(cè)定值的平均值,對(duì)水體樣品中各個(gè)重金屬離子測(cè)定檢出限為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)兩種測(cè)定方法進(jìn)行對(duì)比分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。
檢出限是衡量一個(gè)檢測(cè)方法的重要指標(biāo),用于表示檢測(cè)方法的最低檢測(cè)范圍,根據(jù)表4中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,本文設(shè)計(jì)方法檢出限值較低,并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法,因此實(shí)驗(yàn)證明了本文設(shè)計(jì)方法在檢測(cè)范圍上優(yōu)于傳統(tǒng)方法,更適用于水環(huán)境中重金屬離子測(cè)定。
表4 兩種方法檢出限對(duì)比
本文采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定對(duì)水環(huán)境中重金屬離子進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,將電感耦合等離子體質(zhì)譜法應(yīng)用到水環(huán)境重金屬離子檢測(cè)中,形成了一種新的檢測(cè)方法,利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有較低的檢出限,對(duì)提高水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè)質(zhì)量和技術(shù)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。水環(huán)境中重金屬離子檢測(cè)一直以來(lái)都是研究領(lǐng)域一個(gè)難題,并且近幾年國(guó)內(nèi)外的電感耦合等離子體質(zhì)譜法發(fā)展較快,現(xiàn)階段電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定水環(huán)境中重金屬離子的方法還不夠完善,在實(shí)際應(yīng)用上還需要在檢測(cè)精度上和靈敏度上進(jìn)行進(jìn)一步提高,因此今后會(huì)在基于電感耦合等離子體質(zhì)譜法的水環(huán)境中重金屬離子測(cè)定方法完善與優(yōu)化方面進(jìn)行研究。