多元素同時分析技術在沉積物重金屬分析中的應用研究進展

蘇榮 洪欣 王曉飛 梁曉曦 李麗和

摘要 近年來，沉積物中重金屬的含量分布已作為評價水體環境的重要指標，探索建立沉積物重金屬多元素同時分析的先進技術迫在眉睫。針對電感耦合等離子體發射光譜法（ICPOES）、電感耦合等離子體質譜法（ICPMS）和X射線熒光光譜法（XRF）具有同時測定多種重金屬元素、檢出限低、分析結果準確等優點，結合國內外關于沉積物的相關標準方法以及ICPOES/XRF/ICPMS在沉積物重金屬分析中取得的研究成果，指出我國應盡快完善河流湖泊沉積物中重金屬分析方法體系，以適用于我國環境監測不同層次和不同領域的需求。

關鍵詞 沉積物；重金屬；ICPOES；ICPMS；XRF

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）31-11049-03

Progress of Analysis Technology of Multi Elements for the Heavy Metals in Sediments

SU Rong1， HONG Xin1， WANG Xiaofei1，2， LI Lihe1* et al

（1. Environmental Monitoring Station of Guangxi， Nanning， Guangxi 530028； 2. College of Light Industry and Food Engineering， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004）

Abstract In recent years， the content of heavy metals in sediments has been evaluated as an important indicator of water environment， the analytic technique of multielement of heavy metals in sediments is imminent. In view of inductively coupled plasma optical emission spectrometry （ICPOES）， inductively coupled plasma mass spectrometry （ICPMS） and X ray fluorescence spectrometry （XRF） which have some advantages， such as the results of the simultaneous determination of various heavy metals， low detection limit， accurate analysis etc， combined with the domestic and overseas standards concerning sediment methods and the research results of ICPOES/XRF/ICPMS in sediments， the method system of the analysis of heavy metals in sediments of rivers and lakes should be improved as soon as possible to meet the demands of environmental monitoring at different levels and different area.

Key words Sediment； Heavy metals； ICPOES； ICPMS； XRF

沉積物是指任何可以由流體流動所移動的微粒，并最終成為在水或其他液體底下的一層固體微粒。水體沉積物不僅可以保留流域天然地質信息，而且能反映人為作用對環境的影響^[1]。由于重金屬元素具有不能被生物降解的特性，一旦進入水體和沉積物，通過食物鏈在生物體內富集，最后進入人體，引發諸如水俁病、骨痛病等疾病，嚴重危害人體健康^[2]。沉積物中重金屬的含量分布作為水體環境評價的一個重要指標，既可以反映所在流域常年的污染狀況、污染特征和潛在風險，也可追蹤可能的重金屬污染源，評價人為活動對河流污染物的貢獻大小。因此，研究與評價河流沉積物中的重金屬污染有非常重要的意義^[3]。

沉積物中重金屬元素的測定方法很多，如比色法、原子吸收分光光度法（AAS）、極譜法、原子熒光法（AFS）等。上述分析方法均是單元素分析，費時費力，操作繁瑣，尤其是火焰原子吸收測定沉積物中鉛，需對消解樣品進行富集，使用有機溶劑，易對環境造成二次污染。電感耦合等離子體發射光譜法（ICPOES）、電感耦合等離子體質譜法（ICPMS）、X射線熒光光譜法（XRF）可以同時測定樣品中的多種元素，具有操作簡便、檢出限低、線性范圍寬、干擾小、分析結果準確可靠等優勢，已經進入環境監測領域，探索建立河流湖泊沉積物重金屬多元素同時分析的先進技術迫在眉睫。

1 國外主要國家、地區及國際組織相關標準與分析方法現狀

目前，美國EPA在沉積物中重金屬監測方面已組織制訂了多個前處理與分析方法。前處理方面，EPA3000系列樣品消解方法制定了一套全面的QA/QC措施、方法的校準和標準化措施和操作步驟的制定原則。分析方法方面，EPA方法系列中，使用ICPOES的常見分析方法主要有EPA200.7電感耦合等離子體-發射光譜法測定水和廢物中的痕量元素和EPA6010C電感耦合等離子體發射光譜法；使用ICPMS的常見分析方法主要有EPA200.8電感耦合等離子體-質譜法測定水和廢物中的痕量元素和EPA6020A電感耦合等離子體-質譜法；使用XRF的常見分析方法主要有EPA 6200便攜式X-熒光光譜法。

EPA3050B方法^[4]是用酸溶沉積物、污泥和土壤樣品，FLAA/ICPOES法測定銅、鉛、鎘、銻等22個元素，GFAA/ICPMS法測定砷、鈹、鉛、鎘、鉈等10個元素。樣品用硝酸（及過氧化氫）低溫回流消解，用于GFAA/ICPMS法測定，而FLAA/ICPOES測定的樣品，除硝酸（及過氧化氫）外，還可加入一定量的鹽酸。此消解方法也是該條件下的可溶解的金屬元素。

EPA3051A方法^[5]是用微波酸溶沉積物、污泥、土壤和油脂類樣品，ICPOES測定其中21個元素。可作為3050方法的替代方法。

EPA3052方法^[6]是用微波酸溶處理硅土和有機體類介質樣品，樣品在硝酸-鹽酸-氫氟酸-（過氧化氫）條件下微波加熱，采用ICPOES檢測技術測定其中砷、鎘、鉛、汞、鉈等26個元素。

ISO148691方法^[7]是測定土壤中元素總量的消解方法，四酸消解前處理方法，樣品制備后，可用ICPOES、ICPMS等方法檢測其中的鋁、鋇、鎘、鈣、銫、鉻、鈷、銅、鐵、鉀、鋰、鎂、錳、鈉、鎳、磷、鉛、鍶、釩和鋅等元素。

EPA Method 6010C^[8]方法是用ICPOES法測定溶液中30多個金屬及非金屬元素，可分析飲用水、地表水、生活及工業廢水、土壤底泥、固體廢棄物以及生物體中鋁、銻、砷、鋇、鈹、硼、鎘、鈣、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、鋰、鎂、錳、汞、鉬、鎳、磷、鉀、硒、二氧化硅、銀、鈉、鍶、鉈、錫、鈦、釩、鋅計31個元素。

EPA Method 200.7^[9]是用ICPOES法測定溶液中金屬及部分非金屬。可測定水、廢水及固體廢棄物等中鋁、銻、砷、鋇、鈹、硼、鎘、鈣、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、鋰、鎂、錳、汞、鉬、鎳、磷、鉀、硒、可溶性硅（二氧化硅）、銀、鈉、鍶、鉈、錫、鈦、釩、鋅（鈰、釔）計31個元素。

EPA Method 6020A^[10]方法是用ICPMS法測定溶液中23個金屬及類金屬元素，可分析地下水、地表水、生活及工業廢水、土壤、淤泥、沉積物以及其他固體廢物中鋁、銻、砷、鋇、鈹、鎘、鈣、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、鎂、錳、汞、鎳、鉀、硒、銀、鈉、鉈、釩、鋅計23個元素。

EPA Method 200.8^[11]是用ICPMS法測定溶液中金屬及部分類金屬。可測定地下水、地表水和飲用水中可溶性元素，同樣也適用于上述水體及廢水、污泥和土壤等介質中可回收元素總量的測定。該方法可檢測鋁、銻、砷、鋇、鈹、鎘、鉻、鈷、銅、鉛、錳、汞、鉬、鎳、硒、銀、鉈、釷、鈾、釩、鋅計21個元素。

EPA Method 6200^[12]方法提出了便攜式X-熒光光譜儀測定土壤、沉積物中銻、砷、鋇、鎘、鈣、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、錳、汞、鉬、鎳、鉀、銣、硒、銀、鍶、鉈、釷、錫、鈦、鋅、釩、鋯計26個元素的標準方法。

其他國家關于沉積物的前處理方法方面，均對應不同的方法標準。日本采用HCl+HNO3+HClO4、HCl+HNO3等酸體系，歐洲大多采用DN 38414S7王水法，英國采用HNO3法等。

2 國內相關標準及分析方法研究現狀

目前，我國環保部門沒有沉積物中重金屬測定方法，均參照海洋部門的方法，我國已頒布海洋沉積物監測方法標準，海洋局對海洋沉積物與海洋生物體中重金屬推出了其行業標準和《海洋監測規范》（GB17378-2007），分為分析方法和監測技術方法兩部分。《海洋沉積物與海洋生物體中重金屬分析前處理 微波消解法》（HY/T 132-2010）列出了海洋沉積物中銅、鉛、鎘、鋅和鉻的微波消解前處理方法以及ICPOES、ICPMS等測試方法。環保部于2012年發布了《土壤、沉積物 金屬元素全量的酸消解 微波消解法》征求意見稿，標準規定了沉積物中銅、鉛、鋅、鎘、鎳、鉻、砷、汞、硒、鈷、釩、銻共12種金屬元素的提取，適用ICPOES、ICPMS法等測定，沉積物中重金屬監測技術方法體系有待進一步補充完善。

目前，國內科研工作者針對沉積物中重金屬的多元素同時分析技術研究已經開展多年，取得了一定的成果。

2.1 電感耦合等離子體發射光譜法（ICPOES）

劉亮等^[13]采用HNO3HClO4HF酸體系電熱板消解樣品，HCl（1+1）溶解殘渣。通過大量干擾試驗，選擇合適的測定元素波長，并對背景校正位置進行優化，建立了電感耦合等離子體-發射光譜法同時測定土壤、巖石及水系沉積物中B、Ba、Be、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、La、Li、Mn、Ni、Pb、Sc、Sr、Ti、V、Zn、Mo等19種微量元素的方法，該方法定量限能夠滿足土壤、巖石及水系沉積物中化探分析的要求；唐榮明^[14]采用王水水浴加熱處理樣品，用電感耦合等離子體發射光譜法同時測定了尾礦壩庫沉積物中的Pb、Zn、Ag、Cu、Mg、Mn、As、Cd、Hg等9種元素，方法的回收率在94.7%～103.0%之間，RSD在10%～4.2%之間，該方法簡單快捷，能同時測定多種元素，精密度好，檢出限低；沙艷梅等^[15]采用HNO3HClHClO4HF混酸體系電熱板消解樣品，用電感耦合等離子體發射光譜法同時測定土壤和水系沉積物樣品中Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、P、Ba、Be、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Li、Mn、Mo、Ni、Pb、Ti、V、W、Zn等23個常量和微量元素，結合多元光譜擬合技術校正光譜干擾，改善方法的檢出限及精密度。結果表明，方法的回收率為940%～103.4%，精密度（RSD，n=10）低于3.0%，方法經國家一級標準物質驗證，測定值與標準值基本相符；張華昌等^[16]采用過氧化氫-硝酸-鹽酸-氫氟酸的混酸體系進行微波消解，電感耦合等離子體發射光譜法快速測定底泥中微量元素Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、Mn含量，研究結果表明方法快速簡便、準確度高、精密度好，可用于各類底泥中微量元素的測定。

2.2 電感耦合等離子體質譜法（ICPMS）

張棟等^[17]利用電感耦合等離子體質譜法測定了渤海南部21個站位表層沉積物中Cr、Cu、Zn、Cd和Pb共5種重金屬濃度，比較分析了重金屬來源及分布特征；辛文彩等^[18]采用電感耦合等離子體質譜法測定海洋沉積物中34種痕量元素，通過分析4個海洋沉積物標準物質對所提出方法的準確度和精密度做了考核，所得測定結果與標準物質的認定值相吻合，各元素測定結果的相對標準偏差均小于10%；王小菊等^[19]采集洪湖濕地兩個具有代表性的湖底沉積柱進行對比，應用電感耦合等離子體質譜考察了沉積柱中微量元素及稀土元素的縱向分布特征；高晶晶等^[20]采用電感耦合等離子體質譜測定海洋沉積物中15種稀土元素，方法檢出限為3～15 ng/g。使用水系沉積物標準物質GBW07309和GBW07311、海底沉積物標準物質GBW07313進行驗證，測定值與標準值基本吻合，相對標準偏差和相對誤差均低于5%。

2.3 X射線熒光光譜法（XRF）

張思沖等^[21]用X射線熒光光譜法測定納污濕地沉積物中重金屬，隨機抽取了12個樣品做5次重復試驗，其中Cd、Hg、Cr、Zn的相對標準偏差均小于5%；Cu和Pb的相對標準偏差均小于10%；Cr和Ni的相對偏差均小于20%。結果表明，X射線熒光法測定樣品，不需對固體樣品進行消化處理，操作簡便，可以同時測定多種元素，效率較高；劉少玉^[22]建立了海洋沉積物中包括砷、銅、鉛、鋅、鎳和總鉻在內的多種重金屬X射線熒光分析法，可在約1 h內測量1個樣品中的50余種元素，還與原子熒光光譜法或原子吸收分光光度法比對分析了2個實際樣品，結果表明，該方法可信度較高，且具有快速、簡便、高效等特點；徐婷婷等^[23]采用粉末壓片，使用Axios X射線熒光光譜儀同曲線測定海洋沉積物和陸地地球化學樣品中鈉、鎂、鋁、硅、磷、氯、鉀、鈣、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、砷、溴、釔、鈮、鋯、鍶、銣、鉛、釷、鋇、鉿共29個主次痕量元素。分析結果的精密度和準確度能滿足《地質礦產實驗室測試質量管理規范》中的相關要求。李小莉等^[24]使用波長色散X射線熒光光譜儀對土壤、水系沉積物和巖石樣品中15個稀土元素（La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y）進行測定。對土壤標準樣品進行精密度考察，15個稀土元素測定結果的相對標準偏差（RSD，n=10）為0.74%～17.00%。對土壤、水系沉積物和巖石標準樣品進行分析，測定值和認定值一致。

3 小結

目前，多元素同時分析技術在海洋沉積物、尾礦壩庫沉積物以及底泥等環境介質的重金屬分析方面均取得一定成果，但對沉積物中重金屬行為研究基本上還處于描述性階段，未能進行定量化，沒有全球性的統一分析方法，特別是形態分析，導致全球范圍內資料的可比性差，對沉積物中重金屬污染評價缺少一個統一的標準，急切需要探索開發關于河流湖泊沉積物中重金屬的技術方法體系。電感耦合等離子體發射光譜法（ICPOES）、電感耦合等離子體質譜法（ICPMS）和X射線熒光光譜法（XRF）是簡便、準確、快速進行多元素同時分析的有效手段，具有靈敏度高，分析時間短，分析效率高，所需樣品少等優點，已經進入環境監測領域，我國應加快建立沉積物重金屬多元素同時分析的先進技術方法，完善我國關于河流湖泊沉積物重金屬的監測技術體系，以滿足我國環境監測領域的需求。

參考文獻

[1] 張晟，翁平，顧禮明，等.蘇南典型城區河網地區沉積物重金屬調查研究[J].環境科學與管理，2011，36（6）：147-151.

[2] SALOMONS W，STIGLIANI W M.Biogeodynamics of Pollutants in Soils and Sediments：Risk assessment of delayed and nonlinear responses，environmental science[M].New York：SpringerVerlag，1995：331-343.

[3] 朱光旭，郭慶軍，陳同斌，等.北京市南沙河沉積物重金屬污染特征及風險評價[J].生態學雜志，2013，32（8）：2148-2153.

[4] US EPA METHOD 3050B，ACID DIGESTION OF SEDIMENDS，SLUDGES，AND SOILS[S].Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，1996.

[5] US EPA METHOD 3051A，MICROWAVE ASSISTED ACID DIGESTION OF SEDIMENTS，SLUDGES，SOILS，AND OILS[S].Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，2007.

[6] US EPA METHOD 3052，MICROWAVE ASSISTED ACID DIGESTION OF SILICEOUS AND ORGANICALLY BASED MATRICES[S].Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，1996.

[7] DINadopted ISO Standard.ISO 148691 Soil qualityDissolution for the determination of total element contentPart1：Dissolution with hydrofluoric and perchloric acids[S].2003.

[8] US EPA METHOD 6010C，INDUCTIVELY COUPLED PLASMAATOMIC EMISSION SPECTROMETRY[S].Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，2007.

[9] US EPA METHOD 200.7，DETERMINATION OF METALS AND TRACE ELEMENTS IN WATER AND WASTES BY INDUCTIVELY COUPLED PLASMAATOMIC EMISSION SPECTROMETRY[S].Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，1994.

[10] US EPA METHOD 6020A，INDUCTIVELY COUPLED PLASMA MASS SPECTROMETRY [S].Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，2007.

[11] US EPA METHOD 200.8，DETERMINATION OF TRACE ELEMENTS IN WATERS AND WASTES BY INDUCTIVELY COUPLED PLASMA MASS SPECTROMETRY[S].Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，1994.

[12] US EPA Method 6200，FIELD PORTABLE XRAY FLOUORESCENCE SPECTROMETRY FOR THE DETERMINATION OF ELEMENTAL CONCENTRATIONS IN SOIL AND SEDIMENT[S].Washington，DC：U.S.Environmental Protection Agency，1998.

[13] 劉亮，周麗萍，李中璽.ICPOES測定土壤、巖石及水系沉積物中的19種微量元素[J].光譜實驗室，2013，30（5）：2184-2187.

[14] 唐榮明.電感耦合等離子體發射光譜法測定尾礦壩庫沉積物中的9種元素[J].湖南有色金屬，2013，29（2）：71-73.

[15] 沙艷梅，趙學沛，張歌，等.多向觀測電感耦合等離子體發射光譜法同時測定土壤和水系沉積物中常量和微量元素[J].巖礦測試，2008，27（4）：291-294.

[16] 張華昌，譚繼承.微波消解ICPAES法快速測定水底底泥中的微量元素[J].環境科學與管理，2006，31（3）：159-160.

[17] 張棟，鄭曉玲，何鷹，等.渤海南部表層沉積物重金屬污染及潛在生態風險評價[J].環境污染與防治，2011，33（9）：8-11.

[18] 辛文彩，林學輝，徐磊.電感耦合等離子體質譜法測定海洋沉積物中34種痕量元素[J].理化檢驗，2012，48（4）：459-461.

[19] 王小菊，柴辛娜，胡兆初，等.電感耦合等離子體質譜研究洪湖濕地沉積柱中元素縱向分布[J].分析科學學報，2009，25（3）：257-261.

[20] 高晶晶，劉季花，張輝，等.高壓密閉消解-電感耦合等離子體質譜法測定海洋沉積物中稀土元素[J].巖礦測試，2012，31（3）：425-429.

[21] 張思沖，周曉聰，張麗娟，等.X射線熒光光譜法測定沉積物中重金屬[J].實驗室研究與探索，2009，28（9）：39-42.

[22] 劉少玉.海洋沉積物中多種重金屬的X射線熒光分析法[J].中國環境監測，2013，29（5）：132-134.

[23] 徐婷婷，張波，張紅，等.X射線熒光光譜法同曲線測定海洋沉積物和陸地地化樣品中的29個主次痕量元素[J].海洋地質動態，2007，23（2）：31-36.

[24] 李小莉，張勤.粉末壓片-X射線熒光光譜法測定土壤、水系沉積物和巖石樣品中15種稀土元素[J].冶金分析，2013，33（7）：35-40.