淺析現代儀器分析技術在環境監測中的應用

王飛

摘 要：隨著我國環境質量的不斷惡化，環境監測受到重視，越來越多的現代儀器分析技術被應用到環境監測領域，用來提高監測結果的準確度和靈敏度。該文詳細介紹了我國環境污染的特點，以及傳統環境監測分析技術的不足之處，對紫外-可見分光光度法、原子吸收分光光度法、氣象色譜法、高效液相色譜法、離子色譜法、電感耦合等離子體質譜法、氣-質聯用技術等現代儀器分析技術在環境監測中的應用進行了詳細闡述，并對未來環境監測與保護的發展做了展望。

關鍵詞：環境監測 儀器分析技術 應用 現代

中圖分類號：X502 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0081-04

Abstract：With the continuous deterioration of environment quality， environmental monitoring has gained public attention. An increasing number of modern instrument analytical techniques are applying to the field of environmental monitoring to improve the accuracy and sensitivity of monitoring results. This paper introduces the features of environmental monitoring， the insufficiency of conventional environment-monitoring analytical technology， elucidates the application of modern instrument analytical techniques like spectrophotometry， ICP-MS， chromatography and GC-MS Technology， and also looks into the future development of environmental monitoring and protection.

Key Words：Environmental monitoring； Instrument analytical techniques； Application；Modern

我國經濟社會的快速發展，生活水平不斷提高，環境問題已成為當今社會關注的重大問題之一，環境質量和生態保護越來越受到重視。環境狀況的好壞影響到人類健康狀態以及可持續發展。針對已被污染環境的治理與改善，是經濟快速發展的今天需重視的問題。

隨著人類不斷開發與認識自然，對所遇到的環境問題不斷深入的同時，對環境污染物的行為、毒性、來源等研究也更為深入，對污染定性定量的分析技術要求更高。環境監測不再局限于天平、滴定等儀器與技術，現代儀器分析技術已逐漸成為環境污染物監測的核心技術[1-2]，為人們提供了更精確、更有價值的參考數據[3]。隨著現代儀器分析技術大量地應用，環境監測與保護工作也不斷推進。

1 環境監測的必要性

環境監測指的是人類對周圍環境狀況監視性測定等一類活動。人們對能夠反映環境質量的主要指標進行定期、定點監測，以更好了解環境的污染狀況，為制定環境保護目標提供依據。現代工業快速發展，人民生活水平不斷提高，環境狀況也令人堪憂[4]。主要表現在：（1）人們環保意識淡薄環保意識。（2）環境污染問題日益突出，霧霾天氣、酸雨等[5-6]空氣污染，土壤鹽堿化，湖泊富營養化等土壤與水體污染。（3）生態問題不斷涌現在工業生產過程中，對生物有害的物質未經過污染處理就排放到自然環境中，包括少數的突發污染和長時間累積污染事故等，給生活帶來了一定的危害[7]。當前的環境污染問題具有涉及面廣，影響深遠；損害具有持續性，污染物的種類繁多；作用機制復雜，具潛伏性等特點，因此環境監測任務更重，對儀器要求更高。

2 傳統環境監測分析技術的不足

如今，我國面臨各種環境問題，傳統的環境監測分析技術有一定的局限性，已不能滿足我國現代環保事業發展的需求，其缺陷表現在如下幾個方面：

（1）儀器設備更新緩慢。

工業化生產過程中，不斷更新設備以滿足生產。但企業對于設備等產生的污染處理方面投入不足，設備更新緩慢，特別是對于有機污染等化學物質治理不充分，長期以往就造成了我國環境保護方面得不到有效的改善。另外，引進的先進設備管理不善，環境治理的需求還不能得到很好的滿足。

（2）數據精確度不夠。

環境監測的數據精準度不能滿足實際需求存在很多方面的原因：操作者監測過程中存在一定的人為誤差；儀器達不到最理想的狀態，比如受化學因素、物理因素等影響，對樣品化學分析和監測達不到理想狀態[8]；企業出于利益，可能會虛報排放和污染，進而以最低的成本獲取做大的利益。

（3）監測方法、技術更新滯后。

新的環境問題不斷涌現，一些地區可能會出現之前未有過的環境污染，包括各種化學污染和生態污染。例如持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants）以及水體富營養化等，都需要更先進的設備以及方法和技術進行定量、定性以及源解析等。而之前傳統的監測方法主要包括氣味比色法、感官法等單一的環境分析。監測技術需要足夠的人力和物力投入，這也是導致技術更新的一個主要原因。

3 環境監測中常用的現代儀器分析技術

3.1 分光光度分析法

3.1.1 紫外-可見分光光度法

紫外-可見光分光光度法（ultraviolet-visible spectrophotometry，UV）。此方法基于分子選擇性地吸收光譜[8]，光譜所吸收的峰值數目、形狀、波長與分子結構等因素相聯系，符合朗伯-比爾定律，可進行定量分析；。紫外-可見光分光光度儀器類型包括單波長單光束直讀式分光光度計，單波長雙光束自動記錄式分光光度計和雙波長雙光束分光光度計。結構主要包括輻射源、單色器、試樣容器、檢測器、顯示裝置五個組成部分。其中輻射源需具有連續連續、穩定的光譜提供儀器波段使用，例如鎢燈、氫燈或激光光源等；單色器主要由入射夾縫、出射狹縫、和棱鏡等組成，主要作用是將復合光分解為單色光以及分出高純度單色光束；石英池一般適用于紫外到可見區，玻璃池只適用于可見區；檢測器，目前經常使用的有兩種，光電倍增管或者光電管，前者較后者更靈敏。現在有些儀器使用光導攝像管作檢測器；顯示裝置發展較為迅速，目前顯示裝置常備有微處理機、記錄儀等，可將很多信息顯示出來。紫外分光光度法的應用主要包括，營養類物質（氮磷）、油類、葉綠素a、硫化物等指標的定量測定，式環境監測中最重要的分析方法之一[9]。

3.1.2 原子吸收分光光度法

原子吸收分光光度法（atomic absorption spectrometry，AAS）是一種元素定量分析方法，基本原理是氣相中需要監測的元素基態原子對光源發出的此原子特征譜線的吸收。原子吸收分光光度計由光源、原子化器、單色器、背景校正系統、自動進樣系統和檢測系統等組成。光源：常用待測元素作為陰極的空心陰極燈；原子化器主要有四種類型：石墨爐、冷蒸氣發生、火焰以及氫化物發生原子化器。原子吸收分光光度法主要特點是穩定性好，靈敏度高，抗干擾能力強，應用范圍廣，七十多種元素皆可測量。廣泛應用于食品、化工、環境污染物等樣品中重金屬含量的測定，如火焰原子吸收法測定水中的總鉻等，總體來看，原子吸收分光光度法是一種相對誤差較小測定方法[8]。賈海東等人[10]利用此方法測定土壤中重金屬元素，測定結果與國標方法結果吻合，說明儀器得出的數據準確、可靠。

3.2 色譜分析法

色譜分析法的特點是分析速度較快，是目前最為高效的分析方法之一。其工作原理是：利用流動相與固定相的分配系數、吸附能力等方面存在的差別來進行檢測，由色譜曲線可以對樣品進行定性和定量分析。目前氣相色譜法、高效液相色譜法、離子色譜法是環境監測中比較常用的色譜分析方法有。值得一提的是，目前對環境污染較為嚴重的持久性有機污染物（POPs），包括多氯聯苯、多環芳烴、有機氯農藥等基本都是使用氣相色譜法進行檢測分析[11-12]。

3.2.1 氣相色譜法

氣相色譜法（gas chromatography，GC）是分離測定多組分混合物的一種分析方法。氣相色譜法固定相有兩種，包括氣固色譜和氣液色譜，其中氣液色譜屬于分配色譜，而氣固色譜固定相為吸附劑。在實際工作中，氣相色譜法是以氣液色譜為主[13]。1960年以來氣相色譜法在我國廣泛應用于水、土壤、大氣等樣品的分析，包括測定樣品中的POPs以及苯等有機污染物，氣相色譜法對于分析揮發性、半揮發性的化合物有很大優勢。我國在20世紀80年代末確定了68種有毒污染物，絕大部分通過氣相色譜法進行定性、定量分析檢測。

3.2.2 高效液相色譜法

高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）具有高壓、高速、高效、高靈敏度、應用范圍廣“四高一廣”特點。有機污染物總量的80%以上物質可通過其進行定量定性分析。高效液相色譜法在效率、精確度等方面，基本不輸于氣相色譜法，同時此法還彌補了一些不足[14]。HPLC法應用極為廣泛，常用于土壤、水等樣品中多種有機污染物的測定，例如酚類、有機氯農藥、鄰苯二甲酸酯類、陰離子等[15]。高效液相色譜的優點是易回收、色譜柱可反復使用等，缺點是有“柱外效應”，柱效率降低。

3.2.3 離子色譜法

離子色譜是一種高效液相色譜，其儀器工作原理是陰離子交換柱用于陰離子樣品的分離，而陽離子交換柱用在陽離子樣品的分離中。使用泵輸送到色譜柱后，其陰離子或陽離子置換出色譜柱中離子，檢測器將使其轉換為基線。之后，少量樣品進樣，即由樹脂柱接受樣品離子，同時和同數量的洗脫液離子相互交換。如果離子的濃度大于洗脫液，總離子濃度就會增加，脈動從中產生，沿柱移動一個正峰隨產生；反之產生負峰。進樣后，洗脫液離子輸送進色譜柱，讓樣品離子沿柱移動。不同的樣品離子以不同的速度移動，到完成分離。在離子交換色譜分離時，淋洗液具有相當高的背景電導。現代離子色譜技術用過采用了新技術，有效地促使離子色譜的淋洗背景得到降低，并提高了被測樣品的電導值，最終極大地增強了分析靈敏度。離子色譜基本上可以劃分成抑制型離子色譜和非抑制型離子色譜兩大類[16-17]，被用以對硝酸根、硫酸根、氟、氯等陰陽離子進行分析。離子色譜是唯一可以在同時間內作多組分痕量陰離子快速分析的途徑，對酸雨成份（硫酸根、硝酸根、亞硝酸根）的分析效果顯著。離子交換色譜越加普遍應用在環境，化學品，農業，城市用水，電子工業等方面。離子交換色譜技術的日益完善，特別是不斷推廣淋洗液生成器，離子色譜的檢測將更加凸顯高效、科學、便捷的優勢。離子交換色譜分離離子的良好效果與檢測限更低的質譜相融合，離子交換色譜與質譜聯用進而得到完善，同時，等離子質譜和離子交換色譜的相結合，不僅加深了離子色譜的使用，也成為了離子交換色譜發展的重要刺激因素。

3.3 電感耦合等離子體質譜儀法

電感耦合等離子體質譜儀法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）主要由四極質譜儀、等離子體發生器、炬管、霧化室和離子探測器或收集器構成。通過霧化器樣品被置入光源，汽化后將離子化氣體解離出，再把收集的離子形成分子束，通過截取板進入四極質譜分析器，最后到達離子探測器，能夠進行元素定量分析。在上個世紀80年代，電感耦合等離子體質譜儀逐漸發展起來，ICP的高溫電離特性與MS的靈敏、快速掃描優點通過這種特有的接口而結合起來，這基本上能夠分析地球上的任何元素，同時達到了線性范圍寬、檢出限低、譜線簡單及可進行多元素分析等良好效果[18]。其獨特優勢可以總結為：檢出限極低，基體效應小，動態線性范圍寬，譜線簡單及能快速測定同位素比值。地質學中用于測定礦物、包裹體，地下水中微量金屬元素及元素的同位素比值。ICP-MS在環境監測方面能夠應用到土壤、水、生物等的監測，最基本的是應用在了測定樣品中鋅、錫、鍶、釩、錳等金屬元素[19]。

3.4 色譜-質譜聯用法

色譜-質譜聯用以區分色譜系統而分為氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）和液相色譜-質譜聯用（LC-MS）兩種類型，LC-MS與GC-MS是相互補充的，對不同的化合物進行仔細分析。GC-MS法出現的時間相對較早，并且其發展的較為成熟，因而得到廣泛運用。通過合適的接口把氣相色譜與質譜相接合，質譜定性鑒定的優越性和氣相色譜顯著的分離效能將充分融合而完成未知物的分離定性，并極大地應用到初始分析有機污染物中，進而決定出優先監測項目環境及優先污染物。不過，GC-MS法只能在有限的范圍內得以運用，其原因在于：必須氣化分析樣品，幾乎不能分析處理極性、熱不穩定和大分子化合物。相對于GC-MS，LC-MS的誕生略遲，分離手段采用了高效液相色譜（HPLC），這有效地增強了分析處理復雜組分的能力，并很成為測熱不穩定性污染物和定極性的重要途徑[20-21]。對于GC-MS不能夠測定的化合物，LC-MS處理起來突顯了其優勢。在環境監測中，常用于對水、氣和土壤等環境介質中有機污染物的測定，如POPs、鄰苯二甲酸酯類有機物等。

4 結語

人類生活和生產方式日新月異，環境中的污染物種類和數量持續激增，在無形中給人類的生存環境造成危害，因而，社會對環境儀器分析技術和方法的呼聲日益高漲。近年來，環境監測工作已經開始廣泛應用氣—質聯用技術、分光光度法、電感耦合等離子體質譜法、色譜法等現代儀器分析技術，這大大提升了分析的速度和精確度，也為環境管理工作的持續穩定推進作了有力的保證。

隨著人們不斷提高對環境的重視度，以及逐漸加大投入環境監測的技術方法和設備，我們必須對透徹了解所處的環境現狀才能為社會和自然的可持續發展獻力獻策。因此，準確、高效地選擇符合國家標準的現代分析儀器，并能夠科學合理地運用，最大限度地發揮其在環境監測中的效用才是提高各類項目檢測水準和進行有效監控的關鍵。

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