電感耦合等離子體質譜法在環境監測中應用的進展

代新

摘 要：電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）具有超高靈敏度的分析方法，是目前環境科學研究超痕量、多元素含量的重要方法。國外許多國家已將其應用于環境監測之中，對地面水、土壤和大氣等痕量元素進行測定，文章對電感耦合等離子體質譜法的原理、優缺點進行了介紹，對其在水質、土壤、金屬元素及應急分析中的應用簡要分析。

關鍵詞：ICP-MS；環境監測；重金屬；土壤

中圖分類號：X830 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0146-02

當前，在我國經濟的快速發展中，由于受到環境因素的影響，使經濟步伐的發展腳步逐漸變得緩慢下來，因此，解決環境因素的問題是一項很難的工作。環境監測所使用的主要分析技術則直接影響著監測成果的準確性，以及環境治理方案的制定。在保證監測結果的科學性、監測方法的系統性及應急技術的實用性角度出發，電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）是近些年最新應用于環境監測中的技術方法。

1 ICP-MS法的工作原理

電感耦合等離子體質譜具有靈敏度高、檢出限低、選擇性好、可測元素覆蓋面廣、線性范圍寬、能進行多元素檢測和同位素比測定等優點。

在ICP-MS中，電感耦合等離子體是提供高溫離子源，待測樣品在儀器中因高溫而被蒸發，從而發生解離、原子化以及電離等過程。樣品電離后通過離子傳輸系統到達真空度極高的質譜儀部分，經過質譜儀的高速分離所測的離子，質譜儀可以掃描分子質量數從6到260的所有元素，并對通過雙通道的高速分離處理的離子進行分析，濃度測試范圍可以達到9個數量級，即實現從ppq到1000ppm的直接測試。

2 檢測的優缺點分析

2.1 優點分析

等離子體質譜的譜線簡單，檢測模式靈活多樣：（1）可以快速同時實現多達73種元素分析，借助測試譜線的質荷比達到元素定性分析的目的；（2）儀器元素測試靈敏度極高，在沒有標準溶液的情況下，可以實現完成大多數元素的半定量測試分析，而且測試結果的誤差可以控制到20%之內；（3）產生的基體效應弱，進行定量分析時，采用標準溶液在測試過程中進行必要校正，此項技術廣泛應用于當前很多領域測試分析工作中。

2.2 缺點分析

由于監測環境中廣泛存在的Ar、O等元素，導致分子離子干擾作用得到產生，尤其是在分析Fe、Cr、Ni等元素時，更加要注意去除干擾因素。電感耦合等離子體質譜儀譜線相較于其他質譜儀的譜線更為簡單，也限制了分析元素的譜線時選擇的自由度。比如，當分析Ni元素時，如果樣品中存在大量的Fe與Ni時，Ni的同位素58Ni極易受到58Fe的干擾，從而使得樣品的Ni元素定量分析誤差較大。當樣品體系中存在NaCl等鹽類時，會導致儀器測定信號強度減弱，儀器受鹽類的影響程度明顯高于其他質譜法[1]。儀器的接口位置直徑較窄，在長期測試高溫環境中，接口部位極易損壞而產生儀器故障。由于儀器分析靈敏度極高，也就要求了樣品分析過程中所使用的試劑必須完全潔凈。

3 在環境監測中的應用

3.1 水質與土壤的ICP-MS分析方法

環境水樣品包括淡水、海水、工業廢水、生活污水四大類；每一類又可分成許多種。比如淡水包括地表河水、湖水、雨雪水及地下水等及地下水等。水樣中金屬元素以不同物理狀態存在，比如水溶態、膠體粒子、固體懸浮物、沉積物、 可揮發物等。通常水樣元素測定分兩種方式：一種是水溶形元素，另一種是元素總量，即“酸可溶出”總量（不是嚴格的完全消解）。從環境監測的觀點來看，可以測出一般環境下的生物可攝取元素以滿足環境法規的需求。

我國現行的水質ICP-MS分析方法是《生活應用水標準檢驗方法》（GB/T 5750.6-2006）。可用于居民生活飲水、水源水及地表水樣。分析的元素包括了31種[2]。然而，但GB/T 5750.6-2006涉及方法仍略顯簡單；不僅對各種樣品的前期處理未作介紹，而且在關鍵的樣品分析過程、儀器分析條件的介紹也相對簡單；此方法最終只提供了簡略的水質樣品的精密度和準確度參考指標。這個指標與現今大部分地表水樣分析不符。

1995年5份，美國環境保護局頒布了有關飲用水的ICP-MS分析方法EPA200.8。此方法可以用于分析居民日常飲用水、地表水以及地下水中的各類元素，對污染水源的污水和廢水等也可以進行分析。方法中的分析元素達到21種[2]。由于本方法是由飲用水相關部門頒發的，因此分析的側重點是與飲用水密切相關的水源水質監測，重點是監測水中溶性元素總體含量，對不同相中的元素含量分布不做細分。

1994年9月份，美國環境保護局頒布了EPA 6020方法，本方法主要應用對象是自然水體、工業排放的廢水、淤泥以及污染的土壤。需要分析的元素數量為22種[2]。本方法是從美國有關有害固體廢棄物監測的方法中發展形成的，此方法適用的重點領域是監測有害廢棄物處理過程所引發的周圍自然水體污染、產生的工業污水等。

ICP-MS分析技術也可以在土壤污染分析領域發揮良好效果，在監測污染土壤的程度時，需要進行必要的土壤元素含量與質量測試分析。同時，應用ICP-MS分析技術可以同時實現多元素的快速分析。土壤的分析方法一般需要對樣品進行微波消解，消解方法是通過在測試土壤樣品中注入一定濃度的氫氟酸與硝酸混合液，并在低溫低壓環境中完成趕酸程序，然后使用ICP-MS儀器分析土壤溶液中的元素Cr，分結果表明ICP-MS分析技術在土壤中的Cr分析中的準確度高、速度快、且干擾較小、分析的重復性高。蘇榮等人提出了土壤的微波消解-電感藕合等離子質譜法[3]，同時分析了不同元素的同位素對土壤樣品分析的干擾。

3.2 廢棄物中金屬元素分析

對于固體廢物中含有的金屬元素測試方法，我國當前采用的是《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》中所要求的方法，其中規定了50種項目的監測內容，包括重金屬及其相關化合物，污染物的形式涵蓋了多數重金屬元素以及CN-、S2-、F-、SO42-等眾多陰離子，電感耦合等離子體質譜法完善了固體廢物監測手段的不足，提高了我國固體廢物監測的技術水平。

李龍宇等人采用ICP-MS分析技術對不同地段污水處理廠的污泥中的重金屬元素總量與存在形式進行了分析[4]。由于城市污泥重金屬和有機質成分復雜，傳統化學分析方法對污泥中重金屬Cd，Pb元素分析的難點在于污泥中所含豐富的有機物質，導致樣品的預處理變得十分繁雜困難，利用ICP-MS分析技術可以實現快速、高效、準確地監測城市污泥中重金屬元素動態變化。陳思楊[5]采取三步浸提的方法提取了城市污水、污泥中Pb、As、Cd元素的提取，使用硝酸-高氯酸對提取物質進行消解，然后使用ICP-MS法分析Pb、As、Cd元素的含量以及相關價態的含量，ICP-MS法的使用為城市污泥的監測治理提供了科學可靠的數據參考。

3.3 環境問題應急分析

近些年來，有關環境問題越發嚴重，相關部門在緊急狀態下對疑似污染物的快速分析，可以為其快速制定環境問題應急方案提供必要參考。ICP-MS分析技術可以迅速完成待測樣品中的同位素和元素的含量測定，進一步對待測樣品的濃度完成定量分析。施章宏等對模擬核事故情況下，對可能受到輻射的人員通過ICP-MS技術分析尿液中的U元素濃度[6]。ICP-MS技術可以實現現實環境介質中放射性元素的快速準確監測，這樣可以使遭受輻射的人員及時得到有效救治。

ICP-MS分析技術也可以對緊急狀態下完成水樣監測的快速全譜圖掃描分析，可以得到質量分數在6-260之間的所有重金屬元素以及相關同位素的含量，快速的分析成果為及時尋找重金屬污染物的來源。在水源應急監測時，快速識別復雜水樣和未知水樣中污染物的含量特征，為環境監測工作便捷、有效進行具有十分重要的實際價值。

4 結束語

目前環境科學研究超痕量、多元素含量的重要方法。國外許多國家已將其應用于環境監測之中，我國目前ICP-MS法在土壤、固廢等領域應用的國家或行業標準正在制定。隨著儀器檢測效率以及元器件的性能不斷提高，ICP-MS法正逐步發展為智能化、高效化發展。ICP-MS儀器也向著更高靈敏度、更低檢出限的目標逐步前進，其勢必帶來了環境監測領域的一次重大變革。

參考文獻：

[1]甘志永，劉浩.ICP-MS在環境監測方面的應用及最新進展[J].廣州化工，2016，44（20）：33-34.

[2]齊文啟，孫宗光.ICP—MS的發展現狀及其在環境監測中的應用[J].現代科學儀器，1998（6）：40-45.

[3]蘇榮，王曉飛，洪欣，等.微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定土壤中10種重金屬元素[J].現代化工，2015，35（1）：175-177.

[4]李龍宇，李永，馬迎霞.污水處理中重金屬的賦存現狀及季節變化[C]//2014中國環境科學學會學術年會，2014.

[5]陳思楊，王娟，李麗娜，等.分析北京城市污泥中鉛砷鎘形態濃度的ICP-MS[J].光譜學與光譜分析，2009，29（7）：1976-1978.

[6]施章宏，黃鶴翔，羅文華，等.ICP-MS技術快速測量尿樣中的鈾同位素[J].化學通報，2015，78（5）：464-466.