水中鋁元素檢測方法對比研究

王主華

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

鋁元素作為地殼中含量最多的金屬元素，廣泛存在于土壤、礦石、水體等環境介質中。由于人類對礦產的肆意開采，環境破壞帶來酸雨加劇，使得鋁元素大量溶出到地表水和地下水環境中，給環境水體帶來不同程度的污染[1-2]。鋁不僅能夠通過飲用水直接進入人體，還能夠通過動植物富集作用間接被人體攝入，長此以往會在人體組織器官內蓄積，產生慢性毒素，當達到一定濃度，便會造成組織器官病變，嚴重危害人體健康。

現實生活中鋁主要來自于凈水廠水處理過程中投加的鋁鹽混凝劑，國家標準對生活飲用水中的鋁含量有嚴格要求。研究表明，鋁含量過高容易引發骨質疏松、肌肉萎縮、腎衰竭、尿毒癥以及大腦中樞神經損壞等重大疾病[3-4]。準確測定生活飲用水中的鋁濃度是保證水安全的重要前提。目前，鋁的測定方法主要有傳統的分光光度法和電化學分析法，逐漸發展流行的原子吸收法、電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-AES)及電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)[5]。相比于傳統化學方法，儀器法的檢測不僅更加準確、穩定，同時具有快速高效、操作便捷、節省試劑等優勢[6-7]，儀器法越來越多地被應用到常規檢測中。目前的研究大多都集中在儀器法與傳統方法的比較和優勢，對于儀器法之間的比較研究甚少[8-9]。本文擬將ICP-AES和石墨爐原子吸收法測定鋁含量數據進行對比，多方面分析兩者在水質檢測中的優劣勢，旨在為生活飲用水安全和水生態保護等領域中鋁的檢測提供科學合理的依據。

1 材料與方法

1.1 實驗原理

光譜法依照《鉛、鎘、釩、磷等34種元素的測定——電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)》(SL 394.1—2007)測定水中鋁元素。該技術主要通過電感耦合等離子炬為激發光源，產生高頻電磁場，使樣品中的鋁元素和惰性氣體(氬氣)充分原子化。通過電離、激發過程，鋁元素的原子會發射出特異性光譜，光譜強度與元素含量成正比，從而對鋁元素進行定性定量分析[10]。

原子吸收法依照《生活飲用水標準檢驗方法 金屬指標》(GB/T 5750.6—2006)中石墨爐原子吸收光度法測定水中鋁元素。采用石墨管作為原子化器，經酸化處理的水樣注入石墨爐內，經高溫原子化后，鋁的基態原子能夠吸收空心陰極燈發射的共振線，通過吸收強度與鋁含量成正比，進行定性定量分析[11]。

1.2 儀器條件與試劑

電感耦合等離子體原子發射光譜法采用的儀器為離子體光譜儀。參數條件：測定波長396.15nm，高頻發生器(RF)功率1.25kW，等離子氣流量15.0L/min，載氣流量1.2L/min，霧化氣壓220kPa，觀測高度10mm。

原子吸收法采用的儀器為石墨爐原子吸收分光光度儀，配備鋁空心陰極燈和熱解涂層石墨管。參數條件：測定波長309.30nm，光通道0.40nm，燈電流10mA，載氣流量0.3L/min，設定灰化溫度700℃，原子化溫度2400℃。

試劑采用的鋁標準溶液(濃度為1000.0mg/L)和鋁標準物質(GSB 07-1375—2001)，均來自于國家標準物質中心；鋁標準使用液：取10.0mL鋁標準溶液于1000mL容量瓶，配得10mg/L的鋁標準使用液備用；硝酸(優級純)；去離子水。

1.3 配制標準曲線

光譜法和原子吸收法均采用同一標準曲線溶液配制。用移液管分別取上述10.0mg/L鋁標準使用液1mL、2mL、4mL、8mL、10mL，分別加入到5個100mL容量瓶中，加入2%硝酸，去離子水定容，配得濃度為0.1mg/L、0.2mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L、1.0mg/L的標準曲線溶液。

1.4 樣品前處理與測定

向水樣中加入2%硝酸，酸化后可按照儀器規范直接進樣分析。

2 結果與討論

2.1 標準曲線與檢出限

比較標準曲線數據，ICP-AES和石墨爐原子吸收光度法均具有良好的相關性，相關系數無顯著差異，表明兩種方法均適用于水中鋁元素的檢測。通過連續測定11次空白樣品數據，根據信噪比S/N=3，以空白值標準差(n=11)的3倍作為兩種方法的儀器檢出限，再以儀器檢出限的3～5倍設定方法檢出限，其結果見表1。比較檢出限結果，石墨爐原子吸收法相對于ICP-AES具有更低的檢出限，對于微量濃度樣品的檢測更加有優勢。

表1 兩種方法的標準曲線與檢出限對比情況

2.2 精密度與準確度

選取大連碧流河水庫飲用水水源地、夏家河子地下水水樣以及鋁元素標準物質(GSB 07-1375—2001)，分別采用ICP-AES和石墨爐原子吸收法測定3個樣品的鋁含量。水樣平行測定7次，通過計算相對標準偏差和標準物質的相對誤差，對比分析兩種方法的精密度和準確度，結果見表2。

表2 精密度與準確度對比

對比3個不同濃度樣品的數據結果，ICP-AES和石墨爐原子吸收法的相對標準偏差范圍分別為2.2%～6.8%和2.2%～6.0%，兩種方法精密度無顯著差異；在測定較低濃度時，石墨爐原子吸收法的相對標準偏差更小，精密度相對更高。對于標準樣品的測定值結果，ICP-AES和石墨爐原子吸收法的相對誤差分別為1.03%和3.10%，表明ICP-AES具有更高的準確度。不難看出，石墨爐原子吸收法測定的樣品值相對較低，該誤差是由于石墨管的多次使用和老化所致，研究也表明，石墨管的使用和材料對于水中鋁的測定具有一定的限制作用。上述結果表明，ICP-AES對于測定結果的準確性更具優勢，且抗干擾能力強。

2.3 加標回收實驗

取上述兩個天然水樣(碧流河水庫和夏家河子地下井)，樣品濃度為上述實驗平均值，鋁元素加標量分別為0.1mg/L和0.2mg/L, 采用ICP-AES和石墨爐原子吸收法平行測定6次，計算加標回收率，結果見表3。

表3 加標回收率對比

實驗測得ICP-AES回收率在97.3%～107.0%范圍內，平均回收率為102.0%；石墨爐原子吸收法回收率在95.8%～102.8%范圍內，平均回收率為98.3%。兩種方法均具有良好的回收率，且偏差較小，ICP-AES相比石墨爐原子吸收法回收率更高。

2.4 方法對比

配制0.1mg/L的鋁使用液，分別采用ICP-AES和石墨爐原子吸收法進行5次平行測定，計算其平均值和標準偏差，通過F檢驗法和t檢驗法進行顯著性差異判斷，結果見表4。

表4 方法顯著性檢驗

經計算，F計算=1.20，f(1)=f(2)=4，查F檢驗分布表可知F表=6.39，F計算

3 結 論

ICP-AES和石墨爐原子吸收法均適用于水中鋁的檢測，標準曲線相關性良好，檢出限、加標回收率、精密度以及準確度均符合實驗標準。通過實驗數據的對比分析發現，原子吸收法具有更低的檢出限，測量范圍更廣泛，且精密度略高于ICP-AES，但其準確度易受到石墨管的影響；而ICP-AES具有更好的準確度，抗干擾性強，因此兩種方法在水質檢測方面各具優勢。在儀器使用方面，石墨爐原子吸收法的操作相對簡單，但對于石墨管的要求較高，需加入改進劑和特殊涂層，且石墨管的使用次數會影響其檢測結果，因此在測定中存在一定的弊端[12]。ICP-AES儀器自動化程度高，可以同時測定包括鋁在內的多種金屬元素，方便快捷且省時省力[13]。綜上所述，光譜法對于水中鋁的檢測具有更大的優勢。