重金屬檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展及其在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用

陳強(qiáng) 傅彥斌 李鷹

摘要：人們賴以生活的環(huán)境是由氣體、水體和土地等部分組合形成的，環(huán)境安全性是人們健康得以保障、生產(chǎn)生活得以正常開展的基礎(chǔ)性條件。人類社會(huì)發(fā)展也導(dǎo)致人口增長(zhǎng)和工業(yè)發(fā)展，為滿足生存與發(fā)展的需求，大量化石能源被開采使用，導(dǎo)致重金屬顆粒進(jìn)入大氣、水體、土壤等環(huán)境中，其負(fù)面影響通過(guò)生物富集效應(yīng)不斷放大，最終對(duì)人們的健康造成危害。隨著人們對(duì)重金屬污染的了解和關(guān)注增加，重金屬檢測(cè)技術(shù)也得到了快速的發(fā)展與越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹了重金屬檢測(cè)的物理方式、化學(xué)方式和生物方式，以此分析其在環(huán)境檢測(cè)中的重要作用。

關(guān)鍵詞：環(huán)境檢測(cè);重金屬檢測(cè)技術(shù);研究進(jìn)展;應(yīng)用現(xiàn)狀

一、引言

重金屬元素是存在于自然界并富集于金屬礦、化石燃料等物質(zhì)中的化學(xué)元素，學(xué)界將密度高于5.0 g/cm3的金屬元素定義為重金屬，包含鎘、汞、砷、銅、鉛等45類。[1]此類元素能夠通過(guò)生物鏈形成富集效應(yīng)，并通過(guò)人們直接接觸或者食用受污染失誤等方式進(jìn)入人體，危害人們的健康，歷史上汞污染造成的水俁病與鎘污染造成的骨癌病就是突出的案例。[2]多年以來(lái)國(guó)內(nèi)工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了大量污染和排放，也導(dǎo)致重金屬元素進(jìn)入大氣、土壤和水體等環(huán)境中，加快重金屬檢測(cè)技術(shù)的研究并將其廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)對(duì)于保障人們的生命健康具有重要的意義。

二、環(huán)境檢測(cè)概述

環(huán)境檢測(cè)是一門發(fā)展歷史較為悠久的學(xué)科，具體是指整合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究成果，運(yùn)用物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)和信息技術(shù)等交叉學(xué)科技術(shù)手工或人工收集檢測(cè)對(duì)象信息并進(jìn)行定向分析的過(guò)程。環(huán)境檢測(cè)的內(nèi)容涵蓋氣候、地質(zhì)、水文、水體等眾多方面，其中重金屬檢測(cè)是一項(xiàng)重要的分支。近年來(lái)國(guó)內(nèi)部分區(qū)域因長(zhǎng)期工業(yè)污染管制不當(dāng)導(dǎo)致水體污染、空氣污染等事件引起廣泛關(guān)注，政府政策也傾向于引導(dǎo)高污染經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式向環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型，重金屬檢測(cè)成為評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量的重要參考因素，其技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用與升級(jí)得到了大量支持。

三、環(huán)境檢測(cè)重點(diǎn)分析

從檢測(cè)對(duì)象來(lái)看，目前重金屬檢測(cè)在環(huán)境檢測(cè)中主要應(yīng)用于土壤、大氣和水體三個(gè)方面。

（一）土壤重金屬檢測(cè)重要性分析

土壤是自然環(huán)境的重要組成部分，也是人們種植食用和工業(yè)原料型植物、生活中經(jīng)常接觸的重要對(duì)象。但是高污染型發(fā)展帶來(lái)的含重金屬物質(zhì)的排放、廢棄物堆疊、農(nóng)藥濫用等致使土壤重金屬含量持續(xù)提升。已有研究就中國(guó)耕地的重金屬污染情況開展統(tǒng)計(jì)研究與數(shù)據(jù)分析，結(jié)果顯示存在重金屬污染的耕地占比約為1/6。[3]人們?nèi)绻秤没蚴褂弥亟饘傥廴靖胤N植出的產(chǎn)品，可能導(dǎo)致難以被人體降解吸收的重金屬元素在身體中富集，引發(fā)器官損傷、細(xì)胞病變等嚴(yán)重后果。

（二）水質(zhì)重金屬檢測(cè)重要性分析

從全球水資源分布來(lái)看，水體面積占地球表面總面積的7成左右，人類生活所需的淡水通過(guò)蒸發(fā)-云層移動(dòng)-降雨-地表流動(dòng)和地下流動(dòng)等方式形成，因此區(qū)域性水體污染會(huì)通過(guò)水循環(huán)影響大范圍水體質(zhì)量。目前水體檢測(cè)主要指標(biāo)是酸度、氧化還原電位、電導(dǎo)率、總有機(jī)碳、余氯等，一定程度上能夠反映重金屬污染情況，但是精度有限。[4]近年來(lái)越來(lái)越多地區(qū)關(guān)注到水體質(zhì)量的重要性，并應(yīng)用了專業(yè)的重金屬檢測(cè)技術(shù)，對(duì)控制重金屬污染程度及其擴(kuò)散產(chǎn)生了顯著影響。

（三）大氣重金屬檢測(cè)重要性分析

中國(guó)人口總量較大，工業(yè)發(fā)展、居民生活帶來(lái)的用電需求、出行需求和工業(yè)加工需求導(dǎo)致以煤炭、石油為主的化石能源持續(xù)燃燒，其轉(zhuǎn)化形成的廢氣中富含大量重金屬顆粒，此部分氣體的排放導(dǎo)致了大氣重金屬污染。氣候條件和大氣循環(huán)等因素的綜合作用和協(xié)同毒理作用使得重金屬顆粒轉(zhuǎn)化為復(fù)合型污染物，并導(dǎo)致酸雨、霧霾等問(wèn)題出現(xiàn)，破壞大氣環(huán)境的同時(shí)增加了生物致癌、致畸、致病風(fēng)險(xiǎn)。[5]隨著人們對(duì)大氣污染治理關(guān)注，以電感耦合等離子體發(fā)射光譜法為主的新型重金屬檢測(cè)技術(shù)在大氣檢測(cè)中得到了較好的應(yīng)用。

四、重金屬檢測(cè)技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用分析

目前應(yīng)用與環(huán)境檢測(cè)的重金屬檢測(cè)技術(shù)主要分為化學(xué)法、物理法和生物法三大類，技術(shù)路線和應(yīng)用現(xiàn)狀分析如下。

（一）重金屬化學(xué)檢測(cè)法

1、原子吸收光譜法

原子吸收光譜法的技術(shù)原理是基于氣態(tài)的被測(cè)元素基態(tài)原子對(duì)其原子共振輻射的吸收進(jìn)行元素定量分析。從應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，此項(xiàng)技術(shù)在環(huán)境重金屬檢測(cè)中得到了較好的應(yīng)用，能夠精準(zhǔn)快速識(shí)別銅、鎳、鉛等重金屬元素，相對(duì)偏差水平已經(jīng)能夠控制在5%以內(nèi)。但是這一方法使用特制光源燈，每種重金屬檢測(cè)均需要更換光源燈，且只能就已知元素進(jìn)行定向分析檢測(cè)，對(duì)于難熔元素檢測(cè)的靈敏度也比較低。

2、原子熒光光譜法

這一檢測(cè)方法與原子吸收光譜法的檢測(cè)環(huán)境與條件基本一致，但其原理是測(cè)定蒸汽形態(tài)被測(cè)對(duì)象在一定波長(zhǎng)輻射下被激發(fā)的熒光強(qiáng)度開展定量分析并以此確定所含的重金屬元素。在實(shí)際應(yīng)用中，這一方式相較于原子吸收光譜法的靈敏度更高、單次分析可測(cè)定多項(xiàng)重金屬、抗干擾能力也更強(qiáng)，是一種精準(zhǔn)快速開展環(huán)境重金屬測(cè)驗(yàn)的可行方式。

3、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法

這一檢測(cè)方法的原理是測(cè)定對(duì)象中原子或離子在光源中被激發(fā)產(chǎn)生特征輻射的強(qiáng)度而對(duì)重金屬濃度進(jìn)行判定。這一技術(shù)不僅可以單次完成多項(xiàng)重金屬的測(cè)定，還能單次完成大批量樣本的檢驗(yàn)，兼具進(jìn)度、速度和數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，但是需要大量人工先行將受測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溶液，檢測(cè)設(shè)備購(gòu)置也較為昂貴。

4、電感耦合等離子體質(zhì)譜法

這一檢測(cè)技術(shù)的原理是在等離子體中加入樣品溶液并監(jiān)測(cè)其原子化或電離情況，收集不同質(zhì)荷比的離子或氧化物結(jié)果后進(jìn)行分析。這一技術(shù)同樣能夠單次大批量、精準(zhǔn)地測(cè)定多項(xiàng)重金屬元素，其成本較為低廉，因此在環(huán)境檢測(cè)、食品藥品檢測(cè)等方面均有極為廣泛的應(yīng)用。[6]

5、電化學(xué)分析方法

電化學(xué)分析方法分為極譜法和溶出伏安法。極譜法是通過(guò)測(cè)定電解過(guò)程中所得到的極化電極的電流-電位（或電位-時(shí)間）曲線來(lái)確定溶液中被測(cè)物質(zhì)濃度的一類電化學(xué)分析方法。極譜法可分為控制電位極譜法（如單掃描極譜法）和控制電流極譜法（示波極譜法）。除此之外還有溶出伏安法、催化極譜法。在土壤重金屬檢測(cè)中，電化學(xué)分析方法可用于檢測(cè)銅、鉛、鎘、鋅、砷、鎢、鉬、錫、釩、鎳等項(xiàng)目。

（二）重金屬物理檢測(cè)法

1、X射線熒光光譜法

這一檢測(cè)方法原理是利用基態(tài)原子吸收合適的特定頻率的輻射并將對(duì)象轉(zhuǎn)為高能態(tài)并檢測(cè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中特征波長(zhǎng)熒光。這一技術(shù)可以同時(shí)對(duì)大量樣本進(jìn)行多種金屬元素的批量分析，檢驗(yàn)效率較高且成本相對(duì)可控，但是儀器敏感度要求較高，存在一定局限。

2、激光誘導(dǎo)

這一檢測(cè)方法原理是用脈沖激發(fā)器向受測(cè)對(duì)象表面發(fā)射高功率密度激光，以此帶動(dòng)對(duì)象表面等離子體脫離噴射，在噴射部分冷卻過(guò)程中采集光譜信息并對(duì)照不同重金屬光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這一技術(shù)基本不改變受測(cè)體性質(zhì)，操作便利且成本可控。

3、測(cè)汞儀法

這一技術(shù)的原理是使用低壓汞燈向已經(jīng)蒸汽化的受測(cè)對(duì)象發(fā)射特征譜線并使用光電檢測(cè)器對(duì)譜線的強(qiáng)度已分析對(duì)象的重金屬含量、這一技術(shù)精度有限且操作需注意安全，在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用。

4、中子活化分析法

這一檢測(cè)方法的原理是使用特制儀器進(jìn)行中子活化的非破壞性分析，能夠及其精準(zhǔn)地測(cè)定多項(xiàng)重金屬元素，并在La、Ge、Sm等元素測(cè)定方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是器械敏感度高且測(cè)定成本較高，在實(shí)踐中主要應(yīng)用于重要關(guān)鍵樣本分析，日常化使用并不普遍。

（三）重金屬生物檢測(cè)法

1、酶抑制法

這一檢測(cè)方法原理是利用重金屬含量對(duì)酶的活性具有抑制作用間接完成環(huán)境樣本中的重金屬元素檢測(cè)，選用的酶緩沖系統(tǒng)對(duì)于其測(cè)定結(jié)果的有效性影響突出。這一技術(shù)早在上世紀(jì)末就已經(jīng)提出并應(yīng)用，發(fā)展至今使用頻率最高的酶為脲酶。這一技術(shù)所需樣本數(shù)量小、過(guò)程快速且操作簡(jiǎn)單，日常應(yīng)用較為廣泛。

2、生物傳感器法

這一檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)、原位和遠(yuǎn)程環(huán)境檢測(cè)中均有較好的適用性，是日常化應(yīng)用廣泛的一類快速檢測(cè)技術(shù)。

五、總結(jié)

總結(jié)來(lái)看，近年來(lái)人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量提升給予廣泛關(guān)注，化學(xué)類、物理類和生物類的檢測(cè)技術(shù)在土壤、水體和大氣環(huán)境檢測(cè)中也到了越來(lái)越廣泛、多元、精準(zhǔn)的應(yīng)用。未來(lái)隨著重金屬檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境中重金屬檢測(cè)還將向大批量、小樣本、高精度、低成本的方向持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳海華.電感耦合等離子質(zhì)譜法快速檢測(cè)豆類及其制品中鉛鎘等重金屬殘留的方法研究[J].食品安全導(dǎo)刊，2021（12）：79-80.

[2]梁婧，陳斌，羅環(huán)，常曉燕，王如剛.職業(yè)健康檢查中生物樣本重金屬檢測(cè)分析前因素的質(zhì)量控制[J].中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，2021，31（05）：630-631.

[3]曹晏，左從蔣，孫喆.水體及土壤污染源氮硫磷及重金屬汞砷鉛鎘綜合檢測(cè)儀的構(gòu)建[J/OL].分析試驗(yàn)室：1-11[2021-10-16].https：//doi.org/10.13595/j.cnki.issn1000-0720.2021.013102.

作者簡(jiǎn)介：陳強(qiáng)（1979.7—），男，漢族，福建建甌人，閩江學(xué)院，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹亟饘俦O(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸

項(xiàng)目基金：福建省環(huán)保科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016R014）