电感耦合等离子体质谱法在环境监测中应用的进展

代新

摘 要：电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）具有超高灵敏度的分析方法，是目前环境科学研究超痕量、多元素含量的重要方法。国外许多国家已将其应用于环境监测之中，对地面水、土壤和大气等痕量元素进行测定，文章对电感耦合等离子体质谱法的原理、优缺点进行了介绍，对其在水质、土壤、金属元素及应急分析中的应用简要分析。

关键词：ICP-MS；环境监测；重金属；土壤

中图分类号：X830 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0146-02

当前，在我国经济的快速发展中，由于受到环境因素的影响，使经济步伐的发展脚步逐渐变得缓慢下来，因此，解决环境因素的问题是一项很难的工作。环境监测所使用的主要分析技术则直接影响着监测成果的准确性，以及环境治理方案的制定。在保证监测结果的科学性、监测方法的系统性及应急技术的实用性角度出发，电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）是近些年最新应用于环境监测中的技术方法。

1 ICP-MS法的工作原理

电感耦合等离子体质谱具有灵敏度高、检出限低、选择性好、可测元素覆盖面广、线性范围宽、能进行多元素检测和同位素比测定等优点。

在ICP-MS中，电感耦合等离子体是提供高温离子源，待测样品在仪器中因高温而被蒸发，从而发生解离、原子化以及电离等过程。样品电离后通过离子传输系统到达真空度极高的质谱仪部分，经过质谱仪的高速分离所测的离子，质谱仪可以扫描分子质量数从6到260的所有元素，并对通过双通道的高速分离处理的离子进行分析，浓度测试范围可以达到9个数量级，即实现从ppq到1000ppm的直接测试。

2 检测的优缺点分析

2.1 优点分析

等离子体质谱的谱线简单，检测模式灵活多样：（1）可以快速同时实现多达73种元素分析，借助测试谱线的质荷比达到元素定性分析的目的；（2）仪器元素测试灵敏度极高，在没有标准溶液的情况下，可以实现完成大多数元素的半定量测试分析，而且测试结果的误差可以控制到20%之内；（3）产生的基体效应弱，进行定量分析时，采用标准溶液在测试过程中进行必要校正，此项技术广泛应用于当前很多领域测试分析工作中。

2.2 缺点分析

由于监测环境中广泛存在的Ar、O等元素，导致分子离子干扰作用得到产生，尤其是在分析Fe、Cr、Ni等元素时，更加要注意去除干扰因素。电感耦合等离子体质谱仪谱线相较于其他质谱仪的谱线更为简单，也限制了分析元素的谱线时选择的自由度。比如，当分析Ni元素时，如果样品中存在大量的Fe与Ni时，Ni的同位素58Ni极易受到58Fe的干扰，从而使得样品的Ni元素定量分析误差较大。当样品体系中存在NaCl等盐类时，会导致仪器测定信号强度减弱，仪器受盐类的影响程度明显高于其他质谱法[1]。仪器的接口位置直径较窄，在长期测试高温环境中，接口部位极易损坏而产生仪器故障。由于仪器分析灵敏度极高，也就要求了样品分析过程中所使用的试剂必须完全洁净。

3 在环境监测中的应用

3.1 水质与土壤的ICP-MS分析方法

环境水样品包括淡水、海水、工业废水、生活污水四大类；每一类又可分成许多种。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。水样中金属元素以不同物理状态存在，比如水溶态、胶体粒子、固体悬浮物、沉积物、 可挥发物等。通常水样元素测定分两种方式：一种是水溶形元素，另一种是元素总量，即“酸可溶出”总量（不是严格的完全消解）。从环境监测的观点来看，可以测出一般环境下的生物可摄取元素以满足环境法规的需求。

我国现行的水质ICP-MS分析方法是《生活应用水标准检验方法》（GB/T 5750.6-2006）。可用于居民生活饮水、水源水及地表水样。分析的元素包括了31种[2]。然而，但GB/T 5750.6-2006涉及方法仍略显简单；不仅对各种样品的前期处理未作介绍，而且在关键的样品分析过程、仪器分析条件的介绍也相对简单；此方法最终只提供了简略的水质样品的精密度和准确度参考指标。这个指标与现今大部分地表水样分析不符。

1995年5份，美国环境保护局颁布了有关饮用水的ICP-MS分析方法EPA200.8。此方法可以用于分析居民日常饮用水、地表水以及地下水中的各类元素，对污染水源的污水和废水等也可以进行分析。方法中的分析元素达到21种[2]。由于本方法是由饮用水相关部门颁发的，因此分析的侧重点是与饮用水密切相关的水源水质监测，重点是监测水中溶性元素总体含量，对不同相中的元素含量分布不做细分。

1994年9月份，美国环境保护局颁布了EPA 6020方法，本方法主要应用对象是自然水体、工业排放的废水、淤泥以及污染的土壤。需要分析的元素数量为22种[2]。本方法是从美国有关有害固体废弃物监测的方法中发展形成的，此方法适用的重点领域是监测有害废弃物处理过程所引发的周围自然水体污染、产生的工业污水等。

ICP-MS分析技术也可以在土壤污染分析领域发挥良好效果，在监测污染土壤的程度时，需要进行必要的土壤元素含量与质量测试分析。同时，应用ICP-MS分析技术可以同时实现多元素的快速分析。土壤的分析方法一般需要对样品进行微波消解，消解方法是通过在测试土壤样品中注入一定浓度的氢氟酸与硝酸混合液，并在低温低压环境中完成赶酸程序，然后使用ICP-MS仪器分析土壤溶液中的元素Cr，分结果表明ICP-MS分析技术在土壤中的Cr分析中的准确度高、速度快、且干扰较小、分析的重复性高。苏荣等人提出了土壤的微波消解-电感藕合等离子质谱法[3]，同時分析了不同元素的同位素对土壤样品分析的干扰。

3.2 废弃物中金属元素分析

对于固体废物中含有的金属元素测试方法，我国当前采用的是《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中所要求的方法，其中规定了50种项目的监测内容，包括重金属及其相关化合物，污染物的形式涵盖了多数重金属元素以及CN-、S2-、F-、SO42-等众多阴离子，电感耦合等离子体质谱法完善了固体废物监测手段的不足，提高了我国固体废物监测的技术水平。

李龙宇等人采用ICP-MS分析技术对不同地段污水处理厂的污泥中的重金属元素总量与存在形式进行了分析[4]。由于城市污泥重金属和有机质成分复杂，传统化学分析方法对污泥中重金属Cd，Pb元素分析的难点在于污泥中所含丰富的有机物质，导致样品的预处理变得十分繁杂困难，利用ICP-MS分析技术可以实现快速、高效、准确地监测城市污泥中重金属元素动态变化。陈思杨[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-高氯酸对提取物质进行消解，然后使用ICP-MS法分析Pb、As、Cd元素的含量以及相关价态的含量，ICP-MS法的使用为城市污泥的监测治理提供了科学可靠的数据参考。

3.3 环境问题应急分析

近些年来，有关环境问题越发严重，相关部门在紧急状态下对疑似污染物的快速分析，可以为其快速制定环境问题应急方案提供必要参考。ICP-MS分析技术可以迅速完成待测样品中的同位素和元素的含量测定，进一步对待测样品的浓度完成定量分析。施章宏等对模拟核事故情况下，对可能受到辐射的人员通过ICP-MS技术分析尿液中的U元素浓度[6]。ICP-MS技术可以实现现实环境介质中放射性元素的快速准确监测，这样可以使遭受辐射的人员及时得到有效救治。

ICP-MS分析技术也可以对紧急状态下完成水样监测的快速全谱图扫描分析，可以得到质量分数在6-260之间的所有重金属元素以及相关同位素的含量，快速的分析成果为及时寻找重金属污染物的来源。在水源应急监测时，快速识别复杂水样和未知水样中污染物的含量特征，为环境监测工作便捷、有效进行具有十分重要的实际价值。

4 结束语

目前环境科学研究超痕量、多元素含量的重要方法。国外许多国家已将其应用于环境监测之中，我国目前ICP-MS法在土壤、固废等领域应用的国家或行业标准正在制定。随着仪器检测效率以及元器件的性能不断提高，ICP-MS法正逐步发展为智能化、高效化发展。ICP-MS仪器也向着更高灵敏度、更低检出限的目标逐步前进，其势必带来了环境监测领域的一次重大变革。

参考文献：

[1]甘志永，刘浩.ICP-MS在环境监测方面的应用及最新进展[J].广州化工，2016，44（20）：33-34.

[2]齐文启，孙宗光.ICP—MS的发展现状及其在环境监測中的应用[J].现代科学仪器，1998（6）：40-45.

[3]苏荣，王晓飞，洪欣，等.微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定土壤中10种重金属元素[J].现代化工，2015，35（1）：175-177.

[4]李龙宇，李永，马迎霞.污水处理中重金属的赋存现状及季节变化[C]//2014中国环境科学学会学术年会，2014.

[5]陈思杨，王娟，李丽娜，等.分析北京城市污泥中铅砷镉形态浓度的ICP-MS[J].光谱学与光谱分析，2009，29（7）：1976-1978.

[6]施章宏，黄鹤翔，罗文华，等.ICP-MS技术快速测量尿样中的铀同位素[J].化学通报，2015，78（5）：464-466.