ICP-MS在环境监测中的研究新进展

尚 宇

（陕西省环境监测中心站，陕西 西安，710054）

0 引言

随着世界各国经济的增长，自然界储存的资源，如煤、石油等各种矿藏被广泛地开发和利用。由于人口密集的大城市和工矿区的建立，使大量化学物质进入环境，超过了大自然的自净能力，在环境中不断积累，产生了危急人类生存的公害。随着科学技术和工农业生产的迅猛发展，重金属的污染也日益严重[1]。以各种化学状态存在的重金属易通过食物链而生物富集，进入生物体，严重威胁人类和生物体的健康安全。

ICP-MS，即电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry），是以电感耦合等离子体作为离子源，以质谱进行检测的无机多元素分析技术。其主要用途是进行化学元素分析检测，特别是对重金属元素分析最擅长，目前在环境监测行业已经广泛应用。它的优点是：①多元素快速分析；②动态线性范围宽；③检测限低；④在大气压下进样，便于与其他进样技术连用；⑤可进行同位素分析、单元素和多元素分析，以及有机物中金属元素的形态分析。

1 ICP-MS在大气环境监测中的研究进展

雾霾是空气污染和气象因素共同作用的结果，雾霾天气发生时，大气能见度下降，大气中的颗粒物特别是细颗粒物（PM2.5）是导致能见度降低的主要因素[2]，城市大气PM2.5污染影响空气质量，威胁人群健康，是具有区域性特征、危害严重的大气污染物。

王秦等[3]采用ICP-MS分析北京市某城区PM2.5中36种元素总量并采用富集因子法分析元素污染特征。结果表明，与正常天气相比，雾霾天气发生时PM2.5和其中的27种元素浓度均升高，其中 As、Cr、Pb、Ti和 V 等重金属是 PM2.5中的主要无机污染物。其中As、Cr和Pb等重金属元素的增加主要与人类活动如汽车尾气、化石燃料排放引起空气污染有关。

陈曦等[4]采用ICP-MS与电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）分析北京某城区采集获得的PM2.5样品，对雾霾天气PM2.5的污染来源进行解析，选定了6个主要污染源类型，分别为“工业粉尘与人为活动污染源”、“生物质燃烧和建筑尘污染源”、“土壤及风沙扬尘源”、“化石燃料污染源”、“电子废弃物污染源”和 “区域性迁移污染源”，其方差贡献率分别为40.3%、27.0%、9.1%、4.9%、4.8%和4.6%。

焦姣等[5]采用ICP-MS和电感耦合等离子光谱仪（ICP-OES）对样品中的17种元素含量进行测定，结果表明，除 Al、Ca、Co 外，其他与人类活动相关的各元素更容易富集于PM2.5上。Zn、As、Pb、Ca在PM10和PM2.5中极强富集，表明重庆市燃煤、城市交通、工业等污染严重。

刀请等[6]建立了大气颗粒物PM2.5、PM10中六价铬的离子色谱-电感耦合等离子体质谱 （ICICP-MS）检测方法。采用碳酸氢钠溶液超声提取大气颗粒物样品中的Cr（Ⅵ），并使用含有0.22 g/L乙二胺四乙酸二钠盐的75 mmol/L硝酸铵溶液（pH=7.0）淋洗液通过离子色谱柱（AG7，50 mm×4 mm）分离出样品中的 Cr（Ⅵ），ICP-MS测定。 结果表明该方法灵敏、稳定、可靠，能够满足大气颗粒物中Cr（Ⅵ）的测定需要。

2 ICP-MS在水环境监测中的研究进展

目前，虽然我国水资源总量多，但由于人口数量庞大，人均用水量低，而其中作为饮用水的水资源有限。工业废水、生活污水和其他废弃物进入江河湖海等水体，超过水体自净能力所造成的污染，会导致水体的物理、化学、生物等方面特征的改变，从而影响到水的利用价值，危害人体健康或破坏生态环境，造成水质恶化的现象。重金属元素是水环境中普遍存在的一类污染物，具有高稳定性、可累积性以及不可降解性等特点。

马小玲等[7]采用高分辨电感耦合等离子体质谱（HR-ICP-MS）和地积累指数法（Igeo）对黄河甘肃、宁夏和内蒙古自治区连续三段表层沉积物中重金属（Cr、Pb、Cd、Cu、Zn 和 Ni）的空间分布和季节性波动（丰水期、枯水期和平水期）以及污染状况进行系统研究分析。结果表明：内蒙古段的重金属含量以及生态风险最高，Cr、Cd和Cu是最具有潜在风险的三个元素；就研究季节而言，丰水期的重金属含量和潜在风险高于枯水期和平水期。

高裕雯[8]应用ICP-MS分析大气降水中的痕量重金属。通过大量实验数据，说明该方法具有良好的精密度（RSD为0.4%～4.6%）和准确度。对影响实验准确度和精密度的因素进行探讨，总结了ICP-MS在痕量重金属分析方面的优势。

左航等[9]由ICP-MS测量黄河上游地区水样中 As、Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn 的含量，并确定黄河上游水体中重金属分布特征和重金属污染指数。结果显示：Cr、Mn、Pb和Cu含量高于标准，黄河研究流域水体重金属含量及HPI显示平水期重金属污染程度较枯水期高，可能与季节性生产及降水变化有关。

于靖等[10]采用ICP/MS分析了金矿开采区河道水体样品，结果表明水体中Cu、Zn、As主要以溶解态存在，Pb、Cr、Cd以颗粒态为主。水体中重金属元素形态分布主要受点源污染排放影响。结合地累积指数和潜在生态风险指数分析，Cd和Cu为主要的风险元素。

母清林等[11]建立了一种在线进样技术，包括在线稀释和在线预浓缩两种模式，ICP-MS直接测定海水中 Cr、Mo、Cu、Pb、Zn、Cd、Fe、Mn、Ni、V、Co等11种痕量重金属的分析方法。此方法可自动稀释制作标准曲线，自动基体匹配，通过在线稀释及在线预浓缩两种模式，直接分析海水中11种痕量重金属。

王樊等[12]建立了TiO2涂覆中空纤维膜微型化固相萃取-电热蒸发（ETV）-电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）联用测定环境水样中痕量重金属的新方法。该法被成功应用于标准水样、东湖水和雪水中 Cr（Ⅲ）、Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）和 Pb（Ⅱ）的分析。

3 ICP-MS在土壤环境监测中的研究进展

近几十年来，随着工业化、城市化、农业集约化快速发展和经济持续增长，资源开发和利用强度日增，人们生活方式迅速变化，大量未经妥善处理的污水直接灌溉农田、固体废弃物任意丢弃或简单填埋、废弃尾气长距离运输与沉降、大量不合理的化肥农药的使用与残留等，导致土壤资源受到污染和破坏，特别是重金属污染。污染土壤的重 金属 包括毒性 显著 的 Cd、Pb、Hg、Cr、As等。这类污染范围广、持续时间长、污染隐蔽，无法被生物降解，将导致土壤退化，农作物产量和质量下降，并污染地表水和地下水。

李承[13]建立了全自动石墨消解-ICP-MS法测定土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd、Ni和 Cr六种重金属元素的方法，具有良好的线性和较低的检出限。由于整个消解过程由仪器完成，避免由于人员操作不当带来的实验误差，具有较好的精密度和准确性，特别适合大批量样品的分析。

沈继翠[14]将土壤中的无机砷和砷化合物经过提取分离后，通过HPLC-ICP-MS进行测试。本方法的检出限为：砷甜菜碱+砷胆碱 （AsB+AsC）160 mg/kg，亚砷酸盐（As（Ⅲ））80 mg/kg，二甲基砷酸（DMA）80 mg/kg，一甲 基砷酸 （MMA）800 mg/kg，砷酸盐（As（Ⅴ）80 mg/kg。

李承[15]建立了微波消解ICP-MS同时测定土壤中 Cu、Zn、Pb、Cd、Ni和 Cr六种重金属元素的方法，检出限低，精密度和准确度良好，加标回收率较高，经实际土样测定，可以满足土壤监测要求。同时该方法具备可以实现一次进样，同时分析六种元素的优点，大大提高了分析效率，整个微波消解过程用酸量较少，对人的影响较小。

李茂亿[16]使用ICP-MS法对中山市居民区、工业区、种植区农田土壤中铅含量进行了测定，并用单项污染指数和地质累积指数法对农田土壤铅污染情况进行了评价。结果表明，所研究农田土壤中的铅均达到土壤环境质量二级标准。地质累积指数法表明，所研究农田土壤的铅污染属于无污染到偏中污染水平，工业区污染是中山市农田土壤铅的主要污染。

何小峰等[17]用微波消解-ICP-MS方法在农林土壤监测中的应用，使用该法检测土壤元素总量，从消解到检测时间约4 h一个批次，可测多种元素且检测结果具有高度的可靠性。

4 ICP-MS在固体废物环境监测中的研究进展

城市污泥是活性污泥法处理城市生活污水和工业污水产生的固体废弃物。污泥富集了污水中大部分有机污染物和重金属，具有有机物含量高、密度小、颗粒细、细菌量大等特点。污泥中的重金属因其不可降解及毒性大的特点成为限制污泥资源化利用的最主要障碍。

王晓林[18]采用ICP-MS和原子吸收光谱仪重点研究了山东省城市污水厂污泥中重金属Cu、Cd、Ni、Pb、Mn、Zn 和 Cr的污染特征，并对其做了潜在生态风险评价。结果表明：山东省城市污水处理厂污泥呈现高有机质、高氮、高磷和高钾的特点，具有较好的利用价值。

陈思杨等[19]采用BCR三步浸提法对污泥中铅砷镉 Pb、As、Cd的三种形态进行提取，以HNO3-HClO4进行全量消解，利用ICP-MS检测Pb、As、Cd的全量和各形态的含量，为北京城市污泥的资源开发研究提供基础数据。结果表明北京城市污泥中Pb和Cd含量比上世纪末明显降低。

田冬梅等[20]选择水、醋酸和不同极性的有机溶剂对污水处理厂的污泥进行浸提分离，采用ICP-MS测定了污泥中主要污染的重金属元素各活性形态的含量，结果表明：城市污泥中重金属的醋酸浸提态含量较高，水溶态含量较低，二者随时间和温度条件的变化呈一致的规律性，有机浸提态重金属的含量与溶剂极性大小呈正相关性。

5 结论

重金属污染是严重威胁人类和生物体的健康安全的环境污染源，ICP-MS具有灵敏度高、分析精度高、动态线性范围宽、检测限低等技术优势，是重金属元素分析必不可少的关键技术，为环境监测分析提供了强有力的保障。随着ICPMS技术的不断发展，其应用范围必将越来越广泛，将会在环境监测中发挥其更重要的作用。