原子荧光法在测定水体中砷硒汞的应用研究及发展

戴 睿，文长凤，杨 丽

(四川省阿坝生态环境监测中心站，四川 阿坝州 624000)

根据来自第四届世界水论坛所提供的联合国水资源世界的评估报告可以得知，由于在世界范围内约有数百万吨垃圾在倾倒入河流、湖泊和小溪后，造成了每升废水会污染8 L淡水的后果；也就造成了流经亚洲城市的河流均有被或多或少的污染[1]。通过国家环保局发布的中国环境质量公告可以得知，在中国的七大水系均有不同程度的污染，其中珠江、长江水质较为安全；辽河、淮河、黄河、松花江略微严重，而海河急需治理[2]。水污染大致可以归为三大类，即生物性水污染即细菌，病毒和寄生虫；物理性水污染即悬浮物，热污染和放射性污染和化学性水污染，包括有机化合物如抗生素，染料和无机化学元素[3]。

在我国工业的持续发展下，尤其是冶金和化工行业的工业发展，往往是以环境污染为代价，并与此同时影响水质环境。其中砷、硒、汞元素尤为突出。许多主要元素的开采都需要涉及到砷元素的应用，这些排放出的砷部分会经由工业排放从而进入生态的循环水系统。人对任何元素都有一个接受度，砷元素尽管毒性不高，但是三价砷的化合物如砒霜却含有很高的毒性。而砷元素在人体内的逐年累积，会危害人体的安全，最严重时会使人偏瘫，甚至死亡[4-5]。目前测定砷的方法主要集中在荧光光度法、DDC-Ag比色法和氢化物原子吸收法。汞元素则是对人体有重大危害的有毒金属元素，汞金属元素所造成的伤害是永久且不可逆转的，当前对汞进行测量的方法包括冷原子吸收、双硫腙光度法、冷原子荧光法。硒则是人体必需的微量元素之一，但当摄入量超过某一阈值也会造成同样的伤害，当前对硒的测定主要包括有二氨基联胺分光光度法、氢化物原子吸收法和荧光光度法等。

上述测量手段虽然都可以实现对砷、硒、汞定性或定量的测量，但是依然存在有不少的问题，例如这些方法在实际用量方面缺乏有效的控制，亦或者是在测量的过程中不利于水质检验人员的人身健康。于是，在面对这一系列问题下，原子荧光法便应运而生，其优点就在于灵敏度高，干扰少，操作简便。由于其可进行多种元素同时测定的优点，在水质检测领域得到广泛应用。

1 原子荧光法

1.1 原子荧光的起源与发展

1964年，由 Winefordner和Κuga等首先提出用原子荧光光谱(AFS)作为分析方法的概念，从此原子荧光光谱技术登入化学分析测试的舞台[6]。在早期国外的原子荧光发展过程中，采用的是火焰原子化法(图1)。

图1 火焰法原子荧光光谱仪实体机

火焰原子化法是利用化学火焰发出的热能从而蒸发溶剂，解离分析物分子与产生被测元素的原子蒸汽。

1969年，Holak发明氢化物气体分离技术并将其应用于原子吸收光谱法用于砷的测定[7]。1974年，Tsujiu等将原子荧光光谱和氢化物气体分离技术相结合(图2)，这也成就了现代常用的分析基础架构[8]。

图2 氢化物发生—原子荧光光谱法

20世纪70年代末，以郭晓伟为首[9-12]的我国优秀的研究人员在面对当时原子荧光光谱分析的缺陷等问题时，将原子荧光光谱仪器和测试技术方法进行了有效的开发和研究，使得我国的原子荧光光谱分析推向实际应用的前沿(图3)。

图3 我国早期原子荧光光度计

原子荧光法是基于原子发射光谱和原子吸收光谱而产生的一种光谱分析技术，它具有将化学蒸气分离和非色散光学系统的特性，所以原子荧光技术是目前测量砷、硒、汞这三种微量元素最成功的分析方法之一。原子荧光光谱分析技术是基于原子荧光现象的谱学手段，富含待测样品的蒸气通过具有特征波长的空心阴极灯照射后，其中待测元素中的一些自由原子会吸收能量被激发从而跃迁到较髙的能态，在经过一段时间内的弛豫后被激发的原子返回到某一较低能态(一般为基态)而释放的能量以发射出特征光谱的光的物理现象(图2)。而荧光就是当激发辐射的波长与所产生的荧光波长相同产生的光谱，而共振荧光是原子荧光光谱分析中最常用的一种荧光。通过文献可以知道，各种元素都有特定的原子荧光光谱，根据原子荧光的存在与否和不同强度，可测得试样中待测元素存在与含量[13]。

1.2 原子荧光光谱法测定原理

1.2.1 测定砷、硒的原理

水样用适量盐酸消解，再加入硫脲—抗坏血酸混合溶液，用来还原高价待测的元素，再使用络合剂络合干扰离子，经还原后的三价砷、四价硒与硼氢化钾反应，生成具有挥发性氢化物，将氢化物通过载气—氢气送入电热石英原子化器中进行原子化，原子化后的样品通过空心阴极灯的照射，使得待测元素的基态原子被激发至高能态，当迁入较高能态的原子回到基态时，发射出特征波长的光即荧光，其荧光强度与含量成正比。

1.2.2 测定汞的原理

水样用硫酸酸化，再加入溴酸钾—溴化钾混合溶液，在溴酸钾与溴化钾反应生成的溴会将水样中的汞氧化为二价汞，用盐酸羟胺—氯化钠混合溶液作为还原剂去还原过剩的氧化剂也就是溴，然后用低浓度的具有强还原性的硼氢化钾作为还原剂将二价汞还原为单质汞，用氢气作载气，将其带入电热石英原子化器中，形成的汞蒸气被光辐射激发，产生共振荧光，其荧光强度与含量成正比。

1.3 水体样品的采集与测定

1.3.1 砷、硒的测定

取25 mL水样于25 mL比色管中，加入3 mL的盐酸、2 mL硫脲—抗坏血酸混合溶液，摇匀，室温消解10 min后，在仪器工作条件下进行测定。

1.3.2 汞的测定

取50 mL水样于10 mL比色管中，加2 mL硫酸、4 mL溴酸钾—溴化钾混合溶液，摇匀，室温溶解10 min，滴加盐酸羟胺—氯化钠混合溶液至黄色刚好褪去后，进行定容，在仪器工作条件下进行测定[14]。

2 测定条件的选择

2.1 光电倍增管负高压

光电倍增管(图4)作为将一次次闪光转换成每个放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录到仪器中，光电倍增管本身有一定的耐压范围，其负高压的大小与仪器输出的荧光强度和背景信号水平有密切的关系。在一定范围内光电倍增管的负高压越高，灵敏度也就越高，从而检测到的荧光信号也就越强，但噪声会增大，稳定性也会相对变差；反之，负高压过低时，灵敏度降低，检出限随之升高，所测的结果往往达不到测定要求。当测试采用的负高压较强时，基线会严重漂移，当灵敏度可以满足测定要求时，应尽可能采用较低的负高压。所以一般在实际操作中，根据具体的信号强度以及元素灯的灵敏度来对负高压进行选择[15-16]。

图4 光电倍增管示意

2.2 空心阴极灯灯电流

空心阴极灯(图5)作为发射被测元素基态原子所吸收的特征共振线的作用，砷和汞检测到的灯电流大小以及荧光强度和背景信号相关。在一定范围内当灯电流较低时，荧光强度较低，并且不稳定灯电流越大，灵敏度越高，荧光信号越强。需要注意的是，过多的灯电流会导致工作曲线弯曲，并在工作过程中降低阴极灯的使用寿命。所以，对于单个阴极灯，只需要设置总数电流足够；对于双阴极灯，总峰值电流为主阴极与辅助阴极的电流总和，在设置总电流之后，辅助阴极的电流会变为总峰值电流的一半，也就是说主阴极电流与辅助阴极电流以1∶1的配比存在。但是对于汞元素的双阴极灯，需要通过试验来确定[17]。

图5 空心阴极灯示意

2.3 原子化器高度

原子化器的作用在于提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化。原子化器的高度是指原子化器的顶部距光电倍增管中心的直线距离。在其他仪器条件都已经定下的情况，原子化器的高低就决定了激发光源照射在氩氢火焰上的位置。之所以调节原子化器的高度，是为了使元素灯发光照射在原子化效率最高最稳定的区域。原子化器高度的调节同时也和载气流量是相关的，如当载气流量较大时，原子化器也可以在高度上适当降低[18]。

2.4 载气流量

原子荧光法测定砷、汞过程时，会使用氩气等作为载气，用以携带被测元素的砷化氢及汞离子到原子化器进行原子化。载气流量的大小可以直接影响荧光信号的强度和氩氢火焰的稳定性。当载气的流量较小时，氩氢火焰不稳定；当载气流量极小时，仪器可能会无法运行或是没有荧光信号；当载气流量较大时，原子蒸气会被载气稀释，最后导致原子化效率较低，从而使荧光信号变差。

2.5 屏蔽气的使用

屏蔽气是为了对原子化环境进行屏蔽，防止氢化物被氧化，同时减少荧光被CO等气体猝灭。同时屏蔽气流量不宜过小，否则会由于屏蔽效果不好，导致氩氢火焰肥大，最后使得所接收到的荧光稳定性变差；但如果屏蔽气流量过大时，氩氢火焰会变得细长，从而影响原子化效率，荧光信号也会变得不稳定，并且测试的灵敏度也会降低[19-20]。

3 进展与展望

在近几十年来原子荧光光谱法的发展历程，仪器内部产生荧光的部件如激发光源、原子化器、氢化反应系统等都有了较大的提高和发展，以及在研制原子荧光形态分析仪、多通道原子荧光光谱仪等关键技术等其应用等方向取得了阶段性的傲人成绩。更值得骄傲的是，就目前而言，我国在研发仪器、研究分析方法和应用的推广等方面都是处在一个国际领先的水平，也凭此成为我国具有自主知识产权的分析仪器。

检测水质中Hg、As、Se等可能会危害人体或自然界的元素的最终目的，就是为了确保人的体质安全或是生态圈的绿色发展，所以原子荧光技术在如何提高检测的灵敏性或者是如何更加绿色安全地检测水质方面就显得尤其重要。四川大学分析测试中心的Zhang发布了有关建立了一种简单、非色谱、绿色的流动注射紫外光化学或超声气相原子荧光光谱法(AFS)测定和形态分析汞的方法。只使用甲酸和紫外或超声照射汞的冷蒸汽，随后用原子荧光法检测。紫外照射可以将汞Hg2+和甲基汞MeHg转化为Hg0用于总汞的测定，而超声照射只能将Hg2+还原为Hg0，因此只能测定Hg2+。然后，用总汞浓度减去Hg2+浓度，即可计算出甲基汞的浓度。在Zhang的文章中讨论了最佳冷蒸汽产生效率的最佳条件以及过渡金属的干扰。这种新的形态分析不仅为测定汞物种提供了高灵敏度，而且进一步消除了有毒还原剂的使用，并避免了色谱分离过程中对分析物物种的潜在破坏。此外，一种更简单、毒性更小的Hg2+标准系列可用于Hg2+和甲基汞的校准，并成功地应用于水和生物样品的超灵敏汞形态分析[21]。

除了检测的灵敏度和绿色环保方面以外，简易方便也是检测仪器发展道路上的又一重要方面。从俄罗斯圣彼得堡国立大学化学研究所的Andrey Shishov发布的一篇文章中可以知道，如果现代高效分析仪器需要广泛传播和改进，那么首先就必须使用最低量的样品和试剂。这反过来又导致了这样一个事实：在文献中，为了减少废物的产生和分析时间，样品预处理程序的小型化和自动化得到了更多的关注。基于流体流动的方法可使各种样品预处理程序自动化，并可以与不同的分析仪器相结合。Andrey Shishov的团队建立了一种基于流动系统的自动连续均相微萃取方法，并结合氢化物发生原子荧光光谱法(HG-AFS)，将该方法应用于环境水量砷和硒的测定。研究了壬酸作为一种可转换亲水性溶剂(SHS)用于吡咯烷二硫代氨基甲酸盐(PDC)与砷(Ⅲ)和硒(Ⅳ)配合物的均相微萃取。在线混合PDC铵盐(水相)、壬酸钠(水相)和酸性样品溶液，形成分散在酸性水相中的SHS(壬酸)。通过这一连续的过程，分析物与吡咯烷二硫代氨基甲酸盐形成并提取到细壬酸液滴中，然后保留到由多孔PTFE块填充的整体柱中。最后，用氢氧化钠溶液洗脱保留的配合物，将其送入HG-AFS体系。文章提出了一种提出了一种全自动均相液—液微萃取的新方法，所开发的方法提供了高效和快速的分析物预浓缩与相对较高的富集因子。与自动均相液—液微萃取在混合弯曲流动系统中实现不同，所开发的程序在富集因子方面更有效[22]。

4 结语

环境保护是一项基本国策，在当今环境日益被破坏的情况下，分析手段的进步是对水质的有效监管，所以当今社会急需研发和发展小型专用化的现场分析仪器，这既是对环境监测人员的方便着想，也是当前社会公共安全的急需。