基于ICP-MS的西咸地区水质检测

江永洪

摘 要：针对西咸地区饮用水水质检测困难，金属元素分析方法匮乏的问题，本研究基于ICP-MS分析技术，对该区域的饮用水水质进行了研究。首先，着重分析了ICP-MS的原理，并根据其原理建立了金属元素分析方法，包括样品的前处理、标准曲线选择、参数优化设置等，为后续试验奠定了基础。然后，根据建立的ICP-MS检测方法，对西安和咸阳两个地区的水样分别进行了试验，得到试验水质中不同金属元素的分布情况及金属元素之间相关性。试验结果表明，西咸地区的饮用水样品中大部分金属元素浓度符合我国国家水质标准，只有个别金属元素超出了我国国家水质标准规定范围。此外，这两个地区的金属元素分布具有相似性，且元素之间普遍存在相关性。同时，这两个地区的金属元素也存在差异性。

关键词：ICP-MS;水质检测;饮用水;金属元素

中图分类号：TX832 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0035-04

Abstract：In view of the difficulty of drinking water quality detection and the shortage of metal element analysis methods in Xixian region， the drinking water quality in this region was studied based on ICP-MS analysis technology. Firstly， the principle of ICP-MS is analyzed emphatically， and the analytical methods of various metal elements are established according to its principle， including sample pretreatment， standard curve selection， parameter optimization and so on， which laid the foundation for subsequent experiments. Then， according to the established ICP-MS method， water samples from Xian and Xianyang were tested， and the distribution and correlation of metal elements in water quality were obtained. The results showed that the concentrations of most metal elements in drinking water samples from Xixian region were in line with the national water quality standards， and only some metal elements exceeded the limits of the national water quality standards. In addition， the distribution of metal elements in the two areas is similar， and there is a general correlation between the elements. At the same time， there are differences in the metal elements between the two regions.

Key words：ICP-MS; water quality detection; drinking water; metal elements

饮用水作为人类赖以生存的宝贵资源，在工业快速发展的今天，它的污染问题日益严重，尤其是重金属污染，已成为饮用水最主要的污染物。重金属元素由于其本身具有毒性且不易被分解，因此当它通过饮用水进入人体后，容易堆积在人体的循环系统和脂肪组织中，破坏人体的分泌系统和神经系统，对人体造成危害。如人体接触As可能引起皮肤损伤，诱发皮肤癌[1];人体长期饮用富含Mn元素的水质可能导致神经系统疾病[2]等。虽然饮用水重金属污染问题已受到社会各界的广泛关注，但由于饮水检测技术受限，某些地区的检测措施还不够完善。为此，本文以西咸地区饮用水检测为例，探讨了这两个地区水质中的金属元素分布，同时对这些元素的相关性进行了研究，为该区域的饮用水风险管理提供了参考基础。

1 材料与方法

1.1 材料采集

为研究西咸地区水质，本研究共收集了50份饮用水作为试验样品。其中，25份来自西安地区，各样品5份;25份来自咸陽地区，各样品5份。

1.2 设备与试剂

本研究中，设备器材包括Agilent7700x ICP-MS、Elan DRC-e ICP-MS、超纯水机、注射器、天平、超声波清洗器、滤膜、一次性要用聚乙烯瓶。试验试剂包括IPC-MS调谐液;超纯水机制备的超纯水;来自中国计量科学研究院的33种元素混合标准储备液以及用1%稀释后的混合标准溶液;浓硝酸溶液以及用超纯水稀释的5%稀硝酸溶液和1%的稀硝酸溶液;内标元素混合溶液。

1.3 试验方法与步骤

1.3.1 ICP-MS简介

ICP-MS指电感耦合等离子体质谱，是一种用于分析痕量和超痕量的新型仪器[3]，其核心部件包括样品引入系统、等离子体、等离子体/真空接口、离子聚焦透镜、质量分析系统、离子检测系统[4]。

样品引入系统是整个ICP-MS的关键部件，主要功能是对液体样品进行雾化，并将其传输到等离子体[5]。该系统结构如图1所示。

等离子体的主要目的是获取带有正电荷的离子[6]。首先，将气溶胶形式的样品在等离子体中进行干燥，然后将其分解成原子，最后进行电离。等离子体结构示意图如图2所示。

等离子体/真空接口指的是ICP-MS中采样锥和截取锥之间的真空区域[7]。该接口的主要功能是提取样品离子，并将其输送到离子聚焦透镜、质谱分析器和检测系统中[8]。离子聚焦透镜的主要功能是剔除待测离子中的中性粒子和光子等干扰离子，使进入质量分析器中的离子更纯净[9]。质量分析系统和离子检测系统主要是对待测离子进行定性和定量的分析，已得到分析结果[10]。

1.3.2 试验步骤

典型的ICP-MS仪器分析样品的流程主要是雾化-去溶剂-蒸发-原子化-电离，如图3所示。

首先，将液体样品引入蠕动泵中进行提升，然后将提升后的样品引入雾化室中产生气溶胶，接着进入等离子体进行电离，最后在质量分析器中进行分离，利用电子倍增管计算待测离子个数，进而得到对液体样品定性和定量的分析结果。

基于对西咸地区水质情况的研究目的，本研究建立了ICP-MS分析多种痕量元素的方法，具体流程如图4所示。

2 实验准备

2.1 样品前处理

将水质样品分别装入体积为1L的聚乙烯瓶中，并贴上对应标签带回研究实验室。用注射器分别取50mL的样品并经过滤膜过滤。将滤液倒入100mL的聚乙烯瓶中，加入浓硝酸进行酸化，得到pH值<2的混合溶液。将混合溶液储存在4℃的环境中，剩余样品储存在冷藏中。

2.2 标准曲线配置

根据西咸地区的水环境特点，本研究选择0μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、50μg/mL、100μg/mL五个点绘制的曲线作为标准曲线，并采用体积法的方式配置标准溶液。

2.3 ICP-MS工作参数

ICP-MS工作参数的获取主要包括以下3个步骤：

步骤1：开机

开启ICP-MS仪器电源，调节氩气压力至700kPa，调节氦气阀门至40kPa，安装蠕动泵管并打开循环冷凝水和空调，保证工作环境在18℃，且循环水温度在15℃至20℃之间，循环水压力在230kPa至400kPa之间。最后打开电脑，进入ICP-MS操作界面。

步骤2：仪器参数设置与调谐

仪器参数设置具体如表1所示。

按表1设置仪器参数，待等离子体点火预热20min后进入仪器调谐阶段。引入调谐液，优化仪器性能，使仪器参数符合要求。具体调谐参数如表2所示。

步骤3：采集参数设置

将仪器此埃及参数设置为参考值，谱图设置为质谱图，采用3个点的峰型，重复次数设置为3次，积分时间为0.3s，共采样20次。

为对保证仪器的稳定性，在进行样品分析时，对每间隔10的样品重新做一次标准曲线，使检测结果的RSD<10%。通过不断调试得到ICP-MS的主要工作参数，冷却器流速、载气流速、补偿器流速、氦气流速分别为20L/min、0.8L/min、0.6L/min、4.0mL/min;雾化室温度为2.5℃;采样深度为7.0mm;元素重复采样次数为3次。

3 结果与分析

3.1 水样金属元素分布

应用ICP-MS对西咸地区中的饮用水进行检测，西安地区饮用书金属元素含量如表3所示;咸阳地区饮用水中的金属元素分布，如表4所示。

由表3可知，西安地区饮用水中钡元素含量最高，平均含量为39.55μg/L，其次是锑元素，平均含量为3.45μg/L;锰元素与钴元素含量相近;铍含量最低，平均含量为0.05μg/L。由表4可知，咸阳地区饮用水中的16种金属元素，钡元素含量最高，平均含量为27.39μg/L;镉含量最低，平均含量为0.09μg/L。

通过对比可知，西安和咸阳饮用水中金属元素的分布既有相似的地方，也存在较大的差异。咸阳地区水质中的金属元素含量均高于西安地区水质中金属元素的含量，而造成这种差异的原因可能是地质因素或人为因素。

本研究将水样检测结果按Ⅱ类水的标准评估可知，这两个地区的大部分金属元素含量符合国家标准，只有少数元素含量超出了国家标准的范围，如咸阳地区25份水样中有一份中的锰元素超出了规定范围。

3.2 相关性分析

通过分别对西咸地区的饮用水中16种金属元素相关性分析，得到如表5、表6所示的分析结果。

由表5可知，西安地区的饮用水中金属元素钴-锰、钴-镍、锌-镉之间的p值小于0.01，说明这些金属元素之间呈显著相关;锑-铍、钴-铜金属元素之间的p值小于0.05，说明这些金属元素之间具有相关性;其余金属元素之间，p值均大于0.05。在具有相关性的金属元素中，密切正相关的金属元素为铜-镍;一般正相关的金属元素有钴-铜、钴-锰、镍-钴;负相关的金属元素有铍-铜。

由表6可知，咸阳地区的饮用水中金属元素铜-钴、镉-锑的p值均小于0.01，说明这些元素之间呈显著相关;金属元素镍-钴之间的p值均小于0.05，说明这些元素之间具有相关性;其余金属元素之间，p值均大于0.05，说明这些金属元素之间不具有相关性。另外，在具有相关性的金属元素中，密切正相關的金属元素有镉-锑、铜-钴;一般正相关的金属元素有镍-钴。

4 结论

研究结果表明，西咸地区的饮用水样品中9种金属元素的大部分元素，包括锌、锰、镍、铜等元素浓度符合我国国家水质标准，只有个别样品中的元素，如咸阳地区有一份水样中锰元素超出了我国国家水质标准规定范围。两个地区的金属元素分布具有相似性，同时也存在差异性。两个地区水质中的金属元素之间普遍存在相关性，且呈正相关，说明大多数的金属元素可能来源形同。

参考文献

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