论水质重金属分析检测技术研究与应用

刘树函

（广州市环境技术中心，广东 广州 510380）

在对水质中所含有的重金属污染物进行检测时，借助于先进的分析检测技术，可实现重金属污染物种类及其含量的科学检测，这对于重金属污染物的治理和水环境修复都具有非常好的指导意义。因此，在具体的水质检测过程中，相关单位一定要对重金属分析检测技术加以深入研究，并根据实际来加以合理应用[1]。通过这样的方式，可以实现水质中重金属及其含量的科学、准确检测，为后续的水环境治理工作提供足具科学性的参考依据。

1 水质重金属及其相关概述

1.1 水质重金属主要分类

在整个自然界中，水是最为常见的一种溶剂。其中，重金属物质就很容易在水中溶解，并形成比较严重的水质污染。就目前来看，水质中的重金属污染物大多来自于工业废水，其中的重金属主要包括铜、汞、铅、铬、镉、锌等。如果这些重金属元素在水中的含量超标，便会造成严重的水质污染。基于此，相关单位一定要通过科学合理的技术来对其进行分析和检测，以此来确定水质中重金属污染物的成分及其占比情况。

1.2 水质重金属超标的危害

在水质污染中，重金属污染具有很大的危害性，一旦重金属污染物超标，不仅会对自然环境和生态造成严重破坏，同时也会对人体健康产生严重的不利影响。以下是几种常见的水质重金属元素超标对人体的危害情况：

表1 几种常见的水质重金属元素超标对人体的危害情况

2 水质重金属检测分析技术的应用

2.1 高效液相色谱技术

高效液相色谱技术是将液体用作流动相的一种色谱技术。该技术主要将经典的液相色谱作为基础，将气相色谱的相关理论引入，借助于灵敏度极高的检测器、高效固定相和高压输液泵来达到快速分离效果。

在高效液相色谱技术的具体应用中，其检测仪器主要由六个部分组成，分别是输液泵、洗液槽、分离柱、进样器、检测器以及信号记录装置。下图1是高效液相色谱技术的主要工作原理示意图。

图1 高效液相色谱技术的主要工作原理示意图

在通过该技术进行水质重金属的分析检测过程中，高压输液泵会按照相应的速度让流动相流过柱子，再从进样器中通过，以此来实现待测混合物样品的注入。因为混合物中具有不同的组分，它们在柱内的移动速度也会有所不同，这样便会达到有效的分离效果，然后再采用检测器来进行检测，同时对或得到的各个组分电信号做放大处理，最后再借助于信号记录仪以图形的形式将放大之后的电信号记录下来。

在通过该技术进行水质重金属检测的过程中，需要将相应的试剂加入到待测样品中，使其和重金属离子形成稳定且有色的络合物，然后再通过高效液相色谱技术进行分离，再借助于紫外、可见光度检测器来进行重金属测定。通过这样的方式，不仅可以让普通光度分析检测过程中的选择性差问题得以良好解决，同时对多种元素进行测定；同时也具有更大的便捷性和更快的检测速度，可实现传统检测中选择性与灵敏度不能统一问题的有效解决[2]。比如，在将4-2-吡啶偶氮氨间苯二酚用作柱前衍生螯合试剂，通过高效液相色谱技术进行镍、铁和钴这三种重金属离子的检测过程中，其检测情况如下：

表2 镍、铁和钴高效液相色谱技术检测情况

但是该技术也具有一定的局限性，具体应用中，一定要对洗脱液槽中的流动相PH加以严格控制，使其一直处在2-8之间，这样才可以有效确保检测效果。同时，因为流动相中有游离态的硅羟基存在，所以其分离效果也会受到一定程度的不良影响，进而使测试精度存在误差。

2.2 原子吸收光谱技术

原子吸收光谱技术主要是将气态原子外层电子可吸收可见光以及紫外光的特征作为基础来进行分析的一种方法，正因为如此，其样品需要做原子化处理，也就是借助于原子系统将相应的能量提供给样品，使其中被测的重金属元素雾化，然后转变成基态原子。

在通过该技术进行水质重金属的分析与检测过程中，其主要原理是在待测的重金属原子被雾化之后，最外层电子吸收了频率特定的光辐射时，便会由原来的基态向激发态跃迁，这样便会有相应的共振线（吸收谱线）产生；因为不同重金属元素会具有不同的原子结构，且其最外层电子的具体排布也存在差异，所以在由基态跃迁到激发态的过程中，不同重金属元素所吸收的能量也存在不同，这就使其共振线具备了不同的特点。而在具体的检测中，只需要对共振线特征进行分析，便可使各种重金属元素实现定性分辨[3]。除此之外，该技术也可以对检测出的重金属元素进行定量分析，当一束和待测重金属原子吸收线频率相重合的发射线从原子蒸汽中通过时，在整个的线性范围中，吸收光所具有的辐射强度和待测重金属浓度之间具有正比关系。根据这一关系，便可对水质中所含有的重金属元素进行定量分析。

通常情况下，在原子吸收光谱技术的具体应用中，其仪器的主要组成部分有五个，第一是光源，第二是原子化系统，第三是分光系统，第四是检测系统，第五是显示系统。

通常情况下，原子系数光谱技术中的光源主要为锐线光源，空心阴极灯是最常用的一种光源形式。借助于原子化系统，可以让样品中的重金属元素转化成气态形式的基态原子，针对不同的样品以及重金属元素状态，其原子化方法也不同，就目前来看，主要的原子化方法包括火焰原子化法、冷原子化法、石墨炉原子化法以及电子原子化法。分光系统的主要作用是借助于光栅以及窄缝来分离待测重金属元素中的特征谱线以及周围的其他谱线，以此来为后续的检测提供足够便利。检测系统以及显示系统的主要作用就是进行光信号的分析与处理，使其转变为电信号形式，再将最终获得的吸光度值显示出来。

该技术在当今已经比较成熟，通过该技术，可对几乎所有的元素进行分析。但是在具体应用中，一定要通过相应的光源来激发各种元素的原子。由于水质中所含有的离子种类和数量都非常多，相比较其他离子而言，待测的重金属元素含量就相对较低，所以在通过该技术进行水质重金属的具体检测与分析中，为实现检测灵敏度与检测精度的进一步提升，相关单位与检测人员一定要通过相应的富集方法对水质样品做好预处理工作，比如膜过滤、协同沉淀、电沉积、固相萃取、浊点萃取、溶剂萃取等。另外，因不同的富集方法也会对水质中的重金属检测灵敏度产生很大影响，所以具体检测中，一定要根据实际情况来进行富集方法的合理选用。

2.3 原子荧光光谱技术

原子荧光光谱技术就是定量分析辐射能激发作用下原子所发射出的荧光强度，它属于发射光谱分析技术中的一种。该技术的主要应用原理是在消化液中对固态和液态的样品进行高温加热处理，使其发生分解和氧化还原等的反应，这些样品在反应之后都将会转变为清亮的液态；然后借助于预还原剂将酸性溶液中所含有的待分析重金属元素转化为特定价态，并使其和KBH4硼氢钾还原剂发生反应，生成氢化物与氢气；再借助于氩气将生成的氢化物与氢气推动并引入到原子氧化器中对其进行原子化处理。在此过程中，特定的基态原子通常会以蒸汽的形式存在，并对与之频率相适合的辐射吸收，其中的一些受激发态原子将会在去激发时通过光辐射的方式将波长特定的荧光发射出来。检测过程中，只需要借助于检测器对这些原子所发出的荧光进行检测，便可实现重金属元素的科学检测与分析。

在通过该技术进行水质重金属的分析与检测过程中，应用到的仪器设备和原子吸收光谱技术所应用的仪器设备具有相似的结构，但是其光源却并不和检测器处在同一直线上，而是呈直角。通过这样的方式，便可有效防止激发光源中发射出的辐射影响到原子荧光检测信号，尽最大限度确保荧光检测质量。

在水质重金属分析检测中，该技术具有非常高的灵敏度和选择性，需要的试样量很少，且检出限会比原子吸收光谱技术低。因为原子荧光的发射方向可以是空间中的任何一个方向，所以该技术可达到多通道检测效果，可同时对水质中的多种重金属元素进行分析与检测。但是该方法的应用范围比较局限，因为很多重金属本身并不会有荧光产生，所以在具体的检测分析中，需要将相应的荧光物质加入样品中才可以进行荧光分析，且荧光物质也只能够在特定的几种重金属离子中产生响应，包括Co2+、Ag+、Hg2+、Cu2+、Pb2+等，对于其他的重金属离子则并不会产生响应，所以也就很难对其他重金属离子做出科学准确的检测与分析[4]。正因为如此，这种分析检测技术在具体应用中会受到一定程度的限制。

2.4 电化学分析技术

电化学分析技术主要是将被分析物质所具有的电化学特性作为依据来进行其组成与含量测定的一种分析检测技术。具体应用中，一般会将待测溶液用作化学电池中的一部分，然后将化学电池中的电压、电流曲线、电导、电阻、电位以及电流等的这些电参数和待测物质具体浓度的函数关系来进行组成元素及其含量的测定。电化学分析技术的一个基础就是化学电池中所产生的电化学反应，该技术在当今的水质重金属检测与分析中是一种十分关键的技术形式。

就目前的水质重金属检测与分析来看，溶出伏安技术以及离子选择性电极技术是最为常用的两种电化学分析技术。在通过溶出伏安技术对水质重金属进行检测的过程中，其主要原理是让待测的重金属在一定电位条件下电解，并使其在工作电极表面上富集，然后通过反向扫描的方式让工作电极自身的电位发生改变，并让富集在其上的重金属离子重新在电解溶液中溶解；在通过溶出过程中的伏安曲线分析来实现水质重金属检测。因此在通过该方法进行检测的过程中，其主要的过程有两个，第一是电解富集，第二是电解溶出。其中，电解富集主要是在特定的恒定电位条件下进行待测溶液的电解，并按照一定的速度对其进行搅拌，让相应的重金属离子在电极上还原，并让重金属元素直接沉积到惰性汞电极表面上，这样便可实现富集电流与电位曲线的形成。以下是其富集过程式：

在此过程中，可采取溶液搅拌或者是电极旋转的方法来实现富集效果的进一步提升。溶出主要是在重金属元素完成了富集并静止60s之后再对其电位做反向改变，在电极电位稍正于平衡电位时，电极上原来沉积的重金属元素便会再一次变为离子，并在溶液中溶解，通过该方法产生的溶出电流与电位曲线叫做伏安曲线。因溶出电流峰值、电极类别与被测物浓度之间具有一定的关系，所以可根据该关系来对重金属离子进行定性分析。

借助于溶出伏安技术，可通过提升水质中的重金属浓度来提升检测灵敏度与检测精度，可对多种重金属同时进行检测分析，且不需要预先做分离处理，仪器设备也具有微型且简单的结构。但是具体应用中，富集电位和富集时间将会对其检测结果造成不良影响，且对于试验条件与操作技术都具有较高要求。

3 结语

综上所述，在对水质中的重金属污染物进行检测与分析的过程中，高效液相色谱技术、原子吸收光谱技术、原子荧光光谱技术、电感耦合等离子体技术以及电化学分析技术等都是十分先进且有效的检测技术。但是因为不同检测技术的适用范围与条件有所不同，所以在具体检测中，相关单位与检测人员应根据实际情况、结合实际需求，选择合理的技术来进行检测。这样才可以有效确保水质重金属元素的检测与分析效果，为其后续的治理工作奠定良好的技术基础。