基于电感耦合等离子体质谱法测定饮用水中6种重金属元素

王万萍，王 琴，殷 华

（甘肃省金昌生态环境监测中心，甘肃 金昌 737100）

人们在生活过程中离不开水资源，尤其是健康的饮用水，不管是生活还是生产，水的作用都是无法替代的。而饮用水一般来源于地表水，其是由地表水加工处理而来，但地表水中包含着许多矿物质元素和金属元素，这些元素也会进入到饮用水当中，尽管饮用水经过了过滤处理，但仍旧会残留一些元素含量，若是含量过高就可能会影响到人的身体健康，因此，水质检测工作十分重要。

1 研究背景

有关饮用水中元素测定的研究一直是较受关注的课题，这主要是由于饮用水的品质与民生息息相关。在以往的研究当中，主要是针对饮用水中单项元素含量进行测定，采用的方法较为多样，针对重金属元素的测定常会运用原子吸收光谱法，该项方法主要是使用原子吸收光谱仪来测定水样中的重金属元素含量，其作用原理是利用火焰原子吸收原理将待测金属元素转变为原子蒸汽，然后分析其吸收的分光光度情况，进而确定重金属成分含量，这种方法的检测结果具有较高精准度，且灵敏度颇高，因此被广泛运用。但随着饮用水水质检测要求的提高，原子吸收光谱法由于效率偏低，无法同时开展多种金属元素检测，逐渐被电子耦合等离子体质谱法所替代。许多研究实践表明，这种测定方法的水样测定效率明显提升，因此，文章中以饮用水中几种常见的重金属元素同时测定为要求，对电子耦合等离子体质谱法的应用进行了描述，可供相关技术人员参考[1]。

2 研究意义

由于工业的快速发展，许多工业污水排放到地表水当中，其中金属元素含量越来越高，包括锌离子、铜离子以及铁离子等，严重污染了水体环境。基于水循环的原理，其最终会出现在饮用水当中，因此，为了防止水中金属元素含量过高，需要加强对水质的测定与分析，基于各项金属离子的特点，针对性测定每一种危害人体的元素，从而保证其含量不超出规定范围，确保饮用水的健康。而测定方法的科学性和准确性是水质检测的关键要素，需结合水质特点选择合适的方法，保证测定结果的精确性。与传统检测方法相比，电感耦合等离子体质谱法属于一种新型测定水体元素含量的方法，其不仅能够保证测定精度符合要求，也能有效提高水质检测工作的效率。因此，本文使用该方法来测定饮用水中的常见金属元素含量，为饮用水的水质检测工作提供可靠参考，进一步完善电感耦合等离子体质谱法应用的相关理论基础[2]。

3 相关试验使用材料与方法

3.1 试验仪器设备

本次试验主要是研究饮用水中的重金属元素含量，以饮用水中的六种重金属元素为例，分别为镉、铬、铅、锌、铜、镍。所运用的测定手段为电感耦合等离子体质谱法。基于以上试验条件来选择本次试验所需要的仪器设备，其中核心仪器就是电感耦合等离子体质谱仪，本次试验使用的仪器型号为美国赛默飞的icap-TQ质谱仪，其具有较高性能水平且便于操作员进行操作，干扰去除的功能较为强大，准确度高，运行颇为稳健，故障率较低。此外还需准备超纯水仪设备，本次试验该设备的选型为美国Millipore公司的Mill-Q型仪器。

3.2 试验试剂

本次试验中所运用的主要试剂为工艺超纯硝酸试剂，使用的物质主要为水，保证超纯水级别，在具体使用之前，还要对水中元素含量进行检测，确保其能够小于方法检出限。使用的溶液类型大概有三种，分别为内标溶液、标准储备液以及调谐溶液。其中，内标溶液的制作主要是运用1%的硝酸物质对锗元素和铑元素的混合标准储备溶液进行稀释处理，使其达到10 μg/L；标准的储备液是最为重要的溶液，其中包括了混合标准元素，浓度为100 mg/L，随后再使用1%的硝酸作为介质对其进行逐级稀释处理，最终制成标准曲线形式，其中镉、铬、铅、铜、锌和镍六种金属元素为0-100 μg/L；调谐溶液的制作则是同样使用1%的硝酸做介质对锂元素和镁元素混合标准溶液进行稀释处理，制成1 μg/L的溶液。

3.3 具体试验方法

试验中需要对相关样品进行科学采集以及处理，主要是将采集的样品利用水系膜来加以过滤，膜的规格为0.45 μm，过滤结束之后再对其进行酸化处理，使用50%的硝酸溶液来处理，随后开展相关测定工作。在试验测定开始时，需要切实掌握仪器的规范操作方式，本次试验中要确保做好电感耦合等离子体质谱仪的操控，将发生器的功率调整到1 600 W，对雾化器装置的气流量也需进行调控，参数为每分钟1.03 L，同时设置每分钟1.20 L的辅助气流量，等离子气流量参数设置为每分钟18.0 L，检测过程采用全自动方式，泵速为每秒0.10转。雾化器规格为同心雾化器，具体采样的深度值范围控制在8毫米-10毫米之内，采集方式为spectrum（跳峰方式），其单位峰测定点的数量为20，需进行3次重复采集，基于上述所配制完成的标准系列溶液，进一步开展检测工作。在对样品进行检测时，还需向其加入配制好的内标溶液做对比分析，再结合试验具体方式，检测相对应的空白样品。检测相关样品的具体方式为，采集水样完成后，使用体积比为1:1的硝酸试剂来进行水样pH值的调整，将其调节到特定酸度使pH值小于2，再加以有效储存。由于直接采集的水样浑浊度较高，因此需要进行过滤，最终样品为滤液，随后对其开展测定并同时测定标准系列溶液，最后利用标准曲线对样品元素含量进行计算即可。在评价标准方面，针对水质环境中镉、铬、铅、锌、铜、镍六种标准样品金属元素，采取七次平行测定的方式，再对七次结果取平均值处理，即可获得最终测定结果，然后与国标值进一步对比分析。本次试验的对比分析和计算过程中需运用到统计学方法，主要采用SPSS 20.0版本的统计学软件来处理，在检验其计数资料时主要是运用χ2，表示单位为%，在检验计量资料时主要运用t，表示单位为x±s，若对比分析的差异结果不具有统计学意义，则运用P＞0.05来进行表示[3]。

4 试验结果分析

4.1 仪器条件的优化

试验所采用的调谐液为赛默飞公司制备提供，在使用过程中需要对仪器设置特定程序，进一步对仪器中的条件进行优化，调整其各项参数信息，为设备的运行奠定良好基础。仪器在优化调整之后，除了上述确定的射频功率、等离子流量速度、雾化流量速度以及辅助气流速参数设定外，还要对其脉冲电压进行调整，参数标准为1 200 V，模拟电压的调整参数标准为1 700 V。试验开始后的内标元素中包含锗元素、硒元素以及铋元素等几种元素，其作用是对接口效应以及基本效应的相关测定结果进行某种程度上的干扰校正，同时，在经过长时间的检测处理工作后，仪器的部分信号可能会出现偏移情况，而内标元素中的各项元素也有利于调整这种偏移信号。水样测定的同位素要以干扰较少以及丰度更大为选择的原则，因此选取出的同位素主要包括Cr53、Cu63、Ni63、Pb208、Zn66以及Cd111。

4.2 标准曲线分析

采集相关空白溶液和标准溶液系列，进一步绘制相关标准曲线并明确线性相关系数，相关标准曲线结果表明，镉、铬、铅、锌、铜、镍六种金属元素测定结果都呈现出较为良好的线性关系，具体相关数据结果如下：铬金属元素标准曲线中斜率值约为1.90×107，相关截距值为1.26×106，系数参数为0.999 7，经过样品的7次反复测定，取平均值为3.83 μg/L，最后通过计算获得相对标准偏差值为3.24%；镍金属元素标准曲线中斜率值约为4.67×106，相关截距值为1.34×105，系数参数为0.999 9，经过样品的7次反复测定，取得平均值为3.96 μg/L，最后通过计算获得相对标准偏差值为1.87%；铜金属元素标准曲线中斜率值约为9.20×106，相关截距值为-3.56×104，系数参数为0.999 5，经过样品的7次反复测定，取得平均值为3.90 μg/L，最后通过计算获得相对标准偏差值为1.38%；镉金属元素标准曲线中斜率值约为1.56×106，相关截距值为3.54×103，系数参数为0.999 6，经过样品的7次反复测定，取得平均值为3.89 μg/L，最后通过计算获得相对标准偏差值为1.15%；铅金属元素标准曲线中斜率值约为7.47×106，相关截距值为-3.76×103，系数参数为0.999 8，经过样品的7次反复测定，取得平均值为3.96 μg/L，最后通过计算获得相对标准偏差值为1.02%；锌金属元素标准曲线中斜率值约为1.60×106，相关截距值为9.54×102，系数参数为0.9999，经过样品的7次反复测定，取得平均值为510 μg/L，最后通过计算获得相对标准偏差值为2.20%。

4.3 试验方法检出限

分析试验的方法检出限，基于上述仪器条件的优化情况，采取七次平行测定的方式，测定其试剂的空白溶液，最后借助检出限的相关计算公式来得到方法检出限，具体公式与结果为：MDL=标准偏差值×t（n-1，0.99），通过查表得出t（6-1，0.99）的结果为3.143。最后再结合相关试验进行元素测定分析，获得试验各项金属元素的检出限结果如下：镍元素的检出限为0.003 μg/L；镉元素的检出限为0.003 μg/L；铬元素的检出限为0.009 μg/L；铜元素的检出限为0.015 μg/L；铅元素的检出限为0.003 μg/L；锌元素的检出限为0.033 μg/L。通过该结果可知，本次测定的方法检出限值皆低于HJ 700-2014中的限值标准，因此与相关要求相符合[4]。

4.4 试验方法准确性

对本次试验的方法准确性加以验证，取镉、铬、铅、锌、铜、镍六种金属元素的标准溶液，其中镉、铬、铅、铜、镍的标准溶液浓度为10.00 μg/L，锌的标准溶液浓度为50 μg/L，共开展7次平行测定，随后对RSD值（相对标准偏差）进行准确计算，计算结果表明，其相对标准偏差均在5%以下，即使存在一定误差也未超过标准范围，这也说明了本次使用的测定仪器以及测定方法都具有可靠性，其精密度达到要求。

4.5 样品测定分析

本次试验开展主要是针对某区域内的饮用水进行重金属元素含量的相关检测工作，为了保证检测结果的准确和客观，在该区域内随机抽选出四个饮用水点位来进行检测工作，对相关测定进行加标试验，其中镉、铬、铅、铜、镍的加标浓度为2.00 μg/L，锌的加标浓度值为20 μg/L，分析具体的测量结果与回收率来判断样品测定的可靠性，具体情况如下：共取四次样品结果，分别为1号样品、2号样品、3号样品以及4号样品，其中，铬元素的1号样品测定值为0.0104 μg/L，回收率值为96.5%，2号样品测定值为0.017 7 μg/L，回收率值为99.5%，3号样品测定值为0.008 9 μg/L，回收率值为98.0%，4号样品测定值为0.043 8 μg/L，回收率值为103%。镍元素的1号样品测定值为0.015 2 μg/L，回收率值为98.3%，2号样品测定值为0.0167 μg/L，回收率值为94.8%，3号样品测定值为0.010 3 μg/L，回收率值为107%，4号样品测定值为0.031 5 μg/L，回收率值为96.2%。铜元素的1号样品测定值为0.027 3 μg/L，回收率值为92.2%，2号样品测定值为0.0140 μg/L，回收率值为105%，3号样品测定值为0.0128 μg/L，回收率值为101%，4号样品测定值为0.026 4 μg/L，回收率值为98.1%。镉元素的1号样品测定值ND（指检测结果低于检测限），回收率值为102%，2号样品测定值ND，回收率值为108%，3号样品测定值ND，回收率值为97.4%，4号样品测定值ND，回收率值为94.6%。铅元素的1号样品测定值ND，回收率值为95.5%，2号样品测定值ND，回收率值为96.8%，3号样品测定值ND，回收率值为105%，4号样品测定值ND，回收率值为93.8%。锌元素的1号样品测定值为40.8 μg/L，回收率值为102%，2号样品测定值为37.7 μg/L，回收率值为98.8%，3号样品测定值为15.3 μg/L，回收率值为104%，4号样品测定值为26.9 μg/L，回收率值为101%。根据上述结果可知，所有测定的金属元素回收率都处于90%到110%的范围之内，且与相关加标回收率的要求相符合，这也表明了该试验进行的样品测定具有较高可靠性。

5 相关讨论

从当前我国饮用水情况来看，水污染问题仍旧没有解决，部分地区的污染程度依然比较严重，水环境中重金属元素含量较高。采取高效、便捷、快速以及创新的方式来检测饮用水中重金属元素含量越来越重要。为了尽可能确保居民饮用水的安全性达标，目前我国颁布并落实了许多生活饮用水相关的卫生标准，比如针对饮用水要求检测的金属元素数量已经超过了20种，对水体开展金属元素检测可为生活饮用水的评价提供支持，更成了水质监测工作的重点。高污染程度的水源往往含有较高比重的金属元素，掌握其具体含量可以切实了解饮用水的卫生安全情况。传统的生活饮用水金属元素检测方法较多，比如说原子吸收光谱法、氢化物发生原子荧光法以及化学检测法等[5]。这些方法虽然都可以获得较为可靠的检测结果，但其在处理水体样品时操作流程复杂，耗费时间较多，且通常只能够针对单项金属元素开展检测，若要检测多种元素则要依次进行，无法一次性完成，实际工作效率偏低，且线性范围的控制较为狭窄，最终的检测结果精密度自然会受到一定影响。由此可见，电感耦合等离子体质谱法将成为未来检测技术的发展趋势。

根据电感耦合等离子体质谱法的原理可知，其主要是通过运用高温氩等离子体来生成相应的正电荷离子，由于这种等离子体处于高温条件下，因而使得样品气溶胶受到温度影响而发生蒸发反应，转变成较为干燥的颗粒，最后再对颗粒进一步分离获得基态原子，再经过一定能量加成后，原子会失去电子，生成带正电荷的离子，再被进一步传送到质谱仪器内部，开展相应检测即可[6]。电感耦合等离子体质谱法检测饮用水中元素含量的优势较多，其线性范围较为广泛，受到的限制因素较少，因而可以提高检测的准确性，确保检测结果更为可靠。同时，在检测操作上也具有简便性特点，分析速度较快，检测灵敏度高，与传统的水质检测方法相比，该方法具有更高的应用价值，因此目前在饮用水金属元素含量检测中的应用越来越广泛。此外，需要注意的一点是，使用电感耦合等离子体质谱法开展检测，还需要强有力的技术做支持，为此要提升操作人员的专业水平，加强对相关人员的知识技能培养。要制定与检测工作相关的规范要求，保证水质检测工作的良好执行，发挥出该方法的最大作用。本次试验针对饮用水样品重复进行了多次测定，故而得到的元素相对标准差值比较小，平均值偏差不大，结果准确度和国际值检测结果之间差异较小，这也体现出了电感耦合等离子体质谱仪在同时测定多种元素时的应用价值。

6 结论

综上所述，在饮用水测定多种重金属元素含量的工作中采用电感耦合等离子体质谱法，有利于加快测定速度、提升检测结果的准确性。采用该方法进行测定试验还需对多项参数加以控制，确保仪器设备的科学运行，保证试剂的合理使用。通过对标准曲线、试验方法检出限以及试验方法准确性进行分析，进一步确定了电感耦合等离子体质谱法测定饮用水中重金属元素结果的准确性和可靠性。