水质检测中有机污染物检测技术的运用研究

赵雪萍，侯抗抗

（日照市工程检测咨询集团有限公司，山东 日照 276800）

引言

水是人类生活和工业生产中不可或缺的资源，但由于化学工业、农业和城市废水排放等原因，水体中的有机污染物含量逐渐增多。有机污染物对水生态系统和人类健康造成了潜在威胁，因此准确、高效地检测和监测有机污染物的存在变得至关重要。随着科技的不断进步，各种先进的有机污染物检测技术被引入水质监测领域。

1 有机污染物概述

1.1 有机污染物的定义

有机污染物是指由碳元素构成的化合物，通常包括挥发性有机物（VOCs）、持久性有机污染物（POP）和其他有机化合物，这些污染物主要来源于工业废水、农业生产中使用的化学品、生活污水排放以及自然来源如植物和动物的代谢产物等。

1.2 有机污染物的来源和排放途径

有机污染物的来源多种多样，其中工业活动是有机污染物重要的来源，包括化工厂、石油加工厂、纺织业等。农药和化肥的使用也会导致有机污染物的产生。此外，城市生活中产生的废水、垃圾填埋场、交通排放等也成为有机污染物的重要来源。

1.3 有机污染物对水环境的影响

有机污染物对水环境造成了严重影响。首先，对水生态系统产生了毒害作用，损害了水中生物的生存和繁殖能力。其次，某些有机污染物还可能通过生物蓄积进入食物链，致使人类摄入并对健康产生潜在的危害。此外，有机污染物还可能引发水体富营养化、氧气消耗和异味等问题，从而破坏了水质的稳定性。

2 传统有机污染物检测技术

2.1 气相色谱质谱联用技术（GC-MS）

2.1.1 原理及基本方程式

气相色谱质谱联用技术（GC-MS）是一种常用的有机污染物检测方法，该技术结合了气相色谱（GC）和质谱（MS）两种技术的优势。在GC部分，样品中的有机污染物通过气相色谱柱进行分离，并根据不同成分的挥发性和亲水性等特性，实现对复杂混合物的分离。分离后的化合物进入质谱部分，通过质谱仪器进行检测和定性分析。GC-MS的基本方程式可以表示为：

其中，m/z代表质荷比（mass-to-charge ratio），m为离子的质量，Q为质量分析仪的磁场强度，V为离子的速度，E为离子的电荷。

2.1.2 应用案例分析

GC-MS在水检测中广泛应用于有机污染物的分析和鉴定。例如，在环境监测中，GC-MS可用于检测挥发性有机物（VOCs）和持久性有机污染物（POP）。通过GC-MS的分离和定性能力，可以对水样中的溶剂、农药残留、工业废水排放物等进行准确地分析。

一个案例是对水体中挥发性有机物的检测。研究人员采集水样后，通过GC-MS分析仪器对样品进行处理。首先要提取样品，并加入内标物质进行定量分析。然后，通过气相色谱柱实现对有机物的分离。最后，利用质谱仪器对分离后的化合物进行检测和鉴定。通过比对标准物质的质谱图和保留时间，识别出样品中存在的挥发性有机物，并计算其浓度。

另一个应用案例是对水中持久性有机污染物的检测。这些有机污染物通常具有较低的挥发性和较高的稳定性，因此需要更复杂的前处理步骤。通过萃取、浓缩和洗脱等步骤，将样品中的目标有机污染物提取出来。然后，利用GC-MS技术对样品进行分离和鉴定，再进一步确定和定量目标物质的存在。

2.2 高效液相色谱质谱联用技术（LC-MS）

2.2.1 原理及基本方程式

高效液相色谱质谱联用技术（LC-MS）是一种常用的有机污染物检测方法，该技术结合了高效液相色谱（LC）和质谱（MS）两种技术的优势。在LC部分，样品中的有机污染物通过液相色谱柱进行分离，并根据不同成分的亲水性、极性等特性，实现对复杂混合物的分离。分离后的化合物进入质谱部分，通过质谱仪器进行检测和定性分析。LC-MS的基本方程式可以表示为：

其中，m/z代表质荷比（mass-to-charge ratio），m为离子的质量，Q为质量分析仪的磁场强度，V为离子的速度，E为离子的电荷。

2.2.2 应用案例分析

LC-MS在水检测中广泛应用于有机污染物的分析和鉴定。例如，在环境监测中，LC-MS可用于检测激素、抗生素残留等有机污染物。通过LC-MS的分离和定性能力，可以对水样中的目标物质进行准确地分析。

一个案例是对水体中的激素进行检测。研究人员采集水样后，利用LC-MS分析仪器对样品进行处理。首先，将样品进行前处理，如提取和净化，以去除干扰物质。然后，通过高效液相色谱柱实现对目标激素的分离。最后，在质谱部分，利用质谱仪器对分离后的化合物进行检测和鉴定。通过比对标准物质的质谱图和保留时间，识别出样品中存在的激素，并计算其浓度。

另一个应用案例是对水中抗生素残留物的检测。抗生素的滥用可能导致水体出现抗生素污染问题，因此需要进行监测。检测步骤与第一个案例相似，先将样品进行前处理并进入高效液相色谱柱进行分离。然后，利用质谱仪器进行检测和鉴定，从而确定抗生素残留物的种类和浓度[1]。

3 基于光谱技术的有机污染物检测方法

3.1 紫外可见光谱法（UV-Vis）

3.1.1 原理及基本方程式

紫外可见光谱法（UV-Vis）是一种常用的光谱分析技术，用于检测水中的有机污染物。该方法基于样品对紫外和可见光波长范围内的吸收特性进行测量和分析。有机污染物在特定波长下会吸收光线，其吸收强度与溶液中有机污染物的浓度成正比。UV-Vis的基本方程式可以表示为：

其中，A代表吸光度，ε为摩尔吸光系数，l为光程长度，c为溶液中有机污染物的浓度。根据比例关系，可以使用吸光度来推断溶液中有机污染物的浓度。

3.1.2 应用案例分析

UV-Vis广泛应用于水质检测中有机污染物的快速分析。例如，在环境监测中，UV-Vis可用于检测苯类化合物、酚类化合物等有机污染物。通过测量水样的吸光度，可以评估有机污染物的存在和浓度[2]。

第一个案例是对水体中苯类化合物的快速检测。研究人员将水样制备成溶液并利用UV-Vis光谱仪进行测量。通过选择适当的波长，可以在吸收峰处获得最大的吸光度。然后，利用已知浓度的标准物质建立吸光度与浓度之间的标准曲线，并根据待测样品的吸光度，通过标准曲线计算出苯类化合物的浓度。

另一个应用案例是对水中酚类化合物的定量分析。酚类化合物具有不同的吸收特性，因此需要针对特定化合物选择适当的波长进行测量。通过测量样品的吸光度，并结合标准曲线，确定酚类化合物的浓度[3]。

3.2 荧光光谱法

3.2.1 原理及基本方程式

荧光光谱法是一种常用的光谱分析技术，是基于有机污染物在激发后发生荧光现象的特性进行检测。该方法是利用样品吸收光能后的能量转移和电子跃迁过程来产生荧光信号。当有机污染物受到特定波长的激发光照射后，部分能量被吸收并转移到激发态，然后通过非辐射跃迁返回基态时放出荧光光子。荧光光谱法的基本方程式可以表示为：

其中，F代表荧光强度，Φ为荧光量子效率，I为激发光的强度。荧光强度与激发光的强度和荧光量子效率成正比。

3.2.2 应用案例分析

荧光光谱法在水质检测中被广泛应用于有机污染物的快速分析。例如，在环境监测中，荧光光谱法可用于检测多环芳香烃、农药等有机污染物。通过测量样品的荧光信号，可以评估有机污染物的存在和浓度。

一个案例是对水体中多环芳香烃的定性分析。研究人员将水样制备成溶液，利用荧光光谱仪进行测量，通过选择适当的激发波长和检测波长，可以获得样品的荧光光谱图。不同的多环芳香烃在荧光光谱上表现出特定的峰位和强度，从而实现了对不同化合物的定性分析。

另一个应用案例是对水中农药的定量分析。农药具有不同的荧光特性，因此需要根据不同农药的特点选择适当的激发波长和检测波长。通过测量样品的荧光强度，并结合已知浓度的标准物质建立荧光强度与浓度之间的标准曲线，可以确定农药的浓度。

4 基于电化学技术的有机污染物检测方法

4.1 循环伏安法（CV）

4.1.1 原理及基本方程式

循环伏安法（CV）是一种常用的电化学分析技术，可用于检测水体中的有机污染物。该方法基于有机污染物在电极表面的吸附和电化学反应的特性进行测量。通过在不同电位范围内施加电压，可以观察到有机污染物在电极上的氧化还原行为。CV的基本方程式可以表示为：

其中，I代表电流，n为电子转移数，F为法拉第常数，A为电极面积，v为扫描速率。根据法拉第定律，电流与电极上发生氧化还原反应的速率成正比。

4.1.2 应用案例分析

CV在水质检测中广泛应用于有机污染物的快速分析。例如，在环境监测中，CV可用于检测苯酚类、酚类等有机污染物。通过测量样品在不同电位下的电流响应，可以评估有机污染物的存在和浓度。

一个应用案例是对水体中苯酚类化合物的定量分析。研究人员将水样置于电化学池中，进行CV测量。在循环伏安曲线上，苯酚类化合物会显示出特定的峰位和峰电流。通过比较待测样品与已知浓度标样的峰电流，可以确定苯酚类化合物的浓度。

另一个应用案例是对水中酚类化合物的定性分析。不同的酚类化合物在循环伏安曲线上具有不同的氧化还原行为和峰电流。通过观察样品的循环伏安曲线特征，并结合已知化合物的标准曲线，可以确定酚类化合物的种类和浓度。

4.2 差分脉动伏安法（DPV）

4.2.1 原理及基本方程式

差分脉动伏安法（DPV）是一种常用的电化学分析技术，可用于检测水中的有机污染物。该方法利用电极上发生的氧化还原反应所产生的脉动电流信号进行测量。通过施加特定的电位扫描和脉冲电压，测量电极上的电流变化，可以获取有机污染物的氧化还原行为信息。DPV的基本方程式可以表示为：

其中，Ip代表峰电流，n为电子转移数，F为法拉第常数，A为电极面积，D为扩散系数，c为溶液中有机污染物的浓度，t为脉冲宽度。根据方程式，峰电流与有机污染物的浓度成正比，可用于定量分析。

4.2.2 应用案例分析

DPV在水检测中被广泛应用于有机污染物的快速分析。例如，在环境监测中，DPV可用于检测重金属离子、有机酸等有机污染物。通过测量样品的脉动电流响应，可以评估有机污染物的存在和浓度。

一个应用案例是对水体中重金属离子的定量分析。研究人员将水样置于电化学池中，并进行DPV测量。通过施加特定的电位扫描和脉冲电压，测量电极上的峰电流，可以确定重金属离子的浓度。根据已知浓度的标准溶液建立的标准曲线，可以通过峰电流与浓度之间的关系计算出待测样品中重金属离子的浓度。

另一个应用案例是对水中有机酸的定性分析。不同的有机酸在DPV曲线上具有特定的峰位和峰电流，通过观察样品的峰电流和峰位，可以确定有机酸的种类。然后，进一步结合已知浓度的标准曲线，可以计算出有机酸的浓度。

5 其他新兴有机污染物检测技术

5.1 生物传感器技术

生物传感器技术是一种利用生物体或其组分作为敏感元件来检测有机污染物的方法。该技术将生物体的生物识别能力与传感器技术相结合，实现对有机污染物的高灵敏度和高选择性检测。生物传感器的原理是基于生物反应和信号传导过程。常见的生物传感器类型包括酶传感器、抗体传感器和细胞传感器等。例如，通过在传感器表面固定特定酶，当目标有机污染物存在时，会与酶发生反应产生特定的信号变化，如电流或荧光信号。这些信号可以被传感器检测和量化，从而实现对有机污染物的检测和分析。生物传感器技术的优势在于其高灵敏度、高选择性和实时监测能力，并具有快速响应、低成本和便携性等特点，因而生物传感器在水质监测、环境保护和食品安全等领域得到了广泛应用。

5.2 气体扩散电离质谱法（PTR-MS）

气体扩散电离质谱法（PTR-MS）是一种快速、灵敏的有机污染物检测技术。该方法是基于质谱技术，将待测样品中的有机污染物转化为气态离子，并利用质谱仪进行检测和分析。PTR-MS的原理是利用离子化技术将气态有机污染物转化为可被质谱仪检测的离子。该技术是使用高能量的反应离子（如H3O+）与待测样品中的有机分子发生反应，产生离子化的有机物，再经过质谱仪的分析，可以确定有机污染物的种类和浓度。PTRMS具有高灵敏度、快速响应和实时监测等优点，可以在非破坏性条件下对水样中的有机污染物进行分析，并且具有非常低的检测限和高分辨率。因此，PTR-MS在环境监测、大气化学和食品等领域得到了广泛应用。

6 结论

水质检测中的有机污染物检测技术是保障水质安全和环境健康的重要研究领域。通过对不同有机污染物检测技术的综合分析和应用案例的探讨，可以得出以下结论：

传统的色谱法和质谱法在有机污染物检测中具有广泛的应用，这些方法能够实现高精度、高灵敏度的定量分析，并且适用于各种复杂的水样品检测。光谱技术如紫外-可见吸收光谱和荧光光谱等也被广泛运用于有机污染物的快速检测。这些方法具有操作简便、快速分析的特点，尤其适用于大规模监测和实时监测的需求。此外，差分脉动伏安法（DPV）作为一种基于电化学技术的方法，可用于检测水中的有机污染物，其具有较高的灵敏度和选择性，并且能够实现对水体中污染物的定量分析。另外，生物传感器技术和气体扩散电离质谱法（PTR-MS）作为新兴技术在有机污染物检测中显示出巨大潜力。生物传感器技术利用生物体或其组分作为敏感元件，实现高灵敏度和高选择性的检测。而PTR-MS是利用质谱技术对气态有机污染物进行快速、灵敏的分析。

综上所述，水质检测中的有机污染物检测技术涵盖了多种方法和技术。传统的色谱法和质谱法以及光谱技术是常用且成熟的方法，具备高精度和广泛的适用性。此外，DPV、生物传感器技术和PTR-MS等新兴技术在提高水质检测灵敏度、降低成本和实现实时监测方面具有很好的发展前景，所以未来的研究应该继续推动这些技术的创新和改进，以满足目前不断增长的有机污染物检测需求，从而为水质监测和环境保护工作提供更有力的支持。