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谈ICP-MS 在环境监测方面的应用及最新进展

作者: amvip
来源: uumtu
日期: 2018-11-19 17:58
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电感耦合等离子体质谱法ICP - MS ( inductively coupledplasma mass spectrometry) 是20 世纪80 年代发展起来的一项无机元素分析技术,能够检测和测量样品中无机元素的含量,对多种元素可同时分析,能够高效率完成样品中多种痕量元素的测定工作。它具有检出限低( 一般在10-15 ~ 10-12 级,即( pg /L ~ng /L) ,灵敏度高,分析精度高,分析元素范围宽等特点,目前该技术已经被广泛应用于环境样品( 土壤、水质检测) 、固体废物( 痕量金属污染) 、环境应急分析( 同位素分析、放射性核素) 等各个方面。ICP-MS 主要有气体供应系统、真空系统、射频功率源、样品提取系统、离子透射系统、碰撞反应池系统、四级杆质量过滤器及离子检测器组成。仪器主要分为两部分: 电感耦合等离体( ICP) 是一种高温离子源,能够把引入的样品从分子状态变为离子状态; 质谱( MS) 是离子检测器。质谱检测器不同,使用的质量过滤器也不同,主要有四级杆质谱、磁质谱或飞行时间质谱。
  1 电感耦合等离子体质谱法干扰及消除
  电感耦合等离子体质谱法主要干扰为质谱干扰和非质谱干扰。
  1. 1 质谱干扰及校正
  质谱干扰主要分为同量异位素重叠、氧化物干扰、双电荷离子干扰和多原子离子干扰。
  ( 1) 同量异位素重叠即具有相同质量数的不同元素的重叠干扰,如48Ca 对48Ti 干扰。有时同量异位素重叠可能引起严重的干扰,但由丰度比可知,因为对绝大多数元素其丰度比是稳定的,所以可通过测定干扰物的另一个同位素,然后在待测物峰处扣除干扰峰而得以校正。由于ICP-MS 采用氩气作为载气,因此在测定钙因素时,这种类型干扰最严重的是氩和钙的主要同位素的重合,因而钙只能用小丰度同位素44Ca 测定。由于钙在自然界中背景值较高,极少以很低浓度出现,因而小丰度同位素测定通常是可以接受的,也能获得较高的灵敏度。
  ( 2) 氧化物干扰: 在ICP-MS 分析中氧化物响应的程度常以氧化物峰的大小对金属峰大小的比值MO+ /M+表示( 即MO+ /( M+ +MO+ ) 比值的近似,正常操作条件下,一般不超过5%,因此对结果的影响可以接受) ,一般要使MO+ /M+ 小于1. 5%。水溶液中的样品在原子化时由水蒸气分解产生过量的氧原子,因而随进样系统导入的水量影响MO 的分解程度。减少导入水量可能使ICP 更适合作为离子源,特别是较低的氧含量能减少谱图中氧化物离子的比例。约低于7 ℃的温度可将水蒸气含量减至可忽略的水平。
  ( 3) 双电荷离子干扰: 如138Ba2+干扰69Ga,一般小于1%。
  ( 4) 多原子离子干扰: 对于1 μg /mL 级的样品溶液,等离子体中等离子气和基体核素的中性粒子与离子的数量可比痕量分析物的数量大108 倍,这就不可避免地使大量粒子之间产生反应,即使反应速率很低,生成的离子也将对分析结果造成干扰。这种反应主要发生在数量最多的氩、氧、氢之间,组合产生OH-3 、ArO+和ArH+等离子。
  1. 2 非质谱干扰
  在ICP-MS 分析中,非质谱干扰一般分为两类: 基体效应和物理效应?;逍вΤ潭热【鲇诨逶氐木粤慷腔逶赜氡徊庠氐南喽员壤?。物理效应直接和盐类在取样锥孔的堆积有关,控制测试溶液中的含盐量,是减轻物理效应的有效手段。
  2 ICP-MS 在环境监测中的应用与最新进展
  2. 1 固体废物中金属元素的监测分析
  固体废物是指在生产建设、日常生活和其他活动中产生的污染环境的固态、半固态废弃物质,固体废物如果不进行正确处置而排入环境中,一些有毒成份如金属元素就会污染河流、湖泊或进入土壤,使得水体和土壤受到污染。由于金属元素具有不能被生物降解的特性,一旦金属元素进入水体和土壤,就会在食物链中富集,进入人体,引发水俣病( 汞) 、骨痛病( 镉) 等疾病,严重危害人类健康。
  我国对固体废物中金属元素的分析方法采用是《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》( GB5085. 3-2007) 所规定的方法,规定了50 个监测项目,涵盖了无机重金属及化合物,其无机污染物主要包括各种金属元素和类金属元素及氰根离子、硫离子、氟离子、硫酸根等各种阴离子,新的分析方法ICP-MS 弥补了固体废物分析方法的缺失,完善了我国固体废物监测体系。李龙宇等使用ICP-MS 对污水处理厂不同处理工段的污水污泥样品中重金属的总量和形态进行测定。胡忻等利用ICP-MS 测定城市污泥中重金属元素Cd、Pb,由于城市污泥成分复杂,因含有丰富的有机质等致使样品的预处理困难,此分析方法可以快速有效地监测污泥中重金属元素含量。陈思杨等利用ICP-MS 分析北京城市污泥中铅砷铬形态浓度,由于城市污泥中重金属的难降解和高毒性限制了污泥的资源化利用,采用BCR 三步浸提法对污泥对污泥中铅砷铬的三种形态进行提取,以硝酸-高氯酸进行消解,利用ICP -MS 检测铅砷铬含量和各种形态的含量,为北京城市污泥的资源开发研究提供基础数据。Morgana Frena 等提出了利用ICP -MS 分析技术,能够快速测定河口沉积物样品中的金属微量元素。
  2. 2 水、土壤环境的监测分析
  水环境和土壤环境在环境监测项目中属于重要内容,ICPMS技术具有灵敏度高的特点,对环境水样和土壤样品的超痕量分析非常有用。对于环境水样品,经过简单的前处理( 如酸化和过滤) 即可进行快速、多元素分析。任海平等探讨了ICP-MS 在某地饮用水水源地微量无机元素中的监测应用,经研究表明ICP-MS 可准确监测出水中的多种金属的指标,快捷方便,检测限低,准确度和灵敏度均较高,金属元素监测优势显著。冯丽萍采用ICP -MS 同时测定地表水中砷、锑、铅、铊、镉、铍、钴和钒8 中金属元素含量,通过对质谱干扰和非质谱干扰校正,用外标法定量,实现了准确快速同时测定金属元素的目的。Yatai Li 等采用ICP-MS 法精确测定高盐地下水中超痕量的稀土元素。样品先经氢氧化铁共沉淀除去K、Na、Ca 等元素的干扰,然后采用在线气溶胶稀释技术减少分析检测过程中的基体效应和光谱干扰。实现了对高盐地下水中超痕量稀土元素的测定,ICP-MS 分析技术有望实现测定各种高盐水样品中痕量稀土元素。Jeanette E. O'Sullivan 等采用自动化处理过程,使用ICP -MS 分析技术测定海水中的Cd、Co、Cu、Ni、Pb 和Zn 元素,该方法可为检测其他领域远洋海水中的微量元素提供参考。
  对于土壤污染,需要对污染土壤进行土壤分析和质量分析,而ICP-MS 检测技术已广泛应用到了土壤元素分析,并且该技术可同时检测土壤中的多种元素。如张建中采用微波消解ICP-MS 测定土壤中的铬,通过在土壤样品加入氢氟酸和硝酸在一定的条件下微波消解,在低温低压条件下进行赶酸,探讨了ICP-MS 仪器工作条件及影响测定的因素,结果表明微波消解ICP-MS 测定土壤中的铬准确、快速、干扰小、重复性好,适用于土壤中总铬含量的测定。苏荣等建立了微波消解-电感耦合等离子质谱法测定土壤中10 种元素的分析方法,研究了同位素干扰对土壤测定的影响,建立的方法样品处理程序简单快速,线性范围宽,分析重现性好,结果准确,适用于大批量土壤样品的分析。
  2. 3 环境应急分析
  近年来,环境应急事故频发,在事故状态下的应急处理要求对环境介质中主要污染物进行快速分析,为应急处理提供参考依据,面对环境应急事故,ICP-MS 半定量分析技术可迅速检定环境中所有可能存在的元素或同位素的响应,从而对未知样品浓度进行估算。施章宏等研究了在核事故状态下,对事故中的涉铀人员通过ICP-MS 技术测量尿样中铀同位素,将其作为内照射剂量评价的主要手段。实现了对环境介质中的放射性核素进行快速分析,从而使的涉铀人员能得到及时有效救治。沈沁怡等利用ICP-MS 半定量分析对应急监测水样进行全谱图扫描,初步判断质量范围6~ 260 的所有重金属离子及其同位素的浓度,快速找到主要重金属污染物,对应急监测过程中的复杂基体水样、未知水样的分析具有实际应用意义。
  3 结语
  综上所述,与传统的无机分析技术相比,ICP-MS 技术提供了最低的检出限、最宽的动态线性范围、干扰最少、分析精密度高、分析速度快、可进行多元素同时测定以及可提供精确的同位素信息等优点。因此,该技术必将为环境监测分析技术提供强有力的支持。
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