电感耦合等离子体发射光谱法测定环境空气中8种金属元素
发布时间:2025-08-03点击：次
近年来，随着社会经济的不断发展和人民生活水平不断提高，人们对生态环境的要求越来越高，环境污染问题特别是大气环境污染日益受到人们的关注。颗粒物是环境空气中主要污染物之一，其主要来源于建筑粉尘、能源燃烧、工业生产废气和机动车尾气排放等，可对环境和人类的身体健康造成一定的危害。重金属也是大气环境中常见的污染物，其可通过吸入、口服、皮肤接触等途径进入人体，对人体中枢神经系统、消化系统和肾、肺、肝等器官造成严重危害[1-4]。因此，准确快速测定环境空气中铜、铅、锌、铬等重金属元素含量对人体健康具有一定的现实意义。
目前，大气中重金属元素经电热板混酸消解或微波消解后主要采用原子吸收法、电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法等进行测试[5-8]。其中，电热板混酸消解适用于大批量样品消解但酸消耗量大，易对环境造成二次污染，而微波消解法虽然酸消耗量少，消解完全，但仪器成本较高，一次消解样品量少。超声提取法相对于上述两种前处理方法具有操作简便、提取效率高、节能环保和成本低等优点，广泛应用于环境、食品和生物等样品的前处理[9,10]。本文采用超声提取法提取大气滤膜样品中多种重金属元素，建立了用电感耦合等离子体发射光谱法测定环境空气中Cu、Pb、Zn、Ni、Cr等8种金属元素的方法，该方法可同时进行多种元素的测定，灵敏度高，测试结果准确可靠。
1实验部分
1.1设备和试剂
PE Optima 8000型电感耦合等离子体发射光谱仪（美国珀金埃尔默公司）；KQ-500DE型超声波清洗器（昆山市超声仪器公司）；TH-16A型中流量大气颗粒物采样仪（武汉市天虹仪表公司）；FA1004N型电子天平（上海精其）；Milli-plus 2150型超纯水仪（美国密理博公司）。
Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Mn、Sn单元素标准储备液（质量浓度均为500mg·L-1国家标准物质中心）；H2O2、HNO3、HCl，均为优级纯，北京化工有限公司；GSS-24（含Cu(28±1)mg·kg-1、Pb(40±2)mg·kg-1、Zn(81±2)mg·kg-1、Ni(24±1)mg·kg-1、Cr(62±2)mg·kg-1、Mn(717±13)mg·kg-1、Co(12.4±0.4)mg·kg-1、Sn(6.2±0.6)mg·kg-1）、GSS-26土壤标准物质，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。
1.2仪器工作条件
电感耦合等离子体发射光谱仪的工作条件见表1。
表1 仪器工作参数
Tab.1 Instrument operating parameters
1.3标准溶液的配制
准确移取10mL Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Mn、Co和Sn单元素标准储备液于100mL容量瓶中，用1%HNO3溶液定容,配制浓度为50mg·L-1的8种金属混合标准中间液。将8种金属混合标准中间液用1%HNO3溶液依次稀释，配制成浓度为0.00、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、5.00mg·L-1的标准系列溶液。
1.4样品前处理
按照HJ 664中有关要求设置大气采样点位，在采样点将空白石英滤膜装入采样器，以100L·min-1流量采集10m3环境空气样品。用陶瓷剪刀将采样滤膜剪成小块并置于50mL比色管中，加入6mL H2O2、8m L HNO3和6mL HCl后置于超声波清洗仪中于60℃条件下超声提取70min，加入超纯水定容至标线，摇匀后静置。取上清液进行电感耦合等离子体发射光谱分析，同时取同批号空白石英滤膜按相同步骤做空白试样。
2结果与讨论
2.1不同提取时间的影响
取4张同一型号的空白滤膜,每张滤膜加入0.2g GSS-24土壤标准物质，提取时间分别设置为30、50、70、90min，其他条件不变，按1.4步骤进行提取测试，考察不同提取时间对GSS-24土壤标准物质中各元素测试结果的影响，结果见表2。
表2 不同提取时间对测试结果的影响（mg·kg-1)
Tab.2 Effect of different extraction times on test results(mg·kg-1)
由表2可见，8种金属元素的测试结果随着提取时间的延长而增大，当提取时间为50min时，Cu、Zn、Ni、Sn的测试结果在标准值范围内，当提取时间为70和90min时，8种金属元素的测试结果均在标准值范围内。为提高分析效率，缩短分析时间，本文选取提取时间为70min对环境空气滤膜样品进行超声提取。
2.2不同提取温度的影响
取4张同一型号的空白滤膜,每张滤膜加入0.2g GSS-24土壤标准物质，按1.4步骤进行提取测试，其中，提取温度分别设置为20、40、60、80℃，其他条件不变，考察不同提取温度对GSS-24土壤标准物质中各元素测试结果的影响，结果见表3。
表3 不同提取温度对测试结果的影响（mg·kg-1)
Tab.3 Effects of different extraction temperatures on test results(mg·kg-1)
由表3可见，当提取温度为20℃时，8种金属元素的测试结果偏低较大，当提取温度提高到60℃时，8种金属元素的测试结果在标准认定值范围内，继续升高提取温度，8种金属元素的测试结果增加不明显。因此，本文选取提取温度为60℃对环境空气滤膜样品进行超声提取。
2.3分析波长的选择
采用电感耦合等离子体发射光谱分析样品时，常通过选择最佳分析波长的方法来消除分析过程中的光谱干扰。本文采用浓度为10.0mg·L-1的Cu、Zn、Ni、Sn等8种金属标准溶液进行ICP扫描校正分析，选择信背比高、稳定性好和光谱干扰小的谱线作为实验分析谱线，各待测元素的分析波长见表4。
表4 待测元素的分析波长（nm)
Tab.4 Analytical wavelengths lines of the elements to be determined(nm)
2.4射频功率的选择
配制浓度为20.0mg·L-1的Cu、Co两种金属元素标准溶液，在1.2仪器其他参数不变的情况下，射频功率设置为900～1400W，考察不同射频功率对Cu、Co光谱强度的影响，结果见图1。
图1 射频功率对光谱发射强度的影响
Fig.1 Effect of RF power on spectral emission intensity
由图1可见，Cu、Co光谱强度随着射频功率的增大而增大，当射频功率超过1200W后，Cu、Co光谱强度增势趋缓。考虑到过高的射频功率会对仪器使用寿命造成影响，故本文射频功率选择1200W。
2.5线性方程和方法检出限
在1.2仪器参数条件下，对1.3中8种金属元素混合标准系列溶液进行电感耦合等离子体发射光谱分析，以待测元素的质量浓度为横坐标，对应的光谱强度为纵坐标绘制标准曲线，得到各待测元素的线性方程和相关系数。采用本方法连续测试空白滤膜消解液10次，以10次测试结果的3倍标准偏差作为仪器检出限[11]，再根据采样体积和定容量计算方法检出限，结果见表5。
表5 8种金属元素的线性方程和方法检测限
Tab.5 Linear equations and method detection limits for 8 metal element
注：所有元素的线性范围均为0.00～5.00mg·L-1。
由表5结果可见，8种金属元素在0.00～5.00mg·L-1浓度范围内呈良好的线性关系，检出限为0.005～0.019μg·m-3，满足环境空气中Cu、Zn、Ni等金属元素的测试要求。
2.6方法准确度和精密度实验
在6张同一型号的空白滤膜中分别加入0.2g GSS-26土壤标准物质，按1.4步骤超声消解后采用电感耦合等离子体发射光谱法进行分析，测试结果见表6。
表6 加标回收与精密度实验结果
Tab.6 Results of spiked recovery and precision test
由表6可见，Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Mn、Co和Sn 8种金属的6次测试结果均值均在土壤标准物质定值范围内，样品加标回收率为91.9%～103.6%，相对标准偏差（RSDs）均小于4%，说明本方法具有较高的准确度和精密度。
3结论
建立了超声提取结合电感耦合等离子体发射光谱法测定环境空气中Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Mn、Co和Zn的方法，并对提取时间、提取温度和待测元素分析波长等实验条件进行优化。实验结果表明，在优化后的实验条件下，8种金属元素在一定浓度范围内呈良好的线性关系，加标回收率和精密度实验结果较好，满足质量控制要求。本方法操作简便、酸使用量少、检出限低、测试结果准确，可用于环境空气中Cu、Pb、Zn等金属元素含量的批量检测。
