電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定水中金屬元素

王 景

（山東新石器檢測有限公司，山東 淄博 255400）

《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）明確規(guī)定，需要檢測的金屬元素有20 多種，其中，常規(guī)指標(biāo)的一般化學(xué)指標(biāo)對鐵、錳、銅、鋅、鋁五種元素規(guī)定了限值。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）采用高頻振蕩器產(chǎn)生高頻電流的原理，可對難熔合金的元素含量進(jìn)行分析，目前在材料生產(chǎn)、環(huán)境安全、醫(yī)藥食品、地質(zhì)礦產(chǎn)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。本文重點探討ICP-OES 在水中金屬元素檢測方面的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

本研究主要儀器是電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES），型號為Agilent 5110，由美國安捷倫公司生產(chǎn)。該儀器觀測分為水平觀測、垂直觀測兩種模式，兩種模式可自動切換，檢測過程中可對波長進(jìn)行實時動態(tài)校正。

1.1.2 試劑

本研究使用的試劑主要有多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 mg/L）、硝酸（優(yōu)級純）、超純水（電阻率不小于18.2 MΩ·cm）、高純氬氣（純度不小于99.999%）。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理

采集某地區(qū)的生活飲用水樣品，用0.45 μm 濾膜過濾后，采用HNO（濃度2%）調(diào)節(jié)溶液酸度。

1.2.2 配制標(biāo)準(zhǔn)溶液

用多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液配制0～1 mg/L 的6 個濃度的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。根據(jù)樣品中各元素的含量不同，本研究中，各元素的系列濃度在儀器數(shù)據(jù)處理軟件（ICP Exper）中的設(shè)置按照表1執(zhí)行。

表1 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列濃度

1.2.3 試驗條件優(yōu)化

（1）觀測方向。ICP-OES 可雙向觀測，其中，垂直方向觀測結(jié)果要比水平方向觀測結(jié)果的檢出限高出一個數(shù)量級。結(jié)合類似研究，對于低金屬元素含量的樣本，水平觀測在檢出限、線性關(guān)系、信噪比等方面均優(yōu)于垂直觀測。因此，本次試驗采用水平觀測。

（2）射頻功率。將射頻功率分別設(shè)定為800 W、1 000 W、1 200 W 和1 500 W，其他條件不變，檢測結(jié)果顯示，隨著射頻功率增大，其對金屬元素的檢測強(qiáng)度提高，同時對炬管的損壞程度變強(qiáng)。基于此，最終射頻功率確定為1 200 W。

（3）酸度。ICP-OES 檢測過程中，基體干擾很常見，一般認(rèn)為溶液的酸度越大，密度和黏稠度越大，導(dǎo)致蠕動泵進(jìn)樣量減少，進(jìn)而使發(fā)射強(qiáng)度減小。所以，隨著基體酸度增高，待測元素的信號強(qiáng)度會變?nèi)?，兩者呈?fù)相關(guān)。本次研究選擇濃度2%的HNO溶液作為介質(zhì)來配制標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

由于不同金屬元素的含量、限值有差異，因此要確定不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。使用濃度2%的HNO溶液作為空白，依次吸入混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，得到不同元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線和相關(guān)系數(shù)，如表2所示。分析可見，各元素線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)均不小于0.999。

表2 不同元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線和相關(guān)系數(shù)

2.2 檢出限

本試驗先從數(shù)據(jù)庫中選取各種元素的靈敏線1條、次靈敏線2 條，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線后，利用儀器數(shù)據(jù)軟件分析譜線干擾因素和峰形，選出干擾少、線性好、精密度高的譜線作為最終的分析譜線，然后對空白溶液進(jìn)行7 次平行測定，計算其標(biāo)準(zhǔn)偏差，按照標(biāo)準(zhǔn)偏差的3.143 倍計算出各種元素的檢出限，如表3所示。分析可見，各元素的檢出限保持在0.3～3.6 μg/L。

表3 不同元素的分析譜線和檢出限

2.3 精密度和回收率

在采集的水樣中，分別加入各元素的低濃度/高濃度標(biāo)樣，對原樣本和加標(biāo)后的樣本分別測定6次，計算精密度和回收率，如表4所示。分析可見，各元素的回收率介于95.64%～104.29%，在0.06%～2.05%。

表4 不同元素的精密度和回收率

2.4 實測結(jié)果

選取國家標(biāo)準(zhǔn)樣品，上機(jī)檢測，結(jié)果如表5所示。分析可見，ICP-OES 檢測結(jié)果準(zhǔn)確度較高。然后對該地區(qū)采集的30 份生活飲用水樣品的5 種金屬元素含量進(jìn)行檢測，根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022），各元素的檢測值均未超出限值。

表5 標(biāo)準(zhǔn)樣品的實測結(jié)果

3 結(jié)論

ICP-OES 的原理是樣品氣溶膠進(jìn)入等離子體焰時，會分解成激發(fā)態(tài)的原子、離子，恢復(fù)穩(wěn)定基態(tài)要放出一定的能量光譜。測定每種元素特有的譜線和強(qiáng)度，并和標(biāo)準(zhǔn)溶液相比，就能得到元素的種類和含量。陳茂源采用ICP-OES 測定礦山及冶煉地下水中的重金屬銅、鐵、鋅、錳元素，結(jié)果證實，相比原子吸收法，其可以快速、同時測定多種元素，提高準(zhǔn)確度和精密度；相比質(zhì)譜法，其可以減少稀釋倍數(shù)，提高回收率，減少檢測誤差。羅麗霞在水質(zhì)檢測中對比了火焰原子吸收光譜儀和ICP-OES的應(yīng)用效果，結(jié)果顯示，后者的檢出限低、準(zhǔn)確度高、精密度高，但在測定組分復(fù)雜的樣品時易產(chǎn)生基體效應(yīng)。本次研究證實，ICP-OES 可以檢測生活飲用水中的多數(shù)金屬元素，具有檢出限低、回收率高、結(jié)果準(zhǔn)確的特點，能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）對水質(zhì)一般化學(xué)指標(biāo)元素測定的要求，具有推廣價值。