水質(zhì)檢測(cè)中有機(jī)污染物檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用研究

趙雪萍，侯抗抗

（日照市工程檢測(cè)咨詢集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800）

引言

水是人類生活和工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的資源，但由于化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市廢水排放等原因，水體中的有機(jī)污染物含量逐漸增多。有機(jī)污染物對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成了潛在威脅，因此準(zhǔn)確、高效地檢測(cè)和監(jiān)測(cè)有機(jī)污染物的存在變得至關(guān)重要。隨著科技的不斷進(jìn)步，各種先進(jìn)的有機(jī)污染物檢測(cè)技術(shù)被引入水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

1 有機(jī)污染物概述

1.1 有機(jī)污染物的定義

有機(jī)污染物是指由碳元素構(gòu)成的化合物，通常包括揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、持久性有機(jī)污染物（POP）和其他有機(jī)化合物，這些污染物主要來(lái)源于工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的化學(xué)品、生活污水排放以及自然來(lái)源如植物和動(dòng)物的代謝產(chǎn)物等。

1.2 有機(jī)污染物的來(lái)源和排放途徑

有機(jī)污染物的來(lái)源多種多樣，其中工業(yè)活動(dòng)是有機(jī)污染物重要的來(lái)源，包括化工廠、石油加工廠、紡織業(yè)等。農(nóng)藥和化肥的使用也會(huì)導(dǎo)致有機(jī)污染物的產(chǎn)生。此外，城市生活中產(chǎn)生的廢水、垃圾填埋場(chǎng)、交通排放等也成為有機(jī)污染物的重要來(lái)源。

1.3 有機(jī)污染物對(duì)水環(huán)境的影響

有機(jī)污染物對(duì)水環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。首先，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了毒害作用，損害了水中生物的生存和繁殖能力。其次，某些有機(jī)污染物還可能通過(guò)生物蓄積進(jìn)入食物鏈，致使人類攝入并對(duì)健康產(chǎn)生潛在的危害。此外，有機(jī)污染物還可能引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化、氧氣消耗和異味等問(wèn)題，從而破壞了水質(zhì)的穩(wěn)定性。

2 傳統(tǒng)有機(jī)污染物檢測(cè)技術(shù)

2.1 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）

2.1.1 原理及基本方程式

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）是一種常用的有機(jī)污染物檢測(cè)方法，該技術(shù)結(jié)合了氣相色譜（GC）和質(zhì)譜（MS）兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在GC部分，樣品中的有機(jī)污染物通過(guò)氣相色譜柱進(jìn)行分離，并根據(jù)不同成分的揮發(fā)性和親水性等特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜混合物的分離。分離后的化合物進(jìn)入質(zhì)譜部分，通過(guò)質(zhì)譜儀器進(jìn)行檢測(cè)和定性分析。GC-MS的基本方程式可以表示為：

其中，m/z代表質(zhì)荷比（mass-to-charge ratio），m為離子的質(zhì)量，Q為質(zhì)量分析儀的磁場(chǎng)強(qiáng)度，V為離子的速度，E為離子的電荷。

2.1.2 應(yīng)用案例分析

GC-MS在水檢測(cè)中廣泛應(yīng)用于有機(jī)污染物的分析和鑒定。例如，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，GC-MS可用于檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和持久性有機(jī)污染物（POP）。通過(guò)GC-MS的分離和定性能力，可以對(duì)水樣中的溶劑、農(nóng)藥殘留、工業(yè)廢水排放物等進(jìn)行準(zhǔn)確地分析。

一個(gè)案例是對(duì)水體中揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)。研究人員采集水樣后，通過(guò)GC-MS分析儀器對(duì)樣品進(jìn)行處理。首先要提取樣品，并加入內(nèi)標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行定量分析。然后，通過(guò)氣相色譜柱實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的分離。最后，利用質(zhì)譜儀器對(duì)分離后的化合物進(jìn)行檢測(cè)和鑒定。通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的質(zhì)譜圖和保留時(shí)間，識(shí)別出樣品中存在的揮發(fā)性有機(jī)物，并計(jì)算其濃度。

另一個(gè)應(yīng)用案例是對(duì)水中持久性有機(jī)污染物的檢測(cè)。這些有機(jī)污染物通常具有較低的揮發(fā)性和較高的穩(wěn)定性，因此需要更復(fù)雜的前處理步驟。通過(guò)萃取、濃縮和洗脫等步驟，將樣品中的目標(biāo)有機(jī)污染物提取出來(lái)。然后，利用GC-MS技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行分離和鑒定，再進(jìn)一步確定和定量目標(biāo)物質(zhì)的存在。

2.2 高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（LC-MS）

2.2.1 原理及基本方程式

高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（LC-MS）是一種常用的有機(jī)污染物檢測(cè)方法，該技術(shù)結(jié)合了高效液相色譜（LC）和質(zhì)譜（MS）兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在LC部分，樣品中的有機(jī)污染物通過(guò)液相色譜柱進(jìn)行分離，并根據(jù)不同成分的親水性、極性等特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜混合物的分離。分離后的化合物進(jìn)入質(zhì)譜部分，通過(guò)質(zhì)譜儀器進(jìn)行檢測(cè)和定性分析。LC-MS的基本方程式可以表示為：

其中，m/z代表質(zhì)荷比（mass-to-charge ratio），m為離子的質(zhì)量，Q為質(zhì)量分析儀的磁場(chǎng)強(qiáng)度，V為離子的速度，E為離子的電荷。

2.2.2 應(yīng)用案例分析

LC-MS在水檢測(cè)中廣泛應(yīng)用于有機(jī)污染物的分析和鑒定。例如，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，LC-MS可用于檢測(cè)激素、抗生素殘留等有機(jī)污染物。通過(guò)LC-MS的分離和定性能力，可以對(duì)水樣中的目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確地分析。

一個(gè)案例是對(duì)水體中的激素進(jìn)行檢測(cè)。研究人員采集水樣后，利用LC-MS分析儀器對(duì)樣品進(jìn)行處理。首先，將樣品進(jìn)行前處理，如提取和凈化，以去除干擾物質(zhì)。然后，通過(guò)高效液相色譜柱實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)激素的分離。最后，在質(zhì)譜部分，利用質(zhì)譜儀器對(duì)分離后的化合物進(jìn)行檢測(cè)和鑒定。通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的質(zhì)譜圖和保留時(shí)間，識(shí)別出樣品中存在的激素，并計(jì)算其濃度。

另一個(gè)應(yīng)用案例是對(duì)水中抗生素殘留物的檢測(cè)。抗生素的濫用可能導(dǎo)致水體出現(xiàn)抗生素污染問(wèn)題，因此需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。檢測(cè)步驟與第一個(gè)案例相似，先將樣品進(jìn)行前處理并進(jìn)入高效液相色譜柱進(jìn)行分離。然后，利用質(zhì)譜儀器進(jìn)行檢測(cè)和鑒定，從而確定抗生素殘留物的種類和濃度[1]。

3 基于光譜技術(shù)的有機(jī)污染物檢測(cè)方法

3.1 紫外可見光譜法（UV-Vis）

3.1.1 原理及基本方程式

紫外可見光譜法（UV-Vis）是一種常用的光譜分析技術(shù)，用于檢測(cè)水中的有機(jī)污染物。該方法基于樣品對(duì)紫外和可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收特性進(jìn)行測(cè)量和分析。有機(jī)污染物在特定波長(zhǎng)下會(huì)吸收光線，其吸收強(qiáng)度與溶液中有機(jī)污染物的濃度成正比。UV-Vis的基本方程式可以表示為：

其中，A代表吸光度，ε為摩爾吸光系數(shù)，l為光程長(zhǎng)度，c為溶液中有機(jī)污染物的濃度。根據(jù)比例關(guān)系，可以使用吸光度來(lái)推斷溶液中有機(jī)污染物的濃度。

3.1.2 應(yīng)用案例分析

UV-Vis廣泛應(yīng)用于水質(zhì)檢測(cè)中有機(jī)污染物的快速分析。例如，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，UV-Vis可用于檢測(cè)苯類化合物、酚類化合物等有機(jī)污染物。通過(guò)測(cè)量水樣的吸光度，可以評(píng)估有機(jī)污染物的存在和濃度[2]。

第一個(gè)案例是對(duì)水體中苯類化合物的快速檢測(cè)。研究人員將水樣制備成溶液并利用UV-Vis光譜儀進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)，可以在吸收峰處獲得最大的吸光度。然后，利用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立吸光度與濃度之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并根據(jù)待測(cè)樣品的吸光度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出苯類化合物的濃度。

另一個(gè)應(yīng)用案例是對(duì)水中酚類化合物的定量分析。酚類化合物具有不同的吸收特性，因此需要針對(duì)特定化合物選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)測(cè)量樣品的吸光度，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線，確定酚類化合物的濃度[3]。

3.2 熒光光譜法

3.2.1 原理及基本方程式

熒光光譜法是一種常用的光譜分析技術(shù)，是基于有機(jī)污染物在激發(fā)后發(fā)生熒光現(xiàn)象的特性進(jìn)行檢測(cè)。該方法是利用樣品吸收光能后的能量轉(zhuǎn)移和電子躍遷過(guò)程來(lái)產(chǎn)生熒光信號(hào)。當(dāng)有機(jī)污染物受到特定波長(zhǎng)的激發(fā)光照射后，部分能量被吸收并轉(zhuǎn)移到激發(fā)態(tài)，然后通過(guò)非輻射躍遷返回基態(tài)時(shí)放出熒光光子。熒光光譜法的基本方程式可以表示為：

其中，F(xiàn)代表熒光強(qiáng)度，Φ為熒光量子效率，I為激發(fā)光的強(qiáng)度。熒光強(qiáng)度與激發(fā)光的強(qiáng)度和熒光量子效率成正比。

3.2.2 應(yīng)用案例分析

熒光光譜法在水質(zhì)檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用于有機(jī)污染物的快速分析。例如，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，熒光光譜法可用于檢測(cè)多環(huán)芳香烴、農(nóng)藥等有機(jī)污染物。通過(guò)測(cè)量樣品的熒光信號(hào)，可以評(píng)估有機(jī)污染物的存在和濃度。

一個(gè)案例是對(duì)水體中多環(huán)芳香烴的定性分析。研究人員將水樣制備成溶液，利用熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)波長(zhǎng)和檢測(cè)波長(zhǎng)，可以獲得樣品的熒光光譜圖。不同的多環(huán)芳香烴在熒光光譜上表現(xiàn)出特定的峰位和強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同化合物的定性分析。

另一個(gè)應(yīng)用案例是對(duì)水中農(nóng)藥的定量分析。農(nóng)藥具有不同的熒光特性，因此需要根據(jù)不同農(nóng)藥的特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)波長(zhǎng)和檢測(cè)波長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量樣品的熒光強(qiáng)度，并結(jié)合已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立熒光強(qiáng)度與濃度之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以確定農(nóng)藥的濃度。

4 基于電化學(xué)技術(shù)的有機(jī)污染物檢測(cè)方法

4.1 循環(huán)伏安法（CV）

4.1.1 原理及基本方程式

循環(huán)伏安法（CV）是一種常用的電化學(xué)分析技術(shù)，可用于檢測(cè)水體中的有機(jī)污染物。該方法基于有機(jī)污染物在電極表面的吸附和電化學(xué)反應(yīng)的特性進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)在不同電位范圍內(nèi)施加電壓，可以觀察到有機(jī)污染物在電極上的氧化還原行為。CV的基本方程式可以表示為：

其中，I代表電流，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，A為電極面積，v為掃描速率。根據(jù)法拉第定律，電流與電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)的速率成正比。

4.1.2 應(yīng)用案例分析

CV在水質(zhì)檢測(cè)中廣泛應(yīng)用于有機(jī)污染物的快速分析。例如，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，CV可用于檢測(cè)苯酚類、酚類等有機(jī)污染物。通過(guò)測(cè)量樣品在不同電位下的電流響應(yīng)，可以評(píng)估有機(jī)污染物的存在和濃度。

一個(gè)應(yīng)用案例是對(duì)水體中苯酚類化合物的定量分析。研究人員將水樣置于電化學(xué)池中，進(jìn)行CV測(cè)量。在循環(huán)伏安曲線上，苯酚類化合物會(huì)顯示出特定的峰位和峰電流。通過(guò)比較待測(cè)樣品與已知濃度標(biāo)樣的峰電流，可以確定苯酚類化合物的濃度。

另一個(gè)應(yīng)用案例是對(duì)水中酚類化合物的定性分析。不同的酚類化合物在循環(huán)伏安曲線上具有不同的氧化還原行為和峰電流。通過(guò)觀察樣品的循環(huán)伏安曲線特征，并結(jié)合已知化合物的標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以確定酚類化合物的種類和濃度。

4.2 差分脈動(dòng)伏安法（DPV）

4.2.1 原理及基本方程式

差分脈動(dòng)伏安法（DPV）是一種常用的電化學(xué)分析技術(shù)，可用于檢測(cè)水中的有機(jī)污染物。該方法利用電極上發(fā)生的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的脈動(dòng)電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)施加特定的電位掃描和脈沖電壓，測(cè)量電極上的電流變化，可以獲取有機(jī)污染物的氧化還原行為信息。DPV的基本方程式可以表示為：

其中，Ip代表峰電流，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，A為電極面積，D為擴(kuò)散系數(shù)，c為溶液中有機(jī)污染物的濃度，t為脈沖寬度。根據(jù)方程式，峰電流與有機(jī)污染物的濃度成正比，可用于定量分析。

4.2.2 應(yīng)用案例分析

DPV在水檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用于有機(jī)污染物的快速分析。例如，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，DPV可用于檢測(cè)重金屬離子、有機(jī)酸等有機(jī)污染物。通過(guò)測(cè)量樣品的脈動(dòng)電流響應(yīng)，可以評(píng)估有機(jī)污染物的存在和濃度。

一個(gè)應(yīng)用案例是對(duì)水體中重金屬離子的定量分析。研究人員將水樣置于電化學(xué)池中，并進(jìn)行DPV測(cè)量。通過(guò)施加特定的電位掃描和脈沖電壓，測(cè)量電極上的峰電流，可以確定重金屬離子的濃度。根據(jù)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以通過(guò)峰電流與濃度之間的關(guān)系計(jì)算出待測(cè)樣品中重金屬離子的濃度。

另一個(gè)應(yīng)用案例是對(duì)水中有機(jī)酸的定性分析。不同的有機(jī)酸在DPV曲線上具有特定的峰位和峰電流，通過(guò)觀察樣品的峰電流和峰位，可以確定有機(jī)酸的種類。然后，進(jìn)一步結(jié)合已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以計(jì)算出有機(jī)酸的濃度。

5 其他新興有機(jī)污染物檢測(cè)技術(shù)

5.1 生物傳感器技術(shù)

生物傳感器技術(shù)是一種利用生物體或其組分作為敏感元件來(lái)檢測(cè)有機(jī)污染物的方法。該技術(shù)將生物體的生物識(shí)別能力與傳感器技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物的高靈敏度和高選擇性檢測(cè)。生物傳感器的原理是基于生物反應(yīng)和信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程。常見的生物傳感器類型包括酶?jìng)鞲衅鳌⒖贵w傳感器和細(xì)胞傳感器等。例如，通過(guò)在傳感器表面固定特定酶，當(dāng)目標(biāo)有機(jī)污染物存在時(shí)，會(huì)與酶發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生特定的信號(hào)變化，如電流或熒光信號(hào)。這些信號(hào)可以被傳感器檢測(cè)和量化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物的檢測(cè)和分析。生物傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其高靈敏度、高選擇性和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，并具有快速響應(yīng)、低成本和便攜性等特點(diǎn)，因而生物傳感器在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)和食品安全等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

5.2 氣體擴(kuò)散電離質(zhì)譜法（PTR-MS）

氣體擴(kuò)散電離質(zhì)譜法（PTR-MS）是一種快速、靈敏的有機(jī)污染物檢測(cè)技術(shù)。該方法是基于質(zhì)譜技術(shù)，將待測(cè)樣品中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)離子，并利用質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)和分析。PTR-MS的原理是利用離子化技術(shù)將氣態(tài)有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為可被質(zhì)譜儀檢測(cè)的離子。該技術(shù)是使用高能量的反應(yīng)離子（如H3O+）與待測(cè)樣品中的有機(jī)分子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生離子化的有機(jī)物，再經(jīng)過(guò)質(zhì)譜儀的分析，可以確定有機(jī)污染物的種類和濃度。PTRMS具有高靈敏度、快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可以在非破壞性條件下對(duì)水樣中的有機(jī)污染物進(jìn)行分析，并且具有非常低的檢測(cè)限和高分辨率。因此，PTR-MS在環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣化學(xué)和食品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)論

水質(zhì)檢測(cè)中的有機(jī)污染物檢測(cè)技術(shù)是保障水質(zhì)安全和環(huán)境健康的重要研究領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)不同有機(jī)污染物檢測(cè)技術(shù)的綜合分析和應(yīng)用案例的探討，可以得出以下結(jié)論：

傳統(tǒng)的色譜法和質(zhì)譜法在有機(jī)污染物檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用，這些方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高靈敏度的定量分析，并且適用于各種復(fù)雜的水樣品檢測(cè)。光譜技術(shù)如紫外-可見吸收光譜和熒光光譜等也被廣泛運(yùn)用于有機(jī)污染物的快速檢測(cè)。這些方法具有操作簡(jiǎn)便、快速分析的特點(diǎn)，尤其適用于大規(guī)模監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。此外，差分脈動(dòng)伏安法（DPV）作為一種基于電化學(xué)技術(shù)的方法，可用于檢測(cè)水中的有機(jī)污染物，其具有較高的靈敏度和選擇性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水體中污染物的定量分析。另外，生物傳感器技術(shù)和氣體擴(kuò)散電離質(zhì)譜法（PTR-MS）作為新興技術(shù)在有機(jī)污染物檢測(cè)中顯示出巨大潛力。生物傳感器技術(shù)利用生物體或其組分作為敏感元件，實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高選擇性的檢測(cè)。而PTR-MS是利用質(zhì)譜技術(shù)對(duì)氣態(tài)有機(jī)污染物進(jìn)行快速、靈敏的分析。

綜上所述，水質(zhì)檢測(cè)中的有機(jī)污染物檢測(cè)技術(shù)涵蓋了多種方法和技術(shù)。傳統(tǒng)的色譜法和質(zhì)譜法以及光譜技術(shù)是常用且成熟的方法，具備高精度和廣泛的適用性。此外，DPV、生物傳感器技術(shù)和PTR-MS等新興技術(shù)在提高水質(zhì)檢測(cè)靈敏度、降低成本和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面具有很好的發(fā)展前景，所以未來(lái)的研究應(yīng)該繼續(xù)推動(dòng)這些技術(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn)，以滿足目前不斷增長(zhǎng)的有機(jī)污染物檢測(cè)需求，從而為水質(zhì)監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)工作提供更有力的支持。