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重金属检测技术的应用及发展

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摘 要:本文对这几种主要检测技术原理、应用及发展进行了综合论述,并对一些近年来出现的新型检测技术进行探讨。

关键词:重金属;原子吸收光谱;原子荧光光谱
目前,重金属污染是影响我国农产品安全的主要因素之一,我国受镉、铅、汞等重金属污染的耕地面积近2000万公顷,约占总耕地面积的1/5。因此,对重金属快速、准确的检测是我们能够保障食品安全的一项基本工作。现有的重金属分析方法主要包括原子吸收光谱法(火焰与石墨炉)、原子荧光光谱法、ICP发射光谱法。
一、 基本原理:
1.1 原子吸收光谱法原理
  原子吸收法,其原理是光源发出特征光谱辐射,经过原子化器后,由分光系统得到单色光经过光电倍增管后到达检测器,终端电脑从检测器得到信号,进一步转化为数据进行处理,因为原子化器没有进样时,光通过原子化器时没有被吸收,透光率为100%,而当原子化器进样时,光通过原子化器时有一部分被吸收,透光率减小。根据朗伯-比尔定律,吸光度与样品浓度成正比,因此参照标准,根据吸光度可得出样品的浓度。
1.2 原子荧光光谱法原理
  原子荧光光谱法是1964年以后发展起来的分析方法。其原理是气态自由原子吸收光源的特征辐射后,原子的外层电子跃迁到较高能级,然后又跃迁返回基态或较低能级,同时发射出与原激发波长相同或不同的发射即为原子荧光。原子荧光是向空间各个方向发射的,因此可以制作多道仪器。
1.3 ICP发射光谱法原理
  ICP/OES全称为电感偶合等离子原子发射光谱(inductively couple plasma optical emission spectrometry)。其工作原理是以射频发生器提供的高频能量加到感应耦合线圈上,并将等离子炬管置于该线圈中心,因而在炬管中产生高频电磁场,用微电火花引燃,使通入炬管中的氩气电离,产生电子和离子而导电,导电的气体受高频电磁场作用,形成与耦合线圈同心的涡流区,强大的电流产生的高热,从而形成火炬形状的并可以自持的等离子体。样品由载气(氩)带入雾化系统进行雾化后,以气溶胶形式进入等离子体的轴向通道,在高温和惰性气氛中被充分蒸发、原子化、电离和激发,发射出所含元素的特征谱线。根据特征谱线的存在与否,鉴别样品中是否含有某种元素(定性分析);根据特征谱线强度确定样品中相应元素的含量(定量分析)。
二、 应用及发展
2.1 原子吸收光谱法应用及发展
  原子吸收光谱仪可测定包括铅、镉、汞、砷、铬、铜、锌、镍等多种元素。火焰原子吸收光谱法可测到10-9mg/L数量级,石墨炉原子吸收法可测到10-13mg/L数量级。因此,原子吸收(发射)光谱也是现今在环境及食品检测中技术手段最为成熟、应用也最为广泛的一种重金属检测手段。
2.2 原子荧光光谱法应用及发展
  原子荧光光谱法检出限较低,Hg可达0.001μg/L、As为0.01μg/L,还能实现多元素同时测定。近几年来,冷原子荧光测汞仪作为专门的测汞仪被广泛应用于空气、水、土壤、食品、生物样品及化妆品中的痕量汞,具有自动化程度高、操作简便、检测下限低、测定结果准确等特点。
2.3 ICP发射光谱法应用及发展
  ICP发射光谱从原理上讲可以用于测定除氩以外所有已知光谱的元素。仪器工作曲线的直线范围可达到5-6个数量级。ICP的高温和环形结构,使分析物在一个直径约1~3mm狭窄的中间通道內充分的预热去溶,挥发,原子化,电离和激发,元素周期表內大部分元素在水溶液中的检测限达到0.01~10ppm。每個元素都有好几个灵敏度不同的波长供测定,因此ICP/OES适用于超微量成分分析到常量成分的测定。當分析物浓度大于等于检出限的100倍时,测定的标准偏差(RSD)一般在1~3%的范围內。
  电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)是以独特的接口技术将ICP的高温(7000K)电离特性与四极杆质谱的灵敏快速扫描的优点相结合而形成一种新型的元素和同位素分析技术,可分析几乎地球上所有元素。ICP-MS技术的分析能力不仅可以取代传统的无机分析技术如电感耦合等离子体光谱技术、石墨炉原子吸收进行定性、半定量、定量分析及同位素比值的准确测量等。还可以与其他技术,HPLC、HPCE、GC联用进行元素的形态、分布特性等的分析。浓度线性动态范围达9个数量级,从ppq到1000ppm可直接测定因此,与传统无机分析技术相比,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分析特性。
三、几种分析技术比较
  以上几种检测手段中,ICP—MS的检出限最优,大部分元素为ppt级,但是仪器本身价格昂贵,对环境条件要求高,反应气种类也比较复杂,因此现在多使用在作标准测量的时候;
石墨炉原子吸收检出限次之,为亚ppb级,使用成本低于ICP—MS,现在广泛用于水和食品的重金属检测。火焰原子吸收的检出限大部分为10~100ppb,技术成熟,仪器价格及使用成本较低,广泛应用于环境及食品检测中。而原子荧光光度计则更多的用于对环境及食品中汞、砷、硒等元素的分析和测定。
  除了以上我们谈到的这几种重金属检测方法,现在许多科研单位及厂家都越来越关注重金属快速检测技术的开发和应用。例如,重金属快速检测试纸,它将具有特效显色反应的生物染色剂通过浸渍附载到试纸上,并通过反复研究获得了试纸与重金属的最佳反应条件。试纸及试剂盒对重金属检测灵敏度可达0.01~20mg/kg,准确率在95%以上,而且只需10分钟就可对重金属进行快速检测。

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