土壤重金属快速检测技术分析与应用探讨

土壤重金属快速检测技术分析与应用探讨
摘要：土壤重金属污染以其独有的难降解、易积累、毒性大等特点，不同于空气和水环境的污染。

其污染危害大，治理难度大，且严重影响人们的健康，因此土壤重金属的检测受到越来越多的关注。

本文对现有土壤重金属快速检测技术及应用进行了分析与探讨。

关键词：土壤重金属；快速检测；检测仪器
引言
目前，土壤重金属快速检测技术有很多，其中常见的快速检测技术有五种，即激光诱导击穿光谱法(LIBS)、X射线荧光光谱法(XRF)、酶抑制法、免疫分析法和生物传感器检测技术。

通过对土壤中含有的重金属类型和浓度的分析，对土壤环境质量进行评价判断，从而为改善土壤环境质量提供依据。

1 土壤重金属污染的危害
土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、铜、铬、砷、镍、铁、锰、锌等，其主要由自然来源和人为干扰两种途径输入。

在自然因素中，成土母质和成土过程对土壤重金属含量的影响很大。

而在各种人为因素中，工业、农业和交通等来源引起的土壤重金属污染所占比重较高。

通常来说，如果在对植物进行灌溉时用水质量不达标、工业采矿时采矿方法不符合规定或者工业废水排放质量不达标都会导致土壤重金属污染。

一般情况下，如果土壤中重金属元素超标，重金属污染是不会自己进行降解的，它会长期在土壤中留存，对作物的生长、产量和品质方面都有影响，更严重的是重金属还会通过食物链富集，如果人和动物食用了重金属污染土壤中生长的植物，重金属会在人和动物体内逐渐积累，对人和动物的身体健康造成威胁。

近些年，随着科学的发展和技术的进步，土壤重金属快速检测技术也在不断更新，因此对土壤中的重金属进行检测时，加强快速检测手段，可以更好的服务于土壤环境检测，从而加强土壤环境质量的监督管理和修复，进而从根本上提升我国土地环境质量。

2 土壤重金属快速检测方法
2.1 激光诱导击穿光谱法(LIBS)
激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种基于激光与物质相互作用所产生的发射光谱进行物质成分和浓度分析的方法。

该技术采用光谱分析中的激光烧蚀光谱技术，其原理是利用高能量的短脉冲激光通过透镜聚焦至待测样品表面，产生瞬间高温将聚焦处样品激发到等离子态，所产生的等离子体几乎可将样品中的全部元素气化并激发至高能态，当它们回到基态
时会发出各自的特征光谱，而后通过光学仪器对光谱波长的探测，数据采集系统得到光谱数据后传输到计算机，通过分析光图谱就能够得出被测样品的组成与浓度。

激光诱导击穿光谱法是一种新兴的定量分析技术，具有简便快速、适用性强、分析效率高、多元素实时分析及无需样品预处理等特点，环境保护、探矿、核燃料分析处理、冶金、考古、海洋等特殊领域有着广泛的应用。

该技术可以同时对土壤中多种重金属进行定量和定性分析，而且不需要对待检测土壤进行预处理，节省了检测时间不会对土壤进行二次污染。

缺点就是成本高，待测样品的特性对结果的准确性影响较大。

激光诱导击穿光谱（LIBS）有望成为极具潜力的微量元素定量分析技术。

2.2 X射线荧光光谱法(XRF)
X 射线荧光光谱法是利用样品对X射线的吸收随成分及含量的变化进行定性和定量分析的方法，其工作原理是利用穿透能力强的X 射线照射土壤样品，使得被照射物体产生特征X射线具有不同的能量或波长特性，利用X 射线荧光测量仪对被测样品发出的荧光进行分析检测，从而定性或定量地检测出土壤中的重金属成分。

X射线荧光光谱技术由于具有检测速度快、稳定性好、再现性好，对样品无污染、无破坏等优势，这些特征非常适用于现场大批量的快速检测，所以这项技术的发展速度是最快的。

近年来，在XRF方法中发展了几项新的分析技术，例如：全反射X射线荧光分析(TXRF)、电子探针X射线显微分析法(EPMA)、粒子诱发X射线荧光分析(PIXE)、同步辐射X射线荧光分析、偏振激发X射线荧光分析、X射线微荧光分析等。

采用这些新技术后，灵敏度有了极大的提高，取样量少、定量分析过程简单，其中全反射X射线荧光分析(TXRF)在土壤重金属检测方面的应用引起了广泛关注。

全反射X射线荧光分析(TXRF)技术实质上是对能量色散X射线荧光分析(EDXRF)技术
的发展，由于采用全反射X射线激发，散射本底极低，检出限很低。

由于其取样量小、检出限低的优势，克服了常规XRF取样量大、灵敏度低这些最明显的缺陷，因而常用来解决超微量样品的超痕最元素分析的难题。

因此具有很好的应用前景。

2.3 免疫分析法
自 1985 年 Reardan 等人首次分离出单克隆抗体以来，国内外科研人员对此开展广泛的研究。

越来越多的抗重金属离子的金属-螯合剂复合抗体相继问世，因而针对这些重金属的免疫分析方法也相应建立。

免疫学检测是一种特异性和灵敏度都较高的分析方法，根据抗原和抗体反应原理，利用已知的抗原检测未知抗体或利用已知的抗体检测未知抗原。

常用的免疫学技术主要包括免疫荧光技术(FIA)、发光免疫技术(LIA)、酶联免疫吸附技术(ELISA)等。

该方法的灵敏度在重金属检测方面优于传统的原子吸收光谱法。

用于检测重金属离子需要进行两方面工作:（1）选择合适的化合物与重金属离子结合，获得一定的空间结构，产生反应原性;（2）将与重金属离子结合的化合物连接到载体蛋白上，产生免疫原性。

其中，选择适合与重金属离子结合的化合物是能否制备出特异性抗体的关键。

筛选特异性好的新型螯合剂、单克隆抗体将是今后的发展方向。

免疫分析法具有高靶向性、高准确性、检测速度快、灵敏度高等特点，为环境检测检测技术提供了新思路。

在重金属快速检测方面有一定的研究前景。

2.4 酶抑制法
同免疫分析法一样，酶抑制法也是生物类检测方法的一种。

利用重金属离子与形成酶活性中心的巯基或甲巯基结合改变酶活性中心的结构和性质，抑制酶的作用，引起酶活力下降的特点，从而使底物－酶系统产生一系列变化，例如使酶的反应系统中酸碱度、色度和电导率等参数发生变化，借助化学和光学仪器对反应液分析，就能得出被测样品中重金属离子的种类和占比。

目前已有很多种酶用于重金属离子的测定，如脲酶、磷酸酯酶、过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶等。

但目前酶抑制法多应用于水质中重金属离子测定分析，而用于土壤中重金属的检测很少，酶抑制法应用于土壤重金属检测时需要进行样品前处理，这就需要对土壤重金属快速检测进行进一步的探索和研究。

该法具有快速、高效等优点，在现场检测中应用比较方便，但目前其灵敏度和准确性低于传统的检测方法。

用各种酶作为识别元件，配上相应的转换元件制备出能够识别和测量某个区间内重金属类型和浓度的传感器，能够弥补单纯酶分析法的不足，这可能成为一种发展趋势。

2.5 生物传感器分析法
生物传感器是一种由天然（组织、细胞、核酸、抗体和酶等）、加工（重组抗体和工程蛋白等）生物材料或仿生材料（合成催化剂和印迹聚合物等）与物理化学的换能器或换能微系统紧密结合或集成的分析仪器，可以对重金属物质进行迅速地检测。

应用生物识别特点，与被检测物质的结合，形成的变化情况信号经过转换器处理后，可以被采集系统获取到光、电信号，通过信号来对被测检物质含量进行分析。

重金属检测领域当中已经开发出细胞生物传感器、酶生物传感器免疫传感器、DNA生物传感器等。

生物传感器法用于土壤重金属检测是一种新兴方式，传感器具有较高的特异性和灵敏
度，可以进行快速检测分析，但由于生物传感器法受生物活性、外界环境等影响较大，导致其不能广泛应用。

但随着汤琳等将生物传感器与葡萄糖氧化酶相结合，成功测定土壤中的Hg 离子，并且克服了预处理的复杂性，为该领域的研究起了良好的开端，也将是未来生物传感器的发展方向。

3 土壤重金属快速检测技术的应用
3.1 激光诱导击穿光谱法的应用
激光诱导击穿光谱法以无需制样、直接快速、样品损失少、灵敏度高等优势，应用广泛。

不仅可以提供微观的物质结构、化学成分及其变化信息，而且适合于各种形态、尺寸的样品，是目前极为活跃也很有发展前景的研究领域，随着激光技术的发展，新的光学方法将仪器更加小型化并有助于成本的降低，从而促进LIBS技术的进一步推广应用。

3.2 荧光光谱技术的应用
X射线荧光光谱技术由于具有检测速度快、稳定性好、再现性好，对样品无污染、无破坏等优势，成为了发展速度是最快的土壤快速检测方法。

但是，为了更高效准确地进行测量，该项技术在未来还应该有所优化，例如在此技术的基础上，对光谱线的处理、本底的扣除以及基体的校正等进行研究，以提升其准确性和科学性。

此外，还需要对谱峰识别方法进行研究，以确保识别的正确性。

目前，我国使用的X射线荧光光谱仪，能够对多数重金属元素进行检测。

因此，此项技术在未来的发展中，应在定性分析的基础上，提升检测结果的准确性。

3.3 生物传感器技术的应用
生物传感器检测重金属离子主要依赖于各种生物材料的特定结构和功能，受限于酶及单克隆抗体的选择单一性影响，无法同时对多种重金属污染物进行检测，检测过程中需要准备不同的试剂才能检测出土壤中的多种重金属污染物，检测成本较高，耗时较长。

在土壤重金属检测中的应用很少。

因此，研究人员应主要以多免疫抗体、多种酶抑制原理的生物传感器技术为研究方向，在对生物传感器开发时要降低生产成本，克服生物质材料受环境因素影响大、不易保藏等缺点，并且发挥其易于自动化操作和小型化的优势。

结束语
综上所述，在进行土壤环境质量进行检测时，土壤重金属快速检测是分析土壤中重金属的含量是解决土壤污染的重要手段，因此应该对土壤重金属快速检测技术进行全面细致的分析，总结出具有可行性的应对措施和治理方案。

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