环境监测论文 ICP-AES测定金属元素

ICP-AES测定金属元素
摘要：近几年环境问题日益加剧，环境监测逐渐被提上议事日程。

ICP-AES分析技术以其快速、准确、灵敏等特点，广泛应用于环境、地矿、冶金、生物、食品、石油、医学检验等领域中的多元素分析，其分析技术和仪器也日益完善。

本文综述了ICP-AES分析技术的原理，分析过程，以及近几年在各个领域当中对于金属元素监测的应用，并对其发展前景作了简要的论述与展望。

关键词：ICP-AES；金属；应用；技术原理；分析过程
Determination of metal elements by ICP-AES
Abstract:In recent years, environment monitoring is gradually up on the agenda with the environment problem increasing. ICP-AES analysis technology widely used in the analysis of many elements in the field of environment, geological mining, metallurgical, biological, food and oil, medical test with its rapid, accurate, sensitive and other characteristics. The analysis technology and instruments has become more and more perfect. This paper reviewed the ICP-AES analysis technology principle, the process and the application in monitoring metals in various fields in recent years and described the development prospects.
Key words：ICP-AES; Metal; Application; Technology principle; Analysis process
1 概述
随着人类社会的不断发展，各种环境问题层出不穷，人类对环境问题的认识也在伴随着人类社会的发展进程在不断的加深。

作为环境预防与治理的基础和技术支持，我国环境监测技术在近几年也取得了较大的进步。

电感耦合等离子体原子发射光谱法（简称ICP-AES）是20世纪60年代早期提出并发展起来的。

人们在对发射光谱法光源深入研究的过程中，发现了利用等离子炬作为发射光谱的激发光源，并采用AAS的溶液进样方式，发展为具有发射光谱多元素同时分析的特点，又具有吸收光谱溶液进样的灵活性和稳定性的新型仪器，从而把发射光谱分析技术推向一个崭新的阶段[1]。

由于ICP-AES具有精密度高、灵敏度高、基体干扰小、线性范围广等特点并具有多元素同时检测的能力而得以广泛应用；但也有其缺点，对非金属测定的灵敏度低，仪器昂贵，操作费用比较高，但与ICP-MS相比费用较低。

金属元素广泛存在于水体、植物、土壤、固体废弃物等当中，对人体和动植物的健康构成了极大的威胁，因此测定金属元素在环境中的存在具有重大的现实意义，本文主要介绍了ICP-AES技术在测定金属元素方面的应用。

2 ICP-AES技术
2.1 ICP-AES技术原理
光谱强度与信号强度成正比是ICP测试仪原理的核心，而原子发射光谱是价电子受到激发跃迁到激发态，再由高能态回到较低的能态或基态时，以辐射形式放出其激发能而产生的光谱。

ICP-AES可以进行定性、半定量、定量分析。

2.2 ICP-AES仪器装置
ICP-AES分析仪器主要由样品导入系统、检测器、多色器和RF发生器构成，如图1所示。

图1 ICP-AES 分析仪器的基本组成
高频发生器是ICP-AES 的基础核心部件，是为等离子体提供能量的，要求其具有高度的稳定性和不受外界电磁场干扰。

进样装置是由蠕动泵、雾化器和雾室等组成；分光装置由入射狭缝、分光元件、若干光学镜片组成及出射狭缝（全谱直读型没有）；检测器现在用的主要是光电倍增管和固体成像器件；数据处理系统主要有计算机、数据通讯版和仪器控制及数据处理软件组成。

固态成像系统是近些年才发展起来的检测器，其是一类以半导体硅片为基材的光敏元件制成的多元阵列集成电路式的焦平面检测器，如电荷注入器件（CID ）、电荷耦合器件（CCD ）等，具有多谱线同时检测能力，检测速度快，动态线性范围宽，灵敏度高等特点。

3 ICP-AES 分析过程
首先需要选定分析方法，ICP 定量分析方法主要有外标法、标准加入法和内标法，根据需要选择特定的方式；其次需要进行样品的前处理，针对不同实验室及样品情况，共有四种前处理方法，分别是微波消解法、灰化法、湿法消解法、参考标准方法；最后是将样品引入ICP 光源中，对于液体样品而言，引入ICP 光源的通则一般以“真溶液”进样，即各元素以盐类形式，酸度、黏度等尽量做到标准溶液与样品一致，溶解样品酸的选择（主要是黏度影响雾化效率）排序为HCl< HNO 3 <HClO 4<H 2SO 4 < H 3PO 4，对样品称样量与进样总固体溶解度的要求是在保证微量能够检测时，TDS 尽量小，最好TDS≤1mg/ml 。

潘亮等[2]利用低温电热蒸发ICP -AES 检测铝基体中的钒元素，并使用8-羟基喹哪啶作为萃取试剂和化学改进剂，消除铝基体对钒的光谱干扰并使钒的蒸发温度大幅降低，将固体试样直接引入原子光谱分析系统进行测定，省去了样品预处理而加快分析速度并避免了使用腐蚀性和危险性的化学物质，其中，激光烧蚀固体进样具有检出限低、基体效应较小以及测定快速等特点；陈金忠等[3]对这一技术进行了系统叙述，着重阐述了激光输出特性(输出波长、脉冲宽度、重复频率、能量密度)和环境气氛(氦气、氩气)对样品烧蚀过程的影响。

周世萍等[4]研究了超声雾化进样系统在ICP -AES 中的应用，考察了测定的影响因素，结果表明，超声雾化进样条件下，影响较大的因素主要有：载气流量、进样速度、进样时间、冲洗条件及溶液的质条件。

样品导入系统 蠕动泵
雾化器
雾化室
检测器 多色器
RF 发生器 炬管
4 ICP-AES的干扰和校正
ICP-AES法测定中通常存在的干扰大致可分为两类：一类是光谱干扰，主要包括连续背景和谱线重叠干扰；另一类是非光谱干扰，主要包括化学干扰、电离干扰、物理干扰及去溶剂干扰等。

除选择适宜的分析谱线外，干扰的消除和校正可采用空白校正，稀释校正，内标校正法，背景扣除校正，干扰系数校正、标准加入等方法。

YANG等[5]利用导数法来校正ICP -AES背景干扰和谱线重叠干扰，从而改善真实检出限。

但是该法对谱线重叠十分严重以及带有测量噪声的背景而引起光谱干扰校正效果较差，仅适合于重叠度小于0.6的情形。

李海峰[6]研究了ICP - AES信号漂移的时间函数校正方法。

通过建立漂移时间的线性或非线性函数关系，可对测量数据进行合理校正，提高分析测试的准确度和精密度，校正函数与谱线选择有关。

马晓国等提出了基于小波变换的ICP - AES信号解析方法，包括消除噪声、扣除背景、校正谱线重叠干扰以及提取弱信号；他们还建立了小波变换与Kalman滤波联用技术可处理高含噪且又严重重叠的ICP -AES光谱[7-8]。

针对光谱干扰校正方法主要有因子分析法、人工神经网络法。

合适的因子分析不仅不会引起原变量信息的损失，而且还可以找到某些本质联系和影响数据的主要因素；人工神经网络法可处理多组分光谱分析中因果关系不明确、推理规则不确定的复杂非线性问题，网络参数的选择对应用该法效果的好坏起着很重要作用。

5 ICP-AES测定金属元素的应用
5.1 ICP-AES在土壤监测中应用
土壤作为农业生产的主要载体和生态环境的重要组成部分，随着经济的发展，大量未经处理的、含有重金属的废弃物被排入环境当中，使得农田土壤环境和农作物遭受了不同程度的污染和破坏，进而通过食物链危及人类的健康甚至生命。

耿广善等[9]对土壤样品基体组成复杂的情况下采用本方法能够将土壤样品中的6种重金属元素同时消解出来，通过理想的前处理方法和对仪器状态进行优化，具有较高的灵敏度、精密度和准度，测定结果准确可靠，分析过程中的实验条件易于控制，能够满足土壤分析的要求；
周小春等[10]在测定农田土壤中Cu、Zn金属时测得结果为相对标准差Cu为2.1%，Zn 为2.8%，均小于5%，由此可见精确度很高，回收率均在94%~104%之间，说明准确度也较高；
石元值等[11]用ICP-AES法测经过定三酸微波消解前处理的土壤标准样品中的重金属元素时，7种重金属元素的测定值与推荐值完全一致。

5.2 ICP-AES在水体监测中应用
水是人类的生命之源，它是自然界和人类生存发展过程中不可或缺的重要因素。

随着全球经济的迅速发展，人类对水资源需求量越来越大，但同时水资源的污染问题也日益严重。

在众多水污染中金属污染占了相当大的比例，而其中的重金属污染又容易在生物链中富集和扩大，并且毒性较大，因此水中金属污染问题已经严重危害到生态环境和人类的生命健康，因此对于水体中金属元素的监测具有重大的意义。

陈凤玲等[12]采用ICP-AES法测定饮用水中的重金属元素，结果表明各元素的相对标准偏差在4.5%—8.0%之间，回收率达96.7%—107.1%，并在自来水样品中加入了6%的正丙醇，改变了溶液进入ICP光源的传输效率和有效提升量，待测元素的光谱信背比提高幅度为38.9%—354.7%，降低了检出限，顺利完成了定量分析；
Yunes等[13]用活性炭做吸附剂吸附河水中的镍，采用ICP-AES进行测定，得到预浓缩方法的检出限为82ng/L，相对标准偏差为3.0%，加标回收率在96%~100%之间。

5.3 ICP-AES在植物监测中应用
植物与土地的沙漠化、盐碱化以及人类的生活等有着密切的关系，近些年在植物中检测出多种金属元素，不仅造成严重的环境问题而且还可能通过食物链危及动物和人类的健康，因此对于植物中金属元素的测定具有重要的现实意义。

丁敬敏等[14]用ICP-AES法对兰州百合和湖南百合、药用百合中的Fe、Mn、Cu、Zn等18种元素进行了分析研究，回收率达83 % ~ 106 %，说明此法准确度较高，选择性好，能在同一溶液中同时测定几种元素的含量，而且干扰小，操作较简便，较传统的比色法、原子吸收光度法效果好；
刘颖等[15]研究金属元素在全株四合木中的存在表明用ICP-AES法测定的结果是加标回收率为94.98%~120.0%，RSD<3.5%，具有良好的准确度和精密度，此测定结果可作为濒危植物和野生植物资源的保护与合理开发利用的参考。

5.4 其他应用
钟狂飙等[16]采用ICP-AES法测定香烟烟气成分中金属离子在动物体内的蓄积，结果为加标回收率达95.0%~104.2%，相对标准偏差为1.3%~4.1%，具有良好的准确度和精密度；
戴品中等[17]采用硝酸和双氧水消解体系，使用ICP-AES检测食品添加剂亮蓝中Pb、Mn、Cr的含量，结果表明，方法的检出限为0.005~0.015μg/mL，回收率为95.30%～103.9%，RSD小于3.05%。

该方法简便、快速、准确，适用于检测食品添加剂亮蓝中的杂质元素。

6 展望
电感耦合等离子体原子发射光谱分析方法在我国的研究与应用正日益广泛深入，发挥的作用越来越大，可测定的元素之多，大概比任何类似的分析方法都要多，可以肯定目前还没有一种同时分析方法可以与之相匹敌。

应用ICP-AES分析法可进行多任务操作，对仪器进行全自动控制，新型ICP全谱仪器的出现与不断完善，已可将每个样品中所有元素的所有谱线全部记录、储存下来，可以随时调用进行再分析、再处理，发展成为样品分析的“指纹”技术，标志着发射光谱技术进入一个新的发展时代。

随着材料科学的新发展，对金属分析技术提出了更高的要求。

ICP-AES 仪器在金属分析上必将更加普及、更加常规化，向更高稳定性、更好分析精度，更广的测定范围，更高分析效率、更低分析成本的方向发展。

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