土壤重金属快速监测技术研究

土壤重金属快速监测技术研究

摘要：农田的土壤作为人类种植各类粮食的自然环境，其生态环境问题也一直

是世界范围内科学研究界重点关注的热点问题。随着当前阶段世界工业化以及城

市化发展的步伐逐渐加快，环境的污染越来越严重，尤其是重金属对于土壤的污染。本文就土壤中重金属的含量快速检测的技术进行了简要的分析和研究。

关键词：土壤重金属快速监测技术

农田中的土壤重金属污染主要是铅、汞、铬以及其他的类金属砷等具有显著

的生物毒性的重金属造成的污染，重金属具有难降解、容易积累、毒性作用大的

特点，对于植物的生长和产量都有很大的影响，有些作物甚至能够吸收重金属，

导致重金属进入到食物链中来，成为人体健康的威胁，因此，相关科研人员必须

要深入的对土壤重金属检测进行深入研究。

一、土壤重金属快速监测的办法

1.1激光诱导击穿光谱法

激光诱导击穿光谱的技术是一种新型的光谱分析领域研究出来的通过激光烧

灼光谱的原理检测的技术，以各种离子体为基础来探测物质成分的分析方法，激

光诱导击穿光谱法的工作原理是先引导激光透过聚透镜，其中高峰值得功率面密

度能够气化观察对象表面的物质，通过激光的激发变成高温高能的离子体，待这

些离子体辐射出离子、原子光谱被光学系统手机之后，就可以通过输入一些光线

耦合，射入到光谱仪的入射口中，这时就可以研究光学系统吸收的光谱，从而分

析被测物质污染的成分和浓度。激光诱导击穿光谱的技术与传统的光谱测量技术

来说具有较大的区别，其特点十分明显，运用这种技术可以进行多个元素的同时

定性、定量的分析，其次，这种方法适用于所有的物质，不论其是固态、液态还

是气态等等，对于非均匀的样品也可以直接分析；第三，在测量之前也不需要进

行复杂的预处理，可以实现连续监测；第四，在各类方法中，激光诱导击穿光谱

法的分析效率较高；但研究成本较高且样品的特性会导致分析的精确性受到影响。

1.2X射线光谱法

X射线的荧光光谱技术是让研究对象吸收X射线，然后针对该样品的成分含

量变化进行定性或定量的分析，在众多的元素分析技术中，XRF是一种应用时间

较早并且至今仍然广泛应用的多元素分析技术。X射线作为光源的激发源照射样品，使得样品中的元素产生针对X射线的反应，再根据射线的荧光波长以及能量

确定该元素中重金属的种类和浓度。这种方法可以直接分析成品，不污染、不破

坏样品，并且检测速度较快，检测出的结果稳定性高，再现性程度也高，在抽样

的同时还可以进行现场的快速检测。近些年来XRF方法还发展了几项新型的分析

技术，例如TXRF、RPMA、PIXE、同步辐射X设想的荧光分析等等。采用了这些

新技术之后，X射线的检测灵敏度有了很大程度的提高，并且需要检测的样品更好，在定量分析的过程中步骤变得更加简单，尤其是TXRF在土壤的重金属检测

方面的应用引起了世界范围内的广泛关注。

1.3酶抑制法

酶抑制法侧向重金属的原理是重金属的离子和以及酶活性的枪机、醛基等的

结合已经改变了酶活性中心的结构，从而导致酶的活力下降，酶系统也就产生了

一系列的变化。例如，可以从显色剂、PH、电导率、吸光度等等方面发生了改变，可以通过多样的电信号、光信号等等进行定性、定量的分析。目前为止，已经有

很多种类的酶应用于了重金属离子的测定实验中，如脲酶、过氧化氢酶、磷酸酯

酶、葡萄糖氧化酶等等，可以看出酶抑制的作用方法大部分应用于水质中的金属

离子的分析和测定，然而，社会各界对于应用于水质的重金属离子测定方向的分

析较少，并且大部分都需要预处理。因此，研究者们需要针对样品进行进一步的

探索，酶分析法具有经济、快速和方便等有点，尤其是在现场的传统检测中应用

十分普遍。酶抑制法中，酶作为识别的元件，搭乘检测任意重金属的浓度传感器

能够非常全面的弥补单纯的酶分析法的缺陷，促使酶抑制法更好的发展。

二、土壤重金属快速监测的仪器

2.1激光诱导击穿光谱仪

该仪器是针对于激光诱导击穿光谱的原理和方法，这一仪器既可以用于实验

室的操作和分析，也可以用于现场的土壤重金属的快速检测。随着我国的科研技

术不断的发展，越来越多的稳定可靠的重金属、高分辨率的光谱仪等等多样的软

件分析技术被研发出来，LIBS的产业化在近十年中有了十分迅猛的发展，帮助击

穿光谱仪成为可以真正的应用于现场实验的分析仪器。其中最具有代表性的就是TSI推出的LIBS的激光诱导击穿光谱仪，这一仪器不需要特别的样品预备工作，

并且具有内置的双摄像头、微秒级的时序控制，提高了一起的可操作性和可靠性，更加使用与土壤的重金属快速检测分析，典型的使用范围包括金属的冶炼、环境、生态等等。除此之外，我国科学研究人员还研究出来了便携式的手提式土壤重金

属检测仪，这种检测仪的结构十分小巧，较为轻便，能够随身携带到现场的提炼

原位检测土壤中的重金属含量，但目前，这种测量仪的使用还处于示范阶段。

2.2X射线荧光光谱仪

因为世界范围内利用X射线进行的荧光光谱检测技术具有分析速度较快、检

测元素较广泛、预前处理较为简便并且能够进行现场的无损检测等特点，配合X

射线进行检测的X射线荧光光谱仪发展势头十分迅猛，成为了土壤重金属快速检

测的研究热点。例如，在2009年初推出的NITONXL变形式的X射线荧光光谱分

析仪具有较强的准确度和精确度，检测分析样品的时间只需要2-3分钟，这种便

携式的设备已经在多个国家的环保、研究机构应用于土壤中的重金属快速检测中。近两年，更新的手持式设备已经可以快速的同时分析土壤环境中的铅、铬、汞、锌、铜等等重金属含量，只需要数十秒。通过在美国、日本、英国的多次试验，

尤其是在爱尔兰的戈尔韦中一个运动场内的试验已经充分证明了，便携式的X设

想荧光谱分析仪能够对土壤中的主要重金属污染物进行精确、快速的检测，目前

我国的科学人员已经在这种仪器的内部增加了GPS的定位系统，可以主动存储每

个采样点的位置信息。

2.3生物类仪器

这一类的仪器主要基于重金属的免疫学原理以及酶抑制的原理，充分利用生

物的特异性进行了开发实现的。目前，国内外已经研发出了多种的用于水污染检

测的微生物传感器，例如，针对于重金属离子对于一些微生物的新陈代谢的影响

来检测可能存在的重金属离子污染物。正如前文所说，生物传感器应用于水质的

污染报道较少，因此基于酶抑制的研究近年来收到了广泛的关注。目前已经开发

出了一种三酶复合体系的生物传感器，即通过转化多样的酶变为复合酶的形式提

高酶抑制法的检测效率，但这样的方法仍然处于实验室的原理样机阶段。

三、结语

总之，土壤的重金属快速检测是一个十分重要的研究活动，必须要快速的实

现大面积、连续性强、密度集中的土壤现场检测，真正做到提高时效性同时确保

周围的土地不受侵害。未来，对于土壤中的重金属快速检测技术的研究必须要朝