原子发射光谱（ICP/AES）理论知识（11）——定量分析 光谱定量分析 光谱定量分析的基本关系式 进行光谱定量分析时，是根据被测试样光谱中欲测元素的谱线强度来确定元素浓度的。 元素的谱线强度I与该元素在试样中浓度C的关系为 I=acb 或 lgI=blgc＋ lga 光谱定量分析的基本关系式 由于试样的蒸发、激发条件，以及试样组成、形态等的任何变化，均会使参数a发生变化，都会直接影响谱线强度。这种变化，特别是激发温度的变化是很难控制的。因此，通常不采用测量谱线绝对强度的方法来进行光谱定量分析，而是采用测量谱线相对强度的方法。这就是盖拉赫于1925年首先提出来的“内标法”。 内标法光谱定量分析的原理 一、 内标法原理 在待测元素的光谱中选一条谱线作为分析线（或称杂质线），另在基体元素（或定量加入的其它元素）的光谱中选一条谱线作为内标线（或称比较线），这两条谱线组成分析线对。分析线与内标线的绝对强度的......

本科毕业设计（论文）土壤中重金属离子检测方法的研究刘茜燕山大学2014年 6月 本科毕业设计（论文） 土壤中重金属离子检测方法的研究 学 院： 环境与化学工程学院 专 业： 应用化学 学生姓名： 刘茜 学 号： 指导教师： 李阿丹副教授 答辩日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：环境与化学工程学院 系级教学单位：应用化学 学号学生姓名刘茜专 业班 级10级材料化学题目题目名称土壤中重金属离子检测方法的研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容用电热板-坩埚消解的前处理方法处理土壤样品用火焰原子吸收法、荧光法、电感耦合等离子体质谱法不同检测方法检测标样绘制出标准曲线测量试样基本要求1、查阅有关中英文文献，完成开题报告和文献综述；2、将3000字左右的英文文献翻译成中文，初步探索并确定实验方案；3、独立实验，撰写完成20000字左右的本科毕业论文。参考资料中国期刊数据库土壤中重金属离子检测方法的相关文献火焰原子吸收分光光度计、荧光分光光度计、电感耦合等离子体质谱仪的检测原理相关文献周 次第14周第510周第1113周第1416周第1718周 应完成的内容查阅相关文献，了解土壤的采集方法和前处理方法，提交文献综述。实验阶段，用电热板-坩埚消解法前处理，用三种方法测定土壤样品中锌、铜、铅、镉的含量。对试验数据进行处理计算。分析比较三种方法，并提出自己的看法。撰写毕业论文，提交论文。指导教师：李阿丹职称：副教授 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要本论文以土壤中锌、铜、铅、镉四种重金属为研究对象，用湿消解法对河北邯郸、衡水、吉林长春的采样土壤样品进行前处理，用火焰原子吸收分光光度法、分子荧光法、电感耦合等离子体质谱法对样品进行四种重金属含量的检测，并比较三种方法的检出限、灵敏度、精密度，以期得到灵敏度更高、准确度更好、速度更快的检测方法。通过对不同离子检测方法结果进行分析和比较可知，火焰原子吸收分光光度法锌、铜、铅、镉的检出限分别为0.02 limits目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景11.2 土壤中重金属污染物来源与分布11.2.1 大气中重金属沉降21.2.2 农药、化肥和塑料薄膜使用21.2.3 污水灌溉21.2.4 污泥施肥31.2.5 含重金属废弃物堆积31.2.6 金属矿山酸性废水污染41.3 土壤重金属污染带来的危害41.4 重金属分析方法的成果61.4.1 火焰原子吸收光谱法61.4.2 电感耦合等离子体质谱法81.4.3 电感耦合等离子发射光谱法91.4.4 高效液相色谱法101.4.5 分子荧光分析法101.4.6 新型检测技术111.5 土壤重金属检测方法研究的意义121.6 本文研究内容和目的12第2章 实验部分132.1 实验药品132.2 实验仪器132.2.1 主要设备132.2.2 主要玻璃仪器132.3 实验准备阶段132.4 样品前处理142.5 样品消解142.6 前处理方法的检验152.6.1 样品加标回收152.6.2 加标回收率152.7 样品检测152.7.1 火焰原子吸收分光光度法152.7.2 荧光分光光度法162.7.3 电感耦合等离子体质谱法17第3章 三种检测方法的比较与总结193.1 加标回收率的计算193.2 检测方法的比较203.2.1 火焰原子吸收分光光度法203.2.2 荧光分光光度法243.2.3 电感耦合等离子体质谱法263.3 土壤质量监测评价273.4 本章小结27结论29参考文献31致谢33附录135附录241附录349附录457III第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景重金属指比重(密度)大于4或5的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、钒、铌、钽、钛、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒1。近年来，随着工业、农业和交通运输业的迅速发展，通过各种途径进入土壤环境中的有害重金属（如Zn、Cu、Pb、Cd、Cr 等）不断增加，对农产品造成日益严重的污染和危害，生活水平的提高也促使人们更加关注果品和农产品的卫生质量问题2。不仅是重金属在生物体内的积累效应会对人类的健康造成潜在地威胁，重金属超标还会造成环境污染3。土壤重金属污染是全世界面临的一个重要环境问题。故有必要对土壤中主要重金属元素(锌、铜、铅和镉等)的状况进行研究，为环境质量现状评价和探究改良土壤提供依据4-5。因此，土壤中的重金属离子的检测手段已成为现代分析化学特别是环境分析化学领域的一个热门研究方向，这对重金属污染土壤的治理和修复有着重大的现实意义。目前,国内外很多学者对土壤系统中重金属离子的检测手段及其环境影响进行了研究，主要测定了重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr、Hg等在土壤中的含量6-8。在中国，土壤研究尚不成熟。但是这些研究的兴起，使人们逐渐认识到土壤重金属的特殊性、复杂性和其对生态环境的重要影响。土壤重金属检测是一项长期的工作，对不同的离子检测方法进行比较与总结，以期为研制出灵敏度更高、准确度更好、速度更快的检测方法提供参考。1.2 土壤中重金属污染物来源与分布土壤中重金属的来源是多途径的，首先是成土母质本身含有重金属，不同的母质、成土过程所形成的土壤含有重金属量差异很大。此外，人类工农业生产活动，也造成重金属对土壤的污染。1.2.1 大气中重金属沉降公路、铁路两侧土壤中的重金属污染，主要是Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Cu的污染为主。它们来自于含铅汽油的燃烧，汽车轮胎磨损产生的含锌粉尘等。它们成条带状分布，以公路、铁路为轴向两侧重金属污染强度逐渐减弱；随着时间的推移，公路、铁路土壤重金属污染具有很强的叠加性。经过自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染，主要以工矿烟囱、废物堆和公路为中心，向四周及两侧扩散；由城市郊区农区，随距城市的距离加大而降低，特别是城市的郊区污染较为严重。此外，还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正相关；重工业越发达，污染相对就越严重。此外，大气汞的干湿沉降也可以引起土壤中汞的含量增高。大气汞通过干湿沉降进入土壤后，被土壤中的粘土矿物和有机物的吸附或固定，富集于土壤表层，或为植物吸收而转入土壤，造成土壤汞的浓度的升高。1.2.2 农药、化肥和塑料薄膜使用施用含有铅、汞、镉、砷等的农药和不合理地施用化肥，都可以导致土壤中重金属的污染。一般过磷酸盐中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Zn、Pb，磷肥次之，氮肥和钾肥含量较低，但氮肥中铅含量较高，其中As和Cd污染严重。经过对上海地区菜园土地、粮棉地的研究，施肥后，Cd的含量从0.134 mg/kg升到0.316 mg/kg，Hg的含量从0.22 mg/kg升到0.39 mg/kg。农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中含有Cd、Pb，在大量使用塑料大棚和地膜过程中都可以造成土壤重金属的污染。1.2.3 污水灌溉污水灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。城市污水包括生活污水、商业污水和工业废水。由于城市工业化的迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使城市污水中含有的许多重金属离子，随着污水灌溉而进入土壤。在分布上，往往是靠近污染源头和城市工业区土壤污染严重，远离污染源头和城市工业区，土壤几乎不污染。近年来污水灌溉已成为农业灌溉用水的重要组成部分，中国自60年代至今，污灌面积迅速扩大，以北方旱作地区污灌最为普遍，约占全国污灌面积的90%以上。南方地区的污灌面积仅占6%，其余在西北和青藏。污灌导致土壤重金属Hg、Cd、Cr、As、Cu、Zn、Pb等含量的增加。1.2.4 污泥施肥污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素，但同时污泥中也含有大量的重金属，随着大量的市政污泥进入农田，使农田中的重金属的含量在不断增高。污泥施肥可导致土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb含量的增加，且污泥施用越多，污染就越严重，Cd、Cu、Zn引起水稻、蔬菜的污染；Cd、Hg可引起小麦、玉米的污染；污泥增加，青菜中的Cd、Cu、Zn、Ni、Pb也增加。1.2.5 含重金属废弃物堆积含重金属废弃物种类繁多，不同种类其危害方式和污染程度都不一样。污染的范围一般以废弃堆为中心向四周扩散。通过对武汉市垃圾堆放场、杭州某铬渣堆存区、城市生活垃圾场及车辆废弃场附近土壤中的重金属污染的研究，这些区域的重金属Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Sb、V、Co、Mn的含量高于当地土壤背景值，重金属在土壤中的含量和形态分布特征受其垃圾中释放率的影响，且随距离的加大重金属的含量而降低。镉是炼锌业的副产品，主要用在电池、染料或塑胶稳定剂，它比其他重金属更容易被农作物所吸附。相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，会造成污染。污染源主要是铅锌矿以及有色金属冶炼、电镀和用镉化合物作原料或触媒的工厂。镉对土壤的污染主要有气型和水型两种。气型污染主要由含镉工业废气扩散并自然沉降，蓄集于工厂周围的土壤中，污染范围有的可达数公里。水型污染主要是铅锌矿的选矿废水和有关工业（电镀、碱性电池等）废水排入地面水或渗入地下水引起的。铅污染主要来源于汽油燃烧产生的废气，含铅涂料，采矿、冶炼、铸造等工业生产活动等。铅及其化合物是一种不可降解的环境污染物，性质稳定，可通过废水、废气、废渣大量流入环境，产生污染，危害人体健康。铅对机体的损伤呈多系统性、多器官性，包括对骨髓造血系统、神经系统、消化系统及其他系统的毒害作用。作为中枢神经系统毒物，铅对儿童健康和智能的危害更为严重。1.2.6 金属矿山酸性废水污染金属矿山的开采、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等，可以被酸溶出含重金属离子的矿山酸性废水，随着矿山排水和降雨使之带入水环境（如河流等）或直接进入土壤，都可以间接或直接地造成土壤重金属污染。1989年我国有色冶金工业向环境中排放重金属Hg为56吨，Cd为88 吨，As为173 吨，Pb为226 吨。矿山酸性废水重金属污染的范围一般在矿山的周围或河流的下游，在河流中不同河段的重金属污染往往受污染源（矿山）控制，河流同一污染源的下段自上游到下游,由于金属元素迁移能力减弱和水体自净化能力的适度恢复，金属化学污染强度逐渐降低。同一区域土壤中重金属污染物的来源途径可以是单一的，也可以是多途径的。总的来说：工业化程度越高的地区污染越严重，市区高于远郊和农村，地表高于地下，污染区污染时间越长重金属积累就越多，以大气传播媒介土壤重金属污染土壤的具有很强的叠加性,熟化程度越高重金属含量越高。土壤重金属污染首先应从源头抓起，控制污染源，要充分认识土壤重金属污染的长期性、隐匿性、不可逆性以及不能完全被分解或消逝的特点。土壤质量问题是经济可持续发展和社会全面进步的战略问题，它直接影响土壤质别、水质状况、作物生长、农业产量、农产品品质等，并通过食物链对人体健康造成危害。对工业生产中排放的污染物尚未得到较彻底控制，尤其在农业生产中大量而盲目使用化学肥料和农药的今天，江河湖海、地下水及陆地中无机和有机污染物积累总量与日俱增，使土地环境质量变得极其脆弱。一旦土壤对这些污染物尤其是重金属的消纳容量达到饱和，这些污染物对耕地生产能力的潜在毁灭性破坏便有可能一触即发，有人已形象地称之为农业生产中的“定时炸弹”。从这个意义上来讲，对于我国这样一个人口众多的农业大国，开展国土质量调查评价，对土壤重金属污染物进行试验研究，显得更为必要和迫切。1.3 土壤重金属污染带来的危害从环境污染方面，重金属汞、镉、铅以及“类金属”砷等生物毒性显著。这些重金属在水中不能被分解，人饮用后毒性放大，与水中的其他毒素结合生成毒性更大的有机物。重金属对人体的伤害极大。常见的有：汞，食入后直接沉入肝脏，对大脑、神经、视力破坏极大。天然水每升水中含0.01毫克，就会导致人中毒。钒，伤人的心、肺，导致胆固醇代谢异常。 锑，与砷能使银首饰变成砖红色，对皮肤有放射性损伤。 铊，会使人多发性神经炎。锰，超量时会使人甲状腺机能亢进。也能伤害重要器官。 砷，是砒霜的组分之一，有剧毒，会致人迅速死亡。长期接触少量，会导致慢性中毒，另外还有致癌性。这些重金属中任何一种都能引起人的头痛、头晕、失眠、健忘、神精错乱、关节疼痛、结石、癌症等。铅进入人体主要有以下三个途迳：1、通过皮肤毛孔被人体吸收；2、进食被铅污染的食物，通过食道进入人体；3、人通过呼吸道吸入含铅的尘埃。铅是一种严重危害人类健康的重金属元素，它可影响神经、造血、消化、泌尿、生殖和发育、心血管、内分泌、免疫、骨骼等各类器官，主要的靶器官是神经系统和造血系统。更为严重的是它影响婴幼儿的生长和智力发育，损伤认知功能、神经行为和学习记忆等脑功能，严重者造成痴呆。铅中毒最大的特点是非特异性，不易引起人们的重视，人体吸入或食入后，最终会在骨骼、毛发、牙齿等处形成铅积累，当积累到一定量后，就会引起身体乏力、头疼、睡眠障碍、腹痛，还会导致血和尿中尿酸浓度增加，引起关节和肾脏损害。同时如果人体摄入过量的铅会损害人的神经系统及心脏和呼吸系统，使人的注意力下降，并能对人的造血功能、消化功能、生殖功能产生较大的影响。镉较其他重金属容易为农作物、蔬菜、稻米所吸收。人吃下受污染的农作物后，便一并将镉透过消化道进入人体，主要积聚于肝及肾，造成损害。另外，镉化合物微粒亦可以透过空气（香烟），由呼吸道进入人体。镉对人体中枢神经的破坏力很大，当镉毒进入人体后极难排泄，极易干扰肾功能、生殖功能。由于镉污染具有周期长、隐蔽性大等特点。镉会取代骨中钙，使骨骼严重软化，骨头寸断；镉会引起胃脏功能失调，使锌镉比降低，而导致高血压症上升。镉的毒性是潜在性的，即使饮用水中镉浓度低至0.1毫克/升，也能在人体（特别是妇女）组织中积聚，潜伏期可长达10年至30年，且早期不易觉察。1.4 重金属分析方法的成果1.4.1 火焰原子吸收光谱法火焰原子吸收光谱法是标准检验方法中的一种。操作简单，分析速度快，测定高浓度元素时干扰小、信号稳定9。王小燕等提出了在样品中加入吐温280作增敏剂的增敏法，免去了样品的前处理，其他金属离子的存在不再干扰铅的检测结果。在检测镉时，用改性花生壳固相萃取-原子吸收光谱法可以成功地测定样品中的痕量镉；潘锦武在酸性条件下加入 KI-MBK 进行萃取，解决了食品基体物质干扰问题，提高了检测结果的准确性。原子吸收光谱仪是用于测量和记录待测物质在一定条件下形成的基态原子蒸气对其特征光谱线的吸收程度并进行分析测定的仪器，原子化方式分为火焰原子化和非火焰原子化两种。光源发射的待测元素的特征谱线，通过原子化器中待测元素的原子蒸气时，部分被吸收，投过部分经分光系统和检测系统即可测得该特征谱线被吸收的程度即吸光度。根据吸光度与浓度呈线性关系的原理，即可求得待测物的含量。原子吸收光谱仪又称原子吸收分光光度计，依次由光源、原子化器、单色器、检测器等四个主要部分组成。如下图1-1所示。图1-1 原子吸收分光光度计示意图原子吸收光源的作用是发射待测元素的特征谱线，为了测定待测元素的极大吸收，必须使用待测元素制成的锐线光源。空心阴极灯的光谱区域比较广，从红外、紫外到真空紫外区均有谱线，且锐线明晰，发光强度大，输出光谱稳定，结构简单，操作方便，获得广泛应用。在放电管的两个极加足够高的电压（300500 V）时，电子将从空心阴极的内壁射向阳极，并在运动过程中与充入的惰性气体原子相互碰撞而使之电离，产生带正电荷的惰性气体原子。该正离子在电场作用下，高速射向阴极，使阴极表面金属原子溅射出来。溅射出来的原子再与电子、惰性气体原子及离子发生碰撞而被激发。处于激发态的粒子不稳定，很快就会返回基态，并以光的形式释放出多余的能量，产生待测元素的特征光谱线。原子化器的功能是提供能量，使试样干燥、蒸发并使试样中的待测元素转化为基态原子，以便对特征光谱线进行吸收。火焰原子化法，常用预混合型原子化器，其操作简单，对大多数元素有较高的灵敏度，应用广泛。预混合型原子化器由雾化器、雾化室、供气系统和燃烧室组成。燃气和助燃气在雾花室中预混合后,在燃烧器缝口点燃形成火焰。用于原子吸收光谱分析的气体混合物有：空气-氢气、氩气-氢气、空气-丙烷、空气-乙炔和氧化亚氮-乙炔等。应用最多的火焰是空气-乙炔火焰。使用空气-乙炔火焰的原子吸收光谱分析可以分析约35种元素，这种火焰的温度约为2600 K，燃烧稳定，重现性好，噪声低，使用较安全，操作较简单。原子吸收分光光度计的分光系统可分为两部分，即外光路和单色器。外光路也称照明系统，由锐线光源和两个透镜组成。它的作用是使锐线光源辐射的共振发射线能正确地通过或聚焦于原子化区，并把透过光聚焦于单色器的入射狭缝。单色器也称为内光路，它包括入射狭缝、光栅、凹面发射镜和出射狭缝。单色器由入射和出射狭缝、反射镜和色散元件组成。色散元件一般都用光栅。单色器可将被测元素的共振吸收与邻近谱线分开。原子吸收检测系统是由光电转换器、放大器和显示器组成，它的作用就是把单色器分出的光信号转换为电信号，经放大器放大后以透射率或吸光度的形式显示出来。1.4.2 电感耦合等离子体质谱法电感耦合等离子体质谱法是将电感耦合等离子体与质谱连用，利用电感耦合等离子体使样品气化并原子化，将待测金属分离出来，从而进入质谱依据元素质量特征进行测定10-12。孙明星等采用酸消解高锰酸钾氧化、甲醇溶剂化，电感耦合等离子体质谱法同时测定化肥中的微量元素 Cr、Cd、As、Pb、Hg，克服了化学法、原子吸收法测定上述元素灵敏度不高、分析时间长等不足，也避免了汞需分离后单独测定的麻烦，完全能满足微量及痕量元素的分析要求13-14。王娜采用微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定土壤中砷的含量。样品经过微波消解，在线加入内标校正，通过修正方程校正质量干扰。苏永祺等采用微波高压消化仪消解奶粉样品，以电感耦合等离子体质谱法测定奶粉中的Cr 含量。实验结果显示，当 Cr 浓度在1500 g/L 时，呈良好的线性关系， 测得的相对标准偏差为 0.92%4.21%，回收率为95.6%102.2%，并且该结果与采用干灰化原子吸收石墨炉法测定的结果一致。电感耦合等离子体质谱法还用来检测5 类木腐真菌中 Cd、 Cu 、Pb 和 Zn 的含量，药物中重金属如 As、Cd、In、Sn、Sb、Pd 等的含量，调味品中As的含量，海带、紫菜中 Pd、Cd 的含量，地球样品中V和 Cr 的含量15-19。在ICP-MS中，ICP作为质谱的高温离子源，样品在通道中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。离子通过样品锥接口和离子传输系统进进高真空的MS部分，MS部分为四极快速扫描质谱仪，通过高速顺序扫描分离测定所有离子，扫描元素质量数范围从6到260，并通过高速双通道分离后的离子进行检测。ICP做为MS的离子源在于它很好地解决了离子源设计中碰到的两个基本问题：一是获得进样条件和样品激发所需要的可控又无沾污的适当高温环境；二是将样品快速完全地引入到一个对所有期望发生的过程都有足够滞留时间的环境。为了尽可能地把许多离子聚集成一束并通过质量分析器,在截取锥之后有一个静电透镜系统，但通常在透镜系统之前使用一个某种形式的阀门,这个阀门能够在分离器之后的通入到高真空区域形成可关闭通道。质量分析器工作需要的低气压由扩散泵或涡轮分子泵产生，用一个差分抽气小孔隔开，采用两级抽气。离子透镜轴上使用一个光子挡板以阻挡从等离子体来的光子直射到离子检测器形成背景。光子挡板的尺寸由它后面的孔径决定，并在后面孔上投射阴影。离子透镜的功能是把截取锥后面的离子云尽可能多的在四极质量分析器的入口处形成圆截面的轴向束。四极杆系统，杆的直径为1218 mm。离子在四极杆系统入口处的能量主要是离子源等离子体和(杆)系统之间的直流电势差。因为高于提取孔的等离子体的电势由等离子体的激发和工作参数所决定，所以通常设置一个“调节分析杆”调节锥口部分的平均直流电压。这个极偏压能够使电势落在根据最佳离子能量而设置的等离子体和四极杆之间。四极杆质量分析的作用相当一个滤质器，能够通过四极杆质量分析器离子通道的仅仅是一个质量单位的离子。其它质量的离子发生离轴偏转被过滤掉。1.4.3 电感耦合等离子发射光谱法高频感应电流产生的高温将反应气加热、电离，利用待测元素发出的特征谱线对其进行测定，特征谱线的强度与该重金属的量成正比20。方刑有等采用电感耦合等离子发射光谱法同时测定防腐处理后木材中可溶性Cu、Cr、As，在最优化实验条件下，该方法在0.510.0 mg/L 范围内线性良好，相对标准偏差为0.5%1.2%，加标回收率为 97%102%，与原子吸收光谱法的测定结果相吻合。 采用电感耦合等离子发射光谱法同时测定防腐处理后木材中可溶性Cu、Cr、As，方法快速简便，灵敏度高，精密度与准确度均符合要求。李海峰等采用 DPTA 浸提剂提取土壤中有效 Cu、Zn、Fe、Mn，然后用电感耦合等离子体原子发射光谱法快速测定，Cu、Zn、Fe、Mn 的检出限依次为0.011 mg /L、0.017 mg /L、0.006 mg /L、0.013 mg /L，应用该方法对国家标准土壤样品的检测结果和标准值基本一致，相对标准偏差小于3.9%21。Karami 等建立了一种流动注射分析系统，通过电感耦合等离子体发射光谱法实现对水溶中 Bi2 +、Cd2 +、Co2 +、Cu2 +、Fe3 +、Ni2 +、Pb2 +、Zn2 +浓度的检测22。另外，电感耦合等离子发射光谱法对于检测环境水样中痕量的 Cd、Co、Cr、Ni、Pb和Zn，检测Cr3 +和 Cr6 +，矿石中的 Au、W含量，测定大气颗粒物中重金属 Mn、Ni、Cd、Cu、Pb含量等，都取得了不错的效果23。1.4.4 高效液相色谱法痕量金属离子与有机试剂形成稳定的有色络合物，然后用HPLC分离，紫外可见检测器检测，可实现多元素同时测定。卟啉类试剂具有灵敏度高，能和多种金属元素生成稳定的络合物，目前已广泛用作HPLC测定金属离子的衍生试剂。但络合试剂的选择有限，给HPLC的广泛应用带来了局限性。1.4.5 分子荧光分析法荧光法是处于第一激发单重态的分子返回基态单重态分子状态产生荧光被捕捉到，是一种测量和记录荧光强度，并进行分析测定的方法24。以一定强度的激发光经第一单色器分光，选择最佳波长的光去激发液池内的荧光物质，该物质发出的荧光可射向四面八方，但通过液池后的激发余光是沿直线传播的。检测器不对准光源，通常在液池的一边，与激发光传播方向成直角关系，以准确地进行荧光测定。荧光分光光度法是以一定强度的激发光经第一单色器分光，选择最佳波长的光去激发液池内的荧光物质。该物质发出的荧光可射向四面八方，但通过液池后的激发余光是沿直线传播的。为了准确地进行荧光测定，检测器不能直接对准光源，通常在液池的一边，与激发光传播方向成直角关系。这样，强烈的激发余光不会显著干扰测定，也减少了损坏检测器的可能性。第一单色器的作用是给荧光物质选择具有特定波长的激发光，第二单色器的作用是滤除荧光液池的反射光、瑞利和拉曼光以及溶液中干扰物质产生的荧光，提高测定的选择性，只允许待测物质的特征荧光照射到检测器上进行光电信号转换，并经信号系统放大，由数据处理及显示系统（工作站）以适当形式报告出来。用双硫腙（简称DZ）与金属形成螯合物，再用荧光法检测的方法也成为双硫腙分光光度法。以双硫腙为螯合剂，使之与金属离子反应生成带色物质，而后用分光光度法测定该金属离子的方法，是环境监测中常用的一种间接、萃取分光光度法。双硫腙学名二苯基硫卡巴，蓝黑色结晶，可溶于三氯甲烷及四氯化碳中，其溶液呈绿色。金属离子在形成螯合物后，在颜色、氧化还原稳定性、溶解度及晶形等性质发生了巨大的变化。这种方法简便易行，比较符合实际，在生物科学、环境科学、医药学、免疫学以及食品分析、卫生检验、农林牧产品分析、工农业生产和科研等领域得到了广泛的应用。1.4.6 新型检测技术这里所说的新型检测技术是指酶抑制法和免疫分析法。酶抑制法测定重金属的基本原理就是重金属离子与形成酶活性中心的巯基或甲巯基结合后，改变了酶活性中心的结构与性质，引起酶活力下降，从而使底物酶系统中的显色剂颜色、pH、电导率和吸光度等发生变化，这些变化可直接通过肉眼或借助于电信号、光信号等加以区别。与传统的重金属分析方法相比，酶抑制法具有快速、简便、对所分析的样品需要量少等优点，受到国内外学者的关注。目前用于痕量重金属测定的常用酶有脲酶、过氧化物酶、黄嘌呤氧化酶、葡萄糖氧化酶、丁肽胆碱脂酶和异柠檬酸脱氢酶等。由于脲酶廉价易得，故使用最广泛。免疫分析法是一种具有高度特异性和灵敏度的分析方法, 重金属离子的免疫检测按照抗体的种类，可分为多克隆抗体免疫检测和单克隆抗体免疫检测，后者又有间接竞争性ELISA一步法免疫检测。用免疫分析法对重金属离子进行分析，首先必须进行两方面的工作：第一是选用合适的络合物或其它化合物与金属离子结合，使其获得一定空间结构，从而产生反应原性；第二是将结合了金属离子的化合物连接到载体蛋白上，产生免疫原性,其中与金属离子结合的化合物的选择是能否制备出特异性抗体的关键。的关键。Johnson和Darwish应用免疫法实现了对Cd2+离子的检测。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。免疫分析法检测速度快、灵敏度高、选择性强，在重金属快速检测方面有一定的研究前景。在中国，土壤研究尚不成熟。但是这些研究的兴起，使人们逐渐认识到土壤重金属的特殊性、复杂性和其对生态环境的重要影响。1.5 土壤重金属检测方法研究的意义土壤重金属检测是一项长期的工作，要求各种检测手段向更高灵敏度、更高选择性、更方便快捷的方向发展，不断推出新的方法来解决遇到的新的分析问题。对比检测重金属的传统方法（原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体质谱法、电感偶合等离子发射光谱法等）和新发展起来的方法(免疫分析法等)。传统方法的应用比较成熟，但是其所需仪器价格昂贵，携带不方便。随着电子技术、信息技术和遥感技术的发展，越来越迫切的需要能够实现连续在线监测重金属的方法，尤其是在环境监测方面显得尤为重要。新兴检测重金属的方法，具有轻便、操作简单、灵敏度高等优点，但这些新兴方法制作繁琐，检测结果重现性和稳定性不够好。鉴于以上所述，未来重金属检测技术的发展方向应该向所需设备简单易携带、灵敏度高且稳定性强、检测结果重现性好、所需成本低的方向发展，并且应该着重致力于连续在线监测技术的研究。1.6 本文研究内容和目的本论文以土壤中锌、铜、铅、镉四种重金属为研究对象，用梅花点法对河北邯郸、衡水、吉林长春的土壤进行采集，湿消化法进行前处理，并且用火焰原子吸收分光光度法、分子荧光法、电感耦合等离子体质谱法对样品进行四种重金属含量的检测，并比较三种方法的检出限、灵敏度、精密度。对土壤中主要重金属元素(锌、铜、铅和镉)的状况进行研究，可以为环境质量现状评价和探究改良土壤提供依据，土壤重金属检测是一项长期的工作，通过对不同的离子检测方法进行比较与总结，以期为研制出灵敏度更高、准确度更好、速度更快的检测方法提供参考。68第2章 实验部分第2章 实验部分2.1 实验药品药品生产公司盐酸.(分析纯) 天津市四友精细化学品有限公司硝酸(优级纯) 天津市科密欧化学试剂有限公司高氯酸(优级纯) 秦皇岛市德胜化学品有限公司硫酸(分析纯) 天津市四友精细化学品有限公司无水乙醇(分析纯)天津市科密欧化学试剂有限公司双硫腙天津市四友精细化学品有限公司锌标准溶液天津市科密欧化学试剂有限公司铜标准溶液天津市科密欧化学试剂有限公司铅标准溶液天津市科密欧化学试剂有限公司镉标准溶液天津市科密欧化学试剂有限公司氨水(分析纯)天津市科密欧化学试剂有限公司氯化铵天津市科密欧化学试剂有限公司2.2 实验仪器2.2.1 主要设备分析天平、火焰原子吸收分光光度计、荧光分光光度计、电感耦合等离子体质谱仪、电热板。2.2.2 主要玻璃仪器烧杯（50 mL、100 mL）、容量瓶（10 mL、25 mL、50 mL）、锥形瓶、量筒（10 mL、50 mL、100 mL）、移液管、玻璃棒。2.3 实验准备阶段样品的采集：每个土壤采样点设 37 个采样区，单个采样区可以是自然分割的一个田块，也可以由多个田块所构成，其范围以 200 m200 m左右为宜。每个采样区的样品为农田土壤混合样。混合样的采样选用梅花点法（适用于面积较小，地势平坦，土壤组成和受污染程度相对比较均匀的地块，设分点5个左右）。梅花点法如图2-1所示。图2-1 梅花点法示意图用梅花点法在邯郸两处耕作层、衡水一处耕作层和长春一处耕作层采集土样。选择离铁路、公路300 m以上，不施或少施化肥、农药的地块作为采样点，以使样品点尽可能少受人为活动的影响。采集耕作层土，采样深度一般 020 cm，我们采集深度选定为5 cm左右，收集每个采样点的样品。2.4 样品前处理在风干室将土样放置于风干盘中，摊成 23 cm 的薄层，适时地压碎、翻动，拣出碎石、砂砾、植物残体，反复按四分法弃取，每个采样点收集1 kg样品。在100 C下烘干5小时，冷却后用研钵手动磨细。用100目尼龙筛过筛。研磨过筛混匀后的样品，分别装于样品袋，填写土壤标签保存。2.5 样品消解称取1 g混匀后的样品于硬质锥形瓶中，加入混合消化液（浓硝酸与高氯酸体积比5:2）10 mL，浓硫酸0.5 mL，放置片刻，缓缓加热。待作用缓和后，置于电热板上加热消化，至产生大量白烟，消化液透明无色或微黄色。消化不完全时，补加浓硝酸10 mL，浓硫酸5 mL，继续加热，直至产生大量SO3白烟，消化液透明无色或微黄色为止。冷却，用DDH2O定容到100 mL容量瓶。在每份1 g的样品中添加锌、铜、铅、镉浓度均为0.5 g/mL的标准溶液，进行同样方法的消化处理，至消化液透明无色或微黄色为止。冷却，用DDH2O定容到100 mL容量瓶。2.6 前处理方法的检验 2.6.1 样品加标回收每份土壤样称取1 g混匀后的样品于硬质锥形瓶中，先加入锌、铜、铅、镉均为0.5 g/mL的混合标液1 mL，加入混合消化液（浓硝酸与高氯酸体积比5:2）10 mL，浓硫酸0.5 mL，放置片刻，缓缓加热。待作用缓和后，置于电热板上加热消化，至产生大量白烟，消化液透明无色或微黄色。冷却，用DDH2O定容到100 mL容量瓶，待测。用火焰原子吸收分光光度法对加标后的样品进行锌、铜、铅、镉含量的检测。2.6.2 加标回收率样品加标回收：相同的样品取两份，其中一份加入定量的待测成分标准物质；两份同时按相同的分析步骤分析，加标的一份所得的结果减去未加标一份所得的结果，其差值同加入标准物质的理论值之比即为样品加标回收率。加标回收率的计算, 是实验室内经常用以自控的一种质量控制技术。加标回收率= (加标试样测定值试样测定值)加标量100%。2.7 样品检测2.7.1 火焰原子吸收分光光度法光源发射的待测元素的特征谱线，通过原子化器中待测元素的原子蒸气时，部分被吸收，投过部分经分光系统和检测系统即可测得该特征谱线被吸收的程度即吸光度。根据吸光度与浓度呈线性关系的原理，求得待测物的含量。火焰原子吸收分光光度法要选择合适的测定条件。1、狭缝宽度狭缝宽度的确定方法一般是调节不同的狭缝宽度测量试液的吸光度。当狭缝增宽到一定程度时，由于其他谱线或非吸收光出现在光谱通带内，使吸光度减小。因此，不引起吸光度减小的最大狭缝宽度是最合适的狭缝宽度。如表2-1所示。表2-1 不同元素最合适狭缝宽度元素锌铜铅镉狭缝宽度mm0.50.51.01.02、灯电流空心阴极灯的发射特性依赖于工作电流。灯的工作电流过低，光输出稳定性差，强度弱；灯的工作电流过大，放电不稳定，谱线变宽严重，灵敏度下降，校正曲线弯曲，灯的寿命减短。实际工作中，选择原则是在保证输出稳定和适当光强的条件下尽量选用低的工作电流。锌、铜、铅、镉元素的空心阴极灯工作电流如表2-2所示。表2-2 不同元素灯最佳工作电流元素锌铜铅镉工作电流mA86108用标准曲线法定量分析：配制一系列标准溶液，在给定的实验条件下，分别测得其吸光度A，以A为纵坐标，待测元素相应的浓度c为横坐标，绘制A-c标准曲线。在相同实验条件下，测出待测试样溶液的吸光度，在标准曲线上查出其浓度，求出待测元素的含量。把不同浓度的标样多次检测，根据峰面积跟浓度，用origin作图，得到各个物质的标准曲线。2.7.2荧光分光光度法用双硫腙（简称DZ）与金属形成螯合物，再用荧光法检测的方法也成为双硫腙分光光度法。以双硫腙为螯合剂，使之与金属离子反应生成带色物质，而后用分光光度法测定该金属离子。双硫腙学名二苯基硫卡巴，蓝黑色结晶，可溶于三氯甲烷及四氯化碳中，其溶液呈绿色。金属离子在形成螯合物后，在颜色、氧化还原稳定性、溶解度及晶形等性质发生了巨大的变化。表2-4是金属螯合物的颜色。络合物颜色Zn mL，摇匀，取适量于石英池中，设定激发波长和发射波长，扫描不同浓度溶液的发射光谱，以其峰高处对应的相对荧光强度与浓度作标准曲线。再测定样品的荧光强度在标准曲线上查找浓度。同理，铜、铅、镉元素也是如此。我们选择ZnDZ激发波长为240.0 nm，发射波长为270.0 nm。CuDZ激发波长为343.0 nm，发射波长为370.0 nm。铅、镉与双硫腙的螯合物与锌、铜的实验原理及操作步骤类似，但是由于铅、镉试剂毒害性较大，本实验未做。2.7.3电感耦合等离子体质谱法在ICP-MS中，ICP作为质谱的高温离子源，样品在通道中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。仪器系统使用的是直径为18 mm的炬管，等离子体的频率通常为27 MHz，入射功率为12 kW。四极杆系统，杆的直径为1218 mm，长200 mm。四极杆质量分析的作用相当一个滤质器，能够通过四极杆质量分析器离子通道的仅仅是一个质量单位的离子。其它质量的离子发生离轴偏转被过滤掉。配制10 s，选择ICPtune标签，待样品进入雾化室后，点击single得到单张谱图，观察每个质量数的扫描所得强度、不同元素强度之比以及元素与相应氧化物之间的比值。测单元素时，IBe/IRh10%可接受，20%最好，并且ICeO/(ICeO+ICe)100%5%。调谐完成后，将AquisitionTime改回5 s，即可进行测定，将进样管放入离子水中，冲洗几分钟之后，对样品进行检测。设置白化器参数，在preset 页面Blanker table 中设置相应的质量范围，对该质量数进行屏蔽，此时将不扫描该段质量数。第3章 三种检测方法的比较和总结第3章 三种检测方法的比较与总结3.1 加标回收率的计算 加标回收率的测定, 是实验室内经常用以自控的一种质量控制技术。加标回收率= (加标试样测定值试样测定值)加标量100%。将未加标液的测定值与加标液测定值进行回收率的计算，表3-1为加标回收率计算值。表 3-1 样品加标回收率样品重金属元素样品浓度g/mL加标量g加标回收率邯郸A锌0..1%铜0..2%铅0..2%镉0..0%邯郸B锌0..2%铜1..8%铅0..0%镉0..0%衡水锌0..1%铜0..1%铅0..0%镉0..5%长春锌0..9%铜0..7%铅0..4%镉0..5%加标回收考察的是前处理和上仪器测试全过程中待测目标物的前处理情况（包括是否全部从样品中提取出来，是否在前处理过程中有损失或污染）。回收率一般在90-110%之间比较合适。我们看到表3-1中加标回收率均大于90%，说明此消解方法有效可行。3.2 检测方法的比较土壤重金属检测是一项长期的工作，要求各种检测手段向更高灵敏度、更高选择性、更方便快捷的方向发展，不断推出新的方法来解决遇到的新的分析问题。用火焰原子吸收分光光度法、分子荧光法、电感耦合等离子体质谱法对样品进行四种重金属含量的检测，并比较三种方法的检出限、灵敏度、精密度。对土壤中主要重金属元素(锌、铜、铅和镉)的状况进行研究，可以为环境质量现状评价和探究改良土壤提供依据，同时为研制出灵敏度更高、准确度更好、速度更快的检测方法提供参考。3.2.1 火焰原子吸收分光光度法在相同实验条件下，测出待测试样溶液的吸光度，在标准曲线上查出其浓度，求出待测元素的含量。把不同浓度的标样多次检测，根据峰面积跟浓度，用origin作图，得到各个物质的标准曲线。如图，图3-1为锌元素不同浓度标液的标准曲线图，图3-2为铜元素不同浓度标液的标准曲线图，图3-3为铅元素不同浓度标液的标准曲线图，图3-4为镉元素不同浓度标液的标准曲线图。得到标准曲线后，根据浓度与吸光度的函数关系，求出样品中锌、铜、铅、镉金属含量。吸光度锌浓度（g/mL）图3-1 锌元素标准曲线图吸光度铜浓度（g/mL）图3-2 铜元素标准曲线图吸光度铅浓度（g/mL）图3-3 铅元素标准曲线图吸光度镉浓度（g/mL）图3-4 镉元素标准曲线图实验结果如表3-2所示。样品重金属元素吸光度样品浓度g/mL邯郸A锌0.铜0.铅0.镉0.邯郸B锌0.铜0.铅0.镉0.衡水锌0.铜0.铅0.镉0.长春锌0.铜0.铅0.镉0.表3-2 样品实验结果取含锌、铜、铅、镉的混合标液做11次平行测定，求出标准偏差，锌、铜、铅、镉的检出限分别为0.02 g/mL、0.03 g/mL、0.02 g/mL、0.05 g/mL。四种金属标准曲线分别为：Zn：y=0.767，=0.9990；Cu：y=0.063，=0.9980；Pb：y=0.0010-7，=0.9999；Cd：y=0.4110-5，=0.9995。锌、铜、铅、镉的加标回收率分别为93.1%95.5%，91.8%92.7%，90.0%90.4%，90.0%91.5%，仪器精密度为5%。此方法选择性较强、灵敏度较高、分析范围广、抗干扰能力强、精密度较高。其不足之处是多元素同时测定有困难，检测速度较慢，对复杂样品分析干扰也较严重。3.2.2 荧光分光光度法ZnDZ激发波长为240.0 nm，发射波长为270.0 nm。CuDZ激发波长为343.0 nm，发射波长为370.0 nm时，荧光分光光度计检测标液-双硫腙络合液及样品-