ICPMS在環境監測方面的應用

電感耦合等離子體質譜法ICP - MS ( inductively coupledplasma mass spectrometry) 是20 世紀80 年代發展起來的一項無機元素分析技術，能夠檢測和測量樣品中無機元素的含量，對多種元素可同時分析，能夠高效率完成樣品中多種痕量元素的測定工作。它具有檢出限低( 一般在10-15 ～ 10-12 級，即( pg /L ～ng /L) ，靈敏度高，分析精度高，分析元素范圍寬等特點，目前該技術已經被廣泛應用于環境樣品( 土壤、水質檢測) 、固體廢物( 痕量金屬污染) 、環境應急分析( 同位素分析、放射性核素) 等各個方面。ICP-MS 主要有氣體供應系統、真空系統、射頻功率源、樣品提取系統、離子透射系統、碰撞反應池系統、四級桿質量過濾器及離子檢測器組成。儀器主要分為兩部分: 電感耦合等離體( ICP) 是一種高溫離子源，能夠把引入的樣品從分子狀態變為離子狀態; 質譜( MS) 是離子檢測器。質譜檢測器不同，使用的質量過濾器也不同，主要有四級桿質譜、磁質譜或飛行時間質譜。

1 電感耦合等離子體質譜法干擾及消除電感耦合等離子體質譜法主要干擾為質譜干擾和非質譜干擾。　　

1.1 質譜干擾及校正　　

質譜干擾主要分為同量異位素重疊、氧化物干擾、雙電荷離子干擾和多原子離子干擾。　　

( 1) 同量異位素重疊即具有相同質量數的不同元素的重疊干擾，如48Ca 對48Ti 干擾。有時同量異位素重疊可能引起嚴重的干擾，但由豐度比可知，因為對絕大多數元素其豐度比是穩定的，所以可通過測定干擾物的另一個同位素，然后在待測物峰處扣除干擾峰而得以校正。由于ICP-MS 采用氬氣作為載氣，因此在測定鈣因素時，這種類型干擾最嚴重的是氬和鈣的主要同位素的重合，因而鈣只能用小豐度同位素44Ca 測定。由于鈣在自然界中背景值較高，極少以很低濃度出現，因而小豐度同位素測定通常是可以接受的，也能獲得較高的靈敏度。　　

( 2) 氧化物干擾: 在ICP-MS 分析中氧化物響應的程度常以氧化物峰的大小對金屬峰大小的比值MO+ /M+表示( 即MO+ /( M+ +MO+ ) 比值的近似，正常操作條件下，一般不超過5%，因此對結果的影響可以接受) ，一般要使MO+ /M+ 小于1. 5%。水溶液中的樣品在原子化時由水蒸氣分解產生過量的氧原子，因而隨進樣系統導入的水量影響MO 的分解程度。減少導入水量可能使ICP 更適合作為離子源，特別是較低的氧含量能減少譜圖中氧化物離子的比例。約低于7 ℃的溫度可將水蒸氣含量減至可忽略的水平。　　

( 3) 雙電荷離子干擾: 如138Ba2+干擾69Ga，一般小于1%。　　

( 4) 多原子離子干擾: 對于1 μg /mL 級的樣品溶液，等離子體中等離子氣和基體核素的中性粒子與離子的數量可比痕量分析物的數量大108 倍，這就不可避免地使大量粒子之間產生反應，即使反應速率很低，生成的離子也將對分析結果造成干擾。這種反應主要發生在數量最多的氬、氧、氫之間，組合產生OH-3 、ArO+和ArH+等離子。　　

1.2 非質譜干擾　　在ICP-MS 分析中，非質譜干擾一般分為兩類: 基體效應和物理效應。基體效應程度取決于基體元素的絕對量而非基體元素與被測元素的相對比例。物理效應直接和鹽類在取樣錐孔的堆積有關，控制測試溶液中的含鹽量，是減輕物理效應的有效手段。　　

2 ICP-MS 在環境監測中的應用與最新進展　　

2. 1 固體廢物中金屬元素的監測分析　　

固體廢物是指在生產建設、日常生活和其他活動中產生的污染環境的固態、半固態廢棄物質，固體廢物如果不進行正確處置而排入環境中，一些有毒成份如金屬元素就會污染河流、湖泊或進入土壤，使得水體和土壤受到污染。由于金屬元素具有不能被生物降解的特性，一旦金屬元素進入水體和土壤，就會在食物鏈中富集，進入人體，引發水俁病( 汞) 、骨痛病( 鎘) 等疾病，嚴重危害人類健康。　　我國對固體廢物中金屬元素的分析方法采用是《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》( GB5085. 3-2007) 所規定的方法，規定了50 個監測項目，涵蓋了無機重金屬及化合物，其無機污染物主要包括各種金屬元素和類金屬元素及氰根離子、硫離子、氟離子、硫酸根等各種陰離子，新的分析方法ICP-MS 彌補了固體廢物分析方法的缺失，完善了我國固體廢物監測體系。李龍宇等使用ICP-MS 對污水處理廠不同處理工段的污水污泥樣品中重金屬的總量和形態進行測定。胡忻等利用ICP-MS 測定城市污泥中重金屬元素Cd、Pb，由于城市污泥成分復雜，因含有豐富的有機質等致使樣品的預處理困難，此分析方法可以快速有效地監測污泥中重金屬元素含量。陳思楊等利用ICP-MS 分析北京城市污泥中鉛砷鉻形態濃度，由于城市污泥中重金屬的難降解和高毒性限制了污泥的資源化利用，采用BCR 三步浸提法對污泥對污泥中鉛砷鉻的三種形態進行提取，以硝酸-高氯酸進行消解，利用ICP -MS 檢測鉛砷鉻含量和各種形態的含量，為北京城市污泥的資源開發研究提供基礎數據。Morgana Frena 等提出了利用ICP -MS 分析技術，能夠快速測定河口沉積物樣品中的金屬微量元素。

2. 2 水、土壤環境的監測分析　　

水環境和土壤環境在環境監測項目中屬于重要內容，ICPMS技術具有靈敏度高的特點，對環境水樣和土壤樣品的超痕量分析非常有用。對于環境水樣品，經過簡單的前處理( 如酸化和過濾) 即可進行快速、多元素分析。任海平等探討了ICP-MS 在某地飲用水水源地微量無機元素中的監測應用，經研究表明ICP-MS 可準確監測出水中的多種金屬的指標，快捷方便，檢測限低，準確度和靈敏度均較高，金屬元素監測優勢顯著。馮麗萍采用ICP -MS 同時測定地表水中砷、銻、鉛、鉈、鎘、鈹、鈷和釩8 中金屬元素含量，通過對質譜干擾和非質譜干擾校正，用外標法定量，實現了準確快速同時測定金屬元素的目的。Yatai Li 等采用ICP-MS 法精確測定高鹽地下水中超痕量的稀土元素。樣品先經氫氧化鐵共沉淀除去K、Na、Ca 等元素的干擾，然后采用在線氣溶膠稀釋技術減少分析檢測過程中的基體效應和光譜干擾。實現了對高鹽地下水中超痕量稀土元素的測定，ICP-MS 分析技術有望實現測定各種高鹽水樣品中痕量稀土元素。Jeanette E. O'Sullivan 等采用自動化處理過程，使用ICP -MS 分析技術測定海水中的Cd、Co、Cu、Ni、Pb 和Zn 元素，該方法可為檢測其他領域遠洋海水中的微量元素提供參考。　　

對于土壤污染，需要對污染土壤進行土壤分析和質量分析，而ICP-MS 檢測技術已廣泛應用到了土壤元素分析，并且該技術可同時檢測土壤中的多種元素。如張建中采用微波消解ICP-MS 測定土壤中的鉻，通過在土壤樣品加入氫氟酸和硝酸在一定的條件下微波消解，在低溫低壓條件下進行趕酸，探討了ICP-MS 儀器工作條件及影響測定的因素，結果表明微波消解ICP-MS 測定土壤中的鉻準確、快速、干擾小、重復性好，適用于土壤中總鉻含量的測定。蘇榮等建立了微波消解-電感耦合等離子質譜法測定土壤中10 種元素的分析方法，研究了同位素干擾對土壤測定的影響，建立的方法樣品處理程序簡單快速，線性范圍寬，分析重現性好，結果準確，適用于大批量土壤樣品的分析。

2. 3 環境應急分析　　

近年來，環境應急事故頻發，在事故狀態下的應急處理要求對環境介質中主要污染物進行快速分析，為應急處理提供參考依據，面對環境應急事故，ICP-MS 半定量分析技術可迅速檢定環境中所有可能存在的元素或同位素的響應，從而對未知樣品濃度進行估算。施章宏等研究了在核事故狀態下，對事故中的涉鈾人員通過ICP-MS 技術測量尿樣中鈾同位素，將其作為內照射劑量評價的主要手段。實現了對環境介質中的放射性核素進行快速分析，從而使的涉鈾人員能得到及時有效救治。沈沁怡等利用ICP-MS 半定量分析對應急監測水樣進行全譜圖掃描，初步判斷質量范圍6～ 260 的所有重金屬離子及其同位素的濃度，快速找到主要重金屬污染物，對應急監測過程中的復雜基體水樣、未知水樣的分析具有實際應用意義。　　

3 結語　　

綜上所述，與傳統的無機分析技術相比，ICP-MS 技術提供了最低的檢出限、最寬的動態線性范圍、干擾最少、分析精密度高、分析速度快、可進行多元素同時測定以及可提供精確的同位素信息等優點。因此，該技術必將為環境監測分析技術提供強有力的支持。