火焰原子吸收光谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪在水质检测中的比较分析
发布时间:作者：小编来源：点击：次
水是人类发展不可缺少的自然资源,是人类和一切生物赖以生存的物质基础。但是如今随着经济的快速发展，水质污染问题日益突出，其中水质重金属污染问题尤为严重，对水环境造成了极大破坏。重金属毒性较大，容易在生物体内富集且难以降解，如果被水生植物吸收进入食物链，不仅会对自然生态造成破坏，而且对人体健康带来严重的威胁[1]。因此，要重视水质中重金属污染问题，加强对环境水质重金属的分析监测。
随着环境检测技术的不断发展进步，实验仪器的不断更新，实验室用检测仪器也是多种多样。仪器分析通常是指借助精密的分析仪器，根据物质的物理或物理化学性质来确定物质的组成及含量的分析方法[2]。火焰原子吸收光谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪都是测定水质中金属含量常用的仪器，在实验室中的应用十分普及。火焰原子吸收光谱法在20世纪50年代中期出现并逐渐发展成为一种新型的仪器分析方法，它在地质、冶金、化工、食品、环境保护、材料科学等各个领域有着广泛的应用[3,4]。电感耦合等离子体发射光谱法作为一种新型的分析方法，以准确度和精密度高、线性范围宽、分析速度快、能同时对多元素进行测定等优点已经逐步应用到环境监测的多种分析中[。火焰原子吸收光谱仪原理为试样吸入火焰中，火焰中形成的原子蒸汽对光源发射的特征电磁辐射产生吸收。将测得的样品吸光度和标准溶液的吸光度进行比较，确定样品中被测元素的含量[10]；电感耦合等离子体发射光谱仪原理为过滤或消解处理过的样品在等离子体火炬的高温下被原子化、电离、激发[11]。不同元素的原子在激发或电离时可发射出特征光谱，特征光谱的强弱与样品中原子浓度有关，即可测定样品中各元素的含量[4]。
火焰原子吸收光谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪由于依据原理的不同会造成元素含量测定结果的差异[12]，故研究比对筛选出简便快捷、准确高效的监测方法尤为重要。本文以测定铜、锌、镍元素为例，对火焰原子吸收光谱仪与电感耦合等离子体发射光谱仪在标准曲线、仪器检出限、准确度、精密度和加标回收率方面进行研究与分析，从实验数据结果对火焰原子吸收光谱仪与电感耦合等离子体发射光谱仪的优缺点进行比较，为水中重金属的测定提供可靠的方法，为检测不同样品选择适用仪器提供借鉴，不断提高水质量检验技术。
2 仪器和试剂
(1)火焰原子吸收光谱仪；(2)电感耦合等离子体发射光谱仪；(3)铜、锌、镍空心阴极灯；(4)温控数显电热板；(5)纯水；(6)硝酸：优级纯；(7)2%硝酸溶液，用(6)配制；(8)标准物质：市售有证标准物质；(9)氩气：钢瓶，纯度≥99.9999%;(10)乙炔：钢瓶，纯度≥99.9%;(11)一般实验室常用仪器和辅助设备。
3 测定
3.1 标准曲线配制及浓度
将100 mg/L铜、锌、镍混合标准溶液稀释为10 mg/L铜、锌、镍混合标准使用液，分别吸取10 mg/L铜、锌、镍混合标准使用液0.00 m L、0.50 m L、1.00 m L、2.50 m L、5.00 m L、10.00 m L置于6个50 m L容量瓶中，用2%硝酸溶液定容至标线，摇匀，得到0.00 mg/L、0.10 mg/L、0.20 mg/L、0.50 mg/L、1.00 mg/L、2.00mg/L铜、锌、镍系列混合标准溶液各50 m L。
3.2 样品的预处理
测定元素总量：量取50 m L混合均匀的水样于250 m L锥形瓶中，加入5 m L浓硝酸，置于温控加热设备上，盖上小漏斗，保持溶液温度100℃，不沸腾加热回流30 min，移去小漏斗，蒸发至溶液为5 m L时停止加热。冷却后，再加入5 m L浓硝酸，盖上小漏斗，继续加热回流，将溶液蒸发至5 m L。待上述溶液冷却后，缓慢加入3 m L过氧化氢，盖上小漏斗，并保持溶液温度100℃，加热至不再有大量气泡产生，待溶液冷却，继续加入1 m L过氧化氢，盖上小漏斗，加热至不再有大量气泡产生，移去小漏斗，继续加热，直到溶液体积蒸发至5 m L。溶液冷却后，用适量实验室用水淋洗内壁三次，转移至50 m L容量瓶中定容。
3.3 火焰原子吸收光谱仪
3.3.1 操作步骤
打开工作区排风系统，接通乙炔气体，将乙炔气体出口表压力调至0.8 MPa，空气0.3 MPa。接通循环冷却水系统，接通空气压缩机，装上对应检测元素空心阴极灯。打开仪器电源，接通计算机，双击仪器软件进入工作界面，确认连锁正常，自检完成进入工作界面。在方法编辑对话框中新建分析方法，确定分析元素，选择分析谱线，保存方法。调节燃烧头和仪器光路的相对位置得到最大灵敏度，点燃火焰吸入空白，火焰预热5 min，待仪器稳定后，由低至高依次分析标准系列各溶液，用质控样检查工作曲线准确无误后，即可对样品进行分析。
3.3.2 标准曲线分析结果
使用上述0.00 mg/L、0.1 mg/L、0.2 mg/L、0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L铜、锌、镍系列混合标准溶液，用火焰原子吸收光谱仪测得铜标准曲线：y=0.14091x+0.00272,R=0.9996>0.9990；锌标准曲线：y=0.08125x+0.00061,R=0.9999>0.9990；镍标准曲线y=0.05729x+0.00167,R=0.9995>0.9990。
3.4 电感耦合等离子体发射光谱仪
3.4.1 操作步骤
打开工作区通风系统，打开氩气，接通循环冷却水系统，接通空气压缩机，打开仪器主机，打开计算机，上好蠕动泵夹，把样品管放入去离子水中。双击仪器软件进入工作界面，确认连锁正常，自检完成进入工作界面。在方法编辑对话框中新建分析方法，确定分析元素，选择分析谱线，保存方法。开启等离子气流，辅助气流，雾化器气流，冲走管路中的空气，冲洗泵。点击等离子开启点火，点燃等离子体并等待光路自动校准完成，进行光学系统初始化后，运行10分钟，待仪器稳定后，由低至高依次分析标准系列各溶液，用质控样检查工作曲线准确无误后，即可对样品进行分析。
3.4.2 标准曲线分析结果
使用上述0.00 mg/L、0.1 mg/L、0.2 mg/L、0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L铜、锌、镍系列混合标准溶液，用电感耦合等离子体发射光谱仪测得铜标准曲线：y=426400x-1729.9,R=0.9998>0.9990；锌标准曲线：y=88000x+142.6,R=0.9999>0.9990；镍标准曲线：y=104200x+179.3,R=0.9999>0.9990。
4 仪器检出限
配制2%硝酸溶液作为空白样品，按照样品分析的全部步骤，重复11次空白实验，按照公式DL=K×S，分别计算火焰原子吸收光谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪仪器检出限(S为空白11次的浓度值的标准偏差，K值取3)，结果见表1。
表1 仪器检出限测定结果
5 准确度和精密度
选用环境保护部标准样品研究所编号为BY200935混合标准样品，用单标移液管吸取10 m L于250 m L容量瓶中，用2%硝酸溶液定容至标线并摇匀，稀释后标准样品中铜、锌、镍的样品浓度和不确定度分别为0.540±0.026 mg/L、0.780±0.038 mg/L和0.339±0.025 mg/L。用火焰原子吸收光谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪分别对BY200935混合标准样品进行6次测试，测试结果见表2。
表2 BY200935混合标准样品测定结果
6 加标回收率
选取一高含盐量废水样品，样品进过预处理后，用火焰原子吸收光谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪分别对其进行测定测定，结果见表3。
表3 加标回收率测定结果 下载原图
7 结果分析
通过对试验结果的研究分析，两种仪器测定铜、锌、镍曲线的相关系数R值均达到0.9990以上，且曲线呈良好的线性走势。两种仪器测得的铜、锌、镍系列混合标准曲线稳定且合格，可以作为测定其他样品值的基础；火焰原子吸收光谱仪铜、锌、镍元素的仪器检出限分别为0.011 mg/L、0.020 mg/L和0.041 mg/L，电感耦合等离子体发射光谱仪铜、锌、镍元素的仪器检出限分别为0.002 mg/L、0.002 mg/L和0.001 mg/L。结果表明，电感耦合等离子体发射光谱仪具有检出限低的优势；火焰原子吸收光谱仪对标准样品BY200935中铜、锌、镍测定的相对误差分别为2.0%、-4.2%、3.2%，相对标准偏差分别为0.56%、1.03%、2.90%，火焰原子吸收光谱仪铜的所有测量结果均在标准值的不确定度范围内，锌和镍大部分测量结果在标准值的不确定度范围内。电感耦合等离子体发射光谱仪对标准样品BY200935中铜、锌、镍测定结果的相对误差分别为0.9%、2.1%、0.6%，相对标准偏差分别为0.55%、0.74%、0.44%，电感耦合等离子体发射光谱仪铜、锌、镍的所有测量结果均在标准值的不确定度范围内。由此可知，电感耦合等离子体发射光谱仪具有准确度高、精密度高的优势；对高含盐量废水样品进行加标回收测定，火焰原子吸收光谱仪铜、锌、镍测得的加标回收率分别为98%、99%、99%，电感耦合等离子体发射光谱仪铜、锌、镍测得的加标回收率分别为111%、98%、93%。从试验结果可以看出，在测定高含盐量废水时，火焰原子吸收光谱仪显示出较大优势。
8 结论
综上所述，在重金属元素测定工作中，火焰原子吸收光谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪的测定结果表现出各自明显的特点,两种方法测定废水中铜、锌、镍元素的测定结果具有很强的可比性，均能满足废水中铜、锌、镍元素的测定要求。电感耦合等离子体发射光谱仪具有检出限低，准确度高、精密度高的优点，并且可同时测定多种元素，时效快。但是在测定组分复杂的样品时，容易产生基体效应，从而影响检测结果的准确性。而火焰原子吸收光谱仪检出限较高，准确度、精密度相对较低，但在抗基体干扰能力方面的优势大于电感耦合等离子体发射光谱仪。因此，在测定组分简单且待测金属元素较多的样品时，可以优先选择用电感耦合等离子体发射光谱仪；在测定组分复杂且待测样品较多、待测金属较单一的样品时，可以优先选择用火焰原子吸收光谱仪。
