浅析现代仪器分析技术在环境监测中的应用

摘 要：随着我国环境质量的不断恶化，环境监测受到重视，越来越多的现代仪器分析技术被应用到环境监测领域，用来提高监测结果的准确度和灵敏度。该文详细介绍了我国环境污染的特点，以及传统环境监测分析技术的不足之处，对紫外-可见分光光度法、原子吸收分光光度法、气象色谱法、高效液相色谱法、离子色谱法、电感耦合等离子体质谱法、气-质联用技术等现代仪器分析技术在环境监测中的应用进行了详细阐述，并对未来环境监测与保护的发展做了展望。

关键词：环境监测 仪器分析技术 应用 现代

中图分类号：X502 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（c）-0081-04

Abstract：With the continuous deterioration of environment quality， environmental monitoring has gained public attention. An increasing number of modern instrument analytical techniques are applying to the field of environmental monitoring to improve the accuracy and sensitivity of monitoring results. This paper introduces the features of environmental monitoring， the insufficiency of conventional environment-monitoring analytical technology， elucidates the application of modern instrument analytical techniques like spectrophotometry， ICP-MS， chromatography and GC-MS Technology， and also looks into the future development of environmental monitoring and protection.

Key Words：Environmental monitoring； Instrument analytical techniques； Application；Modern

我国经济社会的快速发展，生活水平不断提高，环境问题已成为当今社会关注的重大问题之一，环境质量和生态保护越来越受到重视。环境状况的好坏影响到人类健康状态以及可持续发展。针对已被污染环境的治理与改善，是经济快速发展的今天需重视的问题。

随着人类不断开发与认识自然，对所遇到的环境问题不断深入的同时，对环境污染物的行为、毒性、来源等研究也更为深入，对污染定性定量的分析技术要求更高。环境监测不再局限于天平、滴定等仪器与技术，现代仪器分析技术已逐渐成为环境污染物监测的核心技术[1-2]，为人们提供了更精确、更有价值的参考数据[3]。随着现代仪器分析技术大量地应用，环境监测与保护工作也不断推进。

1 环境监测的必要性

环境监测指的是人类对周围环境状况监视性测定等一类活动。人们对能够反映环境质量的主要指标进行定期、定点监测，以更好了解环境的污染状况，为制定环境保护目标提供依据。现代工业快速发展，人民生活水平不断提高，环境状况也令人堪忧[4]。主要表现在：（1）人们环保意识淡薄环保意识。（2）环境污染问题日益突出，雾霾天气、酸雨等[5-6]空气污染，土壤盐碱化，湖泊富营养化等土壤与水体污染。（3）生态问题不断涌现在工业生产过程中，对生物有害的物质未经过污染处理就排放到自然环境中，包括少数的突发污染和长时间累积污染事故等，给生活带来了一定的危害[7]。当前的环境污染问题具有涉及面广，影响深远；损害具有持续性，污染物的种类繁多；作用机制复杂，具潜伏性等特点，因此环境监测任务更重，对仪器要求更高。

2 传统环境监测分析技术的不足

如今，我国面临各种环境问题，传统的环境监测分析技术有一定的局限性，已不能满足我国现代环保事业发展的需求，其缺陷表现在如下几个方面：

（1）仪器设备更新缓慢。

工业化生产过程中，不断更新设备以满足生产。但企业对于设备等产生的污染处理方面投入不足，设备更新缓慢，特别是对于有机污染等化学物质治理不充分，长期以往就造成了我国环境保护方面得不到有效的改善。另外，引进的先进设备管理不善，环境治理的需求还不能得到很好的满足。

（2）数据精确度不够。

环境监测的数据精准度不能满足实际需求存在很多方面的原因：操作者监测过程中存在一定的人为误差；仪器达不到最理想的状态，比如受化学因素、物理因素等影响，对样品化学分析和监测达不到理想状态[8]；企业出于利益，可能会虚报排放和污染，进而以最低的成本获取做大的利益。

（3）监测方法、技术更新滞后。

新的环境问题不断涌现，一些地区可能会出现之前未有过的环境污染，包括各种化学污染和生态污染。例如持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants）以及水体富营养化等，都需要更先进的设备以及方法和技术进行定量、定性以及源解析等。而之前传统的监测方法主要包括气味比色法、感官法等单一的环境分析。监测技术需要足够的人力和物力投入，这也是导致技术更新的一个主要原因。

3 环境监测中常用的现代仪器分析技术

3.1 分光光度分析法

3.1.1 紫外-可见分光光度法

紫外-可见光分光光度法（ultraviolet-visible spectrophotometry，UV）。此方法基于分子选择性地吸收光谱[8]，光谱所吸收的峰值数目、形状、波长与分子结构等因素相联系，符合朗伯-比尔定律，可进行定量分析；。紫外-可见光分光光度仪器类型包括单波长单光束直读式分光光度计，单波长双光束自动记录式分光光度计和双波长双光束分光光度计。结构主要包括辐射源、单色器、试样容器、检测器、显示装置五个组成部分。其中辐射源需具有连续连续、稳定的光谱提供仪器波段使用，例如钨灯、氢灯或激光光源等；单色器主要由入射夹缝、出射狭缝、和棱镜等组成，主要作用是将复合光分解为单色光以及分出高纯度单色光束；石英池一般适用于紫外到可见区，玻璃池只适用于可见区；检测器，目前经常使用的有两种，光电倍增管或者光电管，前者较后者更灵敏。现在有些仪器使用光导摄像管作检测器；显示装置发展较为迅速，目前显示装置常备有微处理机、记录仪等，可将很多信息显示出来。紫外分光光度法的应用主要包括，营养类物质（氮磷）、油类、叶绿素a、硫化物等指标的定量测定，式环境监测中最重要的分析方法之一[9]。

3.1.2 原子吸收分光光度法

原子吸收分光光度法（atomic absorption spectrometry，AAS）是一种元素定量分析方法，基本原理是气相中需要监测的元素基态原子对光源发出的此原子特征谱线的吸收。原子吸收分光光度计由光源、原子化器、单色器、背景校正系统、自动进样系统和检测系统等组成。光源：常用待测元素作为阴极的空心阴极灯；原子化器主要有四种类型：石墨炉、冷蒸气发生、火焰以及氢化物发生原子化器。原子吸收分光光度法主要特点是稳定性好，灵敏度高，抗干扰能力强，应用范围广，七十多种元素皆可测量。广泛应用于食品、化工、环境污染物等样品中重金属含量的测定，如火焰原子吸收法测定水中的总铬等，总体来看，原子吸收分光光度法是一种相对误差较小测定方法[8]。贾海东等人[10]利用此方法测定土壤中重金属元素，测定结果与国标方法结果吻合，说明仪器得出的数据准确、可靠。

3.2 色谱分析法

色谱分析法的特点是分析速度较快，是目前最为高效的分析方法之一。其工作原理是：利用流动相与固定相的分配系数、吸附能力等方面存在的差别来进行检测，由色谱曲线可以对样品进行定性和定量分析。目前气相色谱法、高效液相色谱法、离子色谱法是环境监测中比较常用的色谱分析方法有。值得一提的是，目前对环境污染较为严重的持久性有机污染物（POPs），包括多氯联苯、多环芳烃、有机氯农药等基本都是使用气相色谱法进行检测分析[11-12]。

3.2.1 气相色谱法

气相色谱法（gas chromatography，GC）是分离测定多组分混合物的一种分析方法。气相色谱法固定相有两种，包括气固色谱和气液色谱，其中气液色谱属于分配色谱，而气固色谱固定相为吸附剂。在实际工作中，气相色谱法是以气液色谱为主[13]。1960年以来气相色谱法在我国广泛应用于水、土壤、大气等样品的分析，包括测定样品中的POPs以及苯等有机污染物，气相色谱法对于分析挥发性、半挥发性的化合物有很大优势。我国在20世纪80年代末确定了68种有毒污染物，绝大部分通过气相色谱法进行定性、定量分析检测。

3.2.2 高效液相色谱法

高效液相色谱法（high performance liquid chromatography，HPLC）具有高压、高速、高效、高灵敏度、应用范围广“四高一广”特点。有机污染物总量的80%以上物质可通过其进行定量定性分析。高效液相色谱法在效率、精确度等方面，基本不输于气相色谱法，同时此法还弥补了一些不足[14]。HPLC法应用极为广泛，常用于土壤、水等样品中多种有机污染物的测定，例如酚类、有机氯农药、邻苯二甲酸酯类、阴离子等[15]。高效液相色谱的优点是易回收、色谱柱可反复使用等，缺点是有“柱外效应”，柱效率降低。

3.2.3 离子色谱法

离子色谱是一种高效液相色谱，其仪器工作原理是阴离子交换柱用于阴离子样品的分离，而阳离子交换柱用在阳离子样品的分离中。使用泵输送到色谱柱后，其阴离子或阳离子置换出色谱柱中离子，检测器将使其转换为基线。之后，少量样品进样，即由树脂柱接受样品离子，同时和同数量的洗脱液离子相互交换。如果离子的浓度大于洗脱液，总离子浓度就会增加，脉动从中产生，沿柱移动一个正峰随产生；反之产生负峰。进样后，洗脱液离子输送进色谱柱，让样品离子沿柱移动。不同的样品离子以不同的速度移动，到完成分离。在离子交换色谱分离时，淋洗液具有相当高的背景电导。现代离子色谱技术用过采用了新技术，有效地促使离子色谱的淋洗背景得到降低，并提高了被测样品的电导值，最终极大地增强了分析灵敏度。离子色谱基本上可以划分成抑制型离子色谱和非抑制型离子色谱两大类[16-17]，被用以对硝酸根、硫酸根、氟、氯等阴阳离子进行分析。离子色谱是唯一可以在同时间内作多组分痕量阴离子快速分析的途径，对酸雨成份（硫酸根、硝酸根、亚硝酸根）的分析效果显著。离子交换色谱越加普遍应用在环境，化学品，农业，城市用水，电子工业等方面。离子交换色谱技术的日益完善，特别是不断推广淋洗液生成器，离子色谱的检测将更加凸显高效、科学、便捷的优势。离子交换色谱分离离子的良好效果与检测限更低的质谱相融合，离子交换色谱与质谱联用进而得到完善，同时，等离子质谱和离子交换色谱的相结合，不仅加深了离子色谱的使用，也成为了离子交换色谱发展的重要刺激因素。

3.3 电感耦合等离子体质谱仪法

电感耦合等离子体质谱仪法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）主要由四极质谱仪、等离子体发生器、炬管、雾化室和离子探测器或收集器构成。通过雾化器样品被置入光源，汽化后将离子化气体解离出，再把收集的离子形成分子束，通过截取板进入四极质谱分析器，最后到达离子探测器，能够进行元素定量分析。在上个世纪80年代，电感耦合等离子体质谱仪逐渐发展起来，ICP的高温电离特性与MS的灵敏、快速扫描优点通过这种特有的接口而结合起来，这基本上能够分析地球上的任何元素，同时达到了线性范围宽、检出限低、谱线简单及可进行多元素分析等良好效果[18]。其独特优势可以总结为：检出限极低，基体效应小，动态线性范围宽，谱线简单及能快速测定同位素比值。地质学中用于测定矿物、包裹体，地下水中微量金属元素及元素的同位素比值。ICP-MS在环境监测方面能够应用到土壤、水、生物等的监测，最基本的是应用在了测定样品中锌、锡、锶、钒、锰等金属元素[19]。

3.4 色谱-质谱联用法

色谱-质谱联用以区分色谱系统而分为气相色谱-质谱联用（GC-MS）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）两种类型，LC-MS与GC-MS是相互补充的，对不同的化合物进行仔细分析。GC-MS法出现的时间相对较早，并且其发展的较为成熟，因而得到广泛运用。通过合适的接口把气相色谱与质谱相接合，质谱定性鉴定的优越性和气相色谱显著的分离效能将充分融合而完成未知物的分离定性，并极大地应用到初始分析有机污染物中，进而决定出优先监测项目环境及优先污染物。不过，GC-MS法只能在有限的范围内得以运用，其原因在于：必须气化分析样品，几乎不能分析处理极性、热不稳定和大分子化合物。相对于GC-MS，LC-MS的诞生略迟，分离手段采用了高效液相色谱（HPLC），这有效地增强了分析处理复杂组分的能力，并很成为测热不稳定性污染物和定极性的重要途径[20-21]。对于GC-MS不能够测定的化合物，LC-MS处理起来突显了其优势。在环境监测中，常用于对水、气和土壤等环境介质中有机污染物的测定，如POPs、邻苯二甲酸酯类有机物等。

4 结语

人类生活和生产方式日新月异，环境中的污染物种类和数量持续激增，在无形中给人类的生存环境造成危害，因而，社会对环境仪器分析技术和方法的呼声日益高涨。近年来，环境监测工作已经开始广泛应用气—质联用技术、分光光度法、电感耦合等离子体质谱法、色谱法等现代仪器分析技术，这大大提升了分析的速度和精确度，也为环境管理工作的持续稳定推进作了有力的保证。

随着人们不断提高对环境的重视度，以及逐渐加大投入环境监测的技术方法和设备，我们必须对透彻了解所处的环境现状才能为社会和自然的可持续发展献力献策。因此，准确、高效地选择符合国家标准的现代分析仪器，并能够科学合理地运用，最大限度地发挥其在环境监测中的效用才是提高各类项目检测水准和进行有效监控的关键。

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