鄭方超 崔婷 李容萱 李琛

摘要：綜述了目前測(cè)定植株中重金屬含量的4種主要方法，包括原子熒光光譜法（AFS）、原子吸收分光光度法（AAS）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）。分析了不同方法測(cè)定植株中重金屬含量的原理、適用條件和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了其優(yōu)缺點(diǎn)。得出電感耦合等離子體質(zhì)譜法因其性能較強(qiáng)、實(shí)用性好的特點(diǎn)而在植株中的重金屬含量測(cè)定方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)展望了植株中重金屬含量測(cè)定方法的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：植株；重金屬含量；測(cè)定方法；原理；研究現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào)：Q0657.31；O657.63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2012）20-4449-04

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越突出，各種污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，而重金屬污染也是危害最大的污染問(wèn)題之一。重金屬具有毒性大、在環(huán)境中不易被清除、易被生物富集并有生物放大效應(yīng)等特點(diǎn)，不但污染水環(huán)境，而且嚴(yán)重威脅人類(lèi)和水生生物的生存。目前，人們對(duì)重金屬污染問(wèn)題已有相對(duì)深入的研究，同時(shí)采取了多種方法對(duì)重金屬?gòu)U水和被污染的水體進(jìn)行處理和修復(fù)。如今，水體重金屬污染已成為全球性的環(huán)境污染問(wèn)題，并且嚴(yán)重影響著兒童和成人的身體健康乃至生命安全，兒童鉛中毒、重金屬致胎兒畸形、砷中毒等事件也常有發(fā)生，使重金屬污染成為關(guān)系到人類(lèi)健康和生命的重大環(huán)境問(wèn)題。

本文介紹了現(xiàn)今植株中重金屬含量的幾種測(cè)定方法，主要有原子熒光光譜法（AFS）、原子吸收分光光度法（AAS）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）。由于不同重金屬適用的測(cè)定方法不同，所以植株中重金屬測(cè)定機(jī)理的研究對(duì)重金屬在植物中的遷移和轉(zhuǎn)化、植物的修復(fù)以及尋找合理的方法處理重金屬污染廢水具有重大意義。

1測(cè)定方法

1.1原子熒光光譜法（AFS）

AFS是介于原子發(fā)射光譜和原子吸收光譜之間的光譜分析技術(shù)。此方法測(cè)量植株中重金屬含量有較高的效率。植物經(jīng)過(guò)消解，在一定條件下被還原劑還原成含某種待測(cè)重金屬的揮發(fā)組分，用激發(fā)光源照射一定濃度待測(cè)元素的原子蒸氣，原子的外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，經(jīng)8～10 s又躍遷至基態(tài)或低能態(tài)，同時(shí)以光輻射的形式發(fā)射出特征波長(zhǎng)的熒光，測(cè)得原子熒光即可求得待測(cè)樣品中該元素的含量。

楊景廣等[1]在AFS測(cè)定植物樣品中痕量鎘的含量的研究中，采用微波消解儀器對(duì)植物樣品消解，用AFS測(cè)定植物樣品中鎘的含量，取得了良好效果，測(cè)定出鎘濃度為0.1～0.8 ng/mL時(shí)熒光強(qiáng)度與鎘濃度呈顯著的線(xiàn)性關(guān)系，此方法的檢出限為0.001 8 ng/mL，精密度為1.64%，樣品的回收率高達(dá)90.4%～92.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明，此法在對(duì)植物樣品中鎘含量的檢測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。范德芳等[2]在云南部分地區(qū)木香中重金屬含量的測(cè)定試驗(yàn)中，對(duì)3個(gè)地區(qū)種植的木香中Cd、Pb、As、Hg 4種重金屬離子采用AFS進(jìn)行含量測(cè)定，結(jié)果顯示：3個(gè)地區(qū)木香中檢測(cè)出的重金屬鎘含量≤0.011 mg/kg，鉛含量≤3.5 mg/kg，砷含量≤0.11 mg/kg，汞含量≤0.002 6 mg/kg，各元素線(xiàn)性關(guān)系良好，r≥0.999 3，回收率為99.10%～102.20%。試驗(yàn)表明，此法測(cè)定植株中重金屬含量有較高的精確度。

AFS在環(huán)境科學(xué)、礦物生物制品、金屬元素的測(cè)定等方面有廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)明顯：①有較低的檢出限，靈敏度高，特別對(duì)Cd、Zn等元素有相當(dāng)?shù)偷臋z出限。Cd可達(dá)0.001 ng/cm3，Zn為0.04 ng/cm3，現(xiàn)已有20多種元素的檢出限優(yōu)于原子吸收光譜法和原子發(fā)射光譜法。②干擾較少，譜線(xiàn)比較簡(jiǎn)單，采用一些裝置可制成非色散原子熒光分析儀，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。③分析校準(zhǔn)曲線(xiàn)線(xiàn)性范圍寬，達(dá)3～5個(gè)數(shù)量級(jí)。④因原子熒光是向空間各個(gè)方向發(fā)射的，易制作多道儀器，可實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)測(cè)定。⑤可進(jìn)行價(jià)態(tài)分析。同時(shí)也存在不足：熒光猝滅效應(yīng)、散射光的干擾、用于復(fù)雜基體的樣品測(cè)定時(shí)比較困難、在分析化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展較晚等原因，限制了此法的應(yīng)用范圍。

1.2原子吸收分光光度法（AAS）

AAS是最早發(fā)展起來(lái)的一種方法。原子吸收分光光度法（AAS）是指從光源輻射出具有待測(cè)元素基態(tài)特征譜線(xiàn)的光，通過(guò)試樣蒸氣時(shí)試樣蒸氣中待測(cè)元素基態(tài)原子所吸收，原子的外層電子由一個(gè)較低能態(tài)躍遷到一個(gè)較高能態(tài)，由產(chǎn)生的輻射特征譜線(xiàn)光被減弱的程度來(lái)測(cè)定試樣中待測(cè)元素的含量的一種儀器分析方法。原子吸收分析中主要有3種原子化法：火焰法、石墨爐法、冷原子法?；鹧嬖游展庾V法可測(cè)得10-19～10-10 g/mL數(shù)量級(jí)。石墨爐原子吸收法可測(cè)得10-13～10-10 g/mL數(shù)量級(jí)，其氫化物發(fā)生器可對(duì)8種揮發(fā)性元素汞、砷、鉛、硒、錫、碲、銻、鍺等進(jìn)行微量元素測(cè)定。AAS能測(cè)定幾乎所有金屬元素和一些類(lèi)金屬元素，它是測(cè)定痕量元素的有效方法，且該法操作簡(jiǎn)便、選擇性好、快速、干擾較少、靈敏度高、準(zhǔn)確可靠。應(yīng)用范圍大、儀器價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)使其已普遍應(yīng)用于冶金、化工、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物機(jī)體中微量金屬元素的測(cè)定，應(yīng)用日益廣泛。

肖華等[3]在新墻河區(qū)草本植物重金屬含量的測(cè)定試驗(yàn)研究中用混酸消解草本植物后，采用原子吸收光譜法測(cè)定樣品中鉛、砷、鎘、銅、鋅，結(jié)果表明鉛、砷、鎘、銅、鋅的檢出限分別為0.02、0.10、0.01、 0.60、0.06 mg/L，試驗(yàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.8%～8.7%，表明該法用于草本植物重金屬含量的測(cè)定靈敏、快速、重現(xiàn)性好。顧萬(wàn)紅等[4]在20種甘肅地產(chǎn)藥材中鉛、砷、鎘、銅的含量測(cè)定中采用石墨爐原子吸收分光光度法對(duì)鉛、砷進(jìn)行測(cè)定，火焰原子吸收光譜法對(duì)銅進(jìn)行測(cè)定，氫化物發(fā)生原子吸收分光光度法對(duì)砷進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明因刺五加莖皮中鎘含量達(dá)0.368 55 mg/kg而超標(biāo)，其他藥材中重金屬鉛、砷、鎘、銅含量均低于限定值。

然而原子吸收光譜法的檢出限比較低，尤其是石墨爐原子吸收光譜法，原子化效率低，只能液體進(jìn)樣，氣態(tài)原子在火焰中停留時(shí)間短，原子吸收光譜分析法不能多元素同時(shí)分析，測(cè)定元素不同，必須更換光源燈，它測(cè)定難熔元素的靈敏度并不高，精密度比分光光度法差，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍窄，在高背景低含量樣品測(cè)定任務(wù)中精密度差。

為了進(jìn)一步提高靈敏度和降低干擾，擴(kuò)大此法的使用范圍，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外致力于研究激光在原子吸收分析的應(yīng)用，用可協(xié)調(diào)激光代替空心陰極燈光源，用激光使樣品原子化，經(jīng)過(guò)多年的研究和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其效果明顯，在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.3電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-AES）

ICP-AES是以電感耦合等離子炬為激發(fā)光源的一類(lèi)光譜分析方法。電感耦合等離子體（ICP）光源是利用高頻感應(yīng)加熱原理，使流經(jīng)石英管的工作氣體（氬氣）電離，在高頻電磁場(chǎng)作用下由于高頻電流的趨膚效應(yīng)，在一定頻率下形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的高溫等離子體焰炬，稱(chēng)為高頻耦合等離子體。試液經(jīng)過(guò)蠕動(dòng)泵的作用進(jìn)入霧化器，被霧化的樣品溶液以氣溶膠的形式進(jìn)入等離子體焰炬的通道中，經(jīng)熔融、蒸發(fā)、解離等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)原子化。組成原子都能被激發(fā)發(fā)射出其特征譜線(xiàn)。在一定的工作條件下，如入射功率、觀測(cè)高度、載氣流量等因素一定時(shí)，各元素的譜線(xiàn)強(qiáng)度與光源中氣態(tài)原子的濃度成正比，即與試液中元素的濃度成正比。

ICP-AES是一種目前比較常用的技術(shù)，而測(cè)定植物中重金屬含量的關(guān)鍵在于對(duì)樣品的前處理，植物樣品前處理的好壞可以直接影響分析結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度[5-8]。通常的前處理方法有干灰化法和濕法消解兩種。

干灰化法主要用于除去樣品中的有機(jī)質(zhì)，該法操作簡(jiǎn)單，可同時(shí)處理大量樣品，且相對(duì)于濕法消解不需要使用大量試劑，空白值較小。適用于待測(cè)物含量較高（10-10～10-6 g/mL級(jí)）的生物樣品。但由于揮發(fā)性待測(cè)元素（如汞、砷、硒等）在高溫灰化過(guò)程中易揮發(fā)損失，因此簡(jiǎn)單的干灰化法不適用于含揮發(fā)性待測(cè)元素樣品的前處理，此時(shí)需加入氧化劑作為灰化助劑以加速有機(jī)質(zhì)的灰化并防止待測(cè)元素的揮發(fā)。但干灰化法對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)的損失比濕法消解大，且干灰化法時(shí)間較長(zhǎng)常需過(guò)夜完成，值得注意的是，干灰化法還有可能與容器反應(yīng)，被氧化或者被吸收，導(dǎo)致回收率降低。而鐘闈楨等[9]在礦區(qū)植物重金屬含量測(cè)定的兩種前處理方法比較中通過(guò)采用酸消解法和干灰化法處理16種礦區(qū)植物，并用原子吸收分光光度法測(cè)定其中的Mn、Cd、Cr和Zn的含量。結(jié)果表明，除Cd外，兩種處理方法對(duì)Mn、Cr、Zn的測(cè)定結(jié)果均有明顯影響。測(cè)定植物組織Cd含量時(shí)，兩種處理方法都可采用；測(cè)定Mn、Cr含量，采用酸消解法較為合適；測(cè)定Zn含量則宜采用干灰化法，并可適當(dāng)延長(zhǎng)木質(zhì)部分（根、莖）的灰化時(shí)間。唐文杰等[10]在錳礦區(qū)植物中Pb、Cd和Cu含量的測(cè)定中比較酸消解法和干灰化法。結(jié)果表明，處理方法對(duì)Cu和Pb測(cè)定結(jié)果有明顯影響，但對(duì)Cd則影響不大。在測(cè)定植物組織Cu含量時(shí)，采用干灰化法效果較好；測(cè)定Cd含量時(shí)，兩種處理方法均可以采用。在葉組織Pb含量測(cè)定時(shí)，兩種處理方法無(wú)明顯區(qū)別，但木質(zhì)組織Pb含量測(cè)定時(shí)采用干灰化法更為理想。

近年來(lái)，微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定植物中重金屬離子的方法的應(yīng)用也越來(lái)越多。而微波消解是近年來(lái)發(fā)展較快的新興技術(shù)，具有無(wú)溫度梯度、無(wú)滯后、加熱快而均勻等特點(diǎn)。喬愛(ài)香等[11]通過(guò)干灰化法和微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定植物樣品中22個(gè)主次量元素試驗(yàn)得出結(jié)論：選擇適當(dāng)?shù)那疤幚矸椒梢暂^為準(zhǔn)確地測(cè)定出植物樣品中重金屬離子的含量，用ICP-AES法測(cè)定植物樣品中22個(gè)主次量元素具有良好的效果。

ICP-AES靈敏度高，選擇性好，可分析種類(lèi)較多，檢出限為10-9 g/mL級(jí)，數(shù)量級(jí)為4～6，能用微量的試樣同時(shí)進(jìn)行數(shù)十種元素的定性和定量分析，且分析速度較快。直接分析固體試樣時(shí)，多數(shù)元素的靈敏度接近1 μg/g，對(duì)液體試樣能檢出濃度為1 ng/mL的待測(cè)元素。它在地質(zhì)、冶金、機(jī)械、環(huán)境、生命、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是它也存在不足之處，在經(jīng)典分析中，影響譜線(xiàn)強(qiáng)度的因素較多，尤其是試樣組分的影響較為顯著，所以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參比的組分要求較高。在試樣含量較大時(shí)，準(zhǔn)確度較差，大多數(shù)非金屬元素難以得到靈敏的光譜線(xiàn)，此法只能用于元素分析，不能進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形態(tài)的測(cè)定，同時(shí)該方法的分析成本較高。

近年來(lái)ICP儀器功能的不斷提高和普及，多道直讀及單道高速掃描性能的提高和儀器性?xún)r(jià)比的不斷優(yōu)化，具有全譜特性的中梯光柵固體檢測(cè)儀器的出現(xiàn)，ICP-AES法已經(jīng)成為鋼鐵及其合金分析的常規(guī)手段。用ICP法進(jìn)行鋼鐵合金樣品的分析，操作十分簡(jiǎn)便，可在同一工作條件下用同一個(gè)溶液同時(shí)測(cè)定多個(gè)元素，測(cè)定這些元素的中低含量，測(cè)量精度完全達(dá)到冶金產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控要求。

1.4電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）

ICP-MS是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新型的元素和同位素分析技術(shù)，在ICP-MS中，ICP作為質(zhì)譜的高溫離子源（7 000 K）， 樣品在通道中進(jìn)行蒸發(fā)、解離、原子化、電離等過(guò)程。離子通過(guò)樣品錐接口和離子傳輸系統(tǒng)進(jìn)入高真空的MS部分，MS部分為四極快速掃描質(zhì)譜儀，通過(guò)高速順序掃描分離測(cè)定所有離子，掃描元素質(zhì)量數(shù)范圍為6～260，并通過(guò)高速雙通道分離后的離子進(jìn)行檢測(cè)，濃度線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍達(dá)9個(gè)數(shù)量級(jí)，10-15～10-3 g/mL級(jí)均可直接測(cè)定。

它具有動(dòng)態(tài)線(xiàn)性范圍極寬、檢出限極低，為10-15～10-12 g/mL級(jí)、干擾少、分析精密度高、分析速度快，數(shù)量級(jí)為8～9，成本也最低，可提供同位素信息等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著信號(hào)波動(dòng)、基因效應(yīng)、多原子離子的干擾等問(wèn)題。它以獨(dú)特的接口技術(shù)將ICP-MS的高溫（7 000 K）電離特性與四極桿質(zhì)譜計(jì)的靈敏快速掃描的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合而形成一種新型的元素和同位素分析技術(shù)，可分析地球上幾乎所有元素。ICP-MS技術(shù)的分析能力不僅可以取代傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)分析技術(shù)如電感耦合等離子體光譜技術(shù)，石墨爐原子吸收進(jìn)行定性、半定量、定量分析及同位素比值的準(zhǔn)確測(cè)量等，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)、生物、冶金、石油、核材料分析等領(lǐng)域。還可以與其他技術(shù)如HPLC、HPCE、GC聯(lián)用進(jìn)行元素的形態(tài)、分布特性等的分析，例如把HPLC與ICP-MS聯(lián)用，可用于研究中草藥、藻類(lèi)、魚(yú)類(lèi)、人類(lèi)等生物體內(nèi)含Cd、Se、As、Cu、Zn、Pb等元素與多種氨基酸、多肽和蛋白質(zhì)結(jié)合的機(jī)理以及某些元素對(duì)酶的位點(diǎn)的作用過(guò)程。隨著ICP-MS聯(lián)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和發(fā)展，其出色的檢測(cè)能力也得到了更大的提高，開(kāi)創(chuàng)了一些如形態(tài)分析等新的分析方法，能更好地分析一些復(fù)雜樣品以及為快速發(fā)展的材料科學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)服務(wù)。

李欣榮等[12]用ICP-MS測(cè)定海洋天然藥物中5種重金屬的含量，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。ICP-MS可以檢測(cè)所有的金屬元素和絕大部分的非金屬元素，該方法簡(jiǎn)潔、快速、準(zhǔn)確。

王瑞敏[13]在ICP-MS測(cè)定植物中微量鉛和鎘的試驗(yàn)中得出結(jié)論：利用微波消解前處理樣品，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）檢測(cè)植物中的微量鉛和鎘，具有準(zhǔn)確度高、精密度高、檢出限較低（最低檢出限為鉛0.010 μg/g，鎘0.008 μg/g）、干擾較少等特點(diǎn)，能有效測(cè)定植物中的微量鉛和鎘。而黃旭等[14]用微波消解前處理，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)定煙草中的重金屬，檢出限均小于1 μg/g，該方法簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確，適合用于測(cè)定煙草中的微量重金屬元素。該方法可研究性較高，具有廣闊的應(yīng)用前景[15-17]。

2問(wèn)題與展望

當(dāng)前植株中重金屬含量的測(cè)定現(xiàn)狀是測(cè)定方法比較多，實(shí)際應(yīng)用中可選擇性也較多，但實(shí)際測(cè)定時(shí)需要考慮的因素較多，例如AAS法，技術(shù)比較陳舊，可分析元素種類(lèi)較少，而且靈敏度較低。利用不同的測(cè)定方法可測(cè)定出它們較易測(cè)定出的金屬元素，比如原子吸收光譜法可以準(zhǔn)確測(cè)定出植物中的鉛、砷、鎘、銅、鋅等金屬元素的含量。值得一提的是雖然ICP-MS是一種比較新的測(cè)定方法，但是該方法有著較大的優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，該方法的進(jìn)一步研究是今后測(cè)定重金屬含量的發(fā)展方向之一。

今后，測(cè)定重金屬在植物體內(nèi)的含量還有以下問(wèn)題需要完善：①各種測(cè)定方法成本較高，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)可實(shí)施性不大。②實(shí)驗(yàn)室測(cè)定時(shí)，實(shí)際樣品干擾程度較大，無(wú)法達(dá)到理想中的效果。③在微觀和宏觀水平方面，該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀分析尚存在一些問(wèn)題，重金屬分析測(cè)定方法和技術(shù)有待實(shí)現(xiàn)新的突破。④目前由于原子吸收光譜儀、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP—AES）以及各種色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀等的使用，重金屬的分析測(cè)定方法越顯方便和快捷。但是，將重金屬?gòu)目偭糠治鲛D(zhuǎn)變到分形態(tài)、價(jià)態(tài)，特別是生物有效態(tài)分析的研究是重金屬分析方法發(fā)展的必然趨勢(shì)，但對(duì)于分形態(tài)、價(jià)態(tài)的測(cè)定方法和技術(shù)往往需要多種儀器聯(lián)用、對(duì)儀器精度要求高、操作復(fù)雜并且很多涉及微痕量分析等現(xiàn)狀，使得重金屬分析測(cè)定方法和技術(shù)有待改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)新的突破。

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