李建釗 李 仙 朱瑞瑞 鐘紅艷

(1.湖南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，長(zhǎng)沙 410019; 2.國家環(huán)境保護(hù)重金屬污染監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410019; 3.邵陽市生態(tài)環(huán)境局邵東分局，邵陽 422899;4.岳陽市岳陽縣生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，岳陽 414100)

水是地球上生命的基本元素之一。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化工業(yè)化進(jìn)程的加速，人們的飲用水源遭到越來越多的污染，嚴(yán)重威脅居民的身體健康。傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)方法雖然準(zhǔn)確度高，成本低，但多為手工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難應(yīng)用于大樣本量檢測(cè)。一些新型檢測(cè)方法的出現(xiàn)，為快速精準(zhǔn)預(yù)警水污染提供了科學(xué)依據(jù)，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮越來越重要的作用。本文對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的物理、化學(xué)和微生物指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了綜述。并討論了這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對(duì)今后水質(zhì)監(jiān)測(cè)的發(fā)展提出了建議。

1 物理及非專一性化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)方法

物理及非專一性化學(xué)指標(biāo)主要包括pH值、濁度等。世衛(wèi)組織認(rèn)為，這些指標(biāo)不會(huì)對(duì)人類健康問題產(chǎn)生直接影響，但其特征可作為指示水污染風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，而水污染可能對(duì)人類有害。一般來說，一個(gè)良好的飲用水感官指標(biāo)應(yīng)低濁度或清澈，無味道和氣味。

1.1 濁度檢測(cè)方法

濁度管是一種便攜式試劑盒，用于通過目測(cè)評(píng)估濁度。由于它不需要任何電源和更換零件，因此使用起來簡(jiǎn)單實(shí)用。而且，在去除污垢后，可用清水沖洗，保養(yǎng)起來也很方便。濁度管的測(cè)量范圍為0～2000ntu，但小于10ntu的濁度讀數(shù)困難，存在一定的局限性。數(shù)字濁度計(jì)是一種需要電源或電池的替代裝置。與濁度管相比，它提供了更準(zhǔn)確的結(jié)果[1]。數(shù)字濁度計(jì)的測(cè)量范圍為0至1000 ntu。它可用于測(cè)量濁度小于10ntu的濁度，這是濁度管難以檢測(cè)的。與濁度管相比，數(shù)字式濁度計(jì)容易損壞。另外，由于濁度計(jì)光學(xué)元件上的灰塵也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，因此需要存放在干燥清潔的環(huán)境中。此外，水樣瓶也需要定期清洗，以避免灰塵、水滴和劃痕導(dǎo)致的雜散光干擾的影響。

1.2 pH檢測(cè)方法

傳統(tǒng)pH之外，電位滴定儀可用于測(cè)量水樣的pH值，這是一種通過電解池中根據(jù)溶液的電位變動(dòng)來指示滴定終點(diǎn)的電極滴定化學(xué)分析方法。然而在測(cè)量過程中，樣品成分之間的差異可能會(huì)造成很大的誤差，該方法不適用于濃酸堿的測(cè)定[2]。

離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)是一種比較新的pH值測(cè)量方法[3]。這種方法是將普通的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管去掉金屬柵極，用對(duì)氫離子敏感的膜作為柵電極，當(dāng)敏感膜與被測(cè)溶液接觸時(shí)，由于氫離子的存在，在敏感膜與溶液界面上感應(yīng)出對(duì)氫離子敏感的能斯特響應(yīng)電位，這個(gè)電位會(huì)使漏源電流發(fā)生變化，得到的漏源電流與氫離子的濃度呈線性關(guān)系，只要測(cè)定出漏源電流的變化，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)氫離子濃度的檢測(cè)，測(cè)出溶液的pH值。ISFET具有電極機(jī)械強(qiáng)度高、樣品消耗量小、易于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，但在較長(zhǎng)的使用時(shí)間內(nèi)，它們的穩(wěn)定性和效率較差。

2 無機(jī)物及有機(jī)物化學(xué)指標(biāo)測(cè)定方法

無機(jī)物指標(biāo)包括有毒金屬，硝酸鹽，亞硝酸鹽，磷酸鹽等，有機(jī)物包括總耗氧量，化學(xué)需氧量，高錳酸鹽指數(shù)，酚類等。這些指標(biāo)與人類健康密切相關(guān)。

2.1 色譜法

色譜法是一種用于分離復(fù)雜混合物中單個(gè)組分的技術(shù)。該技術(shù)可以與質(zhì)譜聯(lián)用來測(cè)定水樣中的化學(xué)污染物[4]。色譜法的原理是待分離物質(zhì)分子在固定相和流動(dòng)相之間分配平衡的過程，不同的物質(zhì)在兩相之間的分配會(huì)不同，這使其隨流動(dòng)相運(yùn)動(dòng)速度各不相同，隨著流動(dòng)相的運(yùn)動(dòng)，混合物中的不同組分在固定相上相互分離，而位于通道末端的檢測(cè)器會(huì)對(duì)樣品的濃度進(jìn)行量化。具體包括液相色譜法、氣相色譜法、離子色譜、凝膠滲透色譜等。有研究采用反相高效液相色譜和液相微萃取相結(jié)合的方法，配置紫外/可見光可變波長(zhǎng)檢測(cè)器，在自來水、井水和湖水中檢測(cè)到5種有機(jī)磷農(nóng)藥，含量在0.01～0.1ng/mL之間，與傳統(tǒng)的液相色譜法相比，這種技術(shù)的提取效率提高了98%[5]。氣相色譜法可以選擇配置火焰離子化檢測(cè)器(FID),熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)、電子捕獲檢測(cè)器(ECD)等多種檢測(cè)器，也可以與氮磷檢測(cè)器(NPD)相結(jié)合，檢測(cè)飲用水中的農(nóng)藥濃度[6]。但由于農(nóng)藥本身不易揮發(fā)且摩爾質(zhì)量較高，其檢測(cè)靈敏度不如液相色譜法。K.Tirumalesh提出了一種新的離子色譜法[7]，通過使用低容量陰離子交換柱，結(jié)合安培滴定法和吸光度檢測(cè)法檢測(cè)污染水中的溴化物(Br-)和硝酸鹽(NO3-)。使用3 mM氫氧化鈉(NaOH)洗脫液分離分析物離子。洗脫液通過安培檢測(cè)器和陰離子抑制器單元進(jìn)行紫外檢測(cè)，以定量測(cè)定Br-和NO3-的濃度。Br-的濃度可根據(jù)安培法中的峰面積來確定，而NO3-的濃度可通過從總峰面積中減去Br-并計(jì)算其在紫外檢測(cè)器中的響應(yīng)值來獲得。該方法相對(duì)準(zhǔn)確性更高，并且對(duì)于上述離子的檢出限低至0.03 mg/L。

2.2 原子吸收光譜法

原子吸收光譜(AAS)可對(duì)水樣中金屬元素進(jìn)行微痕量測(cè)定。該法通過氣態(tài)原子對(duì)特征輻射吸收，使原子外層的電子從基態(tài)變化為激發(fā)態(tài)，通過吸收程度能夠有效檢測(cè)出樣品中的特定元素的含量[8]。在實(shí)際的應(yīng)用中，通常會(huì)采用石墨爐法、火焰法以及氫化物發(fā)生法來進(jìn)行檢驗(yàn)[9]，在之前的工作中，利用火焰原子吸收光譜法測(cè)定了飲用水中重金屬銅、鋅、鉛與鎘含量，重金屬含量在選定濃度范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r 為0.999,加標(biāo)回收率在94.7%～101.5%,銅、鋅、鉛與鎘的檢測(cè)限分別為3μg/L、1μg/L、10μg/L和2μg/L，該方法在準(zhǔn)確度、檢出限等方面能滿足檢測(cè)的要求[10]。而利用石墨爐原子吸收法測(cè)定水污染中鉛含量，設(shè)計(jì)的新的測(cè)量方法，能夠有效防止基體造成的干擾，檢出限大大降低，較傳統(tǒng)方法測(cè)定的準(zhǔn)確性大大提高[11]。

2.3 電感耦合等離子體-光譜法和質(zhì)譜法

電感耦合等離子體(ICP)起到離子源的作用，將樣品分解到原子級(jí)，并通過發(fā)射光譜儀(OES)或質(zhì)譜儀測(cè)定金屬的濃度。采用電感耦合等離子體作為激發(fā)(離子)源的原子光譜儀可分為兩大類：電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)。ICP-MS是一種對(duì)金屬元素高度靈敏的質(zhì)譜法，能夠區(qū)分所選離子的同位素形態(tài)[12]。該方法精密度高，檢出限低，同位素分析時(shí)間短。ICP-OES涉及到對(duì)微量元素的操作，以測(cè)定不同元素的濃度。在以前的工作中，將電感耦合等離子體光譜和質(zhì)譜相結(jié)合,建立了水中23種元素(Ca、Mg、Fe、Mn、B、Cr、Si、Zn、Be、Al、V、Co、Ni、Cu、As、Se、Mo、Ag、Cd、Sb、Ba、Tl、Pb)測(cè)定的新方法，元素的檢出限在0.0005～0.2之間，加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)證明，回收率介于94.5%～116.2%，經(jīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證及國標(biāo)法比對(duì)，表明結(jié)果準(zhǔn)確可靠[13]。

2.4 原子熒光光譜法

蒸氣發(fā)生-原子熒光光譜法(VG-AFS)因化學(xué)蒸氣分離、非色散光學(xué)系統(tǒng)等特性,是測(cè)定微量砷、銻、鉍、汞、硒、碲、鍺等元素最成功的分析方法之一。我國科技工作者發(fā)明了高強(qiáng)度空心陰極燈、小火焰原子化、扣除光源漂移和脈動(dòng)裝置、自動(dòng)低溫點(diǎn)火裝置、去除水蒸氣裝置等許多專利技術(shù)，為原子熒光光譜分析的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn). 在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，砷、汞、鉛、硒4種元素的氫化物發(fā)生(汞為冷蒸氣發(fā)生)-原子熒光光譜測(cè)定技術(shù)已成為水利行業(yè)的測(cè)定地表水和地下水的標(biāo)準(zhǔn)方法[14], 生活飲用水的國標(biāo)方法中，4種元素也推薦使用原子熒光光譜法測(cè)定[15]。在以前的工作中，采用氫化物發(fā)生(汞為冷蒸氣發(fā)生)-原子熒光法對(duì)水中砷、汞、硒3種元素進(jìn)行測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)R值均大于0.999，檢出限小于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于5%，標(biāo)準(zhǔn)樣品驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合要求，加標(biāo)回率在90%～100%之間，表明方法準(zhǔn)確可靠，靈敏度高[16]。

2.5 氣相分子吸收光譜法

氣相分子吸收光譜法是基于被測(cè)成分所分解成的氣體對(duì)光的吸收強(qiáng)度與被測(cè)成分濃度的關(guān)系遵守光吸收定律這一原則來進(jìn)行定量測(cè)定的。對(duì)于液體樣品(如水樣)的測(cè)定，其測(cè)定過程是將被測(cè)成分從液相分解成氣體，用載氣(一般為空氣)載入氣相分子吸收光譜儀器的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定吸光度，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法等定量方法得出樣品的測(cè)定結(jié)果[17]?；谠摲椒ǖ臍庀喾肿游展庾V儀是繼蒸氣發(fā)生-原子熒光光譜儀之后，我國又一項(xiàng)自主創(chuàng)新成果，在水中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮、硫化物等含氮含硫化合物指標(biāo)測(cè)試中得到了廣泛應(yīng)用。隨著儀器技術(shù)的日趨完善，氣相分子吸收光譜法納入多項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為環(huán)境水質(zhì)的重要監(jiān)測(cè)手段[18-23]。之前的研究工作中，用氣相分子吸收光譜法測(cè)定生活飲用水及其水源水中氨氮,亞硝酸鹽氮和硫化物，線性關(guān)系良好(r>0.999 5)，精密度高(RSD<5%)，氨氮，亞硝酸鹽氮和硫化物的檢測(cè)限分別為0.005，0.001和0.002 mg/L，加標(biāo)回收率氨氮在96.0%～105.0%之間，亞硝酸鹽氮在95.5%～104.4%之間，硫化物在96.8%～104.8%之間，方法操作簡(jiǎn)單快速，準(zhǔn)確，靈敏度高，檢出限低，適用于生活飲用水及其水源中氨氮，亞硝酸鹽氮和硫化物的檢測(cè)[24]。

3 微生物指標(biāo)測(cè)試方法

3.1 最可能數(shù)法

最可能數(shù)法(MPN)用于指示水樣中存在的細(xì)菌數(shù)量，是對(duì)規(guī)定體積水中的特定微生物數(shù)目的估計(jì)數(shù)。由多管標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法檢驗(yàn)一系列體積試樣，綜合陽性和陰性結(jié)果取得。并且也是國標(biāo)規(guī)定的大腸菌群測(cè)定法[25]。具體做法是將待測(cè)樣品作一系列稀釋，一直稀釋到將少量(如1 mL)的稀釋液接種到新鮮培養(yǎng)基中沒有或極少出現(xiàn)生長(zhǎng)繁殖。根據(jù)沒有生長(zhǎng)的最低稀釋度與出現(xiàn)生長(zhǎng)的最高稀釋度，采用“最大或然數(shù)”理論，可以計(jì)算出樣品單位體積中細(xì)菌數(shù)的近似值。MPN法較為簡(jiǎn)單，它是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定大腸桿菌的常用方法。使用MPN法的主要局限性在于其主要基于統(tǒng)計(jì)估計(jì)，需要更多的時(shí)間成本，并且需要技術(shù)培訓(xùn)。此外，這種技術(shù)不適合大量測(cè)試，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生很多消耗品，例如一次性托盤等。

3.2 膜過濾

膜過濾法是USEPA和UNEP/ WHO認(rèn)可的，用于測(cè)定水樣中細(xì)菌的數(shù)量的方法。它可以在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，也可以使用便攜式測(cè)試工具。膜過濾法主要基于是分離大量樣品體積內(nèi)的微生物[26]。具體測(cè)量過程中，用帶濾紙的小型泵抽濾100mL水樣，過濾后將細(xì)菌放置在帶培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，根據(jù)菌種和所用培養(yǎng)基的種類，將培養(yǎng)皿放置在適當(dāng)溫度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)適當(dāng)時(shí)間，最后進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)。用于檢測(cè)飲用水中大腸桿菌和其他微生物的膜過濾、選擇性培養(yǎng)基和培養(yǎng)板的通用標(biāo)準(zhǔn)是ISO 16654:2001[27]。使用這種技術(shù)有一些局限性，如費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外由于表型特征的差異，檢測(cè)低濃度污染物的靈敏度較低[28]。此外，污水的高濁度會(huì)造成濾膜的堵塞，限制濾紙上指示菌的生長(zhǎng)，給菌落指標(biāo)的檢測(cè)帶來困難。

4 展望

如今，水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要挑戰(zhàn)是低濃度的水污染物的監(jiān)測(cè)，而微流控傳感器在低濃度污染物監(jiān)測(cè)方面優(yōu)勢(shì)顯著。微流控傳感器是由微電子化學(xué)系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)發(fā)展而來的，與傳統(tǒng)生物傳感器相比，在減少樣品使用劑量，實(shí)現(xiàn)高通量、快速檢測(cè)、特異性檢測(cè)，以及簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作等方面都顯示出無可比擬的優(yōu)越性[29]。近年來，微流控技術(shù)不斷應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，例如利用毛細(xì)管電泳微芯片系統(tǒng)來檢測(cè)飲用水中高氯酸鹽含量，可以在較大的線性范圍內(nèi)檢測(cè)，可檢出的最低濃度為5.6μg/L；此外，其檢測(cè)時(shí)間比離子色譜、電導(dǎo)檢測(cè)法以及質(zhì)譜法縮短15～30倍[30]。金納米粒子探針可用于如汞、鉛和銅等重金屬離子的檢測(cè)。采用微納芯片與光學(xué)檢測(cè)相結(jié)合的裝置，可使砷離子的檢出限低至10～50μg/L[31]。目前雖然微流控傳感器在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)逐步得到應(yīng)用，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。隨著工業(yè)化和檢測(cè)技術(shù)的加速發(fā)展，可以預(yù)見以微流控傳感器為代表的微波技術(shù)將在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮越來越重要的作用。未來，高性價(jià)比、高靈敏度的微流控商用產(chǎn)品的開發(fā)，以及微流控技術(shù)同時(shí)檢測(cè)多種污染物時(shí)樣品的前處理技術(shù)將是這一領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。