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电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)在饮用水金属元素分析中的应用研究

耿梦晗  
【摘要】:电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)是由上世纪80年代发展起来的具有高灵敏度和快速测定能力的多元素分析方法。巴恩斯曾预言21世纪是ICP-MS分析技术发展的黄金时代。经过30多年的完善和发展,ICP-MS分析技术已广泛应用到环境卫生、医药制剂、石油化工、半导体工业、核工业、地质调查、法医鉴定等多个领域。ICP-MS在饮用水金属元素分析中具有灵敏度高、检测速度快、检测限低等优势,因此,其在饮用水安全评价中的应用越来越受到学术界的关注。由于国外ICP-MS技术对我国我军实施技术封锁,自主研发国产的ICP-MS技术,并应用到部队水质检测中,有助于及时预警,缩短水质调查、监测以及平、战时水源选择、饮水污染事件处理的过程,提升卫生保障水平。本研究依托国家重大科学仪器设备开发专项分题(2011YQ14015009),按照计划对进口ICP-MS在饮用水金属元素检测的中的应用开展相关研究,积累一些本底数据,为下一步仪器研发成型后检测方法的建立,对其检验效能进行评价以及与进口仪器进行比对分析奠定良好的基础。饮用水安全问题关系到人们的身体健康以及社会的稳定发展。在过去的数十年间,关于饮用水中金属元素的研究受到人们的关注。饮用水中金属含量过高或者缺乏均可能给人体健康造成影响。一些种类的金属元素是人体所必需的,人体的摄入量在一定限值内,有益于人们的身体健康。而一些金属元素是对身体有害的,它们可能会通过食物链等方式进入到人体中,给人类健康甚至整个生态系统的稳定带来威胁。本研究应用ICP-MS检测技术,与健康风险评价、欧共体标准物质局(BCR)三步提取法等技术相结合,建立饮用水及其沉积物中多种金属元素定量分析及形态分析的检测方法,并开展了一些地区的饮用水及其沉积物的安全评价研究。本论文主要包含以下几部分内容:论文第一部分建立了ICP-MS检测饮用水中多种金属元素的方法。着重分析了ICP-MS技术的基本原理,并根据其原理探索检测中存在的干扰及控制干扰的方法。最后,通过优化仪器条件,建立ICP-MS检测饮用水中多种金属元素的方法,包括样品的预处理、标准曲线的选择和配制、仪器方法的建立及数据处理等内容,评价了方法的准确性,为后续的实验研究奠定基础。论文第二部分研究了我国青藏和内蒙古边境地区饮用水中金属元素的分布规律。应用已建立的ICP-MS检测方法,选取青藏地区和内蒙地区不同类型的饮用水水源作为研究对象,对两地区的饮用水中金属元素的分布状况开展相关研究。研究结果表明,两个地区多数饮用水样品中16种金属元素(Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sb, Ba, Pb, Co, Be, V, Ti, Tl, Al)的浓度均符合我国国家水质标准(GB5749-2006,GB3838-2002),两地区金属元素的分布状况存在一定的差异。大多数元素之间的存在明显的正相关性,这表明多数金属元素可能具有共同的来源。论文第三部分对青藏和内蒙地区的饮用水中的金属元素开展健康风险评价研究。使用ICP-MS方法检测金属元素的总量,结合美国环保署推荐的健康风险评价模型,分别对青藏地区和内蒙地区的饮用水中的致癌金属与非致癌金属开展健康风险评价研究。结果发现,两个地区饮用水的健康风险值均超过了推荐的最大可接受风险水平,这说明符合国家标准的饮用水仍可能对当地居民的健康造成一定的威胁。另外,结果显示,两个地区的致癌风险水平明显高于非致癌风险水平,Cr产生的健康风险占总健康风险的80%-90%,是两个地区饮用水中的主要污染物,对人体健康威胁最大。通过对不同人群的研究结果发现,总健康风险水平排序为:婴幼儿成年人青少年老年人。婴幼儿为最敏感人群,应给予高度关注。蒙特卡洛分析结果显示,本研究中参数的不确定性不会影响对金属污染预防与控制的决策,结果可信度较高,敏感性分析结果表明,饮水量和元素的浓度为风险评价模型中最敏感的参数,对风险值贡献最大,且均表现出正敏感性。这提示我们,进一步收集这两个敏感参数的信息,以减少其不确定性,能增强研究结果的可靠性。论文第四部分对密云水库饮用水水源中的金属元素的分布及形态特征开展相关研究。应用建立的ICP-MS检测方法,结合欧共体标准物质局(BCR)三步提取法,对水库水及其沉积物中金属元素的分布及形态特征开展相关研究。研究结果发现,密云水库水中16种金属元素的含量均符合国家饮用水和地表水标准(GB 5749-2006, GB 3838-2002),各元素的含量均明显低于青藏和内蒙地区,金属污染产生的健康风险较低。土壤沉积物中金属元素总量与北京地区土壤背景值相比,除Pb元素外,其他金属元素的含量均明显超过了土壤背景值,说明这些元素在沉积物中呈现积累性,部分地区存在Cr污染。土壤沉积物中As, Ni, Sn, Bi四种元素之间以及Cr, V, Ni, Cu, Co五种元素之间存在显著正相关性,说明这这些元素可能存在相同的来源或者地球化学性质较为相近。而Cd, Sb,Pb三种元素与其他元素均不相关,说明这三种元素可能没有相同的外源汇入和人为干扰。沉积物中金属元素形态分析结果显示,大多数金属元素均表现为酸可提取态含量最低,残渣态含量最高,部分采样点的As, Cd, Pb的形态中,酸可提取态和可氧化态所占比重较大,迁移能力较强,存在向水中释放的风险。各采样点Ti的迁移能力均为最弱,其残渣态所占比例最高,说明这一金属在密云水库各个区域均较为稳定,受外界影响较小,可以认为几乎不会向水体中释放。


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