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[摘 要]环境水体中的重金属不可降解，进入人体后会长期积累，引发多种疾病，因此，加强环境水体中重金属检测非常重要。文中介绍了水质分析中基于光学法、电化学法和生物化学法的重金属检测技术，分析了各项技术优缺点，为建立灵敏、准确、快速的检测方法提供参考。
[关键词]水质分析；重金属；检测；光学法；电化学法；生物化学法
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）13-0347-01
前言
随着现代工业的发展，环境污染越来越严重，而重金属污染是环境污染的一个重要方面。由于对金属矿藏开采与利用规模的扩大，释放到环境中的重金属越来越多，对人类健康产生严重威胁，因此，分析监测水体等介质中的重金属含量对于保护环境、提高人们的生存质量具有重要意义。
1 水质分析中重金属检测的重要性
水体中重金属主要来自重工业开采、冶炼、加工过程的违规排放的废气、废水和废渣，水体中金属有利或有害不仅取决于金属的种类、理化性质，而且还取决于金属的浓度、价态和形态，即使有益的金属元素浓度超标，也会产生剧烈毒性，使动植物死亡，给人民生活用水带来严重威胁。在过去，我国为谋求经济快速发展，走了不少“先发展后治理”的老路，现如今，我国已经是世界第二大经济体，习总书记在十九大报告中提出了要加快生态文明体制改革，建设美丽中国，实现中华民族永续发展。加快水污染防治，实施流域环境和近岸海域综合治理。水环境重金属污染问题成为非常重要的民生问题，加速相关行业转型升级或淘汰出局成为必然。随着我国化工、冶金、地质、环保等相关领域的产业不断优化，在这些产业的优化过程中，必备的检测项目和检测需求必将随之增多，这将带给检测分析仪器行业无限机遇。
2 水质分析中基于光学法的重金属检测技术
光学法测量的是原子外层或内层电子能级改变的产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度，有较强的选择性，分析范围广，灵敏度高，但受限仪器大型，适用于实验室。常用于检测水环境中重金属离子的光化学法有原子吸收光谱法、原子发射光谱法、光电比色法。
（1）原子吸收光谱法是利用不同元素的特征谱线不同，通过其原子蒸汽对特征辐射吸收的作用来进行元素分析。这种方法具有灵敏度高，较强的选择性的优点，能够检测大部分的金属元素，检测限在ppm级，少数金属的检测限可达到ppb级。有研究以吡咯烷基二流代甲酸铵和二乙氨基二硫代甲酸钠为蛰合剂，采用商品化的固相萃取柱，分离海水中的镉、铜、铅、镍和锌五种重金属，采用原子吸收光谱法进行定量测定，检测效果较好。
（2）原子发射光谱法是根据不同化学元素的离子在热激发或电激发下，发射出的特征光波辐射不同来进行定性定量分析。有采用微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱法来测定河流和湖泊沉积物中11中重金属元素（Ag、Cd、Co、Cr、Mn、Ni、Pb、Sb、V、Zn）。各元素的检出限为0.20～2.00mg/kg，回收率在81.6～112%。方法准确度和精密度都满足河流和湖泊沉积物多种重金属离子同时检测的需求，有很强的实用性。
（3）光电比色法是光学分析法的一种，是将水样进行消解处理，水样中的目标重金属元素全部氧化为离子态，与显色剂发生络合反应，形成特定颜色的络合物，在一定的波长处，该络合物具有最大吸收，得到吸光度与待测物浓度呈线性关系，据此，测定未知离子络合物的吸光度就可以得出目标重金属离子的浓度。在重金属仪器的快速蓬勃发展中，也出现了基于光电比色法向着全自动方向发展的新型仪器——全自动间断化学分析仪，它是目前离子领域分析技术的新突破。它将比色分析法的检测过程完全自动化，模拟人工操作，将样品、试剂和显色剂加入比色皿中产生颜色反应，其浓度与颜色成正比，经比色计检测透光强度，得到相应的峰值吸光度，再通过标准曲线自动计算得到相应的浓度，彻底消除了由人工因素产生的误差。
3 水质分析中基于电化学法的重金属检测技术
电化学性质及其变化规律，建立电学量与被测物之间的计量关系，具有仪器简单、灵敏度高、易于微型化等优点，适合用于在线、实时检测水环境。电化学方法应用于水环境中重金属检测主要离子选择电极法、溶出伏安法、计时电流法。
（1）离子选择电极法是一种电位法测量溶液中某些离子活度的指示电极，对溶液中的特定离子具有特殊的选择性响应。有学者公国检测海水中的汞离子，采用高灵敏度非对称聚合物膜旋转电极检测技术成功地将离子选择性电极的检出限降低至1.9nmol/L。
（2）溶出伏安法是最常用电化学分析法的一种，它将控制电位电解富集与伏安分析相结合的一种新的伏安分析技术，是通过记录电流i与电压U的函数曲线来对物质进行分析。根据溶出时工作电极上发生的是氧化反应还是还原反应，可将溶出伏安分析分为阳极溶出伏安法和阴极溶出伏安法。金属离子的定量分析多用阳极溶出伏安法。
（3）计时电流法是将电化学工作电极控制在一單电位阶跃或双电位阶跃后，记录响应电流与时间的函数关系，进而定量计算出电解质溶液中发生电化学反应的离子浓度。针对传统计时电流法在检测样品时出现的系统延迟造成偏差的问题，提出了一种引入经典控制理论中惯性环节来减缓电压上升的速度，经缓冲作用后，响应电流将会快速出现峰值，由峰值快速测出被测物浓度的解决办法，易拓展为多通道检测装置，适合大规模电化学电极阵列。
基于电化学检测原理的分析仪易做到小型化、自动化、运行维护成本低，可以进行价态分析、在线检测和现场分析，测量的信号是电信号，不需要进行信号再转换灵敏度高，检测限可以达到ppb级，具有广阔的应用前景，目前对电化学检测仪器研究主要集中在以下几个方面：①提高仪器的便携性、操作的简便性，发挥触摸屏优势，提高用户人机交互的体验；②将无线传感器网络引入水环境重金属分析领域，真正实现大面积水域，实时在线检测；③借助云服务器完成数据存储，开展在线存储和联机操作，为后期处理数据带来极大的方便，为实现数据可溯源提供可能；④利用微加工工艺制作微电极阵列，适合批量生产，保证了电极响应的一致性，有效节约成本。
4 水质分析中基于生物化学法的重金属检测技术
生物化学法是利用生物大分子对待测物的特异性识别能力，当待测物与分子识别元件结合后，产生的复合物、光、热等信号转变为电信号或光信号等来进行定量分析，
有强的特异性识别能力，反应迅速、分析成本低，受限于传感器的稳定性和一致性，还没有得到广泛商业化应用。生物化学法常用于的水环境重金属检测的方法有酶抑制法、免疫分析法。
（1）酶抑制法是指当待测溶液中含有重金属抑制剂时，特异性的酶活性受抑制，产生电位差，以此测定待测溶液中重金属含量。
（2）免疫分析法利用的是抗原抗体特异性结合反应检测，用于重金属离子检测的有荧光偏振免疫检测、酶联免疫吸附检测和KinExA免疫检测等。
在应用于检测水环境中重金属离子时，生物传感器具有高度的特性选择性，体积小，样品用量少，但同时受到生物分子本身特性的限制，存在可靠性和稳定性差，样品前期处理过程复杂，对仪器设备的安装环境和使用维护要求较高，难以实现现场或在线检测。
5 结束语
重金属检测是一项长期的经常性工作。随着社会、经济的快速发展，工农业废弃物和城市生活垃圾剧增，使得人类赖以生存的土壤、水体等环境遭受到了严重污染，造成生态环境恶化和农产品品质下降，影响人体的健康。
参考文献
[1] 李宗浩.环境水样中重金属离子的检测方法研究[D].武汉：生命科学与技术学院，2013.
[2] 朱睿.原子吸收光谱法在测定水中重金属的应用[J].污染防治技术，2013（4）：66-70.
[关键词]水质分析；重金属；检测；光学法；电化学法；生物化学法
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）13-0347-01
前言
随着现代工业的发展，环境污染越来越严重，而重金属污染是环境污染的一个重要方面。由于对金属矿藏开采与利用规模的扩大，释放到环境中的重金属越来越多，对人类健康产生严重威胁，因此，分析监测水体等介质中的重金属含量对于保护环境、提高人们的生存质量具有重要意义。
1 水质分析中重金属检测的重要性
水体中重金属主要来自重工业开采、冶炼、加工过程的违规排放的废气、废水和废渣，水体中金属有利或有害不仅取决于金属的种类、理化性质，而且还取决于金属的浓度、价态和形态，即使有益的金属元素浓度超标，也会产生剧烈毒性，使动植物死亡，给人民生活用水带来严重威胁。在过去，我国为谋求经济快速发展，走了不少“先发展后治理”的老路，现如今，我国已经是世界第二大经济体，习总书记在十九大报告中提出了要加快生态文明体制改革，建设美丽中国，实现中华民族永续发展。加快水污染防治，实施流域环境和近岸海域综合治理。水环境重金属污染问题成为非常重要的民生问题，加速相关行业转型升级或淘汰出局成为必然。随着我国化工、冶金、地质、环保等相关领域的产业不断优化，在这些产业的优化过程中，必备的检测项目和检测需求必将随之增多，这将带给检测分析仪器行业无限机遇。
2 水质分析中基于光学法的重金属检测技术
光学法测量的是原子外层或内层电子能级改变的产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度，有较强的选择性，分析范围广，灵敏度高，但受限仪器大型，适用于实验室。常用于检测水环境中重金属离子的光化学法有原子吸收光谱法、原子发射光谱法、光电比色法。
（1）原子吸收光谱法是利用不同元素的特征谱线不同，通过其原子蒸汽对特征辐射吸收的作用来进行元素分析。这种方法具有灵敏度高，较强的选择性的优点，能够检测大部分的金属元素，检测限在ppm级，少数金属的检测限可达到ppb级。有研究以吡咯烷基二流代甲酸铵和二乙氨基二硫代甲酸钠为蛰合剂，采用商品化的固相萃取柱，分离海水中的镉、铜、铅、镍和锌五种重金属，采用原子吸收光谱法进行定量测定，检测效果较好。
（2）原子发射光谱法是根据不同化学元素的离子在热激发或电激发下，发射出的特征光波辐射不同来进行定性定量分析。有采用微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱法来测定河流和湖泊沉积物中11中重金属元素（Ag、Cd、Co、Cr、Mn、Ni、Pb、Sb、V、Zn）。各元素的检出限为0.20～2.00mg/kg，回收率在81.6～112%。方法准确度和精密度都满足河流和湖泊沉积物多种重金属离子同时检测的需求，有很强的实用性。
（3）光电比色法是光学分析法的一种，是将水样进行消解处理，水样中的目标重金属元素全部氧化为离子态，与显色剂发生络合反应，形成特定颜色的络合物，在一定的波长处，该络合物具有最大吸收，得到吸光度与待测物浓度呈线性关系，据此，测定未知离子络合物的吸光度就可以得出目标重金属离子的浓度。在重金属仪器的快速蓬勃发展中，也出现了基于光电比色法向着全自动方向发展的新型仪器——全自动间断化学分析仪，它是目前离子领域分析技术的新突破。它将比色分析法的检测过程完全自动化，模拟人工操作，将样品、试剂和显色剂加入比色皿中产生颜色反应，其浓度与颜色成正比，经比色计检测透光强度，得到相应的峰值吸光度，再通过标准曲线自动计算得到相应的浓度，彻底消除了由人工因素产生的误差。
3 水质分析中基于电化学法的重金属检测技术
电化学性质及其变化规律，建立电学量与被测物之间的计量关系，具有仪器简单、灵敏度高、易于微型化等优点，适合用于在线、实时检测水环境。电化学方法应用于水环境中重金属检测主要离子选择电极法、溶出伏安法、计时电流法。
（1）离子选择电极法是一种电位法测量溶液中某些离子活度的指示电极，对溶液中的特定离子具有特殊的选择性响应。有学者公国检测海水中的汞离子，采用高灵敏度非对称聚合物膜旋转电极检测技术成功地将离子选择性电极的检出限降低至1.9nmol/L。
（2）溶出伏安法是最常用电化学分析法的一种，它将控制电位电解富集与伏安分析相结合的一种新的伏安分析技术，是通过记录电流i与电压U的函数曲线来对物质进行分析。根据溶出时工作电极上发生的是氧化反应还是还原反应，可将溶出伏安分析分为阳极溶出伏安法和阴极溶出伏安法。金属离子的定量分析多用阳极溶出伏安法。
（3）计时电流法是将电化学工作电极控制在一單电位阶跃或双电位阶跃后，记录响应电流与时间的函数关系，进而定量计算出电解质溶液中发生电化学反应的离子浓度。针对传统计时电流法在检测样品时出现的系统延迟造成偏差的问题，提出了一种引入经典控制理论中惯性环节来减缓电压上升的速度，经缓冲作用后，响应电流将会快速出现峰值，由峰值快速测出被测物浓度的解决办法，易拓展为多通道检测装置，适合大规模电化学电极阵列。
基于电化学检测原理的分析仪易做到小型化、自动化、运行维护成本低，可以进行价态分析、在线检测和现场分析，测量的信号是电信号，不需要进行信号再转换灵敏度高，检测限可以达到ppb级，具有广阔的应用前景，目前对电化学检测仪器研究主要集中在以下几个方面：①提高仪器的便携性、操作的简便性，发挥触摸屏优势，提高用户人机交互的体验；②将无线传感器网络引入水环境重金属分析领域，真正实现大面积水域，实时在线检测；③借助云服务器完成数据存储，开展在线存储和联机操作，为后期处理数据带来极大的方便，为实现数据可溯源提供可能；④利用微加工工艺制作微电极阵列，适合批量生产，保证了电极响应的一致性，有效节约成本。
4 水质分析中基于生物化学法的重金属检测技术
生物化学法是利用生物大分子对待测物的特异性识别能力，当待测物与分子识别元件结合后，产生的复合物、光、热等信号转变为电信号或光信号等来进行定量分析，
有强的特异性识别能力，反应迅速、分析成本低，受限于传感器的稳定性和一致性，还没有得到广泛商业化应用。生物化学法常用于的水环境重金属检测的方法有酶抑制法、免疫分析法。
（1）酶抑制法是指当待测溶液中含有重金属抑制剂时，特异性的酶活性受抑制，产生电位差，以此测定待测溶液中重金属含量。
（2）免疫分析法利用的是抗原抗体特异性结合反应检测，用于重金属离子检测的有荧光偏振免疫检测、酶联免疫吸附检测和KinExA免疫检测等。
在应用于检测水环境中重金属离子时，生物传感器具有高度的特性选择性，体积小，样品用量少，但同时受到生物分子本身特性的限制，存在可靠性和稳定性差，样品前期处理过程复杂，对仪器设备的安装环境和使用维护要求较高，难以实现现场或在线检测。
5 结束语
重金属检测是一项长期的经常性工作。随着社会、经济的快速发展，工农业废弃物和城市生活垃圾剧增，使得人类赖以生存的土壤、水体等环境遭受到了严重污染，造成生态环境恶化和农产品品质下降，影响人体的健康。
参考文献
[1] 李宗浩.环境水样中重金属离子的检测方法研究[D].武汉：生命科学与技术学院，2013.
[2] 朱睿.原子吸收光谱法在测定水中重金属的应用[J].污染防治技术，2013（4）：66-70.