ICP-MS在PM2.5元素分析中的应用进展

ICP-MS在 PM2.5元素分析中的应用进展

汤根平、谢琴、黄敏、刘琳娜

湖南省株洲生态环境监测中心 湖南 株洲 412000

摘要：大气微粒（PM2.5）具有较小的粒径和较大的比表面积，因此它们可以轻松吸附金属、有机物、病毒、细菌和其他污染物，并且是严重影响空气质量和环境的有毒有害物质。近年来，作为大气环境的主要污染物，中国许多城市已经对PM2.5中金属元素的污染特性，分布水平和源分析进行了相应的研究。有效地从PM2.5中收集金属和类金属元素的方法的选择，具有高消化效率的预处理方法，具有简单、快速、准确、灵敏和强大的抗干扰能力的检测方法已成为当前PM2.5的元素分析。研究重点和热点领域。

关键词：电感耦合；等离子质谱；大气颗粒物PM2.5；元素分析

1. 引言

近年来，我国各地普遍出现大雾天气，大雾主要由颗粒物、硫化物和氮氧化物组成，颗粒物成分复杂，性质多样，是大多数城市空气污染的主要来源。该分析方法具有实际的重要意义，并结合其他技术对ICP-MS在PM2.5元素形态和同位素分析中的研究工作进行了总结和综述，并提出了其发展方向。

二、实验部分

（一）样本

大气采样器是一种收集空气污染物或受污染的空气的仪器或设备，通常由三部分组成：收集器、流量计和排气动力系统。根据收集的内容，可以分为气体采样器和颗粒物采样器很多。

对于PM2.5，使用配有2.5m粒度切割头的大流量颗粒采样器进行离线采样。即，将具有特定规格的采样过滤器放置在收集器上，以吸收颗粒并保持采样切割头与地面保持恒定。^[1]PM2.5样品的收集距离为20C。采样效率是衡量采样质量的最重要指标，除受采样流量、温度、气压、湿度等影响外，采样滤膜的选择也有直接影响。这是因为滤膜的特性不仅决定了PM2.5样品的吸附和消化程度，而且空白膜中的各种元素浓度也严重影响了方法的检测限和样品检测结果的准确性。

（二）如何准备样品

1.电热板消解

对于PM2.5收集，石英过滤膜、玻璃纤维膜和PTFE膜加热板被广泛使用，且成本低廉。结果表明，所有方法学指标均符合定量分析的要求。加入10mLHNO和HCl混合溶液，并在电热板上使用空白值进行比较。除铁和硒外，其他22种元素的PTFE膜的空白值显着低于石英膜的空白值。玻璃纤维膜的优点是过滤效率高、耐介质性好、吸湿率低，但是玻璃纤维膜通常会使某些元素（例如Pb，As和Zn）具有较高的背景金属值，因此在ICP-MS中使用。^[2]

电热板的消解方法是可靠的，但是电热板的消解是开放式消解。消化时间长，酸的使用量高。产生的酸雾腐蚀实验室和设备，并可能损害分析人员的身体。一些元素会随着酸雾一起蒸发，从而影响测量结果的准确性。

2.微波消解

微波消解在高压密封条件下进行。酸耗低、分解效率高、酸不易挥发，避免环境污染，仪器自动化程度高。ICP-MS是确定PM2.5元素的选择。微波消隐值低，仅检测到Zn65n。

金属和元素（例如金属）是使用ICP-MS在PM2.5中测量的。在微波分解中，硝酸是使用最广泛的分解溶液，因为硝酸中包含的氮、氢和氧元素都是空气的成分。灭火后使用设备测量期间不会对新的非金属元素产生干扰。如果使用过氧化氢灭火，则过氧化氢很容易分解，从而限制了灭火温度的设定。扑灭氢氟酸时，氢氟酸可以溶解空气中的硅化物，但是氢氟酸有可能腐蚀石英方管，因此必须严格控制除去酸的步骤。^[3]消化高氯酸时，很容易与某些元素一起产生挥发物。当将盐酸分解引入仪器中时，元素晶体有可能干扰多原子离子，从而影响晶体结果的准确性。ICP-MS不能使用高浓度的HF。人们使用HBO解决此问题，因为HF腐蚀样品管和石英矩管，从而导致信号漂移和污染。由于微波消解是在高温高压封闭条件下进行的，因此不适合大型样品的消解，并且在微波消解之后，必须转移和去除酸，这很容易导致测量结果差。

3.超声消解

超声提取和分解方法不需要高温和高压，但它利用超声辐射压力产生的机械搅拌，扩散和压碎的多阶段效应来增加材料分子的运动频率和速度，提高溶剂和目标组分的渗透性。加速其进入溶剂。可以缩短操作时间。在一些研究中，使用10的HNO3溶液从PM2.5中超声提取36种元素，例如As、Cr、Pb，通过ICP-MS测定PM2.5中As、Cr、Pb的含量及其分布已经探索了表征和来源分析；这种分析方法具有极好的精度和准确性。还报道了PM2.5样品预处理方法，通过ICP-MS通过超声提取硝酸溶液来分析溶液中38种金属元素（例如Sb、Cd和Pb）的含量，测量过程为过滤器参考标准NISTRM使用2783完成。质量控制可确保测量结果的准确性。PM2.5铅分析且晶体为水溶性状态：采用超声波振动的高纯水；脂溶性状态：据报道采用三步顺序萃取程序，其中将CH2Cl2添加到离心管中，该管中包含超声振动后残留的含水萃取残留物。通过在萃取液中加入HNO3使其几乎干燥，直到在电热板上将其干燥为止。不溶状态：将浓缩的HNO3与剩余的脂溶性萃取残留物一起放入离心管中，在室温下浸泡过夜，然后通过超声振摇，最后加入少量的H2O2。ICP-MS分析大气PM2.5中铅的各种溶解组分的铅同位素指纹图谱是准确可行的。

当前，关于超声提取的文献很少。超声提取消化通过将超声换能器产生的超声波通过介质传输而作用于样品。这是一种间接的行动方式。声振动效率低并且需要改进超声发生器。它具有提高提取效率的能力，但是会产生较大的噪音。

4.石墨分解

石墨分解机的整个分解过程是全自动的，因此可以避免酸雾及其分解。其他因素会对实验人员造成物理损害，同时减少实验人员的操作错误。自动石墨灭火设备已广泛用于土壤预处理，大气颗粒物中的重金属类似于土壤中的存在，而大气颗粒物的预处理也是土壤样品的基础。

ICP-MS测定分解溶液中的铅和镉，这种方法非常精确。将三种预处理消解方法：电热板消解、微波消解和全自动石墨消解与消解PM2.5滤膜进行了比较。ICP-MS测定了分解溶液中的六种重金属：铜、锌、铅、镍、钴和钒。自动石墨化方法的优点更加明显，无需手动粉化酸，适合于大样品的制备。石墨分解过程简单、快速、安全且可重复，目前很少用于PM2.5样品制备，因此其应用将成为PM2.5元素分析未来发展的热点。

5.高压罐消解

高压罐消解不适用于样品的批量处理，因此必须与I结合使用。首先，将一定量的样品与900mgV2O5混合并放入水解石英管中，然后使用水蒸气和氩气流加热至950C，进行热水解和萃取15分钟。最后，使用10mL氨溶液吸收目标物质，然后通过ICP-MS测定，Br和I的萃取效率均高于95%，相对标准偏差约为8%。该方法准确可靠，热解萃取技术的引入也大大减轻了基质造成的干扰。

结论：在PM2.5分析中，ICP-MS扩展技术和对键合技术的不断深入研究将使研究人员更容易分析环境污染物中金属和半金属元素的成因和移动规律，并有助于元素开发。监测对人口健康的影响将使社会更好地采取环境污染预防措施，从而可以更好地维护空气环境和公共健康。同时，PM2.5中金属和类金属元素在时间和空间上的差异，人们对居住环境中空气质量的要求不断提高以及现代分析仪器的迅速发展使样品制备的新方法更加容易，科学和合理。设计和操作快速简便，检测范围广，可同时测量多元素，多态性和多同位素的新检测技术及其扩展，组合技术也是PM2.5金属和金属元素分析方法的发展趋势和研究重点。

参考文献：

[1]袁小雪,周定友等.ICP-MS在PM_(2.5)元素分析中的应用进展[J].光谱学与光谱分析,2020,40(08):2373-2381.

[2]王婉,王立等.ICP-MS法测定PM_(2.5)中无机元素浓度及污染特征分析[J].环境工程技术学报,2020,10(04):631-638.

[3]耿柠波,王佳等.ICP-MS分析郑州市高新区PM_(2.5)中的金属元素[J].天津师范大学学报(自然科学版),2012,32(02):88-91.