粉尘中粉尘中的重金属元素含量检测方案(等离子体质谱)

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仪器参数 iCAP Qc ICP-MS 测定 PM2.5粉尘中的重金属元素含量 王艳萍 荆淼赛默飞世尔科技(中国)有限公司 近年来，全国各地雾霾天气经常出现，国务院常务会议同意发布新修订的《环境空气质量标准》，PM2.5(直径小于2.5微米的污染物颗粒)写入“国标”'，纳入各省市强制监测空气质量范畴。PM2.5容易吸附有害物质，这是它威胁中国公众健康的主要原因之一。不同来源的 PM2.5其化学组成亦有不同，对健康的影响亦不相同。毒理学实验已经表明金属元素是大气颗粒物中造成健康危害的可能性组分。由于 PM2.5对重金属的携带能力较 PM10更强，铅、锰、镉、汞、铜、砷、硒、铬等含量较高，有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，对人体健康的危害更大，需要准确分析其中的含量从而为更高效地提升治理污染提供参考。测量原理采用重量法测量，其原理为采样泵抽取一定体积的空气进入切割器，将空气动力学直径小于2.5 pm 的颗粒物切割分离，PM2.5颗粒随着气流经切割器的出口被阻留在已称重的滤膜上。采用的滤纸：47毫米纤维滤膜仅用于称重，47毫米 Teflon滤膜用于重量和无机化学分析，47毫米石英滤膜用于重量和无机化学分析。石英滤测定水溶性离子物种离子K*、Na*、Mg²+ 和 Ca， Teflon 滤膜微波消解后测定As、Hg、Se、 Pb、Cd、Cr、Cu、AI、V、Zn、Mn、Fe。 本文建立了 iCAP Qc-ICP-MS 测定 PM2.5粉尘中的重金属含量的方法。将分别收集好的 PM2.5的石英和 Teflon 滤膜，采用去离子水萃取石英滤膜和三酸微波消解 Teflon 滤膜。ICP-MS具有良好的线性范围和检出限的特点，对于 PM2.5中高含量的Ca、Mg、K等，和低含量的 Pb、As、Hg等具有很好的测试效果。 实验部分 仪器 ·iCAP Q ICPMS (Thermo Scientific)； ·超纯水机 (Fisher Scientific)； 试剂和标准品 ( ·高纯硝酸 (Trace Metal Grade， Fish e r Scientific)； ) ( ·元素标准溶液 (Inorgainic， Spex) ； ) ( · 2 0~100L、 2 00~1000L微量移液器 (Fish e r Scientific)； ) ( ·50 m L、1 0 0mL HPDE 瓶 (NALGENE； Fish e r Sc i entific) ) 仪器配置 采用 Thermo Scientific iCAP Qc ICP-MS 进行所有测量。所用的进样系统包括标准的 Peltier 冷却漩流雾室、PFA同心雾化器和可拆卸石英矩管(2.0mm内径，石英中心管)。标准的镍采样锥和截取锥。仪器使用纯氦作为碰撞气体，以单一动能歧视(KED)碰撞池模式运行。ICPMS仪器参数如下表1. 1表1.iCAPQ运行参数 仪器参数 设置值 仪器参数 设置值 RF功率(W) 1550 Q Cell气体(mL/min) 4.2(He) 冷却气 (L/min) 14 KED 电压(v) 3 辅助气(L/min) 0.8 驻留时间(ms) 100 雾化气(L/min) 1.05 中心管(mm) 2.5 样品和标准溶液制备 元素储备液：采用2%HN0，溶液逐级稀释混合标准溶液，其中 Na、Mg、Al、K、Ca、Mn、Fe、Zn元素工作曲线各元素的含量分别为0、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 pg/mL，Cr、V、Cu、As、Se、Cd、Pb元素工作曲线含量分别为0、0.1、1.0、5、10、50、100、200 pg/L， Hg 工作曲线含量分别为0、0.1、0.2、0.5、1.0ug/L。 内标校正溶液：用2%HNO溶液稀释得到20 pg/L混合元素内标液(Sc、Y、Rh、In、Bi)，通过三通在线加入内标。 结果与讨论 样品前处理 石英滤膜：将采集的石英滤膜剪成条状碎片，置于10mL干净的试管中；加5mL高纯去离子水使之完全淹没滤膜，超声提取30 min， 提取液用微孔滤膜过滤。重复上次步骤一次，将两次收集的滤液合并后进行成分分析。 Teflon 滤膜：将采样滤膜剪碎后放入消解罐中；在消解罐中加入6mL硝酸、1.5mL盐酸和0.5mL氢氟酸，摇匀，封闭消解罐；将消解罐放入微波加速反应系统中，设置微波消解程序、试验以温控为主，压控为辅。消化完毕后待罐中温度降至室温，取出消解罐，将溶液倒入Telfon 烧杯，在电热板上低温赶酸，然后转移至10mL容量瓶内，用蒸馏水冲洗器皿，稀释至刻度，摇匀后备分析。 表2.微波升温程序 步骤 温度℃ 升温时间 min 保持时间 min 1 120 5 5 2 150 5 5 3 185 5 10 校准曲线 滤膜上的 PM2.5过滤物主要物质还是粉尘，所以其主要的成分还是类似于土壤，壤土壤其中Na、Mg、Al、K、Ca含量很高，其它元素含量微量，对于 ICP-MS 来讲在一个方法条件下，同时测定高低含量的不同的多元素，是个很大的挑战。考虑到以上因素，本实验室采用 KED 模式，氦气碰撞测定所有元素。KED模式不但可以克服一定多原子离子干扰，而且对于轻质量数离子 Na、Mg、Al、K、Ca 具有降低灵敏度作用，本身样品中 Na、Mg、AI、K、Ca 这些元素恰恰都是%含量，扩展了线性范围。 以上标准曲线图表明ICP-MS具有很宽的线性范围，即使标准曲线浓度梯度到了 mg/kg 的级别，仍然具有优异的线性拟合效果，对于测试样品中的各种元素含量落差比较大，具有良好的测试效果。 测试结果 图2.滤膜样品图 实验室选取一批石英膜和 Teflon 膜进行测试。所有都都在80℃干燥后恒重后，记录重量，收集PM2.5颗粒物后再干燥恒重，记录重量，差减后的重量，即为PM2.5粉尘的净质量。 表3.滤膜测试结果 此次滤膜收集的 PM2.5的粉尘颗粒物是在钢铁厂的排放口收集，可能会造成滤纸中Fe等元素比普通环境中PM2.5粉尘中含量要高。 结论 ( 本文介绍采用去离子水萃取石英滤膜和三酸微波消解Teflon 膜后， 在 ICP-MS 测定重金属含量的一整套方法。其中包括的去离子水萃取的步骤和微波消解的程序，以及ICP-MS 在同一条件下，测定所有元素的方法。实验结果表明ICP-MS具有线性范围很广、检测限很低的优点，完全满足 PM2.5中重金属快速、准确测定的需要。 ) ( 参考文献 ) ( 1. 《北京 PM2.5中重金属浓检检测研究》报告 ) ( 2 . 江 冯茜丹、党志、吕玄文、明彩兵、 童 英英、李静华. 大气 PM_(2.5)中重金属的化学形态分布.[J]生态环境 学报.2011，20(6-7)：1048-1052 ) 赛默飞世尔科技(中国)有限公司 免费服务热线：800810 5118400 6505118(支持手机用户) ThermoFisher AN_C_ICPMS- 本文介绍采用去离子水萃取石英滤膜和三酸微波消解Teflon 膜后，在 ICP-MS 测定重金属含量的一整套方法。其中包括的去离子水萃取的步骤和微波消解的程序，以及 ICP-MS 在同一条件下，测定所有元素的方法。实验结果表明 ICP-MS 具有线性范围很广、检测限很低的优点，完全满足 PM2.5 中重金属快速、准确测定的需要。