液相阴极辉光放电原子发射光谱快速检测水中重金属元素的方法研究

The research of real time and on-line simultaneously detection of multi-elements in aqueous solution based on the electrolyte cathode discharge (ELCAD) is very interested in the field of elemental analysis in recent years. In this project, we will modify and design a new reactor termed as liquid cathode glow discharge (LCGD), according to the principle and characteristics of ELCAD. Stable glow discharge plasma is produced in cathode of LCGD when the carbon rod anode (diameter: 5 mm) and Pt cathode (diameter: 0.5 mm, length: 0.5 mm) are all introduced into the aqueous solution at about 400 V and 250 mA. This discharge system is useful for real time, on-line detection of heavy metal elements dissolved in water. Using the proposed set-up, we will study how to improve the precision and speed of analysis, and investigate the effect of all kinds of experimental conditions (discharge voltage, discharge current, solution concentration, pH and organic reagent as matrix modifiers, etc) on the plasma stability and signal strength. Then, we will determine the optimization experimental conditions and process parameters suitable for detection of heavy metal elements in the water environment analysis so as to establish the rapid detection method by using LCGD. The results will be compared with values measured by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES). We hope that the results can provide the reference on development of ELCAD detection equipment, and the corresponding method and results can provide the data support for its on-line monitoring of heavy metal elements in water environment.

电解液阴极放电原子发射光谱(ELCAD-AES)技术是近年来兴起的一种实时、在线、多元素同时检测水中金属元素的方法。本项目针对快速检测水中重金属元素含量的需求，基于ELCAD-AES的原理及特点，通过设计改进放电装置，建立一种新的液相阴极辉光放电原子发射光谱(LCGD-AES)实时测量和在线分析系统。利用该系统，研究提高光谱分析精度和速度的方法，探索放电电压、放电电流、电解液的种类和浓度、溶液pH、有机基体改进剂等实验条件对放电稳定性和光谱信号强度的影响规律，确定适用于水中重金属元素含量分析的最优实验条件和程序参数，建立LCGD快速检测水中重金属元素的新方法，并将测试结果同ICP的分析结果进行比较。本项目的研究为ELCAD-AES检测设备的研制提供参考，检测方法和结果为水中重金属元素的在线监控提供数据支持。

分析仪器的微型化是分析化学研究的重要方向。最近，电解液阴极辉光放电(ELCAD)为发展低成本、微型化的发射光谱仪器提供了新思路。本项目针对重金属污染的预警和突发事件下污染物的快速检测需求，基于ELCAD的原理和尖端放电的特点，通过改进进样系统和激发源系统，构建了静态式、流动式和改进的流动式三种新的微型液相阴极辉光放电原子发射光谱(LCGD-AES)分析系统。利用上述系统，研究提高光谱分析精度和速度的方法，探索放电电压、放电电流、电解液的种类和浓度、溶液pH、有机基体改进剂等实验条件对放电稳定性和光谱信号强度的影响规律，确定适用于水中重金属元素含量分析的最优实验条件和程序参数，并将LCGD的分析性能与其他ELCAD的进行比较。同时，为了评估方法的实际应用性能，用标准物质验证了LCGD-AES测定金属元素的准确度和可靠信；用建立的分析系统快测定了溶液中的Cu、Co、Ni、Cd、Pb、Zn，矿泉水和盐矿中的Na、K、Ca、Mg，矿石中的Cu、Cd、Pb、Zn，以及口服液和血液中的Ca和Zn；此外，用ICP-AES对LCGD-AES的测试结果进行验证，t检验统计分析两种方法的差异性。结果表明，放电电压、放电电流、电解液的种类和浓度、溶液pH是影响LCGD-AES的关键参数，加入化学改进剂可以提高某些元素的信号强度，提高分析的灵敏度和检出限，另外，加入化学改进剂还可以消除基体干扰，提高分析的精度。本法获得的检出限与其他类型的ELCAD检出限相差不大，对实际样品的测试结果与ICP-AES基本一致，t检验统计结果表明，本方法测试结果与ICP-AES无显著性差异。以上结果暗示，LCGD-AES系统具有稳定性好、检出限低、灵敏度高、精密度好、准确度高等优点，可用于许多实际样品中重金属元素的检测。与ICP-AES相比，LCGD-AES具有无需使用易燃及昂贵的气体，无需真空环境及雾化器等进样部分，功率低于80W、装置小型便携、操作简单、成本低廉，可以实现野外现场的原位、实时、在线和多元素同时快速定性或定量分析。随着激发源和进样系统的进一步改进，LCGD-AES有望发展成为测定金属元素的便携式发射光谱仪。