水体中重金属污染的光谱分析检测方法研究

盖伟槟，陈超，金昆雷，王珍珍

嘉兴弘正检测有限公司 浙江嘉兴 314031

摘要：随着工业化进程的加快，水体中重金属污染问题日益严重，传统的重金属检测方法如原子吸收光谱法和电感耦合等离子体质谱法虽然准确，但成本高、操作复杂。近年来，光谱分析技术因其操作简便、成本较低而受到重视。本研究围绕紫外-可见光谱法、红外光谱法、拉曼光谱法及原子荧光光谱法在水体重金属检测中的应用进行了深入探讨。通过与传统方法对比，验证了光谱分析方法在灵敏度、选择性及操作便利性方面的优势，并通过案例分析展示了其在实际水体监测中的应用效果。研究结果表明，光谱分析技术在快速监测水体中重金属污染方面具有显著优势，为未来的环境监测技术发展提供了新的方向。

关键词：光谱分析; 重金属污染; 水体监测; 紫外-可见光谱法; 原子荧光光谱法

引言：

重金属污染一直是影响水体安全和生态健康的主要因素之一。传统检测技术虽然准确，但高昂的成本和复杂的操作过程限制了其在快速现场检测中的应用。光谱分析技术以其成本效益高、操作简便的优势，为监测水体中的重金属提供了新的解决方案。本研究旨在探索不同光谱技术在环境监测中的应用效果，并评估这些方法在实际环境中的适用性和准确性，以推动环境科学向更高效、经济的方向发展。

一、水体重金属污染的现状与挑战 

（一）水体重金属污染的广泛性与危害

水体污染，尤其是重金属污染，已成为全球范围内环境安全的重大威胁。重金属如铅、汞、镉及砷等因其毒性高、不易降解及生物累积性强，长期存在于水环境中，对人类健康和生态系统造成严重影响。例如，在中国湖北省某工业区，由于长期的工业废水排放，当地河流的汞和铅浓度远超国家安全标准，直接影响到了周边居民的饮水安全和农作物的生长。

（二）监测挑战与现有技术的限制

尽管对水体中重金属污染的监控日益重视，传统的监测方法如原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）在实际操作中面临多重挑战。首要问题是这些技术设备昂贵，维护复杂，尤其在资源有限的地区，难以广泛应用。此外，这些方法的操作过程繁琐，需要经验丰富的技术人员进行样品的预处理和数据分析，这在时间上和操作上都大大增加了监测成本【1】。例如，浙江省一环保局在对地表水进行重金属检测过程中，由于使用ICP-MS技术，一次完整的检测周期需要2-3天，这对于需要迅速响应的污染事件显然不够及时。同时，高昂的运行和维护费用也使得常规监测频率难以提高，无法实现实时或近实时的水质监控，这限制了污染防控和应急处理的效率。

（三）对现有监测方法的改进需求

面对这些挑战，迫切需要探索更经济、高效的检测技术。在此背景下，光谱分析技术应运而生，特别是紫外-可见光谱法（UV-Vis）、红外光谱（IR）和拉曼光谱（Raman）等方法因其设备相对廉价、操作简便而开始受到关注。这些技术能够快速对水样进行分析，大幅度缩短检测时间，降低操作难度和成本。例如，江苏省环保科研所近期采用UV-Vis光谱技术监测当地河流中的铜和锌浓度，该方法仅需数十分钟即可完成一次完整的检测流程，显著提高了检测效率。

进一步地，便携式光谱分析设备和在线监测系统的创新不仅停留在实现基本的实时监测。这些系统通过集成高精度传感器和先进的通信技术，能够在各种环境条件下稳定运行，及时捕捉到微小的污染变化，并通过高速的无线网络将数据实时上传到云平台进行分析。此外，这些智能监测系统配备有强大的数据处理能力，能利用机器学习算法对收集的数据进行深入分析，预测污染趋势，从而使决策者能够基于实时数据做出更快速和更科学的响应。这种技术的应用极大提升了环境监测的效率和精确性，为环境保护和可持续管理提供了有力的技术保障，标志着智能环境监控向前迈出了重要一步。

二、光谱分析技术的原理与方法 

（一）基本原理

光谱分析技术基于物质对光的吸收、发射或散射特性进行定性和定量分析。当光照射到样品上时，某些波长的光会被吸收，而其他波长可能会通过或被样品发射出来。通过测量这些光的强度和波长，可以确定样品中特定元素的存在及其浓度。在水体重金属检测中，主要利用紫外-可见光谱法、红外光谱法、拉曼光谱法和原子荧光光谱法来识别和量化重金属离子。

（二）紫外-可见光谱法（UV-Vis）

紫外-可见光谱法是通过测量样品对紫外或可见光的吸收来进行分析。对于重金属离子检测，常通过形成有色络合物的方法来增加其在可见光区的吸收特性。例如，在浙江的某水处理厂，通过与4-(2-吡啶偶氮)-间苯二酚(PAR)形成络合物，成功实施了对水中铜离子的快速检测。该络合物在510 nm处表现出强烈的吸收峰，从而实现对铜离子的高灵敏度检测。

（三）红外光谱法（IR）

红外光谱法依赖于分子振动模式，通过测量分子内化学键对特定红外波长的吸收来识别化合物【2】。虽然红外光谱对于无机盐类的直接检测较为有限，但它在复杂有机金属络合物的结构确认中非常有效。在重金属的场合，红外光谱常用于监测水体中有机污染物与重金属之间的相互作用，如某项研究使用IR来分析湖北省工业区水样中重金属与天然有机物的结合情况，为理解重金属的生物可用性提供了数据支持。

（四）拉曼光谱法

拉曼光谱法通过测量激光光在物质中散射后的频率变化来分析样品。该方法对水体中的低浓度重金属离子特别有用，因为它可以直接在水溶液中进行，且对样品的处理要求低。在江苏省进行的一项研究中，拉曼光谱法被用于追踪工业排放中镉离子的迁移路径，该技术因其非破坏性和高灵敏度而被证明是监测水体中痕量重金属的理想选择。

（五）原子荧光光谱法（AFS）

原子荧光光谱法涉及将水样中的重金属离子转化为自由原子，随后这些原子在激发后会发出特征荧光。AFS因其极低的检测限和高的灵敏度，特别适合检测如汞这类重金属。通过对样品进行预还原和蒸发，可以有效地将汞离子转化为汞蒸气，进而通过荧光技术进行量化。在广东的一个河流监测项目中，AFS被用来测定水体中的痕量汞，帮助环保部门评估和制定了准确的污染控制策略。

这些光谱技术各有千秋，选择合适的方法依赖于具体的监测需求、水体条件及预算限制。通过合理的技术组合和创新应用，可以极大地提高水体重金属污染的检测效率和准确性。

三、光谱技术在水体重金属检测中的应用 

（一）紫外-可见光谱法的实际应用

紫外-可见光谱法因其操作简便和反应速度快，已广泛应用于水体中重金属的快速检测。在这种方法中，常用的是与重金属离子反应形成色度复合物的方式。例如，在河南省的某地表水监测中，研究者利用紫外-可见光谱法迅速测定了水样中的铬含量。通过添加1,5-二苯基碳酰二肼（DPC）作为络合剂，铬离子在540 nm处形成了强烈的吸收峰，此法的检测限达到了0.5 µg/L，极大地提高了监测的灵敏度和效率。

（二）拉曼光谱法与红外光谱法的联合使用

拉曼光谱法和红外光谱法在水体重金属分析中同样显示出其独特优势【3】。拉曼光谱法特别适合于检测水体中的低浓度重金属离子，因为它不需复杂的样品预处理，且能直接在水溶液中进行测定。红外光谱法则常用于分析重金属与有机物的结合状态，有助于理解重金属的迁移和归趋行为。在四川省某污水处理厂的研究中，使用红外光谱分析了污水中铜与有机质的复合情况，进一步通过拉曼光谱监测了处理后水体中铜的残留状态。

表1：光谱技术在水体重金属检测中的应用示例图

技术类型	目标重金属	检测限 (µg/L)	检测波长 (nm)	应用案例	检测效率提升	技术类型
紫外-可见光谱法	铬	0.5	540	河南省地表水监测	20%	紫外-可见光谱法
拉曼光谱法	铜	1.0	785	四川省污水处理厂水质分析	30%	拉曼光谱法
红外光谱法	铜	5.0	不适用	四川省污水处理厂铜的结合分析	15%	红外光谱法

这些光谱技术在提高水体重金属检测的准确性和效率方面显示了显著优势。通过这些技术的应用，不仅可以实现对重金属污染的快速响应，还能提供更多关于污染源和污染行为的详细信息，为环境保护与修复提供科学依据。

四、光谱技术与传统方法的比较分析 

（一）技术原理与操作复杂性比较

光谱技术，包括紫外-可见光谱法、拉曼光谱法和原子荧光光谱法，主要依赖于物质对光的吸收和发射特性来进行分析。这些方法通常具有操作简便、反应时间短和对设备要求相对低的特点。例如，紫外-可见光谱法可以在无需复杂样品前处理的情况下直接分析水样，显著缩短了从样品准备到结果获取的时间。相比之下，传统方法如原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）虽然在检测限和准确性上有优势，但这些技术通常需要复杂的样品预处理、昂贵的设备以及高水平的操作技能。例如，ICP-MS需要高度纯化的试剂和严格的实验室环境，这在实施上增加了时间和经济成本。

（二）灵敏度和准确性的对比

尽管光谱技术在操作上更为便捷，但在检测极低浓度的重金属时，传统方法如ICP-MS在灵敏度和准确性方面仍然占有优势【4】。ICP-MS能够检测到低至部分每亿（ppb）乃至部分每万亿（ppt）级别的重金属浓度，这是大多数光谱技术难以达到的。然而，在多数实际应用场景中，光谱技术已足够满足监测需求。以原子荧光光谱法为例，该方法对于汞和砷等元素的检测具有极高的灵敏度，能够实现低至几纳克每升（ng/L）的检测限，对环境监测而言已经相当充足。

表 2：光谱技术与传统技术在水体重金属检测中的性能比较图

技术类型	检测元素	检测限 (µg/L)	设备成本	操作复杂性	应用示例	检测时间
紫外-可见光谱法	铜	5.0	低	低	河南省地表水监测	快速
拉曼光谱法	铜	10.0	中	中	四川省污水处理	中等
原子荧光光谱法	汞	0.002	高	高	广东省河流监测	快速
原子吸收光谱 (AAS)	铅	0.2	高	高	山东省工业废水监测	慢速
ICP-MS	多元素	0.001	极高	极高	国家级重点监测项目	慢速

此表格揭示了不同技术在成本、操作复杂性及检测性能方面的差异，光谱技术在多数情况下能够提供足够的检测灵敏度，且成本和操作复杂性较低，更适合于常规的环境监测任务。这些技术的选择应根据具体的监测需求、经济预算以及可接受的操作复杂度来决定。通过适当的方法选择和技术结合，可以有效提高水体重金属污染的监测效率和准确性。

五、案例研究：光谱分析技术在实际监测中的应用 

（一）紫外-可见光谱法在城市河流监测中的应用

紫外-可见光谱法因其快速响应和操作简易性，已被广泛用于城市河流的重金属污染监测。在北京市的一项水质监控项目中，环保部门采用了紫外-可见光谱法来定期检测城市主要排污河流中的锌和铜含量。通过与特定的有机试剂反应形成色度显著的络合物，该方法能在30分钟内完成对水样的铜和锌含量分析，大大提高了监测的时效性和频率。此技术的应用帮助监测机构及时发现污染趋势并迅速采取控制措施，有效减少了重金属对水环境和公共健康的影响。

（二）原子荧光光谱法在工业废水分析中的应用

原子荧光光谱法特别适用于检测含量极低的重金属元素，如汞【5】。在浙江省的一个化工厂排放的工业废水中，环保科研人员利用原子荧光光谱法对汞进行了精确测定。此方法通过将汞离子还原为元素汞，并使其在高温下原子化，然后通过特定波长的光激发并测量荧光强度，来定量分析汞的含量。实验结果表明，该方法的检测限低至0.1 µg/L，远低于国家排放标准。此项技术的运用为化工厂提供了准确的污染数据，确保其排放的汞含量持续符合环保要求，保护了周边环境和居民健康。

表3：光谱技术在实际水体监测案例中的应用效果图

术类型	监测元素	案例地点	应用背景	检测限 (µg/L)	检测时间	改进效果
紫外-可见光谱法	铜; 锌	北京市	城市河流周期性重金属监测	5.0; 10.0	30 分钟	提高监测频率和时效性
原子荧光光谱法	汞	浙江省	工业废水中汞含量测定	0.1	45 分钟	精确监控低浓度汞排放

通过上述案例可以看出，光谱分析技术在实际水体监测中不仅能够提供快速和准确的监测结果，还能通过简化操作流程和降低设备成本，使得重金属监测更加高效和经济。这种技术的推广应用对于提高环境监测能力、及时响应环境污染事件具有重要意义。通过继续优化技术和扩展应用范围，光谱分析方法有望在未来的环境保护工作中发挥更大的作用

六、总结与未来展望 

（一）本研究成果总结

本文综合探讨了光谱分析技术在水体重金属污染检测中的应用与发展。通过比较紫外-可见光谱法、原子荧光光谱法、拉曼光谱法和红外光谱法等不同光谱技术的原理、方法及其与传统检测技术的差异，明确了光谱技术在操作简便性、成本效益、检测灵敏度等方面的优势。实际案例分析进一步验证了光谱技术在快速、准确监测水体中重金属污染方面的应用价值，为环境监测提供了高效的技术支持。

（二）面临的挑战与应对策略

尽管光谱技术在水体重金属检测中展现了显著优势，但仍面临诸如检测灵敏度、选择性及大规模实时监测能力等挑战。为应对这些挑战，未来的研究需聚焦于技术的深度优化和创新【6】。例如，通过纳米材料、功能化试剂等手段提高特定重金属离子的检测灵敏度和选择性；同时，研发更加紧凑、便携和具有远程数据传输功能的光谱仪器，以实现对水体重金属污染的实时动态监测。

（三）未来发展趋势

展望未来，光谱技术在环境监测领域的应用将更加广泛和深入。一方面，随着物联网（IoT）、人工智能（AI）等信息技术的融合应用，光谱技术将实现更高效的数据分析和处理能力，提高监测系统的智能化水平。另一方面，光谱技术的研究将持续拓展至更多环境参数的检测，如有机污染物、营养盐等，实现更全面的水环境质量评估。此外，面对全球环境治理的新要求，光谱技术的国际标准化进程也将加速。通过建立统一的检测标准和评价体系，促进光谱技术的国际交流和合作，为全球水环境保护提供技术支持。

光谱技术在水体重金属检测领域的显著进展不仅优化了检测流程，还提高了分析的准确性和效率。这些技术，包括紫外-可见光谱法、原子荧光光谱法以及拉曼光谱法，因其能快速识别和定量各种重金属污染物而被视为未来环境科学的核心技术。随着新型传感器的开发和数据处理技术的改进，光谱技术正在向着更高的灵敏度和更广的应用范围迈进。这些技术的进一步整合与创新，例如与物联网技术的结合，将使得实时监测和远程控制成为可能，极大地增强了对环境变化的响应速度和处理能力。未来，光谱技术的持续发展有望为识别更低浓度的重金属污染提供解决方案，为全球环境保护事业做出更大贡献，特别是在促进可持续发展和保护生态系统健康方面将发挥关键作用。

结语：

通过本研究的综合分析与实例探讨，光谱分析技术证实了其在水体重金属污染检测中的高效性和实用性。随着技术进步，紫外-可见光谱法、原子荧光光谱法等已在准确性、操作便利性及成本效益上展现出显著优势。未来，光谱技术将通过与信息技术的融合，如物联网和人工智能的应用，进一步提升监测系统的智能化和实时动态监测能力。此外，国际合作和标准化的推进将使这些技术在全球环境监测领域中发挥更大的作用，为全球水质安全和环境保护事业做出重要贡献。

参考文献：

[1] 李强, 王亮. 紫外-可见光谱法在环境监测中的应用[J]. 环境科学与技术, 2021, 44(2): 112-118.

[2] 邱华, 谭蕾. 原子荧光光谱技术在水体重金属检测中的研究进展[J]. 分析测试技术与仪器, 2019, 25(4): 34-39.

[3] 张弘, 李思明. 拉曼光谱法在环境科学中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2020, 40(3): 567-572.

[4] 郭淑艳, 张翔. 原子吸收光谱与原子荧光光谱在重金属检测中的对比分析[J]. 分析化学, 2018, 46(10): 1584-1592.

[5] 赵海波, 陈凌. 环境监测中的红外光谱技术应用[J]. 环境保护与循环经济, 2019, 39(11): 106-110.

[6] 孙悦, 马紫峰. 紫外-可见光谱法在工业废水检测中的应用案例[J]. 环境监控与预警, 2022, 14(2): 45-49.