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复杂环境中重金属离子检测：电化学与激光诱导击穿光谱联用技术的创新与应用

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化、城市化进程的加速，重金属污染问题愈发严重，对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。重金属是指密度大于4.5g/cm3的金属元素，常见的有汞（Hg）、铅（Pb）、铬（Cr）、镉（Cd）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）等。重金属污染是指重金属在环境中的飘散、堆积、蓄积的过程中使环境物质发生变化，超出一定限度后对生态系统和人体健康造成危害的现象。

在各类环境介质中，重金属无处不在。水体中，重金属离子通过工业废水排放、矿山开采、农业面源污染等途径进入，难以被降解，容易在生物体内富集，通过食物链的传递，对水生生物和人类健康造成严重危害。例如，1956年日本熊本县水质汞污染造成的“水俣病”事件，无机汞进入水体后转化为毒性更强的甲基汞，通过食物链在人体富集，严重损害了当地居民的神经系统。我国的河流、湖泊及水库也存在不同程度的重金属污染，长江三峡库区江段沉积物受上游泥沙及沿江城市和工厂“三废”排放影响，已受到污染；太湖沉积物中重金属砷、铬、汞污染程度较高。

土壤中的重金属污染也不容忽视，其来源包括工业废渣排放、污水灌溉、农药化肥使用以及汽车尾气排放等。重金属在土壤中不断积累，会破坏土壤结构，降低土壤肥力，影响农作物的生长和产量。同时，农作物吸收土壤中的重金属后，会通过食物链进入人体，危害人体健康。如长期食用受镉污染土壤种植的大米，可能会导致“骨痛病”，镉离子在人体骨骼中沉积，阻碍钙的吸收，导致骨质疏松、骨折等症状。

重金属对人体健康的危害是多方面的，其进入人体后，会与人体内的酶、蛋白质等发生强烈相互作用，使它们失去活性，还可能在人体的某些器官中富集，一旦超过人体所能耐受的限度，就会造成急性中毒、亚急性中毒或慢性中毒。例如，铅会损害人的神经系统，导致儿童智力发育迟缓、注意力不集中等；汞对肾脏和神经系统有严重损害；铬中的六价铬是常见的致癌物，可诱发肺癌等疾病。

鉴于重金属污染的严重性和广泛性，对环境中重金属离子的准确、快速检测显得尤为重要。及时准确地检测出环境中的重金属离子，能够为环境污染治理提供科学依据，有助于制定针对性的治理措施，从而有效控制重金属污染的扩散，保护生态环境。在食品安全领域，通过对食品原料、半成品和成品中的重金属含量进行检测，可以确保食品符合安全标准，保障人民群众的身体健康。在人体健康监测方面，检测人体内重金属的含量，能够评估人体健康状况，预防重金属中毒等疾病的发生。

然而，复杂环境中的重金属离子检测面临诸多挑战。环境样品通常成分复杂，存在大量的干扰物质，这对检测方法的选择性和抗干扰能力提出了很高的要求。传统的检测方法，如原子吸收光谱法（AAS）、原子荧光光谱法（AFS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等，虽然具有较高的灵敏度和准确性，但存在操作复杂、样品前处理繁琐、分析时间长、设备昂贵等缺点，难以满足现场快速检测和实时监测的需求。因此，开发一种高效、灵敏、便捷且能适应复杂环境的重金属离子检测方法具有重要的现实意义。

电化学分析法作为一种重要的分析方法，具有仪器装置简单、分析速度快、灵敏度高、易于自动化和连续分析等优点，在重金属离子检测领域得到了广泛的应用。激光诱导击穿光谱技术（LIBS）则具有非接触、高灵敏度、高分辨率和快速分析等特点，可实现原位、在线检测。将电化学分析法与激光诱导击穿光谱技术联用，有望结合两者的优势，克服单一方法的局限性，为复杂环境中重金属离子的检测提供新的思路和方法。通过本研究，旨在建立一种基于电化学-激光诱导击穿光谱联用的高效检测方法，实现对复杂环境中重金属离子的准确、快速检测，为环境保护、食品安全和人体健康监测提供有力的技术支持，对推动重金属污染治理和保障生态环境安全具有重要的理论和实际意义。

1.2复杂环境中重金属离子检测技术现状

目前，针对复杂环境中重金属离子的检测，已经发展出多种技术，每种技术都有其独特的原理、优势和局限性。

原子吸收光谱法（AAS）是基于气态的原子外层电子对紫外光和可见光的吸收为基础的分析方法。当被雾化后的待测重金属原子最外层电子吸收特定频率的光辐射时，会从基态跃迁到激发态，产生吸收谱线。由于不同重金属元素的原子结构和外层电子排布不同，其共振线具有不同特征，据此可定性分辨重金属元素。并且，当一束频率与待测重金属元素原子吸收线中心频率重合的发射线通过原子蒸汽时，吸收光辐射强度在一定范围内与待测重金属元素的浓度成正比，从而实现定量分析。AAS具有较高的灵敏度和准确性，火焰原子吸收法的检出限可达到10^{-9}次方级（10\\mug/L），石墨炉原子吸收法的检出限可更低。其选择性好，能有效排除其他元素的干扰，可测元素达70多