现代环境监测技术专题

第二节自动监测与遥感技术第三节环境应急监测第四节生态监测第一节超痕量分析技术7.1.1超痕量分析概述在实验室分析样品时，常以样品用量的多少，分常量分析技术、半微量分析技术、微量分析技术和超微量分析技术。具体划分见表7-1-1。表7-1-1样品用量分析技术分类7.1超痕量分析技术分析技术样品用量样品体积常量分析0.1g10ml半微量分析0.01~0.1g1~10ml微量分析0.1~10mg10ul~1ml超微量分析0.1mg10ul按照样品成分的含量区分常量、微量和痕量分析技术见表7-1-2。表7-1-2样品成分含量分析分类被测成分含量%μg/g常量1~100104~106半微量0.01~1100~104微量10-4~0.011~100痕量10-6~10-40.01~1超痕量10-60.017.1.2超痕量分析中常用的前处理方法1.液-液萃取法（LLE）液-液萃取法是一种传统经典的提取方法。它是利用相似相溶原理，选择一种极性接近于待测组分的溶剂，把待测组分从水溶液中萃取出来。常用的萃取溶剂有正己烷、苯、乙醚、乙酸乙酯、二氯甲烷等2.固相萃取法（SPE）固相萃取具有有机溶剂用量少、简便快速等优点。固相萃取的核心是固相吸附剂，不但能迅速定量吸附待测物质，而且还能在合适的溶剂洗脱时迅速定量释放出待测物质，整个萃取过程最好是完全可逆的。固相萃取柱基本上分两种：固相萃取柱（cartridge）和固相萃取盘（disk）。3.固相微萃取法（SPME）固相微萃取技术是以固相萃取为基础发展而来4.吹脱捕集法（P&T）和静态顶空法（HS）吹脱捕集和静态顶空都是气相萃取技术，它们的共同特点是用氮气、氦气或其它惰性气体将待测物质从样品中抽提出来。但吹脱捕集与静态顶空不同，它使气体连续通过样品，将其中的挥发组分萃取后在吸附剂或冷阱中捕集，是一种非平衡态的连续萃取，因此吹脱捕集法又称为动态顶空法。5.索氏提取法（SoxheltExtraction）索氏提取器是1879年FranzvonSoxhlet发明的一种传统经典的实验室样品前处理装置，用于萃取固体样品。常用的萃取溶剂有丙酮-正己烷混合溶剂、二氯甲烷-丙酮混合溶剂、二氯甲烷、甲苯-甲醇混合溶剂等。图7-1-1索氏提取器6.超声提取法（UltrasonicExtraction）超声提取法简单快速，但有可能提取不完全。必须进行方法验证，提供方法空白值、加标回收率、替代物回收率等质控数据，以说明得到的数据结果的可信度7.压力液体萃取法（PLE）和亚临界水萃取法（SWE）压力液体萃取法也被称为加速溶剂萃取法（ASE）（AcceleratedSolventExtraction），是在提高压力和增加温度的条件下，用萃取溶剂将固体中的目标化合物提取出来。它能大大加快萃取过程又明显减少溶剂的使用量8.超临界流体萃取法（SFE）超临界流体萃取法（SupercriticalFluidExtraction）是利用超临界流体的溶解能力和高扩散性能发展而来的萃取技术。9.微波消解（MD）和微波辅助萃取法（MAE）微波消解（MicrowaveDigestion）和微波辅助萃取法（Microwave-AssistedExtraction）是利用微波耦合的原理对介电常数大的物质快速加热来完成消解或加速溶出的方法。10.免疫亲和固相萃取法（IASPE）免疫亲和固相萃取法（ImmunoaffinitySolidPhaseExtraction）是随着免疫技术在分析化学中的应用而发展起来的，其原理是将抗体固定在固相载体上，制成免疫亲和吸附剂，将样品溶液通过吸附剂，样品中的目标化合物因与抗体发生免疫亲和作用而被保留在固相吸附剂上。然后用酸性（pH=2~3）缓冲溶液或有机溶剂作为洗脱剂洗脱固定相，使目标化合物从抗体上解离下来7.1.3超痕量分析测试技术1光谱分析法光谱分析法是基于光与物质相互作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射或吸收光谱的波长和强度变化的分析方法。（1）荧光分析法在一定波长光照射下，荧光强度与荧光物质浓度的定量关系如下：F=KΦI0c式中：F—荧光强度；K—比例常数；Φ—荧光物质的荧光效率；I0—入射光强度；c—荧光物质的浓度。（2）发光分析法发光分析是基于化学发光和生物发光而建立起来的一种新的超微量分析技术。它通过发光体系光强度测定来定量某一分析物浓度。（3）原子发射光谱分析法发射光谱分析是利用物质受电能或热能的作用，产生气态的原子或离子价电子的跃迁特征光谱线来研究物质的一种检测方法。用不同元素光谱线的波长可以进行定性检测，光谱线的强度则可以用来定量分析。（4）原子吸收光谱法原子吸收光谱法又称原子吸收分光光度法。它是一种测量基态原子对其特征谱线的吸收程度而进行定量分析的方法。其原理是：试样中待测元素的化合物在高温下被解离成基态原子，光源发出的特征谱线通过原子蒸气时，被蒸气中待测元素的基态原子吸收原子吸收光谱法具有灵敏度高、干扰小、操作简便、迅速等特点。可测定70多种元素，是环境中痕量金属污染物测定的主要方法2电化学分析法（1）电位滴定法电位滴定是用标准溶液滴定待测离子的过程中，用指示电极的电位变化来代替指示剂颜色变化显示终点的一种方法。它最大的特点是可以进行连续滴定和自动滴定。（2）极谱分析法极谱法是测定电解过程中所得电压-电流曲线为基础的电化学分析方法。极谱分析法有经典极谱法、单扫描极谱法、脉冲极谱法等，其中经典极谱法的灵敏度较低经典极谱法是以滴汞电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，在两电极间施加直流电压，然后测量在一定外加电压时通过电解池的电流，绘制电流-电压关系曲线（3）溶出伏安法溶出伏安法所使用的仪器和装置与极谱法相同，仅工作电极不同。所得极化曲线为峰状。常用的工作电极有悬汞电极、玻碳电极和铂微电极等，包括电积和溶出两个过程溶出伏安法有阳极溶出伏安法（ASV）和阴极溶出伏安法（CSV）两种。3色谱分析法（1）气相色谱法气相色谱法是以气体为流动相对混合物组分进行分离分析的色谱分析法。根据固定相不同，气相色谱法可分为气-固色谱和气-液色谱。气-固色谱的固定相是固体吸附剂颗粒。气-液色谱的固定相是表面涂有固定液的担体气相色谱法具有高效、灵敏、快速、能同时分离分析多种组分、样品用量少等特点，在环境有机污染物的分析中得到广泛的应用，如苯、二甲苯、多环芳烃、酚类、农药等。气相色谱仪主要有载气源、色谱柱、检测器和记录仪四部分组成（2）高效液相色谱法高效液相色谱法具有高效、高速、高灵敏度等特点，它已成为环境中有机污染物分析不可缺少的重要分析方法之一。按分离机制不同，高效液相色谱法分为以下几种类型。①液-固色谱②液-液色谱③离子交换色谱（离子色谱）④空间排斥色谱（3）色谱-质谱联用技术气相色谱是强有力的分离手段，特别适合于分离复杂的环境有机污染物样品。同时，质谱和气相色谱在工作状态上均为气相动态分析，除了工作气压之外，色谱的每一特征都能和质谱相匹配，且都具有灵敏度高、样品用量少的共同特点质谱法是通过对样品离子的质量和强度的测定，进行成分和结构分析的一种分析方法。4高效毛细管电泳高效毛细管电泳（HPCE）是离子或荷电粒子以电场为驱动力，在毛细管中按其速度或分配系数不同进行高效分离分析的新技术。（1）毛细管区带电泳毛细管区带电泳（CZE）是基于溶质有效淌度的差异而进行分离的方法。（2）胶束电动毛细管色谱在电泳缓冲溶液中加入表面活性剂，当溶液中表面活性剂浓度超过临界胶束浓度时，表面活性剂之间的疏水基团聚集在一起形成胶束。溶质在水相（导电的水溶液）和胶束相（带电的离子胶束）之间进行分配。溶质的迁移速度决定于它在两相间的分配系数（3）毛细管凝胶电泳在毛细管内充入凝胶或其他筛分介质，利用溶质中各组分在凝胶中的浓度不同而将它们分离。这些物质具有的三维多孔结构和分子筛效应，不溶于水，呈电中性，无吸附作用。5免疫分析技术（1）荧光免疫技术荧光免疫技术是Cons&Kaplan1941年创建的，以荧光物作为标记物的免疫分析技术。即将某些荧光物通过化学方法与特异性抗体结合制成荧光抗体，使其保持原抗体的免疫活性，然后使荧光抗体与被检抗原发生特异性结合，形成的免疫复合物在一定波长光的激发下产生荧光，借助荧光显微镜检测或定位被检抗原常用的荧光物质有异硫氰酸荧光素(HITC)、四乙基罗丹明(RR200)、四甲基异硫氰酸罗丹明(TRITC)荧光免疫技术可分为直接荧光抗体法，间接荧光抗体法和补体荧光抗体法（2）放射免疫分析放射免疫分析（RIA）是根据同位素分析的敏感性和抗原-抗体反应的特异性两大特点综合起来建立的一种超微量分析技术。RIA分为放射免疫法、放射自显影法等放射免疫分析具有准确度高、样品用量少、易规范化和自动化等优点，但需特殊的仪器设备，有一定的放射危险在环境分析中，多用于对病毒中和抗原的结构蛋白进行定位及位点分析（3）酶联免疫分析酶联免疫分析（ELISA）是利用标记物的酶催化底物的显色反应来反映抗原抗体结合的过程，是将酶催化底物反应的灵敏性和抗原抗体反应的特异性结合，是一种定性和定量的综合技术。常用的标记酶有辣根过氧化物酶(HRP)和碱性磷酸酶（AKP）原理为：使抗原或抗体结合到某种固相载体表面，并保持其免疫活性；使抗原或抗体与某种酶连接成酶标抗原或抗体，这种酶标抗原或抗体既保留其免疫活性，又保留酶的活性（4）发光免疫分析发光免疫分析（LIA）是一种利用物质的发光特征发光免疫分析按标记物的不同分为化学发光免疫分析法(CLIA)、化学发光酶免疫分析法（CLEIA）、电化学发光免疫分析及生物发光免疫分析（BLIA）等6生物传感技术生物传感器是高科技的电子技术和生物工程技术相结合的产物生物传感器的选择性的好坏完全取决于它的分子识别元件，而其他性能则和它的整体组成有关7.2自动监测与遥感技术7.2.1空气污染自动监测技术1系统组成与功能空气质量自动监测系统由监测子站（包括流动监测车）、中心计算机室、质量保证实验室、系统支持实验室组成。监测子站和中心计算机室通过有线或无线方式相互传输数据信号和状态及控制信号图7-2-1空气质量自动监测系统基本结构框图监测子站监测子站是整个系统的基础，它由采样系统、污染物监测仪、校准设备、气象仪器、数据采集器等组成（如图7-2-2所示）。完成监测数据的采集、处理和存储，并按中心计算机指令向控制中心传输监测数据和设备状态信息。图7-2-2监测子站设备配置和结构示意图2子站布设及监测项目（1）监测点位布设与方法监测点位布设的一般原则：监测点位应具有较好的代表性，能客观反映一定空间范围内的空气污染水平和变化规律。在布局上应结合城市规划、人口及功能区分布、区域空气污染程度、污染源的现状及变化趋势以及地形和气象条件的影响等因素，综合考虑监测点位的布设。（2）监测项目目前我国国家环境空气质量监测网规定的必测项目为：二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、可吸入颗粒物（PM10）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）选测项目为：总悬浮颗粒物（TSP）、铅（Pb）、氟化物（F）、苯并[a]芘（B(a)P）、有毒有害有机物此外，监测点根据需要可安装气象参数监测仪器，监测风向、风速、温度、湿度、气压等气象参数3自动监测仪器（1）点式气态污染物自动监测仪器SO2自动监测仪SO2自动监测方法有电导法、库仑滴定法、比色法、紫外荧光法等。紫外荧光法SO2监测仪工作原理该法的原理是用紫外光（190-230nm）激发SO2分子，处于激发态的SO2分子返回基态时发出荧光（240-420nm），荧光的强度与SO2浓度成线性关系，由此测出SO2浓度SO2+hv1——SO2*SO2*——SO2+hv2图7-2-3紫外荧光法SO2自动监测仪工作原理NOx自动监测仪NOx自动监测方法有库仑滴定法、比色法、化学发光法等。目前广泛使用的是化学发光法化学发光法NOx自动监测仪工作原理该法的原理是基于NO和O3的化学发光反应，生成激发态NO2分子,当激发态NO2分子回到基态时发射出波长范围在600-2400nm范围的光，