流動(dòng)注射溴化鉀-魯米諾-過(guò)氧化氫化學(xué)發(fā)光體系檢測(cè)飲用水中鉻(CrⅢ)*

周敏，燕廷，滕久委，唐書澤

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣 州，510632)

流動(dòng)注射溴化鉀-魯米諾-過(guò)氧化氫化學(xué)發(fā)光體系檢測(cè)飲用水中鉻(CrⅢ)*

周敏，燕廷，滕久委，唐書澤

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東 廣 州，510632)

基 于溴化鉀對(duì)魯米諾-過(guò)氧化氫-鉻(CrⅢ)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)有較強(qiáng)的敏化作用，結(jié)合流動(dòng)注射技術(shù)，建立了溴化鉀-魯米諾-過(guò)氧化氫-CrⅢ化學(xué)發(fā)光體系測(cè)定CrⅢ的分析方法。該法測(cè)定CrⅢ的線性范圍為1×10－6～1×10－3mg/mL，檢出限為2.06 ×10－7mg/mL。對(duì)濃度2.0 ×10－6mg/mL CrⅢ標(biāo)準(zhǔn)溶液平行測(cè)定11次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.39%。利用乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)作掩蔽劑，可有效地消除水體Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Zn2+等金屬離子對(duì)測(cè)定CrⅢ的干擾，從而快速測(cè)定飲用水中CrⅢ的突然變化，達(dá)到對(duì)飲用水重金屬突發(fā)性污染早期快速預(yù)警的目的，應(yīng)用該方法，CrⅢ檢測(cè)回收率達(dá)到91.7% ～97.5%。

飲 用水安全，鉻(CrⅢ)，流動(dòng)注射，化學(xué)發(fā)光

鉻(chromium，Cr)及其化合物是電鍍工業(yè)產(chǎn)生的主要污染物，是工業(yè)污染治理的主要對(duì)象。CrⅢ是人體所需的微量生理活性元素，對(duì)人體健康起著較為重要的作用，但鉻化合物濃度高時(shí)會(huì)帶來(lái)毒性［1］。美國(guó)和加拿大都制定了飲用水中 Cr限量標(biāo)準(zhǔn)［2－3］，而且近期的研究也表明一些生物效應(yīng)包括DNA損傷和其他亞致死與CrⅢ有關(guān)［4］，因其毒性不如汞、鎘、砷，容易被忽視，等到發(fā)現(xiàn)時(shí)，已經(jīng)對(duì)身體和健康造成危害。環(huán)境中的鉻主要以三價(jià)(CrⅢ)和六價(jià)(CrⅥ)2種狀態(tài)存在。CrⅥ為強(qiáng)氧化劑，對(duì)皮膚，黏膜有刺激和腐蝕作用，已確認(rèn)為致癌物，其毒性是CrⅢ毒性100倍［5］。當(dāng)水體中的CrⅥ濃度達(dá)到(1.2～5)mg/L時(shí)，可造成魚類死亡，濃度0.7 mg/L時(shí)，可導(dǎo)致水體中的昆蟲受害［6］。但是CrⅥ不太穩(wěn)定，在正常pH值的飲用水中可轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性稍強(qiáng)但仍有毒性的CrⅢ。

環(huán)境中Cr中毒已有發(fā)生，2006年重慶晨報(bào)就報(bào)道了一女工在燈具廠鉻中毒的事例［6］。飲用水中目前雖然沒有中毒的報(bào)告，但是因?yàn)镃r容易獲得，其潛在危害不能被忽視。因此，研究尋找快速監(jiān)測(cè)飲用水中Cr的變化，對(duì)飲用水早期安全預(yù)警具有重要意義。

目前，已報(bào)道的 Cr測(cè)定方法有原子吸收火焰法［8］、示波極譜法［9］、電位滴定法［10］、原子發(fā)射光譜法［11］、毛細(xì)管電泳法［12］。原子吸收火焰法儀器較昂貴，一般實(shí)驗(yàn)室不具備;示波極譜法要在亞硝酸鈉體系中進(jìn)行，而亞硝酸鹽有毒性，并被確認(rèn)是致癌物［13］，引起環(huán)境污染。近年來(lái)，化學(xué)發(fā)光法被引入環(huán)境監(jiān)測(cè)中，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、線性范圍寬。采用此法檢測(cè)食品和其他物質(zhì)中Cr離子已有報(bào)道［14～18］，但是，針對(duì)飲用水中 CrⅢ突然變化可能導(dǎo)致突發(fā)事件的快速監(jiān)測(cè)體系少有報(bào)道。本文將流動(dòng)注射(flow injection，F(xiàn)I)與化學(xué)發(fā)光法(chemiluminescence，CL)結(jié)合，利用溴化鉀-魯米諾-過(guò)氧化氫的反應(yīng)特點(diǎn)，建立一種簡(jiǎn)單，快速，靈敏度高的化學(xué)發(fā)光體系，用于飲用水中CrⅢ突然變化的快速監(jiān)測(cè)和早期安全預(yù)警。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 化學(xué)試劑

CrⅢ標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液 100 μg/mL:準(zhǔn)確稱取0.252 6 g CrCl3·6H2O(阿拉丁試劑上海有限公司)，用水溶解并定容到500 mL容量瓶中;魯米諾儲(chǔ)備液1×10－2mol/L:取0.177 2 g魯米諾(Sigma公司)試樣，用1.0mol/L的NaOH溶液溶解并定容至100 mL，避光放置一周后使用。溴化鉀，雙氧水和硝酸，分析純，廣州化學(xué)試劑廠;NaOH:分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠;HCl:分析純，北京化工廠。試驗(yàn)用水為雙蒸去離子水。

1.1.2 儀器

主要儀器為IFIS-C型流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光儀(西安瑞邁電子科技有限公司)，RFL-1型超微弱化學(xué)發(fā)光/生物發(fā)光檢測(cè)儀(西安瑞邁分析儀器有限公司)，PHS-3C數(shù)字式pH計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，EL104電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)，DHG-9145A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，微量移液槍(0.1～1 mL)(德國(guó)BRAND公司)。

1.2 方法

1.2.1 進(jìn)樣方法

試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。將堿性魯米諾溶液與溴化鉀的混合液和過(guò)氧化氫溶液分別由b和c通道泵入，經(jīng)三通閥混合，再和a通道泵入CrⅢ溶液混合，進(jìn)入反應(yīng)池反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光信號(hào)，由光電倍增管(photomultiplier tube)檢測(cè)，信號(hào)經(jīng)放大器放大，進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理。據(jù)此得到最大且重復(fù)性較好的發(fā)光信號(hào)。在光電倍增管負(fù)高壓為400 V的條件下，流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光儀工作參數(shù)的設(shè)定如表1。

圖1 流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光儀示意圖

表1 化學(xué)發(fā)光儀工作參數(shù)設(shè)定

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.2.1 魯米諾溶液濃度初步選定

按照1.2.1方法，僅改變魯米諾的濃度，考察了在1 ×10－5～1×10－3mol/L濃度內(nèi)魯米諾溶液濃度與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系。

1.2.2.2 過(guò)氧化氫溶液濃度初步選定

按照1.2.1方法，僅改變雙氧水的濃度，考察了在0.005～0.06 mol/L濃度內(nèi)過(guò)氧化氫濃度與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系。

1.2.2.3 溴化鉀濃度初步選定

按照1.2.1方法，僅改變溴化鉀的濃度，考察了在0～3.0 mol/L濃度內(nèi)溴化鉀濃度與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系。

1.2.2.4 緩沖液pH值初步選定

按照1.2.1方法，僅改變緩沖液pH值，考察了pH10～13內(nèi)緩沖液與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系。

1.2.3 多因素組合實(shí)驗(yàn)

根據(jù)發(fā)光體系單因素試驗(yàn)結(jié)果得出的最佳反應(yīng)條件，設(shè)計(jì)了一個(gè)四因素三水平的正交試驗(yàn)。按照

1.2.1 的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對(duì)化學(xué)強(qiáng)度的影響

2.1.1 魯米諾濃度的影響

圖2是魯米諾溶液濃度在(1×10－5～1×10－3)mol/L內(nèi)與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系。在試驗(yàn)化學(xué)發(fā)光體系中，隨著魯米諾濃度的增大，其化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度(ΔI)不斷增大，最高的是1.0×10－3mol/L，其相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度2 500。

考慮到試劑消耗量過(guò)大導(dǎo)致高成本問(wèn)題，魯米諾初選濃度為5.0×10－4mol/L。

圖2 魯米諾濃度對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響

2.1.2 過(guò)氧化氫濃度影響

過(guò)氧化氫在其濃度(0.005～0.06)mol/L內(nèi)與體系化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系見圖3。隨著過(guò)氧化氫濃度的提高，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度(ΔI)不斷增加，當(dāng)過(guò)氧化氫濃度為0.03 mol/L時(shí)發(fā)光信號(hào)最大，因此，初步選擇0.03 mol/L為過(guò)氧化氫溶液的最佳濃度。

圖3 過(guò)氧化氫濃度對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響

2.1.3 溴化鉀濃度的影響

試驗(yàn)了溴化鉀，溴化鈉，氯化鉀以及吐溫-20對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)溴化鉀對(duì)發(fā)光體系有很強(qiáng)的增敏作用，故選擇其作為化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的增敏劑。圖4是溴化鉀在其不同濃度條件下的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。隨著溴化鉀濃度的增大，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度呈先增后減趨勢(shì)。溴化鉀濃度為1.5 mol/L時(shí)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度(ΔI)值最大，因此，選取1.5 mol/L為溴化鉀的最佳濃度。

圖4 溴化鉀濃度對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響

2.1.4 緩沖液pH值的影響

緩沖液pH值對(duì)體系的發(fā)光強(qiáng)度影響見圖6。當(dāng)緩沖液pH值分別為12.5和13.0時(shí)，化學(xué)發(fā)光體系會(huì)產(chǎn)生沉淀，可能是因?yàn)閜H值偏高時(shí)，OH－與金屬離子結(jié)合生成了沉淀。在選定范圍內(nèi)，pH值11.5時(shí)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度(ΔI)最大，因此，緩沖液pH值初步定為11.5。

圖6 緩沖液pH值對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響

2.2 多因素組合對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響

根據(jù)發(fā)光體系單因素試驗(yàn)結(jié)果得出的最佳反應(yīng)條件，設(shè)計(jì)了一個(gè)四因素三水平的正交試驗(yàn)(表2)，目的是確定發(fā)光體系最佳反應(yīng)條件。

將試驗(yàn)結(jié)果采用正交設(shè)計(jì)助手Ⅱv3.1進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。通過(guò)比較F值，得出各因素的影響程度順序?yàn)镃＞A＞B＞D。通過(guò)分析各影響因素水平K值，最終確定反應(yīng)體系的最佳優(yōu)化組合為A2B1C2D3，即:魯米諾分析液濃度為5.0×10－4mol/L，過(guò)氧化氫濃度為0.02 mol/L，溴化鉀濃度為1.5 mol/L，緩沖液pH值為12.0。

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線、精密度及檢出限

在上述選定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與CrⅢ濃度在(1.0×10－6～1.0×10－5)，(2.0 ×10－5～1.0×10－4)，(1.0 ×10－4～1.0 ×10－3)mg/mL 內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。為了提高測(cè)定的準(zhǔn)確度，校準(zhǔn)曲線分段繪制?；貧w方程的基本參數(shù)如表4。對(duì)2.0×10－6mg/mL的CrⅢ進(jìn)行了11次平行測(cè)定，計(jì)算所得的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.39%。根據(jù)international union of pure and applied chemistry，IUPAC建議，計(jì)算所得的檢出限為2.06×10－7mg/mL。

表4 校準(zhǔn)曲線的線性范圍及回歸方程

2.4 干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以CrⅢ濃度為2.0×10－6mg/mL時(shí)進(jìn)行干擾試驗(yàn)，干擾允許誤差為±5.0%，通過(guò)對(duì)選取的干擾樣的測(cè)定，得到的結(jié)果:CrⅢ濃度為2.0×10－6mg/mL時(shí)，至少允許1 000 倍的 K+、Na+、Mg2+、NO3－共存;天然水中存在的 Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Zn2+等會(huì)催化魯米諾和過(guò)氧化氫的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，對(duì)測(cè)定有干擾。加入少量的乙二胺四乙酸二鈉(ethylenediaminetetra acetic acid disodium salt)可以掩蔽 Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Zn2+等多種金屬的干擾。

2.5 樣品分析及回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣品分別取自學(xué)生宿舍和實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定結(jié)果見表5。

向樣品中加入一定量CrⅢ標(biāo)準(zhǔn)溶液使樣品中CrⅢ含量達(dá)到2.0×10－6mg/mL，然后平行測(cè)定5次其發(fā)光信號(hào)值并計(jì)算回收率，結(jié)果見表5。

表5 樣品中CrⅢ含量測(cè)定結(jié)果

3 結(jié)論

根據(jù)溴化鉀對(duì)魯米諾-過(guò)氧化氫-CrⅢ化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的敏化作用，建立了在最佳條件下定量測(cè)定CrⅢ的分析方法，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法定量測(cè)定飲用水中 CrⅢ的變化情況，該方法的檢出限達(dá)到2.06 ×10－7mg/mL，檢測(cè)的線性范圍是(1×10－6～1×10－3)mg/mL。與常規(guī)方法相比，該法儀器簡(jiǎn)單，是一種實(shí)用的快速定量分析技術(shù)，可應(yīng)用于飲用水中鉻的突發(fā)性污染早期預(yù)警。

［1］ 鄭建仙.功能性食品:第一卷［M］.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，1995.

［2］ Pawlitz A V，Kent R A，Schneider U A，et al.Canadian water quality guidelines for chromium［J］.Environmental Toxicology and Water Quality，1997，12:123 －183.

［3］ U S Environmental Protection Agency.Ambient water quality criteria for chromium －1984.EPA 440/5－84－029［C］.Washington(DC):Office of Water，1985.

［4］ Berry W J，Boothman，W S，Serbst J R，et al.Predicting the toxicity of chromium in sediments［J］.Environmental Toxicology and Chemistry，2004，23(12):2 981－2 992.

［5］ 常元?jiǎng)?金屬毒理學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社，2008:40－41.

［6］ Sittig M.Toxic Metals:Pollution Control and Work Protection［M］.New Jersey:Noyes Data Corporation，1976.

［7］ 羅小光.女工燈具廠鉻中毒 打工四月體內(nèi)鉻含量超標(biāo)一萬(wàn)倍［N］.重慶晨報(bào)，2006－02－22.

［8］ Balarama Krishna M V，Chandrasekaran K，Sarva V，et al.Speciation of CrIII and CrVI in waters using immobilized moss and determination by ICP-MS and FAAS［J］.Talanta，2005，65:135－143.

［9］ GB/14962－1994.食品中鉻的測(cè)定方法［S］.

［10］ 魏林恒，董學(xué)芝.電位滴定法測(cè)定工業(yè)廢水中鉻［J］.理化檢驗(yàn)(化學(xué)分冊(cè))，2004，40(8):462－464.

［11］ Gil R A，Cerutti S，Gásquez J A，et al.On-line preconcentration and determination of chromium in parenteral solutions by inductively coupled plasma optical emission spectrometry［J］.Spectrochim Acta Part B，2005，60(4):531－535.

［12］ Yang W P，Zhang Z J，Deng W.Simultaneous，sensitive and selective on-line chemiluminescence determination of CrIII and CrVI by capillary electrophoresis［J］.Analytica Chimica Acta，2003，485:169－177.

［13］ 蔡少華，黃坤耀，張玉容.元素?zé)o機(jī)化學(xué)［M］，廣州中山大學(xué)出版社，1997:97－97.

［14］ 徐溢.用微芯片實(shí)現(xiàn)流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光方法測(cè)定水樣中鉻(Ⅲ)［J］.分析化學(xué)，2000 ，28(7):876－878.

［15］ 焦艷娜，任小蓉，馬紅瓊，等.流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法快速測(cè)定中藥黃芪中的痕量鉻［J］.現(xiàn)代儀器，2008，20(2):24－26.

［16］ 李淮芬，謝成根.魯米諾-過(guò)氧化氫-鉻(Ⅲ)-吐溫 －80化學(xué)發(fā)光體系的研究與應(yīng)用［J］.冶金分析，2006，26(6):17－19.

［17］ Li B X，Wang D M，Lv J G，et al.Chemometrics-assisted simultaneous determination of cobalt(II)and chromium(III)with flow-injection chemiluminescence method［J］.Spectrochimica Acta Part A，2006，65;67－72.

［18］ 高向陽(yáng)，宮安晶，王坤，等.微波程序消解-流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法快速測(cè)定彩色小麥中的微量鉻［J］.食品科學(xué)，2008，29(8):547－549.

Determination of Chromium(CrⅢ)in Drinking Water by Potassium Bromide-Luminol-H2O2Chemiluminescence System with Flow Injection

Zhou Min，Yan Ting，Teng Jiu-wei，Tang Shu-ze
(Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China)

Determination of Chromium(CrⅢ)in Drinking Water by Potassium bromide-Luminol-H2O2Chemiluminescence System with Flow InjectionAbstract:Based on the obvious sensitization of potassium bromide on the chemiluminescent reaction in the system of luminol-H2O2–chromium(CrⅢ)，a sensitive chemiluminescent method for determination of CrⅢwith flow injection technique was developed.The method is simple ，rapid and effective to determine CrⅢ with the range of(1 ×10－6～1 ×10－3)mg/mL and detection limit of 2.06 ×10－7mg/mL.The relative standard deviation(RSD)is 2.39%for the determination of 2.0 ×10－6mg/mL of Cr(Ⅲ)(n=11).Ethylenediaminetetra acetic acid disodium salt(EDTA-2Na)is effectively eliminated the interference of some metal ions such as Fe2+，F(xiàn)e3+，Cu2+，Zn2+.Therefore，it is a rapid method for determination of CrⅢsudden changes in drinking water and a good monitor in giving an early alarm in the emergency contamination by heavy metals.The recoverie of CrⅢ was 91.7% ～97.5%.

drinking water safety，chromium(CrⅢ)，flowing injection，chemiluminescence

碩士研究生(唐書澤教授為通訊作者，E-mail:tangsz@jnu，edu.cn)。

*廣東省應(yīng)急管理2009年第一批研究項(xiàng)目(0815)

2010－10－25，改回日期:2010－11－20