雙波長(zhǎng)共振瑞利散射法快速測(cè)定皮蛋中的Cd

江虹,張琴,吳征真,秦艾

(長(zhǎng)江師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，武陵山片區(qū)綠色發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶，408100)

雙波長(zhǎng)共振瑞利散射法快速測(cè)定皮蛋中的Cd

江虹*,張琴,吳征真,秦艾

(長(zhǎng)江師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，武陵山片區(qū)綠色發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶，408100)

建立了快速測(cè)定皮蛋中Cd 的雙波長(zhǎng)共振瑞利散射法。在pH 5.72 的Tris-鹽酸緩沖介質(zhì)中，Cd(Ⅱ)與固綠FCF-溴代十六烷基吡啶結(jié)合生成三元絡(luò)合物，導(dǎo)致體系的雙波長(zhǎng)共振瑞利散射(DWO-RRS)光譜顯著增強(qiáng)，最大和次大共振瑞利散射峰分別位于367 nm和469 nm波長(zhǎng)處，在此二波長(zhǎng)處，Cd(Ⅱ) 的質(zhì)量濃度在0.004～0.22 mg/L 內(nèi)與體系的共振瑞利散射(RRS)增強(qiáng)程度△IRRS呈線性關(guān)系，檢出限(3σ/S)為 1.3 ng/mL，定量限為 0.012 mg/kg。文中還研究了反應(yīng)條件和共存物質(zhì)的影響，反應(yīng)機(jī)理及RRS 增強(qiáng)的原因。結(jié)果表明，方法有較高的靈敏度和良好的選擇性，據(jù)此，提出了簡(jiǎn)便、快速、靈敏、準(zhǔn)確測(cè)定痕量Cd(Ⅱ)的雙波長(zhǎng)光散射新方法，用于皮蛋中Cd的測(cè)定，回收率為 97.8%～102%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)(n=5)為 2.1%～2.6%。

Cd；溴代十六烷基吡啶；固綠FCF；皮蛋；雙波長(zhǎng)；共振瑞利散射

Cd是一種對(duì)人體有害的蓄積性毒物，環(huán)境中的鎘，經(jīng)食物鏈富集后對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)及肺、腎等器官造成嚴(yán)重?fù)p害，并可引發(fā)骨痛病、貧血，甚至誘發(fā)癌癥。皮蛋具有特殊風(fēng)味，可促進(jìn)食欲。而傳統(tǒng)工藝制作的皮蛋，因生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)加入黃丹粉以生成美麗的松花，由此，重金屬不可避免會(huì)進(jìn)入皮蛋中，從而影響產(chǎn)品的品質(zhì)?，F(xiàn)代工藝制作的皮蛋，若使用非食品級(jí)的CuSO4，依舊存在重金屬污染問(wèn)題。若人們長(zhǎng)期食用皮蛋，則重金屬將會(huì)在體內(nèi)富集，對(duì)人體造成危害。鑒于此，對(duì)皮蛋中的痕量Cd進(jìn)行研究具有重要意義。

目前，測(cè)定Cd 的方法主要有：原子吸收法[1-8], X射線熒光光譜法[9-10]，電感耦合等離子體質(zhì)譜法[11-12]，電化學(xué)法[13-14]，分光光度法[15-16]等。原子吸收法有高的靈敏度和選擇性，但所用儀器價(jià)格較貴，不易普及。X射線熒光光譜法操作簡(jiǎn)單，測(cè)試速度快，但條件要求較苛刻。電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢出限低，精密度高，穩(wěn)定性好，但儀器較貴，運(yùn)行及維護(hù)成本高。電化學(xué)法可同時(shí)檢測(cè)多種重金屬離子，但檢測(cè)成本較高。分光光度法操作簡(jiǎn)便、快速，分析成本低，但靈敏度不高。共振瑞利散射法是近年新發(fā)展起來(lái)的一種高靈敏分析技術(shù)，已廣泛用于生化、環(huán)境、藥物等分析領(lǐng)域，而在食品領(lǐng)域用得較少。本文以酸性三苯甲烷染料固綠FCF 為探針，以溴代十六烷基吡啶(TPB)為增敏劑，利用Cd(Ⅱ)對(duì)固綠FCF-TPB- Cd(Ⅱ) 體系共振瑞利散射光的線性增強(qiáng)作用，建立了測(cè)定痕量Cd(Ⅱ)的雙波長(zhǎng)共振瑞利散射新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

固綠FCF(分析純，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司)，Cd(NO3)2·4H2O(99.99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，溴代十六烷基吡啶(分析純，上海倍卓生物科技有限公司)，三羥甲基氨基甲烷(分析純，上海源葉生物科技有限公司)，HCl、HNO3(分析純，重慶川東化工(集團(tuán))有限公司化學(xué)試劑廠)，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。皮蛋(1#～3#)，購(gòu)于重慶不同農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

1.2 儀器與設(shè)備

F-2500型熒光分光光度計(jì)，日本日立公司；pHS-3C 精密酸度計(jì)，上海虹益儀器儀表有限公司。SX-4-10高溫爐，蘇州江東精密儀器有限公司。

1.3 溶液的配制

固綠FCF(fast green FCF，簡(jiǎn)寫為 FAG)溶液：1.0×10-4mol/L。Cd(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取適量Cd(NO3)2·4H2O 于小燒杯中，用水溶解后配成 11.24 mg/L 貯備液，取此液稀釋10倍，即得操作液。溴代十六烷基吡啶(簡(jiǎn)寫為TPB)：稱取適量TPB，用少量無(wú)水乙醇溶解后加水配成400 mg/L。三羥甲基氨基甲烷(Tris)-鹽酸緩沖溶液：0.20 mol/L Tris溶液與0.10 mol/L鹽酸混合，用酸度計(jì)測(cè)定，配成pH 3.0～9.5的系列緩沖溶液。HNO3溶液：取25.0 mL 濃HNO3，加25.0 mL 水，配成體積比為1∶1 的溶液。

1.4 樣品處理

取1#～3# 皮蛋各3個(gè)，去殼后將其切碎, 研勻，準(zhǔn)確稱取1# 皮蛋28.832 5 g，2# 皮蛋29.566 3 g，3# 皮蛋28.976 2 g，分別置于瓷坩堝中，在可控電爐上低溫加熱至樣品完全炭化，再將溫度調(diào)至500～550 ℃ 灼燒灰化約6 h，取出冷卻后，加3.0 mL 1∶1 HNO3潤(rùn)濕灰分，低溫加熱蒸干，再在500～550 ℃ 灼燒2 h，放冷，取出坩堝，加入2.0 mL 1∶1 HNO3溶液和5 mL 水，攪拌，低溫加熱至灰分完全溶解，冷卻后過(guò)濾，用水定容至25 mL，即得待測(cè)液。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

準(zhǔn)確移取適量的1.12 mg/L Cd(Ⅱ) 標(biāo)準(zhǔn)溶液或樣液于10 mL 比色管中，再依次加入1.0 mL pH 5.72 Tris-鹽酸緩沖溶液，3.0 mL 1.0×10-4mol/L FAG 溶液及0.10 mL 400 mg/L TPB 溶液，用水定容，搖勻，15 min 后，在熒光光度計(jì)上(設(shè)λex=λem=220 nm，測(cè)定狹縫5.0 nm)進(jìn)行同步掃描，記錄RRS光譜，并在367 nm 和469 nm 處分別測(cè)定體系和試劑空白的RRS強(qiáng)度IRRS(367 nm)、IRRS(469 nm)及I0(367 nm)、I0(469 nm)，計(jì)算△IRRS=IRRS-I0，△IRRS(367+469)=IRRS(367+469)-I0(367+469)。

2 結(jié)果與討論

2.1 RRS光譜特征

1. Cd(Ⅱ)(0.112 mg/L); 2. FAG(3.0×10-5 mol/L); 3. TPB(4.0 mg/L); 4. FAG(3.0×10-5 mol/L), pH 5.72; 5. TPB(4.0 mg/L), pH 5.72; 6～10. Cd(Ⅱ)(0.000、0.0562、0.112、0.169、0.225 mg/L)-FAG(3.0×10-5 mol/L)-TPB(4.0 mg/L), pH 5.72圖1 RRS光譜Fig.1 RRS spectra

從圖1可知，單獨(dú)的Cd(Ⅱ)、FAG、TPB 溶液的RRS 均十分微弱(曲線1～3)，F(xiàn)AG 及TPB 的酸性溶液的RRS 也十分微弱(曲線4～5)。當(dāng)在FAG 的酸性溶液中加入陽(yáng)離子表面活性劑TPB 后，其RRS 顯著增強(qiáng)(曲線6)，說(shuō)明TPB 可以增敏FAG，最大和次大共振瑞利散射峰分別位于 367 nm 和469 nm。在此二波長(zhǎng)處，隨著Cd(Ⅱ) 質(zhì)量濃度的增加，體系的RRS 強(qiáng)度隨之增大(曲線7～10)，Cd(Ⅱ) 在一定濃度范圍內(nèi)，其質(zhì)量濃度與體系的RRS 增強(qiáng)強(qiáng)度(△IRRS)呈線性關(guān)系。根據(jù)散射強(qiáng)度的加和性，當(dāng)用雙波長(zhǎng)疊加法測(cè)定時(shí)，體系的RRS 增強(qiáng)強(qiáng)度△IRRS與一定濃度范圍的Cd(Ⅱ) 的質(zhì)量濃度仍呈線性關(guān)系，而靈敏度卻比用單波長(zhǎng)法測(cè)定約高1倍，故可采用雙波長(zhǎng)-共振瑞利散射(DWO-RRS)法定量測(cè)定Cd(Ⅱ)的含量。

可能的反應(yīng)機(jī)理：TPB 是一種陽(yáng)離子表面活性劑，在溶液中可離解出Br-，變成帶1個(gè)單位正電荷的陽(yáng)離子活性基團(tuán)，而FAG 是一種三苯甲烷類的酸性染料，在溶液中可離解出2個(gè)Na+，使自身帶2個(gè)單位的負(fù)電荷。帶正電荷的TPB 活性基團(tuán)可與帶負(fù)電荷的酸性染料FAG 以靜電引力結(jié)合生成帶負(fù)電荷的締合顆粒，進(jìn)而與Cd(Ⅱ) 結(jié)合生成三元絡(luò)合物，使體系摩爾質(zhì)量和體積均顯著增大，故RRS光譜顯著增強(qiáng)。

2.2 反應(yīng)條件的選擇

2.2.1 pH 值

室溫下，考察了367 nm 處pH 5.0 的NaAc-HAc、Tris-鹽酸及Britton-Robison(簡(jiǎn)寫為BR)等緩沖溶液對(duì)三元體系△IRRS的影響。結(jié)果表明，使用Tris-鹽酸時(shí)，體系的△IRRS相對(duì)較大，故選擇Tris-鹽酸作反應(yīng)介質(zhì)。繼而考察了不同pH 值的Tris-鹽酸緩沖溶液對(duì)三元體系△IRRS的影響(圖2)。

圖2 pH值對(duì)△IRRS的影響Fig.2 Effect of buffer pH on △IRRS

結(jié)果表明，溶液的pH 在 5.0～6.8 內(nèi)，體系△IRRS較大，靈敏度較高。當(dāng)用DWO-RRS法測(cè)定時(shí)，由于散射強(qiáng)度的疊加使其靈敏度更高。故實(shí)驗(yàn)用pH 5.72 的Tris-鹽酸緩沖溶液。繼而固定Cd(Ⅱ) 及固綠FCF 的濃度及用量不變，改變pH 5.72 的Tris-鹽酸緩沖溶液的用量，按1.5 節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法掃描 RRS 光譜，從光譜曲線得知，當(dāng)緩沖溶液用量為1.0 mL 時(shí)，體系的△IRRS最大，靈敏度最高，故實(shí)驗(yàn)選用pH 5.72的緩沖溶液1.0 mL。

2.2.2 FAG 溶液的濃度

室溫下，考察了367 nm 處不同濃度的FAG 溶液對(duì)三元體系△IRRS的影響(圖3)。結(jié)果表明，F(xiàn)AG 溶液濃度在(2.7～3.8)×10-5mol/L 內(nèi)，體系的△IRRS較大，靈敏度較高。此范圍外，當(dāng)FAG 的濃度小于2.7×10-5mol/L時(shí)，Cd(Ⅱ) 與FAG-TPB 未充分結(jié)合，致使△IRRS降低；當(dāng)FAG 的濃度大于3.8×10-5mol/L 時(shí)，由于FAG 分子自身的聚集作用致使體系的△IRRS降低。當(dāng)用DWO-RRS 法測(cè)定時(shí)，由于散射強(qiáng)度的疊加使其靈敏度更高。故實(shí)驗(yàn)選用1.0×10-4mol/L FAG 溶液3.0 mL。

圖3 FAG 溶液濃度對(duì)△IRRS的影響Fig.3 Effect of fast green FCF concentration on ΔIRRS

2.2.3 表面活性劑

室溫下，考察了367 nm 處陽(yáng)離子表面活性劑溴化十六烷基三甲基銨和溴代十六烷基吡啶，陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉和十二烷基硫酸鈉，非離子表面活性劑Triton X-100、Tween-20等對(duì)三元體系△IRRS的影響。結(jié)果表明,只有陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)該體系有增敏作用，其中又以TPB 為最佳。繼而在固定其他條件不變的情況下，試驗(yàn)了不同濃度的 TPB 溶液對(duì)體系 △IRRS的影響，結(jié)果表明，適宜的TPB 溶液濃度為 4.0 mg/L，此時(shí)體系的△IRRS最大，靈敏度最高。實(shí)驗(yàn)表明，TPB 與FAG在酸性溶液中能以靜電引力結(jié)合形成離子締合物，當(dāng)用DWO-RRS法測(cè)定時(shí)，由于散射強(qiáng)度的疊加使其靈敏度更高。故實(shí)驗(yàn)用400 mg/L TPB 溶液0.10 mL 作增敏劑。

2.2.4 試劑加入順序

室溫下，考察了367 nm 處，各試劑在不同加入順序時(shí)對(duì)三元體系△IRRS的影響。結(jié)果表明，按1.5節(jié)的加入順序?yàn)樽罴?，此時(shí)體系△IRRS最大，靈敏度最高。而用雙波長(zhǎng)法測(cè)定時(shí)，因散射強(qiáng)度的疊加使其靈敏度更高。故實(shí)驗(yàn)按此順序進(jìn)行。

2.2.5 反應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)定性

室溫下，考察了不同放置時(shí)間對(duì)三元反應(yīng)△IRRS的影響(圖4)。結(jié)果表明，反應(yīng)在15 min 內(nèi)可進(jìn)行完全，15 min后，體系的 △IRRS基本處于一個(gè)平臺(tái)上，穩(wěn)定時(shí)間約2 h。實(shí)驗(yàn)選在15 min 后測(cè)定。

圖4 時(shí)間對(duì)ΔIRRS的影響Fig.4 Effect of time on ΔIRRS

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

在最佳條件下配制Cd(Ⅱ) 的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，即按1.5節(jié)的方法，固定其它條件不變，加入1.124 mg/L Cd(Ⅱ) 標(biāo)準(zhǔn)溶液0.0、0.5、1.0、1.5、2.0 mL，按實(shí)驗(yàn)方法配制溶液并同步掃描RRS 光譜，用DWO-RRS法測(cè)定不同濃度的Cd(Ⅱ) 與FAG-TPB 形成的三元絡(luò)合物的△IRRS(367+469)，并作△IRRS(367+469)-ρ標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖5)。該方法的一元線性回歸方程為△IRRS(367+469)=-7.831 6 + 4 830 ρ，相關(guān)系數(shù)為r=0.999 8，檢出限為 1.3 ng/mL，定量限為0.012 mg/kg，在確定了檢出限、定量限后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線可以確定出線性范圍為0.004～0.22 mg/L。

圖5 Cd(Ⅱ)的DWO-RRS法標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.5 DWO-RRS standard curve of cadmium (Ⅱ)

2.4 共存物質(zhì)的影響

室溫下，考察了某些常見(jiàn)物質(zhì)對(duì)測(cè)定0.112 mg/L Cd(Ⅱ) 的影響。結(jié)果表明，當(dāng)相對(duì)誤差不大于±5% 時(shí)，以下物質(zhì)不干擾測(cè)定：100倍的K+、Na+、Sr2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Ba2+、NH4+、S2O32-、SO42-、SO32-、NO3-、C2O42-、I-、Cl-；20倍的Fe3+、Al3+、Pb2+、Hg2+。可見(jiàn)，方法有很好的選擇性。

2.5 樣品分析

取1.4 節(jié)各待測(cè)液3.0 mL 按實(shí)驗(yàn)方法分析，各平行測(cè)定5份。同時(shí)做加標(biāo)回收試驗(yàn)(n=5)：用固定質(zhì)量稱量法分別準(zhǔn)確稱取3份 1# 皮蛋28.832 5 g，3份 2# 皮蛋29.566 3 g，3份 3# 皮蛋28.976 2 g，稱量的允許誤差均為±0.000 1 g，根據(jù)表1中的加標(biāo)量分別加入Cd(Ⅱ) 標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后按1.4 節(jié)的方法制成各待測(cè)液，最后按1.5 節(jié)的方法掃描各溶液的RRS 光譜。根據(jù)DWO-RRS 法標(biāo)準(zhǔn)曲線或回歸方程，求出各待測(cè)液中Cd(Ⅱ)的含量，從而求得原始樣品中Cd 的含量，并與國(guó)標(biāo)法(石墨爐原子吸收法，AAS)比較。同時(shí)求出各回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品分析結(jié)果及回收試驗(yàn)(n=5)

3 結(jié)論

本法操作簡(jiǎn)便，試劑價(jià)廉易得，樣品處理安全，不需分離富集，有較高的靈敏度和良好的選擇性，準(zhǔn)確度和精密度能滿足痕量分析要求，測(cè)定結(jié)果與國(guó)標(biāo)法接近，皮蛋含量符合國(guó)家限量要求。方法適于批量皮蛋中Cd 的快速測(cè)定。

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Fast determination of cadmium in preserved eggs by dual-wavelength resonance Rayleigh scattering method

JIANG Hong*,ZHANG Qin,WU Zheng-zhen,QIN Ai

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Collaborative Innovation Center for Green Development in Wuling Mountain Areas,Yangtze Normal University, Chongqing 408100,China)

A new and fast dual-wavelength overlapping resonance Rayleigh scattering(DWO-RRS) method was developed to detect cadmium in preserved eggs. In a Tris-hydrochloric acid buffer medium at pH 5.72, cadmium (Ⅱ) can be bound with fast green FCF-hexadecylpyridinium bromide to form a ternary complex. As a result, the new spectra of DWO-RRS appeared and its intensities was enhanced greatly. The largest and the second largest resonance Rayleigh scattering peak were located at 367 nm and 469 nm respectively. Under these two wavelengths, resonance Rayleigh scattering (RRS) intensity (△IRRS) was directly proportional to the cadmium (Ⅱ) mass concentration in a range of 0.004-0.22 mg/L. The methods had high sensitivity with the detection limit (3σ/S) of 1.3 ng /mL and quantitation limit of 0.012 mg/kg. The optimal conditions and the effects of coexistent substances of RRS method were investigated．In addition，the reasons for RRS enhancement and reaction mechanism of ternary complex were discussed．Results indicated that this assay had a high sensitivity and good selectivity. This simple, rapid, highly sensitive, accurate and new dual-wavelength scattering method had been proposed to determine trace cadmium(Ⅱ)．The method was applied to determine the content of cadmium in a series of preserved eggs, the values of recovery and relative standard deviation (RSD) (n=5) were found in the ranges of 97.8%-102% and 2.1%-2.6% respectively.

cadmium; hexadecylpyridinium bromide; fast green FCF; preserved eggs; dual-wavelength; resonance Rayleigh scattering

學(xué)士,教授(本文通訊作者,E-mail: jianghongch@163.com)。

重慶市教委科技基金資助項(xiàng)目(KJ1401226);長(zhǎng)江師范學(xué)院科技基金資助項(xiàng)目(2015CXX079)

2016-11-30，改回日期：2016-12-27

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201706045