鎘(Ⅱ)的共振散射光譜研究及應(yīng)用

劉 琴， 楊迎春， 陳寧華， 何 妍

(成都信息工程大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 610225)

1 引 言

鎘廣泛存在于水體、土壤及生物體中，國(guó)際癌癥研究中心將其列為可疑致癌物[1-2]。鎘的化合物毒性極大,它作為一種蓄積性重金屬[3]，被人體吸收后主要貯藏在腎臟及肝臟等部位。急性鎘中毒會(huì)引起咳嗽、胸悶等癥狀，若意外口服鎘化物，會(huì)導(dǎo)致全身無力、肌肉酸痛，嚴(yán)重者可能會(huì)虛脫。

目前測(cè)定鎘的方法有分光光度法[4]、原子吸收光譜法[5-7]、原子熒光光譜法[8]、ICP-MS[9-10]等，但是這些方法都存在如線性范圍較窄、操作繁瑣費(fèi)時(shí)、儀器難普及等問題，有的方法甚至需要使用氰化鉀等劇毒物質(zhì)，具有一定的危險(xiǎn)性。因此建立簡(jiǎn)單高效的鎘分析檢測(cè)方法顯得尤為重要。

共振瑞利散射(RRS)是一種新的分析技術(shù)，憑借其快速，靈敏，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境樣品中的大分子、藥物、納米粒子、表面活性劑、金屬離子和非金屬離子的研究[11-15]，二級(jí)散射(SOS)和倍頻散射(FDS)被廣泛應(yīng)用于許多無機(jī)和有機(jī)化合物的測(cè)定。本文利用在酸性介質(zhì)中鎘(Ⅱ)與BSA溶液及剛果紅溶液反應(yīng)生成三元離子締合絡(luò)合物，使體系的共振瑞利散射、二級(jí)散射和倍頻散射光譜明顯增強(qiáng)，且鎘(Ⅱ)的濃度在一定范圍內(nèi)與ΔI成正比，由此建立了檢測(cè)水環(huán)境中鎘(Ⅱ)濃度的新方法。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)采用島津RF-5301型熒光分光光度計(jì)測(cè)定體系散射強(qiáng)度；采用1810-B型石英自動(dòng)雙重蒸餾水器提供蒸餾水；采用PHS-3C型酸度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)調(diào)節(jié)pH值；采用島津UV-2550型UV-可見分光光度計(jì)測(cè)定紫外吸收光譜。

配制1 000 μg/mL的Cd2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用時(shí)逐級(jí)稀釋成1.0 μg/mL的工作溶液；牛血清白蛋白(BSA)：20 μg/mL；剛果紅溶液(CR)：1.5×10-4mol/L；pH=4.0 Britton-Robinson緩沖液(BR)。所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

3 結(jié)果與討論

3.1 光譜特征

3.1.1 RRS光譜

按照實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定體系的RRS光譜。如圖1所示，在250～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，當(dāng)Cd2+、BSA、CR三者單獨(dú)存在及在Cd2+-CR、CR-BSA、Cd2+-BSA兩兩結(jié)合的體系中，散射信號(hào)都很弱，當(dāng)Cd2+-BSA-CR三組分體系形成后，散射信號(hào)明顯增強(qiáng)。該體系在363 nm和560 nm處都出現(xiàn)了RRS峰，且其散射強(qiáng)度(ΔI)隨著Cd2+濃度的增加而增大。但560 nm處的峰ΔIRRS較363 nm處大且呈現(xiàn)的線性關(guān)系更好，所以實(shí)驗(yàn)選擇560 nm作為后續(xù)測(cè)定波長(zhǎng)。

圖1 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反應(yīng)體系的共振瑞利散射光譜

3.1.2 SOS和FDS光譜

按照上述操作方法，以λem=2λex和λem=1/2λex進(jìn)行同步掃描，分別得到體系的二級(jí)散射(圖2)和倍頻散射(圖3)光譜圖。由圖可見，SOS和FDS的散射峰位于690 nm和352 nm處，同時(shí)690 nm和352 nm處的二級(jí)散射和倍頻散射信號(hào)強(qiáng)度與Cd2+濃度呈線性關(guān)系，表明這兩種散射光譜也可用于Cd2+的測(cè)定。

圖2 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反應(yīng)體系的二級(jí)散射光譜

圖3 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反應(yīng)體系的倍頻散射光譜圖

3.2 反應(yīng)條件優(yōu)化

為了研究該體系用于Cd2+測(cè)定的可行性，以RRS光譜作為代表對(duì)體系的各種條件以及分析特性等進(jìn)行了研究。

3.2.1 酸度對(duì)反應(yīng)的影響

為了找到反應(yīng)最優(yōu)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)了HAc-NaAc緩沖液、BR緩沖液、磷酸和鹽酸4種緩沖溶液體系。發(fā)現(xiàn)在接近的pH值條件下，不同的緩沖液對(duì)RRS的強(qiáng)度影響較小，因此選用pH范圍較大的BR溶液作為緩沖體系。研究發(fā)現(xiàn)，不同pH值的BR溶液對(duì)體系的ΔIRRS值影響較大，如圖4所示，當(dāng)pH值小于4時(shí)，RRS強(qiáng)度隨著pH值的升高逐漸增大，當(dāng)pH值大于4時(shí)，RRS強(qiáng)度逐漸降低。其原因可能在于BSA的等電點(diǎn)在4左右，pH值過低不利于反應(yīng)的快速完成，pH值過高部分帶電荷的蛋白質(zhì)可能變?yōu)闊o反應(yīng)能力的蛋白質(zhì)分子，導(dǎo)致反應(yīng)不完全，從而使RRS強(qiáng)度降低。故本實(shí)驗(yàn)選用pH=4的BR溶液為緩沖液，其最佳用量為2 mL。

圖4 pH值對(duì)RRS強(qiáng)度的影響

3.2.2 BSA濃度對(duì)反應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入0.6～2.4 mL蛋白質(zhì)溶液對(duì)體系RRS強(qiáng)度的影響較大，如圖5所示，隨著蛋白質(zhì)的加入，體系的ΔIRRS逐漸增大，當(dāng)加入量為1.5 mL時(shí)體系的ΔIRRS值達(dá)到最大，繼續(xù)增大蛋白質(zhì)用量，ΔIRRS值明顯降低。這是由于隨著蛋白質(zhì)的加入，Cd2+通過靜電吸引與蛋白質(zhì)結(jié)合形成了配合物，引起蛋白質(zhì)與混配物的聚集程度變大，ΔIRRS值也逐漸增加，但當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)過量時(shí)，體系空白強(qiáng)度增大，ΔIRRS值亦明顯下降。故本實(shí)驗(yàn)選擇BSA的用量為1.5 mL，此時(shí)BSA濃度為3 μg/mL。

圖5 蛋白質(zhì)用量對(duì)RRS強(qiáng)度的影響

3.2.3 剛果紅濃度對(duì)反應(yīng)的影響

在pH=4的酸性條件下研究了濃度在(0.3～2.1)×10-5mol/L范圍內(nèi)的剛果紅對(duì)體系RRS強(qiáng)度的影響。如圖6所示，ΔIRRS值在0.9×10-5mol/L處最大，之后隨著濃度的升高，ΔIRRS值反而開始下降，可能是由于剛果紅濃度小于0.9×10-5mol/L時(shí)，反應(yīng)不完全，隨著剛果紅濃度增大，締合離子數(shù)增多，ΔIRRS值逐漸增大，當(dāng)剛果紅濃度過高時(shí)，可能會(huì)發(fā)生染料的自聚集作用而產(chǎn)生多聚體，造成散射強(qiáng)度降低[16]，因此試驗(yàn)加入剛果紅的濃度為0.9×10-5mol/L。

圖6 剛果紅濃度對(duì)RRS強(qiáng)度的影響

3.2.4 離子強(qiáng)度和有機(jī)溶劑對(duì)體系的影響

實(shí)驗(yàn)研究了離子強(qiáng)度對(duì)RRS強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，離子強(qiáng)度的增加會(huì)使體系的RRS信號(hào)強(qiáng)度減弱，可能是溶液中大量存在的Na+和Cl-破壞了三元離子締合物的電荷平衡，導(dǎo)致Cd2+、BSA、CR之間的結(jié)合減弱，阻礙了離子締合物的形成，使得ΔIRRS值降低[17]，因此試驗(yàn)過程中不加NaCl控制離子強(qiáng)度。

此外，還考察了幾種不同的有機(jī)溶劑對(duì)共振散射強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著CH3OH、CH3CH2OH和CH3COCH3這幾種有機(jī)溶劑的加入，RRS強(qiáng)度均降低。推測(cè)是因?yàn)橛袡C(jī)溶劑的加入能使疏水性的結(jié)合產(chǎn)物部分溶解于有機(jī)溶劑中，使產(chǎn)物與水的疏水界面減少或消失，導(dǎo)致RRS強(qiáng)度降低，故實(shí)驗(yàn)中不加入有機(jī)溶劑。

3.2.5 試劑加入順序與體系穩(wěn)定性及溫度的影響

考察了體系中試劑不同加入順序?qū)Ψ磻?yīng)的影響：(1)BR+BSA+CR+Cd；(2)BR+Cd+BSA+CR；(3)BR+Cd+CR+BSA；(4)BR+BSA+Cd+CR；(5)BR+Cd+BSA+CR；(6)Cd+BSA+CR+BR；(7)Cd+BSA+BR+CR。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按順序(1)加入試劑時(shí)，其ΔIRRS值最大，可能是因?yàn)锽SA與CR的結(jié)合要在pH=4的緩沖體系中進(jìn)行，故應(yīng)先加入BR緩沖試劑，再加入BSA與CR。

研究了溫度對(duì)該體系RRS強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：在0～60 ℃的溫度變化范圍內(nèi)，40 ℃時(shí)的ΔIRRS值略大于其他溫度。其原因可能是因?yàn)闇囟冗^低體系反應(yīng)過于緩慢，而溫度過高則會(huì)導(dǎo)致形成的離子締合物產(chǎn)生離解傾向。因此，選擇在40 ℃恒溫水浴中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其次通過考察體系的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)體系反應(yīng)迅速，IRRS值在10 min時(shí)便達(dá)到最大，且90 min內(nèi)基本保持不變，說明體系穩(wěn)定性較好。

3.3 共存離子的影響

3.4 線性關(guān)系及檢出限

在選定的最佳反應(yīng)條件下，分別得出RRS、SOS和FDS譜圖的線性回歸方程。從表1中可以看出，ΔIRRS、ΔISOS和ΔIFDS的強(qiáng)度與Cd2+濃度在0.5～350.0，0.5～300.0，0.5～250.0范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.999。RRS、SOS和FDS的檢出限分別為0.31，0.29，0.34 μg/L。且從表1中還可以看出，與相似體系分光光度法(SP)[19]相比，相關(guān)系數(shù)及線性范圍都相差不大，但是本實(shí)驗(yàn)檢出限比SP法降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，說明本方法更加靈敏，應(yīng)用范圍也更廣。

表1 標(biāo)準(zhǔn)曲線及靈敏度

3.5 樣品測(cè)定

從表2中可以看出，在涪江河水及實(shí)驗(yàn)室廢水中都檢測(cè)出了Cd2+，農(nóng)夫山泉中基本不含Cd2+。水樣中Cd2+的回收率在93.2%～107.7%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.8%～3.1%之間，表明方法的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性都較好，可用于對(duì)環(huán)境水樣中Cd2+的濃度測(cè)定。

表2 水樣中鎘(Ⅱ)含量的分析結(jié)果(n=5)

nd:未檢出。

4 反應(yīng)機(jī)理探討

4.1 透射電鏡圖分析

當(dāng)Cd2+、BSA、CR 3種離子單獨(dú)存在時(shí)，都具有較好的親水性，當(dāng)它們通過靜電吸引力和疏水作用力相結(jié)合后，電荷被中和，形成如圖7所示的粒徑為10 nm左右的締合物，使得它與水相之間形成一層疏水界面，導(dǎo)致散射效應(yīng)明顯增強(qiáng)[20]。同時(shí)，由公式(1)可得，若其他參數(shù)不變，則散射光譜強(qiáng)度與微粒的體積成正比，由于締合物的粒徑較之前明顯增大，導(dǎo)致共振光散射信號(hào)增強(qiáng)。由簡(jiǎn)化的瑞利公式I=KCMI0[21]可知，若體積不確定，可由分子量判斷，形成的三元離子締合物的相對(duì)分子質(zhì)量明顯比3種物質(zhì)單獨(dú)存在時(shí)大很多。

圖7 Cd(Ⅱ)-BSA-CR體系納米微粒的透射電子顯微鏡圖

(1)

式中：I為散射光強(qiáng)度；I0為入射光強(qiáng)度；N為單位體積內(nèi)粒子數(shù)目(個(gè))；λ為入射光和散射光波長(zhǎng)(nm)；V為一個(gè)粒子的體積；n1為散射相的折射率；n0為介質(zhì)的折射率。

4.2 紫外吸收光譜與RRS光譜分析

由圖8可以看出，RRS光譜與紫外吸收光譜呈互補(bǔ)趨勢(shì)，而RRS是瑞利散射位于吸收帶附近而產(chǎn)生的一種散射增強(qiáng)效應(yīng)，表明該三元離子締合物所形成的光譜為RRS光譜。

圖8 紫外吸收光譜與共振瑞利散射光譜

5 結(jié) 論

本文以環(huán)境中鎘(Ⅱ)的監(jiān)測(cè)作為研究目標(biāo)，構(gòu)建了鎘(Ⅱ)-蛋白質(zhì)-剛果紅共振光散射體系，對(duì)該體系的RRS、SOS及FDS光譜以及實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，據(jù)此建立了測(cè)定環(huán)境水樣中Cd2+的共振光散射新方法。該體系的RRS、SOS及FDS光譜強(qiáng)度與Cd2+濃度在0.5～350.0 μg/L、0.5～300.0 μg/L和0.5～250.0 μg/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.999以上，方法的檢出限分別為0.31 μg/L(RRS)、0.29 μg/L(SOS)和0.34 μg/L(FDS)。對(duì)3種不同環(huán)境水樣進(jìn)行測(cè)定，回收率在93.2%～107.7%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.8%～3.1%之間。同時(shí)，該方法不需要復(fù)雜的樣品前處理，操作簡(jiǎn)便，可望直接應(yīng)用于環(huán)境水樣中Cd2+的檢測(cè)。