一階導(dǎo)數(shù)分光光度法同時(shí)測定水樣中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)

徐紅納， 靳立國， 由麗梅， 程艷

(1.牡丹江醫(yī)學(xué)院， 黑龍江 牡丹江 157011；2.黑龍江省第一地質(zhì)勘查院， 黑龍江 牡丹江 157011)

鉻是第四周期第VIB族元素,廣泛分布在自然界中，常用于電鍍業(yè)和鞣革業(yè)，還可用作紡織品的媒染劑和金屬清潔劑。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，含鉻廢氣、廢水的不合理排放，加重了水資源環(huán)境的污染[1-4]。鉻污染對(duì)人類的健康生存造成威脅，越來越受到人們的關(guān)注[5]。水中的鉻主要是以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的形式存在，目前的研究發(fā)現(xiàn)，不同價(jià)態(tài)鉻的生理功能迥然不同，Cr(Ⅲ)是生物體維持正常的生理活動(dòng)所必需的，它的生物功能主要是參與機(jī)體的糖代謝和脂肪代謝，并且具有胰島素加強(qiáng)劑的作用，臨床上已經(jīng)應(yīng)用Cr(Ⅲ)鹽和富含Cr(Ⅲ)的啤酒酵母治療糖尿病和冠狀動(dòng)脈硬化癥。而Cr(Ⅵ)的生物毒性較大，中毒時(shí)會(huì)使肝、腎、血液系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生嚴(yán)重病變，甚至造成死亡，皮膚長期接觸Cr(Ⅵ)或吸入含Cr(Ⅵ)粉塵會(huì)誘發(fā)癌變[6-9]。國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)在2013年已將Cr(Ⅵ)列為人類致癌物[10-11]。安全的水質(zhì)保障對(duì)人類健康至關(guān)重要，因此，對(duì)水樣中不同價(jià)態(tài)的鉻進(jìn)行定量分析具有重要的研究意義。

目前，國內(nèi)外對(duì)Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)同時(shí)檢測的研究主要集中在藥品[12]、玩具[13-14]、食品[15-16]、化妝品[17-18]、飲用水[19]等領(lǐng)域。同時(shí)檢測Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)或檢測Cr(Ⅵ)的方法有原子吸收光譜法[20-25]、分光光度法[26-29]、離子色譜法[30-31]及色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[32-33]等。這些方法大多數(shù)是先分離再測定，或先測出Cr(Ⅲ)或Cr(Ⅵ)，然后氧化或還原測定鉻的總量，再差減法計(jì)算出另一價(jià)態(tài)鉻的含量。操作復(fù)雜費(fèi)時(shí)，并且在處理過程中會(huì)導(dǎo)致價(jià)態(tài)的改變，誤差大，精確度不易保證。盧菊生等[22]將水樣中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)先用一種微乳相萃取分離富集，然后用原子吸收光譜法測定，該方法操作比較繁瑣。巢靜波等[31]用離子色譜法對(duì)環(huán)境水樣中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)進(jìn)行同時(shí)測定，但是Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)準(zhǔn)確定性要依賴其保留時(shí)間，對(duì)淋洗液的濃度和衍生液流速的控制要準(zhǔn)確，并且分析測定時(shí)會(huì)被其他高含量的共存離子干擾。本文研究了采用一階導(dǎo)數(shù)分光光度法對(duì)水樣中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)進(jìn)行測定，可滿足廢水樣中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的分析測定要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)主要原理

根據(jù)比耳定律：

(1)

式中：I0為入射光強(qiáng)度，I為透射光強(qiáng)度，ε為摩爾吸光系數(shù)，c為樣品濃度(mol/L)，b是吸收池厚度(cm)。

如果在整個(gè)波長范圍內(nèi)入射光強(qiáng)度I0保持不變，將式(1)兩邊對(duì)波長求導(dǎo)數(shù)：

(2)

整理得:

(3)

從上式(3)可以看出，試樣的濃度與一階導(dǎo)數(shù)信號(hào)呈線形關(guān)系，其分析測定試樣的靈敏度與摩爾吸光系數(shù)ε對(duì)波長的變化率有關(guān)，一階導(dǎo)數(shù)的靈敏度在其吸收光譜的拐點(diǎn)處最高[34]。

1.2 儀器和主要試劑

UV-2600型紫外可見分光光度計(jì)(尤尼柯儀器有限公司)。上海雷磁pHS-25型酸度計(jì)。

Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1000mg/L)：精確稱取1.0000g金屬鉻(純度99.95%)放入燒杯中，加10mL 6mol/L鹽酸溶解完全，加熱至近干，再往燒杯中加入少許硝酸，加熱溶解，轉(zhuǎn)移到1000mL容量瓶中稀釋至刻度，搖勻備用[35]，測定時(shí)其他所需Cr(Ⅲ)溶液均由此標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋配制。

Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1000mg/L)：準(zhǔn)確稱取已烘干的基準(zhǔn)重鉻酸鉀2.8300g，加去離子水完全溶解后，移入1000 mL容量瓶中定容，搖勻，備用。

乙二胺四乙酸二鈉溶液(0.05mol/L)：準(zhǔn)確稱取乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na，分析純)9.3060g，放入燒杯中加去離子水完全溶解后，稀釋至500mL容量瓶中，備用。

實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

把一定量的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液加入25mL比色管中，再加入0.05mol/L的EDTA-2Na溶液4mL ，調(diào)節(jié)溶液pH為3～3.5，在70℃恒溫水浴中加熱15min。冷卻，定容，以空白溶液作參比，用石英比色皿(1cm)，在波長300～400nm范圍內(nèi)測定吸光度，波長間隔10nm求一階導(dǎo)數(shù)，得到波長330nm的最大一階導(dǎo)數(shù)值，由標(biāo)準(zhǔn)曲線求出Cr(Ⅵ)濃度。在543nm波長處測定溶液吸光度，由標(biāo)準(zhǔn)曲線求出Cr(Ⅲ)的濃度。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4.1Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用吸量管分別量取5mL 100mg/L Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液移入8支25mL比色管中，然后分別加入不同濃度的Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液，再加入EDTA-2Na，得到一系列Cr(Ⅵ)濃度為20mg/L和Cr(Ⅲ)濃度為0.5、1、5、30、50、70、90、120mg/L的混合溶液。按實(shí)驗(yàn)方法，在波長543nm處測定混合溶液的吸光度A。得到A與Cr(Ⅲ)濃度關(guān)系的線性回歸方程為：A=0.0036ρ-0.0002(r2=0.9999)。

1.4.2Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用吸量管分別量取5mL 100mg/L Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液移入8支25mL比色管中,然后分別加入不同濃度的Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液,得到一系列Cr(Ⅲ)濃度為20mg/L和Cr(Ⅵ)濃度為0.5、1、5、10、30、50、70、100mg/L的混合溶液。按實(shí)驗(yàn)方法，分別在波長300～400nm范圍內(nèi)測定混合溶液的吸光度，波長間隔10nm求一階導(dǎo)數(shù)。得到波長330nm處的一階導(dǎo)數(shù)值D與Cr(Ⅵ)濃度關(guān)系的線性回歸方程為：D=0.00072ρ-0.00013(r2=0.9996)。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收光譜和一階導(dǎo)數(shù)光譜

在波長300～600nm內(nèi)每隔1nm分別測定Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物和Cr(Ⅵ)溶液的吸光度，吸收光譜見圖1a，分別對(duì)其吸光度求一階導(dǎo)數(shù)值，結(jié)果見圖1b。從圖1a可看出，在波長543nm處，Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物有最大吸收而Cr(Ⅵ)在此處無吸收；在波長350nm處，Cr(Ⅵ)有最大吸收而Cr(Ⅲ)在此處也有吸收。因此，在波長543nm處可對(duì)Cr(Ⅲ)直接測定，而Cr(Ⅲ)會(huì)影響Cr(Ⅵ)的直接測定。由圖1b可知，在波長330nm處Cr(Ⅵ)吸光度一階導(dǎo)數(shù)有最大值，而在此波長處Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物吸光度一階導(dǎo)數(shù)值為0，可以使重疊峰完全分開。因此，通過測定溶液在波長330nm處吸光度的一階導(dǎo)數(shù)值，可測定Cr(Ⅵ)的含量。

圖1 Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物的(a)吸收光譜圖和(b)一階導(dǎo)數(shù)光譜圖Fig.1 (a)Absorption spectra and (b) first derivative spectra of Cr(Ⅵ) and Cr(Ⅲ)-EDTA complex

2.2 導(dǎo)數(shù)間隔因子的選擇

用吸量管移取5mL濃度為200mg/L的Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液于25mL容量瓶中，調(diào)節(jié)pH至3～3.5，定容，搖勻，在波長300～400nm范圍內(nèi)，分別以10、20、40nm不同波長間隔求Cr(Ⅵ)吸光度的一階導(dǎo)數(shù)值，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)波長間隔為10nm求導(dǎo)時(shí)，Cr(Ⅵ)有適宜的一階導(dǎo)數(shù)值。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇10nm作為一階導(dǎo)數(shù)的求導(dǎo)間隔。

圖2 導(dǎo)數(shù)間隔因子的確定Fig.2 Determination of derivative interval factor

2.3 實(shí)驗(yàn)條件對(duì)鉻吸光度測量的影響

2.3.1溶液的酸度

用吸量管移取5mL濃度為100mg/L的Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液至25mL色管中，加入EDTA-2Na顯色劑，調(diào)節(jié)不同的pH值，70℃恒溫水浴中，保持加熱15min后冷卻，定容，測定吸光度。用吸量管吸取50mg/L Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液5mL至25mL色管中，調(diào)節(jié)不同的pH，定容搖勻，測定吸光度，結(jié)果見圖3。Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物的吸光度在pH 3～4之間基本不變；Cr(Ⅵ)的吸光度在pH 2～4之間基本不變。因此，本實(shí)驗(yàn)試樣溶液的pH值選擇在3～3.5。

圖3 溶液pH值對(duì)Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物吸光度的影響Fig.3 Effect of pH of solution on the absorbance of Cr(Ⅵ) and Cr(Ⅲ)-EDTA complex

2.3.2EDTA-2Na溶液的加入量

用吸量管移取5mL濃度為100mg/L的Cr(Ⅲ)溶液至25mL比色管中，調(diào)節(jié)pH為3～3.5，分別加入0.2、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、…、10.0mL的EDTA-2Na溶液，在70℃恒溫水浴中，保持加熱15min后冷卻，定容，在波長543nm處測定Cr(Ⅲ)的吸光度。圖4結(jié)果表明：加入過量的EDTA對(duì)吸光度影響非常微小，為了使絡(luò)合反應(yīng)完全， EDTA和Cr(Ⅲ)的物質(zhì)的量比例需大于7∶1。本實(shí)驗(yàn)選擇加入4mL的EDTA-2Na溶液。

圖4 EDTA-2Na加入量對(duì)Cr(Ⅲ)吸光度的影響Fig.4 Effect of additions of EDTA-2Na on the absorbance of Cr(Ⅲ)

2.3.3反應(yīng)時(shí)間及溫度

用吸量管移取5mL濃度為100mg/L的Cr(Ⅲ)溶液至25mL比色管中，加入EDTA-2Na溶液，調(diào)節(jié)pH至3～3.5，測定不同時(shí)間和不同溫度下的吸光度，結(jié)果如表1所示。在70℃恒溫水浴中，保持加熱10min，Cr(Ⅲ)和EDTA即絡(luò)合完全。本實(shí)驗(yàn)選擇的反應(yīng)溫度和時(shí)間是70℃和15min，在此溫度和時(shí)間條件下Cr(Ⅵ)溶液的吸光度不發(fā)生變化。Cr(Ⅲ)與EDTA-2Na形成絡(luò)合物后，在3h內(nèi)吸光度值未發(fā)生變化，所以可穩(wěn)定3h以上。

表1 反應(yīng)時(shí)間及溫度對(duì)Cr(Ⅲ)吸光度的影響Table 1 Effect of reaction time and temperature on the absorbance of Cr(Ⅲ)

2.4 方法檢出限和精密度

按照優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行11次空白實(shí)驗(yàn)，計(jì)算測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，得出Cr(Ⅲ)檢出限為0.006mg/L，Cr(Ⅵ)檢出限為0.005mg/L。配制8份濃度、比例各不相同的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)混合溶液，按實(shí)驗(yàn)方法，每份溶液平行測定6次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)最大值分別為1.24%、0.57%。

2.5 共存離子的影響

表2 干擾離子對(duì)Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)測定的影響Table 2 Effect of interferencing ions on the determination of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ)

2.6 實(shí)際樣品分析

取廢鉻酸洗液及電鍍廢液2份，先靜置澄清，取上清液并用石英砂過濾，除去大的懸浮物及顆粒雜質(zhì)等，按實(shí)驗(yàn)方法測定吸光度和一階導(dǎo)數(shù)值，計(jì)算試樣中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)含量。然后按標(biāo)準(zhǔn)加入法，加入Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液，計(jì)算加標(biāo)回收率。由表3測定結(jié)果可知，廢水中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)加標(biāo)回收率為97.8%～102.6%，結(jié)果滿意。

表3 樣品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的測定結(jié)果及加標(biāo)回收率Table 3 Analytical results and spiked recovery of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) in samples

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，在波長543nm處Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物有最大吸收而Cr(Ⅵ)在此處無吸收，在波長350nm處Cr(Ⅵ)有最大吸收而Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物在此處也有吸收。在波長330nm處Cr(Ⅵ)吸光度一階導(dǎo)數(shù)有最大值，而在此波長處Cr(Ⅲ)-EDTA絡(luò)合物吸光度一階導(dǎo)數(shù)值為0，可以使重疊峰完全分開。因此，本文用一階導(dǎo)數(shù)分光光度法分別在波長543nm和330nm處對(duì)水樣中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)進(jìn)行同時(shí)分析測定，其標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系良好，方法的檢出限低,精密度高,抗干擾能力強(qiáng)。

一階導(dǎo)數(shù)光譜成功地消除了Cr(Ⅲ)對(duì)Cr(Ⅵ)的干擾，為水樣中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的同時(shí)分析測試提供了一種簡捷、快速、準(zhǔn)確的方法。但此方法只能對(duì)液態(tài)水樣的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)進(jìn)行直接測定，而對(duì)固態(tài)樣品如食品、化妝品和玩具等樣品中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)還需要進(jìn)行前處理成液態(tài)樣品才能測定，這類固態(tài)樣品在前處理過程中可能會(huì)造成鉻形態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化，會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)偏差。項(xiàng)目組將進(jìn)一步研究固態(tài)樣品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的同時(shí)直接測定方法，重點(diǎn)關(guān)注前處理過程造成的偏差。