2種動力學(xué)分光光度法測定油菜中鎘含量的比較

李金芳，胡月芳，潘長亮

1. 賀州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院（賀州 542899）；2. 賀州學(xué)院教務(wù)處（賀州 542899）

眾所周知，人們攝入超標(biāo)重金屬含量的蔬菜或食品，會有急性或慢性毒性反應(yīng)發(fā)生，或?qū)е禄掳┖椭峦蛔?，?yán)重影響人體健康[1-2]。鎘屬于持久性污染物，毒性很強(qiáng)，在人體內(nèi)蓄積到一定量即會引起機(jī)體免疫功能的衰退，故引發(fā)多種疾病的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會致癌、致畸[3-5]。油菜是廣西賀州市的大眾蔬菜，營養(yǎng)豐富，深受人們的喜愛。但由于2013年賀州市礦區(qū)周邊的馬尾河發(fā)生鎘、鉈重金屬超標(biāo)事件，引起了人們對一些農(nóng)產(chǎn)品（包括油菜）中重金屬是否超標(biāo)及快速檢測方法的極大關(guān)注。因此，建立一種可靠、簡便、快速測定農(nóng)產(chǎn)品樣品中鎘含量的檢測方法勢在必行。

目前，測定鎘含量的方法很多，有分光光度法[6-9]、電化學(xué)分析法[10-11]、原子吸收光譜法[12-15]。對于電化學(xué)分析法，如果鎘含量較低，用極譜法定量測定需經(jīng)過繁瑣的分離富集；而原子吸收光譜法對實(shí)驗(yàn)儀器及各種條件的要求都很高，在某些程度上限制其應(yīng)用。分光光度法因其儀器簡單、分析成本低、方法準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于鎘的測定。此次試驗(yàn)分別采用阻抑動力學(xué)光度法和催化動力學(xué)光度法測定賀州市礦區(qū)周邊油菜中鎘含量，從鎘含量角度對重金屬污染區(qū)的油菜進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，并分析2種方法的檢出限、準(zhǔn)確度與精密度，有望能為重金屬污染區(qū)快速檢測農(nóng)產(chǎn)品中鎘金屬提供簡便、可靠的技術(shù)借鑒，對于防止鎘金屬污染、保障人們身體健康具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

722型可見分光光度計(jì)（上海光譜儀器有限公司）；SY2-4電熱恒溫水浴鍋（北京醫(yī)療設(shè)備廠）；DGH-80型干燥箱（武漢瑞華儀器設(shè)備有限責(zé)任公司）。

鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液（1.0 mg·mL-1）：準(zhǔn)確稱取0.686 1 g Cd(NO3)2·4H2O于小燒杯中，以少量水溶解并定容至250 mL容量瓶中，用前用二次蒸餾水稀釋成所需溶度。KBrO3溶液：0.1 mol·L-1；鹽酸溶液：1.0 mol·L-1；甲基藍(lán)溶液：0.001 mol·L-1；甲基紅：50 mg·L-1的70%乙醇溶液；硫酸溶液：1.0 mol·L-1；濃硫酸、濃硝酸、高氯酸及上述試劑均為分析純，試驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油菜樣品的處理

將賀州市礦區(qū)周邊新鮮油菜洗凈晾干，置于60 ℃干燥箱中烘干，磨成粉末，準(zhǔn)確稱取2.00 g樣品于100 mL錐形瓶中，加入10.00 mL濃硫酸、20.00 mL濃硝酸-高氯酸（2∶1），消化12 h，水浴加熱至有棕色氣體產(chǎn)生，待白煙消失，再加入10.00 mL 1 mol/L鹽酸溶液，冷卻后用二次蒸餾水定容至100 mL容量瓶中，備用。

1.2.2 阻抑動力學(xué)光度法

在兩支25 mL比色管中，均依次加入0.6 mL甲基藍(lán)、1.0 mL鹽酸、0.5 mL溴酸鉀，往一支中加入鎘標(biāo)準(zhǔn)液或油菜樣品（阻抑反應(yīng)體系，吸光度為A），另一支為空白（非阻抑反應(yīng)體系，吸光度為A0），用二次蒸餾水稀釋至刻度，搖勻后立刻置65 ℃水浴中加熱9 min，取出后置冰水冷卻5 min以終止反應(yīng)。以二次蒸餾水為參比，用1 cm比色皿在605 nm處分別測定阻抑、非阻抑反應(yīng)體系吸光度A和A0，求ΔA=A-A0。測定油菜樣品時(shí)加入2.0 mL檸檬酸鈉和1.2 mL氟化鈉，消除干擾離子的干擾。

1.2.3 催化動力學(xué)光度法

在兩支25 mL比色管中，均依次加入1.0 mL甲基紅溶液、1.4 mL硫酸溶液、1.2 mL溴酸鉀溶液，往其中一支加入一定量鎘標(biāo)準(zhǔn)液或油菜樣品（催化反應(yīng)體系，吸光度為A），另一支為空白（非催化反應(yīng)體系，吸光度為A0），均用二次蒸餾水稀釋至刻度，搖勻后立刻置60 ℃水浴加熱13 min，取出后用冰水冷卻3 min以終止反應(yīng)，用1 cm比色皿，以二次蒸餾水作參比，在530 nm處測定催化和非催化溶液的吸光度A和A0，計(jì)算lg（A0/A）。測定油菜樣品時(shí)采用KI-MIBK萃取分離除去干擾離子的影響[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 測定波長的選擇

2.1.1 阻抑動力學(xué)光度法波長的選擇

配制不同組成的溶液，按照1.2.2的方法用分光光度計(jì)對空白溶液和待測溶液在不同波長上掃描，得到甲基藍(lán)的吸收光譜圖（圖1）。其中曲線1為非阻抑反應(yīng)，曲線2和3為阻抑反應(yīng)。由圖1可知，痕量鎘溶液對溴酸鉀氧化甲基藍(lán)的褪色反應(yīng)有明顯的阻抑作用。在605 nm波長處，曲線1，2和3均有最大吸光度，故試驗(yàn)選擇605 nm作為最佳測定波長。

圖1 甲基藍(lán)的吸收光譜圖

2.1.2 催化動力學(xué)光度法的吸收光譜

圖2 甲基紅的吸收光譜

圖2顯示，在硫酸介質(zhì)中，甲基紅在530 nm處有最大吸收峰。溴酸鉀可慢慢氧化甲基紅，有痕量鎘溶液存在時(shí)，氧化反應(yīng)速度加快，吸光度降低更快，表明鎘能催化溴酸鉀氧化甲基紅的反應(yīng)。其差值lg（A0/A）最大吸收處也為530 nm。故試驗(yàn)選定530 nm作為最佳測定波長。

2.2 介質(zhì)及用量的影響

2.2.1 阻抑動力學(xué)光度法

在阻抑動力學(xué)光度法中，考察了鹽酸、硫酸和磷酸3種介質(zhì)對阻抑反應(yīng)的影響。試驗(yàn)表明，在鹽酸介質(zhì)中，阻抑反應(yīng)的ΔA最大。還考察了鹽酸用量對阻抑反應(yīng)的影響，當(dāng)鹽酸用量為1.0 mL時(shí)，阻抑反應(yīng)的ΔA最大。故選擇1.0 mL 1.0 mol·L-1鹽酸為反應(yīng)介質(zhì)。

2.2.2 催化動力學(xué)光度法

在催化動力學(xué)光度法中，考察了硫酸、醋酸、鹽酸和磷酸 4種介質(zhì)對催化反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，在硫酸介質(zhì)中，鎘對溴酸鉀氧化甲基紅的催化作用最為明顯。當(dāng)1.0 mol/L硫酸用量為1.5 mL時(shí)，lg（A0/A）有最大值，若硫酸用量超過1.5 mL，非催化反應(yīng)加快，lg（A0/A）反而減少。故試驗(yàn)選用1.5 mL硫酸用量。

2.3 試劑用量的影響

2.3.1 阻抑動力學(xué)光度法

在阻抑動力學(xué)光度法中，考察了甲基藍(lán)、溴酸鉀用量對阻抑反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)0.001 mol·L-1甲基藍(lán)和0.1 mol·L-1溴酸鉀的用量分別為0.5和0.6 mL時(shí)，阻抑反應(yīng)的ΔA最大。故試驗(yàn)選擇0.5 mL甲基藍(lán)溶液用量和0.6 mL溴酸鉀溶液用量。

2.3.2 催化動力學(xué)光度法

在催化動力學(xué)光度法中，分別考察了甲基紅、溴酸鉀用量對催化反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)0.001 mol·L-1甲基紅用量為0.8～1.5 mL時(shí)，體系有較平穩(wěn)的lg（A0/A）；當(dāng)甲基紅用量為1.0 mL時(shí)，lg（A0/A）最大，故試驗(yàn)選用1.0 mL甲基紅用量。當(dāng)0.1 mol·L-1溴酸鉀用量為0.8～1.6 mL時(shí)，體系有較平穩(wěn)的lg（A0/A）；當(dāng)溴酸鉀用量為1.4 mL時(shí)，增加溴酸鉀用量，非催化反應(yīng)加快，lg（A0/A）反而減少。故試驗(yàn)選用1.4 mL溴酸鉀用量。

2.4 反應(yīng)溫度及時(shí)間的影響

2.4.1 阻抑動力學(xué)光度法

試驗(yàn)考察50～80 ℃范圍內(nèi)溫度對阻抑反應(yīng)的影響。圖3表明，溫度在50～65 ℃范圍內(nèi)，ΔA隨著反應(yīng)溫度升高而增大；溫度高于65 ℃，ΔA隨著反應(yīng)溫度的升高而減小。故試驗(yàn)選擇65 ℃反應(yīng)溫度。

考察不同反應(yīng)時(shí)間對阻抑反應(yīng)的影響。試驗(yàn)表明，保持反應(yīng)溫度65 ℃，加熱4～9 min 時(shí)，ΔA隨著反應(yīng)時(shí)間的增長而增大；加熱超過9 min時(shí)，ΔA反而隨著時(shí)間的增長而減小。故選擇9 min為最佳反應(yīng)時(shí)間。

圖3 溫度對阻抑反應(yīng)的影響

2.4.2 催化動力學(xué)光度法

試驗(yàn)考察不同溫度對催化反應(yīng)的影響。圖4表明，溫度在20～60 ℃之間，隨著反應(yīng)溫度的升高，lg（A0/A）逐漸增大。60 ℃時(shí)lg（A0/A）值最大且與鎘濃度的線性關(guān)系良好。當(dāng)反應(yīng)溫度大于60 ℃時(shí)，非催化反應(yīng)加快，lg（A0/A）減小，故選擇60 ℃為最佳反應(yīng)溫度。保持反應(yīng)溫度60 ℃，試驗(yàn)還考察了反應(yīng)時(shí)間在4～18 min之間對體系的影響，在13 min內(nèi)，lg（A0/A）與時(shí)間t的直線關(guān)系較好；超過13 min，催化體系和非催化體系的反應(yīng)均加快，lg（A0/A）反而減少。因此，選擇13 min為最佳反應(yīng)時(shí)間。

圖4 溫度對催化反應(yīng)的影響

2.5 校準(zhǔn)曲線、檢出限及精密度

試驗(yàn)采用2種動力學(xué)光度法對低、中、高3個(gè)濃度鎘溶液進(jìn)行校準(zhǔn)曲線、檢出限及精密度的測定，結(jié)果見表1。由表1可知，阻抑動力學(xué)光度法較為靈敏，其檢出限比催化動力學(xué)光度法低2倍，同時(shí)其線性范圍也較催化動力學(xué)光度法寬，精密度較高。

表1 2種分析方法檢測鎘的比較（n=6）

2.6 共存物質(zhì)的影響

2.6.1 阻抑動力學(xué)光度法

此次試驗(yàn)考察了常見離子對測定10 mg/mL鎘溶液的干擾影響，結(jié)果表明，分析誤差在±4%范圍內(nèi)，離子Ca2+、Na+、Al+、K+、Ba2+、Zn2+、NH+、NO-、43Ni2+（以mg計(jì)）均不干擾測定。而Cu2+和Fe3+干擾測定，測定實(shí)際樣品時(shí)加入10 mg/mL檸檬酸鈉和10 mg/mL氟化鈉可消除干擾。

2.6.2 催化動力學(xué)光度法

此次試驗(yàn)考察了常見離子對測定0.20 μg/mL鎘溶液的干擾影響，相對誤差控制在±4.5% 以內(nèi)，2 000倍的NO-、Na+、K+、Cl-，1 000倍的PO3-、SO2-，344200倍的Ca2+、Mg2+、NH4+、Ni2+、Zn2+、F-，100倍的Pb2+、Al3+、Ba2+、Ag+、Mn2+，以及10倍的Br-、I-、Fe3+，對測定不產(chǎn)生干擾，等倍的Cu2+、Co2+、Fe2+對測定有干擾。試驗(yàn)采用KI-MIBK萃取分離除去干擾離子的影響[16]，結(jié)果令人滿意。

2.7 動力學(xué)參數(shù)的測定

2.7.1 阻抑動力學(xué)光度法

在溫度65 ℃、時(shí)間4～9 min條件下進(jìn)行加熱，基于Arrhenius方程K=Ae-Ea/RT，在50～65 ℃范圍內(nèi)，以-lnΔA對1/T作圖，線性回歸方程為-lnΔA=8.164×10-3×1/T-21.30，相關(guān)系數(shù)r為0.999 5，表觀活化能Ea=67.887 kJ·mol-1。

2.7.2 催化動力學(xué)光度法

根據(jù)圖4溫度曲線和Axrhenius方程（K=Ae-Ea/RT），取溫度曲線中的直線部分（45～60 ℃），以-lg[lg（A0/A）]對1/T作圖得一條直線，該直線回歸方程為-lg[lg（A0/A）]=5.018×103×1/T-13.805，相關(guān)系數(shù)r=0.999 5，表觀活化能Ea=96.080 kJ·mol-1。

2.8 樣品分析

按1.2.1試驗(yàn)方法處理油菜，再分別按1.2.2和1.2.3采用2種方法測定油菜中的鎘含量，為了檢驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性，測定了2種方法的標(biāo)準(zhǔn)加標(biāo)回收率，試驗(yàn)結(jié)果見表2。可以看出，阻抑動力學(xué)光度法回收率高，δRSD較小，說明阻抑動力學(xué)光度法比催化動力學(xué)光度法準(zhǔn)確度和精密度高，重復(fù)性好。賀州市礦區(qū)周邊油菜中鎘的含量在0.105～0.182 mg/kg之間，已超出國家限量標(biāo)準(zhǔn)。

表2 油菜中鎘的含量及加標(biāo)回收率（n=6）

3 結(jié)論

阻抑動力學(xué)光度法結(jié)果準(zhǔn)確，精密度好，且簡便、快速、易于掌握，可用于蔬菜中微量鎘的測定，但要注意嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度及時(shí)間。賀州市礦區(qū)周邊油菜已被鎘污染，建議嚴(yán)格控制礦區(qū)周邊“三廢”的排放，控制菜地的污水灌溉和污泥施用。