飲用水中鎘(Ⅱ)突發(fā)性污染監(jiān)測(cè)技術(shù)

燕 廷，朱定波，馬 強(qiáng)，唐書(shū)澤

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州 510632)

飲用水中鎘(Ⅱ)突發(fā)性污染監(jiān)測(cè)技術(shù)

燕 廷，朱定波，馬 強(qiáng)，唐書(shū)澤*

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系，廣東廣州 510632)

利用魯米諾—鐵氰化鉀發(fā)光體系，結(jié)合流動(dòng)注射技術(shù)，建立了一種對(duì)飲用水中Cd(Ⅱ)濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新方法。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，該方法的線性范圍為5.0×10－4～5.0×10－2mg/mL，檢出限為2.6×10－5mg/mL，RSD為1.9%(n=11)。結(jié)果表明，該方法具有檢測(cè)范圍寬，簡(jiǎn)單快速，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)江河水和飲用水Cd(Ⅱ)突發(fā)性污染的在線監(jiān)測(cè)，為將來(lái)構(gòu)建飲用水預(yù)警機(jī)制提供技術(shù)支持。

化學(xué)發(fā)光，流動(dòng)注射，鎘，飲用水安全，預(yù)警技術(shù)

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，重金屬污染日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中鎘污染事件在近幾年尤其突出，對(duì)環(huán)境和人類健康造成極大危害［1－4］。鎘(Cadmium，Cd) 是一種銀白色重金屬，在自然界主要以硫鎘礦存在，可以形成多種配離子，其污染來(lái)自于電鍍、冶煉、顏料等工業(yè)廢渣、廢水。Cd是高毒性金屬，中毒可分為急性中毒和慢性中毒，半衰期為7～30年，國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中 Cd 要求小于 0.005mg/L［5－8］。飲用水中 Cd 含量高的地區(qū)，患淋巴癌、肺癌、食道癌和直腸癌的概率比其它地區(qū)高［9］。因此研究出一種快速、簡(jiǎn)單、靈敏的監(jiān)測(cè)飲用水中Cd突變性污染，對(duì)建立早期安全預(yù)警系統(tǒng)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。測(cè)定水質(zhì)中Cd(Ⅱ)含量的常見(jiàn)方法主要有光度分析法［10－11］、原子吸收法［12－13］和電化學(xué)法［14］等。光度分析法操作簡(jiǎn)單，但有些方法需要使用劇毒物，不易推廣;原子吸收法準(zhǔn)確且簡(jiǎn)單快速，但靈敏度不能滿足水中痕量Cd(Ⅱ)的測(cè)定;電化學(xué)法檢測(cè)限低、靈敏度高，但實(shí)驗(yàn)條件苛刻。近幾年，化學(xué)發(fā)光分析法以其儀器簡(jiǎn)單、靈敏度高、操作方便的優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用到食品科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和藥物分析等領(lǐng)域［15－18］。本法將化學(xué)發(fā)光技術(shù)與流動(dòng)注射技術(shù)聯(lián)用，基于Cd(Ⅱ)對(duì)魯米諾與鐵氰化鉀化學(xué)發(fā)光體系有增強(qiáng)作用，建立一種簡(jiǎn)單快速、檢測(cè)范圍寬、成本低廉的方法，對(duì)飲用水和江河水中Cd(Ⅱ)濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到對(duì)突發(fā)性Cd(Ⅱ)污染事件早期預(yù)警的目的，從而確保飲水安全。為進(jìn)一步構(gòu)建飲用水安全預(yù)警系統(tǒng)提供理論性基礎(chǔ)和技術(shù)性依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1×10－2mol/L魯米諾儲(chǔ)備液 稱取0.1772g魯米諾(Sigma公司，優(yōu)級(jí)純)，用1.0mol/L的NaOH溶液溶解并定容至100mL，避光放置一周后使用;0.1mol/L鐵氰化鉀儲(chǔ)備液 稱取1.6463g鐵氰化鉀(上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑公司，分析純)，加水定容于50mL容量瓶;1000μg/mL Cd(Ⅱ)標(biāo)準(zhǔn)溶液 中國(guó)計(jì)量科學(xué)院;硝酸 廣州化學(xué)試劑廠，分析純;氫氧化鈉 天津市大茂化學(xué)試劑廠，分析純;鹽酸 北京化工廠，分析純;實(shí)驗(yàn)用水 雙蒸去離子水。

IFIS－C型流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光儀、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;0.1－1mL微量移液槍 德國(guó)BRAND公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 進(jìn)樣方法 如圖1所示連接流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析流路，將魯米諾溶液和鐵氰化鉀溶液分別泵入通道，流經(jīng)三通閥混合，同時(shí)從樣品通道泵入Cd(Ⅱ)溶液，三者在反應(yīng)池混合反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光信號(hào)，選取樣品發(fā)光值重復(fù)性最好，并且峰高的作為實(shí)驗(yàn)最佳信號(hào)，記錄此時(shí)發(fā)光強(qiáng)度(IS)，未通入Cd(Ⅱ)溶液時(shí)魯米諾－鐵氰化鉀的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度為空白值(I0)，相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度 ΔI=IS－I0，Cd(Ⅱ)溶液濃度與ΔI在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，據(jù)此進(jìn)行定量測(cè)定。

圖1 流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析儀示意圖Fig.1 Schematic flow chart of flow injection chemiluminescence system

1.2.2 單因素的選取和實(shí)驗(yàn) 在固定其它條件不變的情況下，分別進(jìn)行魯米諾濃度、鐵氰化鉀濃度、Cd(Ⅱ)液pH、魯米諾溶液pH四個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)，考察各因素對(duì)相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響。

1.2.3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及條件優(yōu)化 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響的三個(gè)因素魯米諾濃度、鐵氰化鉀濃度、魯米諾溶液pH，采用L9(34)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，正交實(shí)驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 使用SPSS 17.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 魯米諾濃度的選擇 魯米諾作為發(fā)光試劑，其濃度是影響化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的重要因素。本實(shí)驗(yàn)考察了在 Cd(Ⅱ)濃度為 1.0 ×10－3mg/mL，Cd(Ⅱ)液pH4，鐵氰化鉀濃度為 8.0 ×10－4mol/L，魯米諾溶液pH12條件下，魯米諾溶液濃度在 1.0×10－5～1.0×10－3mol/L范圍內(nèi)與相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系(圖2)。由圖可見(jiàn)，魯米諾濃度與相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度成正相關(guān)，研究中除了要求魯米諾濃度的信號(hào)穩(wěn)定和便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象外，還要考慮到節(jié)約成本和減少環(huán)境污染，因此魯米諾濃度初步選定為1.0×10－4mol/L。2.1.2 鐵氰化鉀濃度的選擇 固定Cd(Ⅱ)濃度為1.0×10－3mg/mL，Cd(Ⅱ)液 pH4，魯米諾濃度為8.0×10－5mol/L，魯米諾溶液pH12條件下，考察了在鐵氰化鉀濃度1.0 ×10－5～1.2 ×10－3mol/L 范圍內(nèi)與相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系(圖3)。發(fā)現(xiàn)隨著鐵氰化鉀濃度增大，相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度也隨之增大，當(dāng)鐵氰化鉀濃度達(dá)到8.0×10－4mol/L時(shí)，相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度最大，而后化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱。因此本實(shí)驗(yàn)初選鐵氰化鉀濃度為8.0×10－4mol/L。

圖2 魯米諾溶液濃度與相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系(n=3)Fig.2 Relationship between luminol concentration and relative luminescence intensity(n=3)

圖3 鐵氰化鉀濃度與相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系(n=3)Fig.3 Relationship between potassium ferricyanide concentration and relative luminescence intensity(n=3)

2.1.3 Cd(Ⅱ)液pH的選擇 固定Cd(Ⅱ)濃度為1.0×10－3mg/mL，魯米諾濃度為 8.0 ×10－5mol/L，鐵氰化鉀濃度為8.0×10－4mol/L，魯米諾溶液pH=12條件下，考察了在Cd(Ⅱ)液pH在1～9范圍與相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系。由圖4可見(jiàn)，Cd(Ⅱ)液pH在3～6之間，發(fā)光值變化不大。

圖4 Cd(Ⅱ)液pH與相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系(n=3)Fig.4 Relationship between Cd(Ⅱ)pH and relative luminescence intensity(n=3)

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了Cd(Ⅱ)溶液濃度在5.0×10－4～5.0×10－2mg/mL范圍內(nèi) pH 的變化(表 2)，由表可知，當(dāng)Cd(Ⅱ)液濃度增大時(shí)，Cd(Ⅱ)液pH變化是非常小的，又由圖4可知，Cd(Ⅱ)液pH在5～6的范圍內(nèi)，相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度變化不大。因此，Cd(Ⅱ)溶液濃度在考察范圍內(nèi)，對(duì)相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響不大，正交實(shí)驗(yàn)時(shí)不考慮該因素影響。

表2 不同濃度Cd(Ⅱ)液pH(n=3)Table 2 pH of different concentration of Cd(Ⅱ)(n=3)

2.1.4 魯米諾溶液pH的選擇 魯米諾的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)需要在堿性介質(zhì)中進(jìn)行，然而在強(qiáng)堿性環(huán)境下Cd(Ⅱ)與OH－會(huì)生成沉淀影響測(cè)定。實(shí)驗(yàn)考察了Cd(Ⅱ)濃度為 1.0×10－3mg/mL，魯米諾濃度為8.0×10－5mol/L，鐵氰化鉀濃度為8.0×10－4mol/L 的條件下，當(dāng)魯米諾溶液pH=11.5時(shí)，相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度有最大值，因此魯米諾溶液pH初定為11.5(如圖5所示)。

圖5 魯米諾溶液pH與相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系(n=3)Fig.5 Relationship between luminol pH value and relative luminescence intensity(n=3)

2.2 正交實(shí)驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步確定最佳反應(yīng)條件后，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，最終確定最佳反應(yīng)條件。采用表1的設(shè)計(jì)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3，方差分析見(jiàn)表4。

表3 L9(34)影響因素正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Orthogonal experiments layout and experimental results

由表3的極差分析可知，各因素影響主次順序是C＞A＞B，反應(yīng)體系最佳優(yōu)化組合為:A3B2C2，即魯米諾濃度為1.0×10－4mol/L，鐵氰化鉀濃度為6.0×10－4mol/L，魯米諾溶液pH為11.5。由方差分析可知，魯米諾溶液pH對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的影響達(dá)到極顯著水平(p＜0.01)，魯米諾濃度對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的影響達(dá)到顯著水平(p＜0.05)，而鐵氰化鉀濃度對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的影響并不顯著(p＞0.05)。

表4 方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis of orthogonal experiments

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

按照2.2得出的檢測(cè)最佳實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)論見(jiàn)表5，在最佳檢測(cè)條件下，3次檢測(cè)所得相對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度均值為11074.2，而且信號(hào)穩(wěn)定。

表5 最佳檢測(cè)條件的重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Table 5 Validation for the optimal extraction conditions

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線、精密度及檢出限

在選定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，Cd(Ⅱ)在5.0×10－4～5.0×10－2mg/mL的濃度范圍內(nèi)與發(fā)光強(qiáng)度有良好的線性關(guān)系。為了提高測(cè)定的靈敏度和精確度，回歸方程按數(shù)量級(jí)分段繪制(表6)。對(duì)1.0×10－3mg/mL的Cd(Ⅱ)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1.9%。根據(jù)IUPAC建議，計(jì)算出檢出限為2.6 ×10－5mg/mL。

表6 校準(zhǔn)曲線的線性范圍及回歸方程Table 6 Linear range and regression equation of the calibration curves

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)選取的干擾樣的測(cè)定，得到結(jié)果如下:Cd(Ⅱ)濃度為1.0×10－3mg/mL時(shí)，至少允許1000倍的K+、NO3－、Na+、、Cl－、、，100倍的Ca2+、Ni2+、，10 倍的 Mn2+、淀粉、蔗糖、Cu2+、Fe3+、Fe2+、Cr3+。由此可見(jiàn)，該體系受到一些金屬離子的干擾，為提高分析選擇性可以加入少量的乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)予以掩蔽。如果被測(cè)樣品受污染嚴(yán)重，可以考慮與高效液相色譜或毛細(xì)管電泳等分離技術(shù)聯(lián)用，提高檢測(cè)靈敏度。

2.6 樣品分析

按照上述實(shí)驗(yàn)方法，以珠江水、漓江水、實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水、羊城山泉桶裝水作為樣品，測(cè)定其中Cd(Ⅱ)的含量。向這些樣品中分別加入1.0×10－3mg/mL的Cd(Ⅱ)溶液做加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 樣品分析結(jié)果Table 7 Analytical results of samples

3 結(jié)論

基于Cd(Ⅱ)對(duì)魯米諾－鐵氰化鉀發(fā)光體系有增強(qiáng)發(fā)光作用，聯(lián)用流動(dòng)注射與化學(xué)發(fā)光技術(shù)，建立了一種簡(jiǎn)單快速、靈敏、線性范圍寬的檢測(cè)方法，應(yīng)用于江河水與飲用水中Cd(Ⅱ)污染實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為將來(lái)構(gòu)建飲用水安全預(yù)警系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

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Monitoring technology of emergency cadmium pollution in drinking water

YAN Ting，ZHU Ding－bo，MA Qiang，TANG Shu－ze*
(Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China)

A new novel for real－time monitoring of the concentration of Cd(II)in drinking water was established by utilizing Luminol－potassium ferricyanide chemiluminescence system combined with flow injection technique.Under the optimal experimental condition，the linear range for Cd(II)determination was 5.0 × 10－4～5.0 ×10－2mg/mL.The detection limit was 2.6×10－5mg/mL.And the relative standard deviation for the determination was 1.9%(n=11).As the result indicated，this method had the advantages of wider detection range，simpler and faster operation，as well as lower cost.This method could realize the on－line monitoring of sudden Cd(II)pollution in rivers and drinking water and provide technical support for the construction of early warning mechanism.

chemiluminescence;flow－injection;cadmium;drinking water safety;alarming technology

TS201.6

A

1002－0306(2012)17－0288－04

2012－03－16 *通訊聯(lián)系人

燕廷(1986－)，女，在讀碩士研究生，研究方向:食品安全與預(yù)警。

廣東省人民政府應(yīng)急管理項(xiàng)目(0815)。