飲用水中鎘(Ⅱ)突發性污染監測技術

燕 廷，朱定波，馬 強，唐書澤

(暨南大學食品科學與工程系，廣東廣州 510632)

飲用水中鎘(Ⅱ)突發性污染監測技術

燕 廷，朱定波，馬 強，唐書澤*

(暨南大學食品科學與工程系，廣東廣州 510632)

利用魯米諾—鐵氰化鉀發光體系，結合流動注射技術，建立了一種對飲用水中Cd(Ⅱ)濃度實時監測的新方法。在最佳實驗條件下，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)。結果表明，該方法具有檢測范圍寬，簡單快速，成本低廉等優點，能實現對江河水和飲用水Cd(Ⅱ)突發性污染的在線監測，為將來構建飲用水預警機制提供技術支持。

化學發光，流動注射，鎘，飲用水安全，預警技術

隨著我國工業化進程的加快，重金屬污染日益嚴重，已經成為全社會關注的熱點問題，其中鎘污染事件在近幾年尤其突出，對環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，其污染來自于電鍍、冶煉、顏料等工業廢渣、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，國家生活飲用水衛生標準中 Cd 要求小于 0.005mg/L［5－8］。飲用水中 Cd 含量高的地區，患淋巴癌、肺癌、食道癌和直腸癌的概率比其它地區高［9］。因此研究出一種快速、簡單、靈敏的監測飲用水中Cd突變性污染，對建立早期安全預警系統有重要的現實意義。測定水質中Cd(Ⅱ)含量的常見方法主要有光度分析法［10－11］、原子吸收法［12－13］和電化學法［14］等。光度分析法操作簡單，但有些方法需要使用劇毒物，不易推廣;原子吸收法準確且簡單快速，但靈敏度不能滿足水中痕量Cd(Ⅱ)的測定;電化學法檢測限低、靈敏度高，但實驗條件苛刻。近幾年，化學發光分析法以其儀器簡單、靈敏度高、操作方便的優勢被應用到食品科學、環境監測和藥物分析等領域［15－18］。本法將化學發光技術與流動注射技術聯用，基于Cd(Ⅱ)對魯米諾與鐵氰化鉀化學發光體系有增強作用，建立一種簡單快速、檢測范圍寬、成本低廉的方法，對飲用水和江河水中Cd(Ⅱ)濃度進行實時監測，達到對突發性Cd(Ⅱ)污染事件早期預警的目的，從而確保飲水安全。為進一步構建飲用水安全預警系統提供理論性基礎和技術性依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1×10－2mol/L魯米諾儲備液 稱取0.1772g魯米諾(Sigma公司，優級純)，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鐵氰化鉀儲備液 稱取1.6463g鐵氰化鉀(上海潤捷化學試劑公司，分析純)，加水定容于50mL容量瓶;1000μg/mL Cd(Ⅱ)標準溶液 中國計量科學院;硝酸 廣州化學試劑廠，分析純;氫氧化鈉 天津市大茂化學試劑廠，分析純;鹽酸 北京化工廠，分析純;實驗用水 雙蒸去離子水。

IFIS－C型流動注射化學發光儀、RFL－1型超微弱化學發光/生物發光檢測儀 西安瑞邁分析儀器有限公司;PHS－3C數字式pH計 上海精密科學儀器有限公司;EL104電子天平 梅特勒－托利多儀器有限公司;DHG－9145A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;0.1－1mL微量移液槍 德國BRAND公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 進樣方法 如圖1所示連接流動注射化學發光分析流路，將魯米諾溶液和鐵氰化鉀溶液分別泵入通道，流經三通閥混合，同時從樣品通道泵入Cd(Ⅱ)溶液，三者在反應池混合反應，產生化學發光信號，選取樣品發光值重復性最好，并且峰高的作為實驗最佳信號，記錄此時發光強度(IS)，未通入Cd(Ⅱ)溶液時魯米諾－鐵氰化鉀的化學發光強度為空白值(I0)，相對化學發光強度 ΔI=IS－I0，Cd(Ⅱ)溶液濃度與ΔI在一定范圍內成線性關系，據此進行定量測定。

圖1 流動注射化學發光分析儀示意圖Fig.1 Schematic flow chart of flow injection chemiluminescence system

1.2.2 單因素的選取和實驗 在固定其它條件不變的情況下，分別進行魯米諾濃度、鐵氰化鉀濃度、Cd(Ⅱ)液pH、魯米諾溶液pH四個單因素實驗，考察各因素對相對化學發光強度的影響。

1.2.3 正交實驗設計及條件優化 根據單因素實驗結果，將對實驗結果有影響的三個因素魯米諾濃度、鐵氰化鉀濃度、魯米諾溶液pH，采用L9(34)進行正交實驗設計，正交實驗因素水平表見表1。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

1.2.4 數據處理 使用SPSS 17.0對實驗數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 魯米諾濃度的選擇 魯米諾作為發光試劑，其濃度是影響化學發光強度的重要因素。本實驗考察了在 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范圍內與相對化學發光強度的關系(圖2)。由圖可見，魯米諾濃度與相對化學發光強度成正相關，研究中除了要求魯米諾濃度的信號穩定和便于觀察實驗現象外，還要考慮到節約成本和減少環境污染，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 范圍內與相對化學發光強度的關系(圖3)。發現隨著鐵氰化鉀濃度增大，相對化學發光強度也隨之增大，當鐵氰化鉀濃度達到8.0×10－4mol/L時，相對化學發光強度最大，而后化學發光強度逐漸減弱。因此本實驗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化學發光強度的關系(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化學發光強度的關系(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范圍與相對化學發光強度的關系。由圖4可見，Cd(Ⅱ)液pH在3～6之間，發光值變化不大。

圖4 Cd(Ⅱ)液pH與相對化學發光強度的關系(n=3)Fig.4 Relationship between Cd(Ⅱ)pH and relative luminescence intensity(n=3)

本實驗測定了Cd(Ⅱ)溶液濃度在5.0×10－4～5.0×10－2mg/mL范圍內 pH 的變化(表 2)，由表可知，當Cd(Ⅱ)液濃度增大時，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，相對化學發光強度變化不大。因此，Cd(Ⅱ)溶液濃度在考察范圍內，對相對化學發光強度的影響不大，正交實驗時不考慮該因素影響。

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 魯米諾的化學發光反應需要在堿性介質中進行，然而在強堿性環境下Cd(Ⅱ)與OH－會生成沉淀影響測定。實驗考察了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，當魯米諾溶液pH=11.5時，相對化學發光強度有最大值，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與相對化學發光強度的關系(n=3)Fig.5 Relationship between luminol pH value and relative luminescence intensity(n=3)

2.2 正交實驗及參數優化結果

根據以上單因素實驗結果初步確定最佳反應條件后，進一步設計了正交實驗，最終確定最佳反應條件。采用表1的設計進行正交實驗，結果見表3，方差分析見表4。

表3 L9(34)影響因素正交實驗設計及結果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，反應體系最佳優化組合為: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對發光強度的影響達到極顯著水平(p＜0.01)，魯米諾濃度對發光強度的影響達到顯著水平(p＜0.05)，而鐵氰化鉀濃度對發光強度的影響并不顯著(p＞0.05)。

表4 方差分析結果Table 4 Variance analysis of orthogonal experiments

2.3 驗證實驗

按照2.2得出的檢測最佳實驗條件進行重復實驗。結論見表5，在最佳檢測條件下，3次檢測所得相對化學發光強度均值為11074.2，而且信號穩定。

表5 最佳檢測條件的重復驗證實驗Table 5 Validation for the optimal extraction conditions

2.4 標準曲線、精密度及檢出限

在選定的最佳實驗條件下，Cd(Ⅱ)在5.0×10－4～5.0×10－2mg/mL的濃度范圍內與發光強度有良好的線性關系。為了提高測定的靈敏度和精確度，回歸方程按數量級分段繪制(表6)。對1.0×10－3mg/mL的Cd(Ⅱ)進行了11次平行測定，計算所得的相對標準偏差為1.9%。根據IUPAC建議，計算出檢出限為2.6 ×10－5mg/mL。

表6 校準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 干擾實驗

通過對選取的干擾樣的測定，得到結果如下:Cd(Ⅱ)濃度為1.0×10－3mg/mL時，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，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。如果被測樣品受污染嚴重，可以考慮與高效液相色譜或毛細管電泳等分離技術聯用，提高檢測靈敏度。

2.6 樣品分析

按照上述實驗方法，以珠江水、漓江水、實驗室自來水、羊城山泉桶裝水作為樣品，測定其中Cd(Ⅱ)的含量。向這些樣品中分別加入1.0×10－3mg/mL的Cd(Ⅱ)溶液做加標回收實驗，結果見表7。

表7 樣品分析結果Table 7 Analytical results of samples

3 結論

基于Cd(Ⅱ)對魯米諾－鐵氰化鉀發光體系有增強發光作用，聯用流動注射與化學發光技術，建立了一種簡單快速、靈敏、線性范圍寬的檢測方法，應用于江河水與飲用水中Cd(Ⅱ)污染實時監測，為將來構建飲用水安全預警系統提供技術支持。

［1］王桂芬，盧廣.重金屬污染:一個時代的痛楚憂傷［J］.社會與公益，2011(1):76－83.

［2］黃海濤，梁延鵬，魏彩春，等.水體重金屬污染現狀及其治理技術［J］.廣西輕工業，2009(5):99－100.

［3］劉素華.2000－2009年我國重金屬污染治理領域科技文獻分析［J］.企業技術開發，2010，29(13):104－107.

［4］《中國經濟周刊》評論員.廣西鎘污染的冷思考［J］.中國經濟周刊，2012(5):4.

［5］中華人民共和國國家標準衛生標準GB5749－2006生活飲用水衛生標準［S］.

［6］Elsenhans B，Hunder G，Strugala G，et al.Longitudinal pattern of enzymatic and absorptive functions in the small intestine of rats after short－ term exposure to dietary cadmium chloride［J］.Archives of Environmental Contamination and Toxicology，1999，36(3):341－346.

［7］Weidner W J，Sillmen A J.Low levels of cadmium chloride damage the corneal endothelium［J］.Archives of Toxicology，1997，71(7):455－460.

［8］謝黎虹，許梓榮.重金屬鎘對動物及人類的毒性研究進展［J］.浙江農業學報，2003，15(6):376－381.

［9］朱梅年.微量元素與健康［M］.貴陽:貴州人民出版社，1980:85.

［10］由業誠，李玉光，郭明，等.高效液相色譜光度法測定痕量鎘和鋅的研究［J］.光譜實驗室，2001，18(2):222－225.

［11］寧文吉，張桂芳，董桂賢.水中鎘的達旦黃－吐溫80分光光度快速測定法［J］.職業與健康，2006，22(1):33.

［12］陳峰.石墨爐原子吸收光譜法測定紫菜中的鎘［J］.中國衛生檢驗雜志，2004，14(5):581.

［13］Bahemuka T E，Mubofu E B.Heavy metals in edible green vegetables grown along the sites of the Sinza and Msimbazi rivers in Dar es Salaam，Tanzania［J］.Food Chemistry，1999，66(1):63－66.

［14］張衛華，金貞淑，趙丹，等.極譜分析法連續測定痕量鉛和鎘［J］.光譜實驗室，2002，19(3):335－337.

［15］燕廷，朱定波，唐書澤，等.魯米諾－鐵氰化鉀流動注射化學發光法測定飲用水中鉛［J］.廣東農業科學，2011(11):124－127.

［16］朱粉霞，楊德五，張小燕，等.流動注射化學發光法測定食品營養添加劑中鉛［J］.食品科學，2003，24(8):102－104.

［17］George Z，Tsogas D L.Determination of the pesticide carbaryl and its photodegradation kinetics in natural waters by flow injection－direct chemiluminescence［J］.Analytica Chimica Acta，2005(2):354－359.

［18］陳效蘭，徐淑靜，肖柳婧，等.魯米諾－鐵氰化鉀流動注射化學發光法測定頭孢拉定［J］.分析實驗室，2010，29(1):80－82.

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 *通訊聯系人

燕廷(1986－)，女，在讀碩士研究生，研究方向:食品安全與預警。

廣東省人民政府應急管理項目(0815)。