2種動力學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. 賀州學院材料與化學工程學院（賀州 542899）；2. 賀州學院教務處（賀州 542899）

眾所周知，人們攝入超標重金屬含量的蔬菜或食品，會有急性或慢性毒性反應發生，或導致畸致癌和致突變，嚴重影響人體健康[1-2]。鎘屬于持久性污染物，毒性很強，在人體內蓄積到一定量即會引起機體免疫功能的衰退，故引發多種疾病的發生，嚴重時會致癌、致畸[3-5]。油菜是廣西賀州市的大眾蔬菜，營養豐富，深受人們的喜愛。但由于2013年賀州市礦區周邊的馬尾河發生鎘、鉈重金屬超標事件，引起了人們對一些農產品（包括油菜）中重金屬是否超標及快速檢測方法的極大關注。因此，建立一種可靠、簡便、快速測定農產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]、電化學分析法[10-11]、原子吸收光譜法[12-15]。對于電化學分析法，如果鎘含量較低，用極譜法定量測定需經過繁瑣的分離富集；而原子吸收光譜法對實驗儀器及各種條件的要求都很高，在某些程度上限制其應用。分光光度法因其儀器簡單、分析成本低、方法準確等優點而被廣泛應用于鎘的測定。此次試驗分別采用阻抑動力學光度法和催化動力學光度法測定賀州市礦區周邊油菜中鎘含量，從鎘含量角度對重金屬污染區的油菜進行質量評價，并分析2種方法的檢出限、準確度與精密度，有望能為重金屬污染區快速檢測農產品中鎘金屬提供簡便、可靠的技術借鑒，對于防止鎘金屬污染、保障人們身體健康具有重要的現實意義。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

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

鎘標準溶液（1.0 mg·mL-1）：準確稱取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，試驗用水為二次蒸餾水。

1.2 試驗方法

1.2.1 油菜樣品的處理

將賀州市礦區周邊新鮮油菜洗凈晾干，置于60 ℃干燥箱中烘干，磨成粉末，準確稱取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 阻抑動力學光度法

在兩支25 mL比色管中，均依次加入0.6 mL甲基藍、1.0 mL鹽酸、0.5 mL溴酸鉀，往一支中加入鎘標準液或油菜樣品（阻抑反應體系，吸光度為A），另一支為空白（非阻抑反應體系，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。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、非阻抑反應體系吸光度A和A0，求ΔA=A-A0。測定油菜樣品時加入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準液或油菜樣品（催化反應體系，吸光度為A），另一支為空白（非催化反應體系，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，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，計算lg（A0/A）。測定油菜樣品時采用KI-MIBK萃取分離除去干擾離子的影響[16]。

2 結果與討論

2.1 測定波長的選擇

2.1.1 阻抑動力學光度法波長的選擇

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

圖1 甲基藍的吸收光譜圖

2.1.2 催化動力學光度法的吸收光譜

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，氧化反應速度加快，吸光度降低更快，表明鎘能催化溴酸鉀氧化甲基紅的反應。其差值lg（A0/A）最大吸收處也為530 nm。故試驗選定530 nm作為最佳測定波長。

2.2 介質及用量的影響

2.2.1 阻抑動力學光度法

在阻抑動力學光度法中，考察了鹽酸、硫酸和磷酸3種介質對阻抑反應的影響。試驗表明，在鹽酸介質中，阻抑反應的ΔA最大。還考察了鹽酸用量對阻抑反應的影響，當鹽酸用量為1.0 mL時，阻抑反應的ΔA最大。故選擇1.0 mL 1.0 mol·L-1鹽酸為反應介質。

2.2.2 催化動力學光度法

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

2.3 試劑用量的影響

2.3.1 阻抑動力學光度法

在阻抑動力學光度法中，考察了甲基藍、溴酸鉀用量對阻抑反應的影響。結果表明，當0.001 mol·L-1甲基藍和0.1 mol·L-1溴酸鉀的用量分別為0.5和0.6 mL時，阻抑反應的ΔA最大。故試驗選擇0.5 mL甲基藍溶液用量和0.6 mL溴酸鉀溶液用量。

2.3.2 催化動力學光度法

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

2.4 反應溫度及時間的影響

2.4.1 阻抑動力學光度法

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

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

圖3 溫度對阻抑反應的影響

2.4.2 催化動力學光度法

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

圖4 溫度對催化反應的影響

2.5 校準曲線、檢出限及精密度

試驗采用2種動力學光度法對低、中、高3個濃度鎘溶液進行校準曲線、檢出限及精密度的測定，結果見表1。由表1可知，阻抑動力學光度法較為靈敏，其檢出限比催化動力學光度法低2倍，同時其線性范圍也較催化動力學光度法寬，精密度較高。

表1 2種分析方法檢測鎘的比較（n=6）

2.6 共存物質的影響

2.6.1 阻抑動力學光度法

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

2.6.2 催化動力學光度法

此次試驗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，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+，對測定不產生干擾，等倍的Cu2+、Co2+、Fe2+對測定有干擾。試驗采用KI-MIBK萃取分離除去干擾離子的影響[16]，結果令人滿意。

2.7 動力學參數的測定

2.7.1 阻抑動力學光度法

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

2.7.2 催化動力學光度法

根據圖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，相關系數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，為了檢驗方法的準確性，測定了2種方法的標準加標回收率，試驗結果見表2。可以看出，阻抑動力學光度法回收率高，δRSD較小，說明阻抑動力學光度法比催化動力學光度法準確度和精密度高，重復性好。賀州市礦區周邊油菜中鎘的含量在0.105～0.182 mg/kg之間，已超出國家限量標準。

表2 油菜中鎘的含量及加標回收率（n=6）

3 結論

阻抑動力學光度法結果準確，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，但要注意嚴格控制反應溫度及時間。賀州市礦區周邊油菜已被鎘污染，建議嚴格控制礦區周邊“三廢”的排放，控制菜地的污水灌溉和污泥施用。