流动注射溴化钾-鲁米诺-过氧化氢化学发光体系检测饮用水中铬(CrⅢ)*

周敏，燕廷，滕久委，唐书泽

(暨南大学食品科学与工程系，广东 广 州，510632)

流动注射溴化钾-鲁米诺-过氧化氢化学发光体系检测饮用水中铬(CrⅢ)*

周敏，燕廷，滕久委，唐书泽

(暨南大学食品科学与工程系，广东 广 州，510632)

基 于溴化钾对鲁米诺-过氧化氢-铬(CrⅢ)化学发光反应有较强的敏化作用，结合流动注射技术，建立了溴化钾-鲁米诺-过氧化氢-CrⅢ化学发光体系测定CrⅢ的分析方法。该法测定CrⅢ的线性范围为1×10－6～1×10－3mg/mL，检出限为2.06 ×10－7mg/mL。对浓度2.0 ×10－6mg/mL CrⅢ标准溶液平行测定11次，相对标准偏差(RSD)为2.39%。利用乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)作掩蔽剂，可有效地消除水体Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Zn2+等金属离子对测定CrⅢ的干扰，从而快速测定饮用水中CrⅢ的突然变化，达到对饮用水重金属突发性污染早期快速预警的目的，应用该方法，CrⅢ检测回收率达到91.7% ～97.5%。

饮 用水安全，铬(CrⅢ)，流动注射，化学发光

铬(chromium，Cr)及其化合物是电镀工业产生的主要污染物，是工业污染治理的主要对象。CrⅢ是人体所需的微量生理活性元素，对人体健康起着较为重要的作用，但铬化合物浓度高时会带来毒性［1］。美国和加拿大都制定了饮用水中 Cr限量标准［2－3］，而且近期的研究也表明一些生物效应包括DNA损伤和其他亚致死与CrⅢ有关［4］，因其毒性不如汞、镉、砷，容易被忽视，等到发现时，已经对身体和健康造成危害。环境中的铬主要以三价(CrⅢ)和六价(CrⅥ)2种状态存在。CrⅥ为强氧化剂，对皮肤，黏膜有刺激和腐蚀作用，已确认为致癌物，其毒性是CrⅢ毒性100倍［5］。当水体中的CrⅥ浓度达到(1.2～5)mg/L时，可造成鱼类死亡，浓度0.7 mg/L时，可导致水体中的昆虫受害［6］。但是CrⅥ不太稳定，在正常pH值的饮用水中可转化为稳定性稍强但仍有毒性的CrⅢ。

环境中Cr中毒已有发生，2006年重庆晨报就报道了一女工在灯具厂铬中毒的事例［6］。饮用水中目前虽然没有中毒的报告，但是因为Cr容易获得，其潜在危害不能被忽视。因此，研究寻找快速监测饮用水中Cr的变化，对饮用水早期安全预警具有重要意义。

目前，已报道的 Cr测定方法有原子吸收火焰法［8］、示波极谱法［9］、电位滴定法［10］、原子发射光谱法［11］、毛细管电泳法［12］。原子吸收火焰法仪器较昂贵，一般实验室不具备;示波极谱法要在亚硝酸钠体系中进行，而亚硝酸盐有毒性，并被确认是致癌物［13］，引起环境污染。近年来，化学发光法被引入环境监测中，其优点是操作简单、灵敏度高、线性范围宽。采用此法检测食品和其他物质中Cr离子已有报道［14～18］，但是，针对饮用水中 CrⅢ突然变化可能导致突发事件的快速监测体系少有报道。本文将流动注射(flow injection，FI)与化学发光法(chemiluminescence，CL)结合，利用溴化钾-鲁米诺-过氧化氢的反应特点，建立一种简单，快速，灵敏度高的化学发光体系，用于饮用水中CrⅢ突然变化的快速监测和早期安全预警。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

1.1.1 化学试剂

CrⅢ标准储备液 100 μg/mL:准确称取0.252 6 g CrCl3·6H2O(阿拉丁试剂上海有限公司)，用水溶解并定容到500 mL容量瓶中;鲁米诺储备液1×10－2mol/L:取0.177 2 g鲁米诺(Sigma公司)试样，用1.0mol/L的NaOH溶液溶解并定容至100 mL，避光放置一周后使用。溴化钾，双氧水和硝酸，分析纯，广州化学试剂厂;NaOH:分析纯，天津市大茂化学试剂厂;HCl:分析纯，北京化工厂。试验用水为双蒸去离子水。

1.1.2 仪器

主要仪器为IFIS-C型流动注射化学发光仪(西安瑞迈电子科技有限公司)，RFL-1型超微弱化学发光/生物发光检测仪(西安瑞迈分析仪器有限公司)，PHS-3C数字式pH计(上海精密科学仪器有限公司)，EL104电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)，DHG-9145A型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)，微量移液枪(0.1～1 mL)(德国BRAND公司)。

1.2 方法

1.2.1 进样方法

试验过程如图1所示。将碱性鲁米诺溶液与溴化钾的混合液和过氧化氢溶液分别由b和c通道泵入，经三通阀混合，再和a通道泵入CrⅢ溶液混合，进入反应池反应产生化学发光信号，由光电倍增管(photomultiplier tube)检测，信号经放大器放大，进入计算机处理。据此得到最大且重复性较好的发光信号。在光电倍增管负高压为400 V的条件下，流动注射化学发光仪工作参数的设定如表1。

图1 流动注射化学发光仪示意图

表1 化学发光仪工作参数设定

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 鲁米诺溶液浓度初步选定

按照1.2.1方法，仅改变鲁米诺的浓度，考察了在1 ×10－5～1×10－3mol/L浓度内鲁米诺溶液浓度与化学发光强度的关系。

1.2.2.2 过氧化氢溶液浓度初步选定

按照1.2.1方法，仅改变双氧水的浓度，考察了在0.005～0.06 mol/L浓度内过氧化氢浓度与化学发光强度的关系。

1.2.2.3 溴化钾浓度初步选定

按照1.2.1方法，仅改变溴化钾的浓度，考察了在0～3.0 mol/L浓度内溴化钾浓度与化学发光强度的关系。

1.2.2.4 缓冲液pH值初步选定

按照1.2.1方法，仅改变缓冲液pH值，考察了pH10～13内缓冲液与化学发光强度的关系。

1.2.3 多因素组合实验

根据发光体系单因素试验结果得出的最佳反应条件，设计了一个四因素三水平的正交试验。按照

1.2.1 的方法进行试验。

2 结果与分析

2.1 单因素对化学强度的影响

2.1.1 鲁米诺浓度的影响

图2是鲁米诺溶液浓度在(1×10－5～1×10－3)mol/L内与化学发光强度的关系。在试验化学发光体系中，随着鲁米诺浓度的增大，其化学发光强度(ΔI)不断增大，最高的是1.0×10－3mol/L，其相对发光强度2 500。

考虑到试剂消耗量过大导致高成本问题，鲁米诺初选浓度为5.0×10－4mol/L。

图2 鲁米诺浓度对化学发光强度的影响

2.1.2 过氧化氢浓度影响

过氧化氢在其浓度(0.005～0.06)mol/L内与体系化学发光强度的关系见图3。随着过氧化氢浓度的提高，化学发光强度(ΔI)不断增加，当过氧化氢浓度为0.03 mol/L时发光信号最大，因此，初步选择0.03 mol/L为过氧化氢溶液的最佳浓度。

图3 过氧化氢浓度对化学发光强度的影响

2.1.3 溴化钾浓度的影响

试验了溴化钾，溴化钠，氯化钾以及吐温-20对化学发光强度的影响，发现溴化钾对发光体系有很强的增敏作用，故选择其作为化学发光反应的增敏剂。图4是溴化钾在其不同浓度条件下的化学发光强度。随着溴化钾浓度的增大，化学发光强度呈先增后减趋势。溴化钾浓度为1.5 mol/L时化学发光强度(ΔI)值最大，因此，选取1.5 mol/L为溴化钾的最佳浓度。

图4 溴化钾浓度对化学发光强度的影响

2.1.4 缓冲液pH值的影响

缓冲液pH值对体系的发光强度影响见图6。当缓冲液pH值分别为12.5和13.0时，化学发光体系会产生沉淀，可能是因为pH值偏高时，OH－与金属离子结合生成了沉淀。在选定范围内，pH值11.5时化学发光强度(ΔI)最大，因此，缓冲液pH值初步定为11.5。

图6 缓冲液pH值对化学发光强度的影响

2.2 多因素组合对化学发光强度的影响

根据发光体系单因素试验结果得出的最佳反应条件，设计了一个四因素三水平的正交试验(表2)，目的是确定发光体系最佳反应条件。

将试验结果采用正交设计助手Ⅱv3.1进行分析，结果见表3。通过比较F值，得出各因素的影响程度顺序为C＞A＞B＞D。通过分析各影响因素水平K值，最终确定反应体系的最佳优化组合为A2B1C2D3，即:鲁米诺分析液浓度为5.0×10－4mol/L，过氧化氢浓度为0.02 mol/L，溴化钾浓度为1.5 mol/L，缓冲液pH值为12.0。

表2 正交试验方案及结果

表3 正交试验结果方差分析

2.3 标准曲线、精密度及检出限

在上述选定的最佳实验条件下，化学发光强度与CrⅢ浓度在(1.0×10－6～1.0×10－5)，(2.0 ×10－5～1.0×10－4)，(1.0 ×10－4～1.0 ×10－3)mg/mL 内呈良好的线性关系。为了提高测定的准确度，校准曲线分段绘制。回归方程的基本参数如表4。对2.0×10－6mg/mL的CrⅢ进行了11次平行测定，计算所得的相对标准偏差为2.39%。根据international union of pure and applied chemistry，IUPAC建议，计算所得的检出限为2.06×10－7mg/mL。

表4 校准曲线的线性范围及回归方程

2.4 干扰实验结果

以CrⅢ浓度为2.0×10－6mg/mL时进行干扰试验，干扰允许误差为±5.0%，通过对选取的干扰样的测定，得到的结果:CrⅢ浓度为2.0×10－6mg/mL时，至少允许1 000 倍的 K+、Na+、Mg2+、NO3－共存;天然水中存在的 Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Zn2+等会催化鲁米诺和过氧化氢的化学发光反应，对测定有干扰。加入少量的乙二胺四乙酸二钠(ethylenediaminetetra acetic acid disodium salt)可以掩蔽 Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Zn2+等多种金属的干扰。

2.5 样品分析及回收率实验结果

样品分别取自学生宿舍和实验室，测定结果见表5。

向样品中加入一定量CrⅢ标准溶液使样品中CrⅢ含量达到2.0×10－6mg/mL，然后平行测定5次其发光信号值并计算回收率，结果见表5。

表5 样品中CrⅢ含量测定结果

3 结论

根据溴化钾对鲁米诺-过氧化氢-CrⅢ化学发光反应的敏化作用，建立了在最佳条件下定量测定CrⅢ的分析方法，实现了流动注射化学发光法定量测定饮用水中 CrⅢ的变化情况，该方法的检出限达到2.06 ×10－7mg/mL，检测的线性范围是(1×10－6～1×10－3)mg/mL。与常规方法相比，该法仪器简单，是一种实用的快速定量分析技术，可应用于饮用水中铬的突发性污染早期预警。

［1］ 郑建仙.功能性食品:第一卷［M］.北京:中国轻工业出版社，1995.

［2］ Pawlitz A V，Kent R A，Schneider U A，et al.Canadian water quality guidelines for chromium［J］.Environmental Toxicology and Water Quality，1997，12:123 －183.

［3］ U S Environmental Protection Agency.Ambient water quality criteria for chromium －1984.EPA 440/5－84－029［C］.Washington(DC):Office of Water，1985.

［4］ Berry W J，Boothman，W S，Serbst J R，et al.Predicting the toxicity of chromium in sediments［J］.Environmental Toxicology and Chemistry，2004，23(12):2 981－2 992.

［5］ 常元勋.金属毒理学［M］.北京:北京大学医学出版社，2008:40－41.

［6］ Sittig M.Toxic Metals:Pollution Control and Work Protection［M］.New Jersey:Noyes Data Corporation，1976.

［7］ 罗小光.女工灯具厂铬中毒 打工四月体内铬含量超标一万倍［N］.重庆晨报，2006－02－22.

［8］ Balarama Krishna M V，Chandrasekaran K，Sarva V，et al.Speciation of CrIII and CrVI in waters using immobilized moss and determination by ICP-MS and FAAS［J］.Talanta，2005，65:135－143.

［9］ GB/14962－1994.食品中铬的测定方法［S］.

［10］ 魏林恒，董学芝.电位滴定法测定工业废水中铬［J］.理化检验(化学分册)，2004，40(8):462－464.

［11］ Gil R A，Cerutti S，Gásquez J A，et al.On-line preconcentration and determination of chromium in parenteral solutions by inductively coupled plasma optical emission spectrometry［J］.Spectrochim Acta Part B，2005，60(4):531－535.

［12］ Yang W P，Zhang Z J，Deng W.Simultaneous，sensitive and selective on-line chemiluminescence determination of CrIII and CrVI by capillary electrophoresis［J］.Analytica Chimica Acta，2003，485:169－177.

［13］ 蔡少华，黄坤耀，张玉容.元素无机化学［M］，广州中山大学出版社，1997:97－97.

［14］ 徐溢.用微芯片实现流动注射化学发光方法测定水样中铬(Ⅲ)［J］.分析化学，2000 ，28(7):876－878.

［15］ 焦艳娜，任小蓉，马红琼，等.流动注射化学发光法快速测定中药黄芪中的痕量铬［J］.现代仪器，2008，20(2):24－26.

［16］ 李淮芬，谢成根.鲁米诺-过氧化氢-铬(Ⅲ)-吐温 －80化学发光体系的研究与应用［J］.冶金分析，2006，26(6):17－19.

［17］ Li B X，Wang D M，Lv J G，et al.Chemometrics-assisted simultaneous determination of cobalt(II)and chromium(III)with flow-injection chemiluminescence method［J］.Spectrochimica Acta Part A，2006，65;67－72.

［18］ 高向阳，宫安晶，王坤，等.微波程序消解-流动注射化学发光法快速测定彩色小麦中的微量铬［J］.食品科学，2008，29(8):547－549.

Determination of Chromium(CrⅢ)in Drinking Water by Potassium Bromide-Luminol-H2O2Chemiluminescence System with Flow Injection

Zhou Min，Yan Ting，Teng Jiu-wei，Tang Shu-ze
(Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China)

Determination of Chromium(CrⅢ)in Drinking Water by Potassium bromide-Luminol-H2O2Chemiluminescence System with Flow InjectionAbstract:Based on the obvious sensitization of potassium bromide on the chemiluminescent reaction in the system of luminol-H2O2–chromium(CrⅢ)，a sensitive chemiluminescent method for determination of CrⅢwith flow injection technique was developed.The method is simple ，rapid and effective to determine CrⅢ with the range of(1 ×10－6～1 ×10－3)mg/mL and detection limit of 2.06 ×10－7mg/mL.The relative standard deviation(RSD)is 2.39%for the determination of 2.0 ×10－6mg/mL of Cr(Ⅲ)(n=11).Ethylenediaminetetra acetic acid disodium salt(EDTA-2Na)is effectively eliminated the interference of some metal ions such as Fe2+，Fe3+，Cu2+，Zn2+.Therefore，it is a rapid method for determination of CrⅢsudden changes in drinking water and a good monitor in giving an early alarm in the emergency contamination by heavy metals.The recoverie of CrⅢ was 91.7% ～97.5%.

drinking water safety，chromium(CrⅢ)，flowing injection，chemiluminescence

硕士研究生(唐书泽教授为通讯作者，E-mail:tangsz@jnu，edu.cn)。

*广东省应急管理2009年第一批研究项目(0815)

2010－10－25，改回日期:2010－11－20