饮用水中镉(Ⅱ)突发性污染监测技术

燕 廷，朱定波，马 强，唐书泽

(暨南大学食品科学与工程系，广东广州 510632)

饮用水中镉(Ⅱ)突发性污染监测技术

燕 廷，朱定波，马 强，唐书泽*

(暨南大学食品科学与工程系，广东广州 510632)

利用鲁米诺—铁氰化钾发光体系，结合流动注射技术，建立了一种对饮用水中Cd(Ⅱ)浓度实时监测的新方法。在最佳实验条件下，该方法的线性范围为5.0×10－4～5.0×10－2mg/mL，检出限为2.6×10－5mg/mL，RSD为1.9%(n=11)。结果表明，该方法具有检测范围宽，简单快速，成本低廉等优点，能实现对江河水和饮用水Cd(Ⅱ)突发性污染的在线监测，为将来构建饮用水预警机制提供技术支持。

化学发光，流动注射，镉，饮用水安全，预警技术

随着我国工业化进程的加快，重金属污染日益严重，已经成为全社会关注的热点问题，其中镉污染事件在近几年尤其突出，对环境和人类健康造成极大危害［1－4］。镉(Cadmium，Cd) 是一种银白色重金属，在自然界主要以硫镉矿存在，可以形成多种配离子，其污染来自于电镀、冶炼、颜料等工业废渣、废水。Cd是高毒性金属，中毒可分为急性中毒和慢性中毒，半衰期为7～30年，国家生活饮用水卫生标准中 Cd 要求小于 0.005mg/L［5－8］。饮用水中 Cd 含量高的地区，患淋巴癌、肺癌、食道癌和直肠癌的概率比其它地区高［9］。因此研究出一种快速、简单、灵敏的监测饮用水中Cd突变性污染，对建立早期安全预警系统有重要的现实意义。测定水质中Cd(Ⅱ)含量的常见方法主要有光度分析法［10－11］、原子吸收法［12－13］和电化学法［14］等。光度分析法操作简单，但有些方法需要使用剧毒物，不易推广;原子吸收法准确且简单快速，但灵敏度不能满足水中痕量Cd(Ⅱ)的测定;电化学法检测限低、灵敏度高，但实验条件苛刻。近几年，化学发光分析法以其仪器简单、灵敏度高、操作方便的优势被应用到食品科学、环境监测和药物分析等领域［15－18］。本法将化学发光技术与流动注射技术联用，基于Cd(Ⅱ)对鲁米诺与铁氰化钾化学发光体系有增强作用，建立一种简单快速、检测范围宽、成本低廉的方法，对饮用水和江河水中Cd(Ⅱ)浓度进行实时监测，达到对突发性Cd(Ⅱ)污染事件早期预警的目的，从而确保饮水安全。为进一步构建饮用水安全预警系统提供理论性基础和技术性依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1×10－2mol/L鲁米诺储备液 称取0.1772g鲁米诺(Sigma公司，优级纯)，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铁氰化钾储备液 称取1.6463g铁氰化钾(上海润捷化学试剂公司，分析纯)，加水定容于50mL容量瓶;1000μg/mL Cd(Ⅱ)标准溶液 中国计量科学院;硝酸 广州化学试剂厂，分析纯;氢氧化钠 天津市大茂化学试剂厂，分析纯;盐酸 北京化工厂，分析纯;实验用水 双蒸去离子水。

IFIS－C型流动注射化学发光仪、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;0.1－1mL微量移液枪 德国BRAND公司。

1.2 实验方法

1.2.1 进样方法 如图1所示连接流动注射化学发光分析流路，将鲁米诺溶液和铁氰化钾溶液分别泵入通道，流经三通阀混合，同时从样品通道泵入Cd(Ⅱ)溶液，三者在反应池混合反应，产生化学发光信号，选取样品发光值重复性最好，并且峰高的作为实验最佳信号，记录此时发光强度(IS)，未通入Cd(Ⅱ)溶液时鲁米诺－铁氰化钾的化学发光强度为空白值(I0)，相对化学发光强度 ΔI=IS－I0，Cd(Ⅱ)溶液浓度与ΔI在一定范围内成线性关系，据此进行定量测定。

图1 流动注射化学发光分析仪示意图Fig.1 Schematic flow chart of flow injection chemiluminescence system

1.2.2 单因素的选取和实验 在固定其它条件不变的情况下，分别进行鲁米诺浓度、铁氰化钾浓度、Cd(Ⅱ)液pH、鲁米诺溶液pH四个单因素实验，考察各因素对相对化学发光强度的影响。

1.2.3 正交实验设计及条件优化 根据单因素实验结果，将对实验结果有影响的三个因素鲁米诺浓度、铁氰化钾浓度、鲁米诺溶液pH，采用L9(34)进行正交实验设计，正交实验因素水平表见表1。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments

1.2.4 数据处理 使用SPSS 17.0对实验数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 鲁米诺浓度的选择 鲁米诺作为发光试剂，其浓度是影响化学发光强度的重要因素。本实验考察了在 Cd(Ⅱ)浓度为 1.0 ×10－3mg/mL，Cd(Ⅱ)液pH4，铁氰化钾浓度为 8.0 ×10－4mol/L，鲁米诺溶液pH12条件下，鲁米诺溶液浓度在 1.0×10－5～1.0×10－3mol/L范围内与相对化学发光强度的关系(图2)。由图可见，鲁米诺浓度与相对化学发光强度成正相关，研究中除了要求鲁米诺浓度的信号稳定和便于观察实验现象外，还要考虑到节约成本和减少环境污染，因此鲁米诺浓度初步选定为1.0×10－4mol/L。2.1.2 铁氰化钾浓度的选择 固定Cd(Ⅱ)浓度为1.0×10－3mg/mL，Cd(Ⅱ)液 pH4，鲁米诺浓度为8.0×10－5mol/L，鲁米诺溶液pH12条件下，考察了在铁氰化钾浓度1.0 ×10－5～1.2 ×10－3mol/L 范围内与相对化学发光强度的关系(图3)。发现随着铁氰化钾浓度增大，相对化学发光强度也随之增大，当铁氰化钾浓度达到8.0×10－4mol/L时，相对化学发光强度最大，而后化学发光强度逐渐减弱。因此本实验初选铁氰化钾浓度为8.0×10－4mol/L。

图2 鲁米诺溶液浓度与相对化学发光强度的关系(n=3)Fig.2 Relationship between luminol concentration and relative luminescence intensity(n=3)

图3 铁氰化钾浓度与相对化学发光强度的关系(n=3)Fig.3 Relationship between potassium ferricyanide concentration and relative luminescence intensity(n=3)

2.1.3 Cd(Ⅱ)液pH的选择 固定Cd(Ⅱ)浓度为1.0×10－3mg/mL，鲁米诺浓度为 8.0 ×10－5mol/L，铁氰化钾浓度为8.0×10－4mol/L，鲁米诺溶液pH=12条件下，考察了在Cd(Ⅱ)液pH在1～9范围与相对化学发光强度的关系。由图4可见，Cd(Ⅱ)液pH在3～6之间，发光值变化不大。

图4 Cd(Ⅱ)液pH与相对化学发光强度的关系(n=3)Fig.4 Relationship between Cd(Ⅱ)pH and relative luminescence intensity(n=3)

本实验测定了Cd(Ⅱ)溶液浓度在5.0×10－4～5.0×10－2mg/mL范围内 pH 的变化(表 2)，由表可知，当Cd(Ⅱ)液浓度增大时，Cd(Ⅱ)液pH变化是非常小的，又由图4可知，Cd(Ⅱ)液pH在5～6的范围内，相对化学发光强度变化不大。因此，Cd(Ⅱ)溶液浓度在考察范围内，对相对化学发光强度的影响不大，正交实验时不考虑该因素影响。

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

2.1.4 鲁米诺溶液pH的选择 鲁米诺的化学发光反应需要在碱性介质中进行，然而在强碱性环境下Cd(Ⅱ)与OH－会生成沉淀影响测定。实验考察了Cd(Ⅱ)浓度为 1.0×10－3mg/mL，鲁米诺浓度为8.0×10－5mol/L，铁氰化钾浓度为8.0×10－4mol/L 的条件下，当鲁米诺溶液pH=11.5时，相对化学发光强度有最大值，因此鲁米诺溶液pH初定为11.5(如图5所示)。

图5 鲁米诺溶液pH与相对化学发光强度的关系(n=3)Fig.5 Relationship between luminol pH value and relative luminescence intensity(n=3)

2.2 正交实验及参数优化结果

根据以上单因素实验结果初步确定最佳反应条件后，进一步设计了正交实验，最终确定最佳反应条件。采用表1的设计进行正交实验，结果见表3，方差分析见表4。

表3 L9(34)影响因素正交实验设计及结果Table 3 Orthogonal experiments layout and experimental results

由表3的极差分析可知，各因素影响主次顺序是C＞A＞B，反应体系最佳优化组合为:A3B2C2，即鲁米诺浓度为1.0×10－4mol/L，铁氰化钾浓度为6.0×10－4mol/L，鲁米诺溶液pH为11.5。由方差分析可知，鲁米诺溶液pH对发光强度的影响达到极显著水平(p＜0.01)，鲁米诺浓度对发光强度的影响达到显著水平(p＜0.05)，而铁氰化钾浓度对发光强度的影响并不显著(p＞0.05)。

表4 方差分析结果Table 4 Variance analysis of orthogonal experiments

2.3 验证实验

按照2.2得出的检测最佳实验条件进行重复实验。结论见表5，在最佳检测条件下，3次检测所得相对化学发光强度均值为11074.2，而且信号稳定。

表5 最佳检测条件的重复验证实验Table 5 Validation for the optimal extraction conditions

2.4 标准曲线、精密度及检出限

在选定的最佳实验条件下，Cd(Ⅱ)在5.0×10－4～5.0×10－2mg/mL的浓度范围内与发光强度有良好的线性关系。为了提高测定的灵敏度和精确度，回归方程按数量级分段绘制(表6)。对1.0×10－3mg/mL的Cd(Ⅱ)进行了11次平行测定，计算所得的相对标准偏差为1.9%。根据IUPAC建议，计算出检出限为2.6 ×10－5mg/mL。

表6 校准曲线的线性范围及回归方程Table 6 Linear range and regression equation of the calibration curves

2.5 干扰实验

通过对选取的干扰样的测定，得到结果如下:Cd(Ⅱ)浓度为1.0×10－3mg/mL时，至少允许1000倍的K+、NO3－、Na+、、Cl－、、，100倍的Ca2+、Ni2+、，10 倍的 Mn2+、淀粉、蔗糖、Cu2+、Fe3+、Fe2+、Cr3+。由此可见，该体系受到一些金属离子的干扰，为提高分析选择性可以加入少量的乙二胺四乙酸二钠(EDTA)予以掩蔽。如果被测样品受污染严重，可以考虑与高效液相色谱或毛细管电泳等分离技术联用，提高检测灵敏度。

2.6 样品分析

按照上述实验方法，以珠江水、漓江水、实验室自来水、羊城山泉桶装水作为样品，测定其中Cd(Ⅱ)的含量。向这些样品中分别加入1.0×10－3mg/mL的Cd(Ⅱ)溶液做加标回收实验，结果见表7。

表7 样品分析结果Table 7 Analytical results of samples

3 结论

基于Cd(Ⅱ)对鲁米诺－铁氰化钾发光体系有增强发光作用，联用流动注射与化学发光技术，建立了一种简单快速、灵敏、线性范围宽的检测方法，应用于江河水与饮用水中Cd(Ⅱ)污染实时监测，为将来构建饮用水安全预警系统提供技术支持。

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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 *通讯联系人

燕廷(1986－)，女，在读硕士研究生，研究方向:食品安全与预警。

广东省人民政府应急管理项目(0815)。