正交实验优化微波消解海洋沉积物重金属镉测定的 条 件

王李宝，凌云，黎慧，沈辉，戚原野，万夕和，史文军，孙瑞健，（.江苏省海洋水产研究所，江苏　南通　6007；.南京农业大学资源与环境学院，江苏　南京　0095）

正交实验优化微波消解海洋沉积物重金属镉测定的条件

王李宝1，凌云1，黎慧1，沈辉1，戚原野2，万夕和1，史文军1，孙瑞健1，
（1.江苏省海洋水产研究所，江苏南通226007；2.南京农业大学资源与环境学院，江苏南京210095）

为优化微波消解海洋沉积物重金属镉测定的实验条件，设计三因素（温度、保持时间、微波功率）三水平的正交实验，微波消解海洋沉积物成分分析标准物质，用原子吸收分光光度计测定消解液镉含量，计算回收率，数据常用SPSS18.0软件进行分析。结果显示，海洋沉积物微波消解最佳实验条件组合为180℃，5 min，1 200 W，该条件下海洋沉积物微波消解镉测定回收率为96.5%。

正交实验；微波消解；海洋沉积物；镉

doi：10.3969/j.issn.1004-2091.2016.04.008

镉作为工业和环境污染物之一，对人和动物的毒性效应均较强。其毒性在世界在研毒素中位居第三，已经引起国内外诸多学者的广泛关注［1］。在联合国环境规划署所提出的12种具有全球意义的危险性物质中，镉位列首位；美国毒物管理委员会（ATSDR）也将其列为第6位危及人类健康的有毒物质，同时被国际癌症研究机构确定为人类和动物肺癌和前列腺癌的致癌物［2］。

滩涂沉积物作为近岸各种海洋生物的主要栖息场所，不可避免地成为各种污染物的汇与源［3-4］。重金属作为一种难降解、长潜伏和易累积的污染物，近年来受到越来越多的关注［5］。沿海滩涂目前多以发展海水养殖为主，富集在滩涂沉积物中的重金属较容易通过再悬浮等物理、化学和生物过程被释放出来，造成滩面的“二次污染”；还可能通过沉积物间隙水下渗作用向下迁移，危及不同深度的滩涂底栖生物，并通过食物链进一步危及产品质量安全和人体健康［6］。因此对海洋沉积物环境中镉的监测，分析其含量具有十分重要的意义。

为了准确测定沉积物中镉的含量，样品前处理方法至关重要，常见的前处理方法主要有干法消解、湿法消解和微波消解。微波消解技术近些年发展起来的痕量元素分析样品预处理方法，该法具有环保、节时、易操作等优点［7］。此外，该法效果受诸多因素的影响，如样品种类、温度、时间、pH值、压力、功率等［8］，因此如何选择最佳微波消解条件，使样品分解彻底，提高样品前处理效率是提升检测结果质量的重要保障。本文采用正交设计实验，寻求沉积物镉测定的最佳微波消解条件，为优化沉积物重金属检测提供一定的基础数据。

1　材料和方法

1.1仪器和试剂

主要仪器有热电M6型原子吸收分光光度计、CEM-MARs微波消解仪、Mettler公司PB153-L型电子分析天平等。

镉标准溶液GBW08612，浓度为1000 μg/mL，由国家标准物质中心提供；近海海洋沉积物成分分析标准物质GBW07314，由国家海洋局第二海洋研究所制备。所用聚四氟乙烯坩埚、容量瓶、移液管等在1 mol/L稀硝酸中浸泡24 h后，再用超纯水洗净，待用。实验用水均为millipore纯水仪Elix-5 Academic制备的超纯水。

1.2消解方法

准确称取近海海洋沉积物成分分析标准物质（0.2±0.0001）g，放入微波消解管中，滴加少量蒸馏水浸润，加入5 mL硝酸和2 mL 30%的过氧化氢溶液，放置4 h或过夜冷处理。同时做空白实验。然后放入微波消解仪中进行消解。消解结束后，取出冷却至室温，打开消解管，用超纯水冲洗消解管盖后，将消解管放置控温电热板上进行赶酸处理，温度设置在（180±5）℃，当消解液至黄豆大小颗粒时停止加热，赶酸，不可蒸干。冷却后用超纯水全量转移至25 mL容量瓶中，定容至标线，待测。

1.3正交实验设计

选择温度（℃）、保持时间（min）、微波功率（W）三个因素，每个因素设三水平（表1），采用L9（33）正交设计［9］。每次消解分为三个步骤，第一步和第二步作为消解初始阶段，条件设置均相同（第一步均为120℃，3 min，微波功率800 W；第二步均为160℃，3 min，微波功率800 W），微波消解效果的不同水平主要体现在消解的第三阶段。按照正交实验设计做9次试验，每次实验重复3次，共测定27次。同时设3个空白对照实验。

表1　3因素3水平正交设计表

1.4检测方法

利用原子吸收分光光度计（美国热电M6）测定消解液中镉含量。设置原子吸收分光光度计仪器参数为波长为228.8 nm，狭缝0.5 nm，灯电流8～10 mA，干燥温度120℃，30 s；灰化温度800℃，15 s～20 s，原子化温度1 200℃，3 s，背景矫正为塞曼效应。

1.5数据处理

以近海海洋沉积物成分分析标准物质测定回收率为指标，利用正交设计助手软件ⅡV3.1进行正交实验设计极差分析。

2　正交实验镉含量测定结果

该研究中近海海洋沉积物成分分析标准物质正交实验结果极差分析（见表2）显示：微波消解功率对最终消解结果影响最大，其次是微波消解保持时间，温度影响最小。三因素优化组合为温度2时间2微波功率3，即微波消解第三阶段最佳实验条件为：温度180℃，保持时间为10 min，微波功率为1 600 W。

表2　正交实验镉检测结果

该研究中，海洋沉积物最佳的微波消解程序为表3。

表3　微波消解最佳程序条件

与GB 17378.5-2007《海洋监测规范第5部分：沉积物分析》中沉积物重金属样品测定前消解方法相比，微波消解方法的优势不仅在于其操作便捷、快速、受基体干扰少、试剂消耗量少、节约能源、降低分析人员劳动强度等优点，还能进一步减轻环境污染、提高消解效率，防止外界污染，避免高温消解时的元素挥发损失，特别适合砷、汞等易挥发元素样品的消解。

由于正交实验筛选优化实验的高效、快速、经济性，近年来在工业和医药行业中得到很多应用［10］。本文中选择了三因素（温度、保持时间、微波功率）作为探究条件，采用的正交设计对各因素水平仅通过9次实验就获得了结果，并获得了较为理想的微波消解条件，为优化检测沉积物中镉的含量提供了基础技术数据。在保障检测结果数据的可靠性和准确性时，正交实验方法不失为一种快速、有效的筛选实验条件的方法。

［1］李学鹏，段青源，励建荣.我国贝类产品中金属镉的危害及污染分析［J］.食品科学，2010，31（17）:457-461.

［2］孔庆瑚.环境镉污染对人体健康的影响［J］.浙江省医学科学院学报，2001，12（1）:122-123.

［3］亚菡，崔灵周，王传花，等.乐清湾滩涂沉积物重金属含量垂向分布及污染评价 ［J］.水土保持学报，2015，29（5）:299-303.

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［5］姚荣江，杨劲松，孟庆峰，等．苏北沿海某滩涂区土壤重金属含量及其污染评价 ［J］.环境科学研究，2012，25（5）:512-518.

［6］曹红英，梁涛，王立军，等.近海潮间带水体及沉积物中重金属的含量及分布特征［J］.环境科学，2006，27（1）:126-131.

［7］汤建春，胡曙光，孟宇航.2009年-2010年广东省食品污染物铅和镉的测定及污染状况分析 ［J］.中国卫生检验杂志，2011，21（3）:703-706.

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［9］汪瑶，余勇，郭磊，等.利用正交实验和模糊评价改进香榧加工工艺［J］.食品与发酵工业，2013，39（10）:151-155.

［10］王文静，贺婧，姜婷婷，等.结合药效学指标用正交实验优选湿迪胶囊的提取工艺 ［J］.西北药学杂志，2015，30（4）: 337-340.

Optimal conditions for cadmium-measurement in microwave-digested marine sediments by orthogonal tests

Wang Libao1，Ling Yun1，Li Hui1，Shen Hui1，Qi Yuanye2，Wan Xihe1，Shi Wenjun1，Sun Ruijian1
（1.Jiangsu Marine Fisheries Research Institute，Nantong 226007，China；2.College of Resources and Environmental Sciences，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China）

To optimize the conditions for cadmium-measurement in microwave-digested marine sediments，we digested the standard marine sediments by microwave using the orthogonal tests on the bases of three factors involving temperature，holding time and power.The cadmium concentration was measured by graphite furnace atomic absorption spectrometer to calculate the recovery rate.The data were analyzed by SPSS 18.0.The results showed that the optimum test condition was that the temperature was 180℃，the holding time was 5 minutes and the microwave power was 1 200 W.The recovery rate of cadmium was 96.5%under the optimized experiment conditions.

orthogonal tests；microwave-digested；marine sediment；cadmium

Q176

A

1004-2091（2016）04-0039-03

国家海洋公益性行业科研专项（201005006-6）；南通市应用研究计划（BK2013056）

王李宝（1978-），男，副研究员，研究方向：海洋生物学研究.E-mail：zebra_w@126.com

（2015-11-10）