Luminol-KMnO4化学发光差异加标法快速测定饲料中的镉
2019-09-05高向阳
■高向阳
(郑州科技学院食品科学与工程学院 郑州市食品安全快速检测重点实验室，河南郑州450064)
镉是仅次于黄曲霉毒素和砷的污染物，对肾、肺、肝、脑、骨髓及血液系统均可产生毒性，还具有致癌、致畸、致突变作用[1]，半衰期为7～30 年，主要通过饲料、食物链和水进入人体[2-3]，并可在体内蓄积50年之久，威胁到人体健康和生命安全。因此，建立一种快速检测镉的新方法，对保障饲料安全和人类健康有十分重要的现实意义。目前，检测镉的主要方法有原子吸收光谱法[4-6]、等离子体质谱法[7]、共振散射光谱法[8-9]、免疫学检测法[10]、原子荧光光谱法[11]等。这些方法所用仪器贵重，维护成本高，需用标准曲线法定量，无法实现标准溶液与样品试液的同步分析，存在一定的方法误差和作图误差，且工作曲线需要时常进行校正，给工作带来极大不便。
流动注射化学发光分析具有精密度好、灵敏度高、设备简单、操作简便的优点，差异加标法实现了被测定试液与标准溶液同背景同体系的同时同步测定，无需绘制工作曲线和测定空白溶液[12]，本文将镉离子对鲁米诺-高锰酸钾化学发光体系的后化学发光效应[13]和差异加标法结合，建立一种成本低廉、操作简单，快速测定饲料中镉的化学发光新体系，有一定的推广应用价值。
1 材料和试剂
1.1 实验材料
仔猪前期浓缩饲料29C（编号1713054）；哺乳母猪复合预混合饲料（编号1713062）；产蛋后备鸡前期配合饲料（1713036）；河南安必诺检测技术有限公司提供。
1.2 仪器与设备
IFFM-E 型流动注射化学发光分析仪，西安瑞迈电子科技有限公司；FA2004A 电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；MDS-6型微波消解-萃取仪，上海新仪微波化学科技有限公司；PXSJ-216型离子分析仪，上海精密科学仪器有限公司；KDY-08C(B-Ⅱ)温控消化炉，上海瑞正仪器设备有限公司。
1.3 主要试剂
鲁米诺，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；高锰酸钾，天津市化学试剂三厂；硝酸、氢氧化钠，天津市致远化学试剂有限公司；硝酸镉，国家有色金属及电子材料分析测试中心；H2O2、盐酸，郑州派尼化学试剂厂；试剂均为分析纯。玻璃仪器用体积分数20%硝酸浸泡后用水洗净待用；所用水为怡宝纯净水（电导率为2.18 μs/cm）。
112.4 mg/l镉标准溶液：准确称取0.023 64 g硝酸镉，用水溶解、定容为100 ml，用时逐级稀释到所需浓度。
2.0×10-2mol/l高锰酸钾溶液：准确称取3.160 6 g高锰酸钾用水溶解、定容为1 000 ml，用时再逐级稀释到所需浓度。
1.0×10-2mol/l鲁米诺溶液：准确称0.443 0 g鲁米诺，用1.0×10-2mol/l 氢氧化钠溶液溶解、并定容至250 ml 棕色容量瓶中，避光保存一周后，逐级稀释到所需浓度。
1.4 实验方法
样品于80 ℃烘至恒质量，冷至室温，称取0.500 0 g（称准至0.000 1 g）于消解罐中，加6 ml 硝酸、4 ml H2O2，密封后放入MDS-6微波消解仪中，按表1程序消解后于电热板上赶除过量酸至溶液澄清。冷至室温，定量移至烧杯中调节pH值为5后，定容至25 ml容量瓶中，此为样品定容试液。吸取该试液5.00 ml两份分置于25 ml容量瓶中，一份加入1.124 μg/l的镉标准溶液1.00 ml，另一份加2.00 ml，用pH 值5 的稀盐酸定容、混匀，此为分析用试液。在光电倍增管负高压为600 V、增益1 条件下，按图1 流程和表2 参数进行差异加标法测定。
表1 微波消解程序
图1 流动注射化学发光法流程示意图
表2 化学发光仪工作参数的设定
图1 为流动注射化学发光法流程示意图，Sa、R1、R2三条流通管按照顺序连接仪器，先打开R1和R2，将鲁米诺与高锰酸钾溶液经三通充分混合，基线稳定后，将Sa流通管插入镉分析用试液中测定，记录相对化学发光强度I[14]。
由于一定条件下，体系的相对化学发光强度I 与镉的质量浓度ρ呈正比，因此，I1=K(ρx+ρs1)，I2=K(ρx+ρs2)，其中，仪器常数K 相同，所以，镉的质量浓度ρx按（1）式计算：
式中：I1、I2——分别为镉加标1.00、2.00 ml 后，分析用试液的相对化学发光值；
ρx——分析用试液中镉的质量浓度(μg/ml)；
ρs1、ρs2——分别为两个分析用试液中镉因加标增加的质量浓度(μg/ml)。
按（2）式计算干基样品中镉的质量分数：
式中：ω——样品中镉的质量分数(μg/g)；
25——定容液的体积(ml)；
5——所取样品定容试液的体积(ml)；
m——称取干基样品的质量(g)。
2 结果与分析
2.1 测定原理
Luminol-KMnO4体系在碱性条件下有很强的自身发光信号，将镉离子注入到Luminol-KMnO4溶液后，又产生了后化学发光效应，后化学发光的相对强度与镉的浓度成正比[13]，基于此原理，实现了镉的差异加标法检测。
2.2 消解液用量及消解程序
准确称取0.500 0 g样品于微波消解罐中，按表3进行消解，结果表明，硝酸用量为6 ml，H2O2用量为4 ml时，按表1梯度升温消解程序，消解效果良好。
表3 消解液用量的优化
2.3 鲁米诺浓度的影响
高锰酸钾5×10-6mol/l，鲁米诺溶液为5×10-6～5.0×10-5mol/l，负高压600 V 时，对1.124 mg/l 镉标准溶液进行测定，结果表明，鲁米诺为4×10-5mol/l时，相对发光强度较大，灵敏度较高。
2.4 氢氧化钠和高锰酸钾浓度影响
固定鲁米诺和高锰酸钾浓度分别为4×10-5mol/l和5×10-6mol/l，NaOH为0.04～0.14 mol/l，对1.124 mg/l镉标准溶液进行测定，结果表明，NaOH 为0.10 mol/l时相对发光强度最大，即鲁米诺在0.1 mol/l的氢氧化钠溶液中发光效率最佳。
鲁米诺和氢氧化钠浓度分别为4×10-5mol/l 和0.10 mol/l，高 锰 酸 钾 为1×10-6～7×10-6mol/l，对1.124 mg/l 镉标准溶液测定表明，KMnO4为5×10-6mol/l时，相对发光强度最大。
2.5 溶液pH的影响
鲁米诺、氢氧化钠和镉浓度（此为硝酸镉溶液的镉离子浓度值）分别为4×10-5、0.10 mol/l和1.124 mg/l条件下，调节溶液pH为2.0～7.0，按1.4方法进行测定，结果如图2。
结果表明，溶液pH值为5.0时，体系发光强度最强。
2.6 镉标液的加标浓度
以仔猪前期浓缩饲料29C为样品，鲁米诺浓度为4×10-5mol/l，高锰酸钾浓度为5×10-6mol/l，负高压600 V，对1.124～11.24 mg/l浓度范围的镉标准溶液和该样品分析液按1.4步骤比较测定，结果表明：样品的化学发光强度与1.124 μg/l 镉标准液的发光值相当，所以确定镉的加标浓度为1.124 μg/l。
图2 镉溶液pH值对相对发光强度的影响
2.7 镉标液加标体积的确定
移取5.00 ml仔猪前期浓缩饲料29C试液5份，分置于小烧杯中，分别加1.124 μg/l 镉标准溶液1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 ml，按1.4步骤调节pH 值5.0后，用pH值5.0的盐酸溶液定容至25 ml进行测定并计算镉的质量浓度，结果如表4。
表4 分析液的测定结果
由表4可知，样品加标为1.00、2.00 ml时，测得镉的质量浓度平均浓度一致，此为最佳差异加标体积，测定结果的相对标准偏差RSD为4.1%。
2.8 样品测定结果
按照1.4 步骤进行差异加标测定和计算，各进行3次平行测定，结果如表5。
表5 饲料样品测定结果
结果显示，仔猪前期浓缩饲料29C、哺乳母猪复合预混合饲料、产蛋后备鸡前期配合饲料样品的镉的平均质量分数分别为0.295 6、0.657 0、0.056 0 μg/g。
2.9 加标回收率
以猪饲料为样品，选择加标量为0.05、0.75 μg/g和1.00 μg/g，按1.4方法进行加标回收率实验，结果如表6。由表6 知，猪饲料用化学发光差异加标法测定的平均回收率为98.28%、99.86%。
表6 加标回收率
2.10 干扰离子影响
最佳实验条件下考察了一些常见物质对检测体系的干扰，若干扰水平在±5%以内，则视为该离子对镉离子测定不产生干扰。实验结果表明，对于1.124 μg/l镉离子，1 000倍的Na+、K+、Cl-，100倍SO42-，50倍SiO32-不产生干扰。
2.11 检出限与定量限
在最佳的鲁米诺浓度为4×10-5mol/l，高锰酸钾浓度为5×10-6mol/l 实验条件下，对浓度为1.124 μg/l 的镉标准液进行11次平行测定，按3倍标准偏差计算的检出限为5.856 ng/l，按10 倍标准偏差计算的定量限为19.52 ng/l。
3 结论
差异加标法在相同试液背景下加入不同量的标准液后进行测定，有效扣除了背景影响，消除了体系可能存在的副反应干扰。方法快速准确、成本较低，不用绘制标准曲线和测定空白溶液，大大提高工作效率，适用于基体较为复杂样品中镉的测定。用该法测得仔猪前期浓缩饲料29C、哺乳母猪复合预混合饲料、产蛋后备鸡前期配合饲料中镉质量分数分别为0.295 6、0.657 0、0.056 0 μg/g，符合国家标准GB 13078—2017 饲料卫生标准[15]要求，加标回收率大于98%，平行测定的相对标准偏差为4.1%，该法不需要绘制标准曲线和测定空白溶液，快速简便，成本低廉，为饲料和食品中镉的测定提供了一种新型的检测技术，具有一定的创新意义和应用价值。
