一阶导数分光光度法同时测定水样中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)

徐红纳， 靳立国， 由丽梅， 程艳

(1.牡丹江医学院， 黑龙江 牡丹江 157011；2.黑龙江省第一地质勘查院， 黑龙江 牡丹江 157011)

铬是第四周期第VIB族元素,广泛分布在自然界中，常用于电镀业和鞣革业，还可用作纺织品的媒染剂和金属清洁剂。随着工农业生产的快速发展，含铬废气、废水的不合理排放，加重了水资源环境的污染[1-4]。铬污染对人类的健康生存造成威胁，越来越受到人们的关注[5]。水中的铬主要是以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的形式存在，目前的研究发现，不同价态铬的生理功能迥然不同，Cr(Ⅲ)是生物体维持正常的生理活动所必需的，它的生物功能主要是参与机体的糖代谢和脂肪代谢，并且具有胰岛素加强剂的作用，临床上已经应用Cr(Ⅲ)盐和富含Cr(Ⅲ)的啤酒酵母治疗糖尿病和冠状动脉硬化症。而Cr(Ⅵ)的生物毒性较大，中毒时会使肝、肾、血液系统和神经系统的发生严重病变，甚至造成死亡，皮肤长期接触Cr(Ⅵ)或吸入含Cr(Ⅵ)粉尘会诱发癌变[6-9]。国际癌症研究机构(IARC)在2013年已将Cr(Ⅵ)列为人类致癌物[10-11]。安全的水质保障对人类健康至关重要，因此，对水样中不同价态的铬进行定量分析具有重要的研究意义。

目前，国内外对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)同时检测的研究主要集中在药品[12]、玩具[13-14]、食品[15-16]、化妆品[17-18]、饮用水[19]等领域。同时检测Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)或检测Cr(Ⅵ)的方法有原子吸收光谱法[20-25]、分光光度法[26-29]、离子色谱法[30-31]及色谱-质谱联用法[32-33]等。这些方法大多数是先分离再测定，或先测出Cr(Ⅲ)或Cr(Ⅵ)，然后氧化或还原测定铬的总量，再差减法计算出另一价态铬的含量。操作复杂费时，并且在处理过程中会导致价态的改变，误差大，精确度不易保证。卢菊生等[22]将水样中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)先用一种微乳相萃取分离富集，然后用原子吸收光谱法测定，该方法操作比较繁琐。巢静波等[31]用离子色谱法对环境水样中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)进行同时测定，但是Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)准确定性要依赖其保留时间，对淋洗液的浓度和衍生液流速的控制要准确，并且分析测定时会被其他高含量的共存离子干扰。本文研究了采用一阶导数分光光度法对水样中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)进行测定，可满足废水样中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的分析测定要求。

1 实验部分

1.1 实验主要原理

根据比耳定律：

(1)

式中：I0为入射光强度，I为透射光强度，ε为摩尔吸光系数，c为样品浓度(mol/L)，b是吸收池厚度(cm)。

如果在整个波长范围内入射光强度I0保持不变，将式(1)两边对波长求导数：

(2)

整理得:

(3)

从上式(3)可以看出，试样的浓度与一阶导数信号呈线形关系，其分析测定试样的灵敏度与摩尔吸光系数ε对波长的变化率有关，一阶导数的灵敏度在其吸收光谱的拐点处最高[34]。

1.2 仪器和主要试剂

UV-2600型紫外可见分光光度计(尤尼柯仪器有限公司)。上海雷磁pHS-25型酸度计。

Cr(Ⅲ)标准储备液(1000mg/L)：精确称取1.0000g金属铬(纯度99.95%)放入烧杯中，加10mL 6mol/L盐酸溶解完全，加热至近干，再往烧杯中加入少许硝酸，加热溶解，转移到1000mL容量瓶中稀释至刻度，摇匀备用[35]，测定时其他所需Cr(Ⅲ)溶液均由此标准储备液稀释配制。

Cr(Ⅵ)标准储备液(1000mg/L)：准确称取已烘干的基准重铬酸钾2.8300g，加去离子水完全溶解后，移入1000 mL容量瓶中定容，摇匀，备用。

乙二胺四乙酸二钠溶液(0.05mol/L)：准确称取乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na，分析纯)9.3060g，放入烧杯中加去离子水完全溶解后，稀释至500mL容量瓶中，备用。

实验用水均为去离子水。

1.3 实验方法

把一定量的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)标准溶液加入25mL比色管中，再加入0.05mol/L的EDTA-2Na溶液4mL ，调节溶液pH为3～3.5，在70℃恒温水浴中加热15min。冷却，定容，以空白溶液作参比，用石英比色皿(1cm)，在波长300～400nm范围内测定吸光度，波长间隔10nm求一阶导数，得到波长330nm的最大一阶导数值，由标准曲线求出Cr(Ⅵ)浓度。在543nm波长处测定溶液吸光度，由标准曲线求出Cr(Ⅲ)的浓度。

1.4 标准曲线

1.4.1Cr(Ⅲ)标准曲线的绘制

用吸量管分别量取5mL 100mg/L Cr(Ⅵ)标准溶液移入8支25mL比色管中，然后分别加入不同浓度的Cr(Ⅲ)标准溶液，再加入EDTA-2Na，得到一系列Cr(Ⅵ)浓度为20mg/L和Cr(Ⅲ)浓度为0.5、1、5、30、50、70、90、120mg/L的混合溶液。按实验方法，在波长543nm处测定混合溶液的吸光度A。得到A与Cr(Ⅲ)浓度关系的线性回归方程为：A=0.0036ρ-0.0002(r2=0.9999)。

1.4.2Cr(Ⅵ)标准曲线的绘制

用吸量管分别量取5mL 100mg/L Cr(Ⅲ)标准溶液移入8支25mL比色管中,然后分别加入不同浓度的Cr(Ⅵ)标准溶液,得到一系列Cr(Ⅲ)浓度为20mg/L和Cr(Ⅵ)浓度为0.5、1、5、10、30、50、70、100mg/L的混合溶液。按实验方法，分别在波长300～400nm范围内测定混合溶液的吸光度，波长间隔10nm求一阶导数。得到波长330nm处的一阶导数值D与Cr(Ⅵ)浓度关系的线性回归方程为：D=0.00072ρ-0.00013(r2=0.9996)。

2 结果与讨论

2.1 吸收光谱和一阶导数光谱

在波长300～600nm内每隔1nm分别测定Cr(Ⅲ)-EDTA络合物和Cr(Ⅵ)溶液的吸光度，吸收光谱见图1a，分别对其吸光度求一阶导数值，结果见图1b。从图1a可看出，在波长543nm处，Cr(Ⅲ)-EDTA络合物有最大吸收而Cr(Ⅵ)在此处无吸收；在波长350nm处，Cr(Ⅵ)有最大吸收而Cr(Ⅲ)在此处也有吸收。因此，在波长543nm处可对Cr(Ⅲ)直接测定，而Cr(Ⅲ)会影响Cr(Ⅵ)的直接测定。由图1b可知，在波长330nm处Cr(Ⅵ)吸光度一阶导数有最大值，而在此波长处Cr(Ⅲ)-EDTA络合物吸光度一阶导数值为0，可以使重叠峰完全分开。因此，通过测定溶液在波长330nm处吸光度的一阶导数值，可测定Cr(Ⅵ)的含量。

图1 Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)-EDTA络合物的(a)吸收光谱图和(b)一阶导数光谱图Fig.1 (a)Absorption spectra and (b) first derivative spectra of Cr(Ⅵ) and Cr(Ⅲ)-EDTA complex

2.2 导数间隔因子的选择

用吸量管移取5mL浓度为200mg/L的Cr(Ⅵ)标准溶液于25mL容量瓶中，调节pH至3～3.5，定容，摇匀，在波长300～400nm范围内，分别以10、20、40nm不同波长间隔求Cr(Ⅵ)吸光度的一阶导数值，结果如图2所示。由图2可知，当波长间隔为10nm求导时，Cr(Ⅵ)有适宜的一阶导数值。因此，本实验选择10nm作为一阶导数的求导间隔。

图2 导数间隔因子的确定Fig.2 Determination of derivative interval factor

2.3 实验条件对铬吸光度测量的影响

2.3.1溶液的酸度

用吸量管移取5mL浓度为100mg/L的Cr(Ⅲ)标准溶液至25mL色管中，加入EDTA-2Na显色剂，调节不同的pH值，70℃恒温水浴中，保持加热15min后冷却，定容，测定吸光度。用吸量管吸取50mg/L Cr(Ⅵ)标准溶液5mL至25mL色管中，调节不同的pH，定容摇匀，测定吸光度，结果见图3。Cr(Ⅲ)-EDTA络合物的吸光度在pH 3～4之间基本不变；Cr(Ⅵ)的吸光度在pH 2～4之间基本不变。因此，本实验试样溶液的pH值选择在3～3.5。

图3 溶液pH值对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)-EDTA络合物吸光度的影响Fig.3 Effect of pH of solution on the absorbance of Cr(Ⅵ) and Cr(Ⅲ)-EDTA complex

2.3.2EDTA-2Na溶液的加入量

用吸量管移取5mL浓度为100mg/L的Cr(Ⅲ)溶液至25mL比色管中，调节pH为3～3.5，分别加入0.2、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、…、10.0mL的EDTA-2Na溶液，在70℃恒温水浴中，保持加热15min后冷却，定容，在波长543nm处测定Cr(Ⅲ)的吸光度。图4结果表明：加入过量的EDTA对吸光度影响非常微小，为了使络合反应完全， EDTA和Cr(Ⅲ)的物质的量比例需大于7∶1。本实验选择加入4mL的EDTA-2Na溶液。

图4 EDTA-2Na加入量对Cr(Ⅲ)吸光度的影响Fig.4 Effect of additions of EDTA-2Na on the absorbance of Cr(Ⅲ)

2.3.3反应时间及温度

用吸量管移取5mL浓度为100mg/L的Cr(Ⅲ)溶液至25mL比色管中，加入EDTA-2Na溶液，调节pH至3～3.5，测定不同时间和不同温度下的吸光度，结果如表1所示。在70℃恒温水浴中，保持加热10min，Cr(Ⅲ)和EDTA即络合完全。本实验选择的反应温度和时间是70℃和15min，在此温度和时间条件下Cr(Ⅵ)溶液的吸光度不发生变化。Cr(Ⅲ)与EDTA-2Na形成络合物后，在3h内吸光度值未发生变化，所以可稳定3h以上。

表1 反应时间及温度对Cr(Ⅲ)吸光度的影响Table 1 Effect of reaction time and temperature on the absorbance of Cr(Ⅲ)

2.4 方法检出限和精密度

按照优化的实验方法，进行11次空白实验，计算测定结果的标准偏差σ，得出Cr(Ⅲ)检出限为0.006mg/L，Cr(Ⅵ)检出限为0.005mg/L。配制8份浓度、比例各不相同的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)混合溶液，按实验方法，每份溶液平行测定6次。实验结果表明，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的相对标准偏差(RSD)最大值分别为1.24%、0.57%。

2.5 共存离子的影响

表2 干扰离子对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)测定的影响Table 2 Effect of interferencing ions on the determination of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ)

2.6 实际样品分析

取废铬酸洗液及电镀废液2份，先静置澄清，取上清液并用石英砂过滤，除去大的悬浮物及颗粒杂质等，按实验方法测定吸光度和一阶导数值，计算试样中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)含量。然后按标准加入法，加入Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)标准溶液，计算加标回收率。由表3测定结果可知，废水中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)加标回收率为97.8%～102.6%，结果满意。

表3 样品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的测定结果及加标回收率Table 3 Analytical results and spiked recovery of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) in samples

3 结论

研究结果表明，在波长543nm处Cr(Ⅲ)-EDTA络合物有最大吸收而Cr(Ⅵ)在此处无吸收，在波长350nm处Cr(Ⅵ)有最大吸收而Cr(Ⅲ)-EDTA络合物在此处也有吸收。在波长330nm处Cr(Ⅵ)吸光度一阶导数有最大值，而在此波长处Cr(Ⅲ)-EDTA络合物吸光度一阶导数值为0，可以使重叠峰完全分开。因此，本文用一阶导数分光光度法分别在波长543nm和330nm处对水样中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)进行同时分析测定，其标准曲线线性关系良好，方法的检出限低,精密度高,抗干扰能力强。

一阶导数光谱成功地消除了Cr(Ⅲ)对Cr(Ⅵ)的干扰，为水样中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的同时分析测试提供了一种简捷、快速、准确的方法。但此方法只能对液态水样的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)进行直接测定，而对固态样品如食品、化妆品和玩具等样品中的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)还需要进行前处理成液态样品才能测定，这类固态样品在前处理过程中可能会造成铬形态之间的相互转化，会使结果出现偏差。项目组将进一步研究固态样品中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的同时直接测定方法，重点关注前处理过程造成的偏差。