2种动力学分光光度法测定油菜中镉含量的比较

2021-03-05李金芳胡月芳潘长亮

食品工业 2021年2期

李金芳，胡月芳，潘长亮

1. 贺州学院材料与化学工程学院（贺州 542899）；2. 贺州学院教务处（贺州 542899）

众所周知，人们摄入超标重金属含量的蔬菜或食品，会有急性或慢性毒性反应发生，或导致畸致癌和致突变，严重影响人体健康[1-2]。镉属于持久性污染物，毒性很强，在人体内蓄积到一定量即会引起机体免疫功能的衰退，故引发多种疾病的发生，严重时会致癌、致畸[3-5]。油菜是广西贺州市的大众蔬菜，营养丰富，深受人们的喜爱。但由于2013年贺州市矿区周边的马尾河发生镉、铊重金属超标事件，引起了人们对一些农产品（包括油菜）中重金属是否超标及快速检测方法的极大关注。因此，建立一种可靠、简便、快速测定农产品样品中镉含量的检测方法势在必行。

目前，测定镉含量的方法很多，有分光光度法[6-9]、电化学分析法[10-11]、原子吸收光谱法[12-15]。对于电化学分析法，如果镉含量较低，用极谱法定量测定需经过繁琐的分离富集；而原子吸收光谱法对实验仪器及各种条件的要求都很高，在某些程度上限制其应用。分光光度法因其仪器简单、分析成本低、方法准确等优点而被广泛应用于镉的测定。此次试验分别采用阻抑动力学光度法和催化动力学光度法测定贺州市矿区周边油菜中镉含量，从镉含量角度对重金属污染区的油菜进行质量评价，并分析2种方法的检出限、准确度与精密度，有望能为重金属污染区快速检测农产品中镉金属提供简便、可靠的技术借鉴，对于防止镉金属污染、保障人们身体健康具有重要的现实意义。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

722型可见分光光度计（上海光谱仪器有限公司）；SY2-4电热恒温水浴锅（北京医疗设备厂）；DGH-80型干燥箱（武汉瑞华仪器设备有限责任公司）。

镉标准溶液（1.0 mg·mL-1）：准确称取0.686 1 g Cd(NO3)2·4H2O于小烧杯中，以少量水溶解并定容至250 mL容量瓶中，用前用二次蒸馏水稀释成所需溶度。KBrO3溶液：0.1 mol·L-1；盐酸溶液：1.0 mol·L-1；甲基蓝溶液：0.001 mol·L-1；甲基红：50 mg·L-1的70%乙醇溶液；硫酸溶液：1.0 mol·L-1；浓硫酸、浓硝酸、高氯酸及上述试剂均为分析纯，试验用水为二次蒸馏水。

1.2 试验方法

1.2.1 油菜样品的处理

将贺州市矿区周边新鲜油菜洗净晾干，置于60 ℃干燥箱中烘干，磨成粉末，准确称取2.00 g样品于100 mL锥形瓶中，加入10.00 mL浓硫酸、20.00 mL浓硝酸-高氯酸（2∶1），消化12 h，水浴加热至有棕色气体产生，待白烟消失，再加入10.00 mL 1 mol/L盐酸溶液，冷却后用二次蒸馏水定容至100 mL容量瓶中，备用。

1.2.2 阻抑动力学光度法

在两支25 mL比色管中，均依次加入0.6 mL甲基蓝、1.0 mL盐酸、0.5 mL溴酸钾，往一支中加入镉标准液或油菜样品（阻抑反应体系，吸光度为A），另一支为空白（非阻抑反应体系，吸光度为A0），用二次蒸馏水稀释至刻度，摇匀后立刻置65 ℃水浴中加热9 min，取出后置冰水冷却5 min以终止反应。以二次蒸馏水为参比，用1 cm比色皿在605 nm处分别测定阻抑、非阻抑反应体系吸光度A和A0，求ΔA=A-A0。测定油菜样品时加入2.0 mL柠檬酸钠和1.2 mL氟化钠，消除干扰离子的干扰。

1.2.3 催化动力学光度法

在两支25 mL比色管中，均依次加入1.0 mL甲基红溶液、1.4 mL硫酸溶液、1.2 mL溴酸钾溶液，往其中一支加入一定量镉标准液或油菜样品（催化反应体系，吸光度为A），另一支为空白（非催化反应体系，吸光度为A0），均用二次蒸馏水稀释至刻度，摇匀后立刻置60 ℃水浴加热13 min，取出后用冰水冷却3 min以终止反应，用1 cm比色皿，以二次蒸馏水作参比，在530 nm处测定催化和非催化溶液的吸光度A和A0，计算lg（A0/A）。测定油菜样品时采用KI-MIBK萃取分离除去干扰离子的影响[16]。

2 结果与讨论

2.1 测定波长的选择

2.1.1 阻抑动力学光度法波长的选择

配制不同组成的溶液，按照1.2.2的方法用分光光度计对空白溶液和待测溶液在不同波长上扫描，得到甲基蓝的吸收光谱图（图1）。其中曲线1为非阻抑反应，曲线2和3为阻抑反应。由图1可知，痕量镉溶液对溴酸钾氧化甲基蓝的褪色反应有明显的阻抑作用。在605 nm波长处，曲线1，2和3均有最大吸光度，故试验选择605 nm作为最佳测定波长。

图1 甲基蓝的吸收光谱图

2.1.2 催化动力学光度法的吸收光谱

图2 甲基红的吸收光谱

图2显示，在硫酸介质中，甲基红在530 nm处有最大吸收峰。溴酸钾可慢慢氧化甲基红，有痕量镉溶液存在时，氧化反应速度加快，吸光度降低更快，表明镉能催化溴酸钾氧化甲基红的反应。其差值lg（A0/A）最大吸收处也为530 nm。故试验选定530 nm作为最佳测定波长。

2.2 介质及用量的影响

2.2.1 阻抑动力学光度法

在阻抑动力学光度法中，考察了盐酸、硫酸和磷酸3种介质对阻抑反应的影响。试验表明，在盐酸介质中，阻抑反应的ΔA最大。还考察了盐酸用量对阻抑反应的影响，当盐酸用量为1.0 mL时，阻抑反应的ΔA最大。故选择1.0 mL 1.0 mol·L-1盐酸为反应介质。

2.2.2 催化动力学光度法

在催化动力学光度法中，考察了硫酸、醋酸、盐酸和磷酸 4种介质对催化反应的影响。结果表明，在硫酸介质中，镉对溴酸钾氧化甲基红的催化作用最为明显。当1.0 mol/L硫酸用量为1.5 mL时，lg（A0/A）有最大值，若硫酸用量超过1.5 mL，非催化反应加快，lg（A0/A）反而减少。故试验选用1.5 mL硫酸用量。

2.3 试剂用量的影响

2.3.1 阻抑动力学光度法

在阻抑动力学光度法中，考察了甲基蓝、溴酸钾用量对阻抑反应的影响。结果表明，当0.001 mol·L-1甲基蓝和0.1 mol·L-1溴酸钾的用量分别为0.5和0.6 mL时，阻抑反应的ΔA最大。故试验选择0.5 mL甲基蓝溶液用量和0.6 mL溴酸钾溶液用量。

2.3.2 催化动力学光度法

在催化动力学光度法中，分别考察了甲基红、溴酸钾用量对催化反应的影响。结果表明，当0.001 mol·L-1甲基红用量为0.8～1.5 mL时，体系有较平稳的lg（A0/A）；当甲基红用量为1.0 mL时，lg（A0/A）最大，故试验选用1.0 mL甲基红用量。当0.1 mol·L-1溴酸钾用量为0.8～1.6 mL时，体系有较平稳的lg（A0/A）；当溴酸钾用量为1.4 mL时，增加溴酸钾用量，非催化反应加快，lg（A0/A）反而减少。故试验选用1.4 mL溴酸钾用量。

2.4 反应温度及时间的影响

2.4.1 阻抑动力学光度法

试验考察50～80 ℃范围内温度对阻抑反应的影响。图3表明，温度在50～65 ℃范围内，ΔA随着反应温度升高而增大；温度高于65 ℃，ΔA随着反应温度的升高而减小。故试验选择65 ℃反应温度。

考察不同反应时间对阻抑反应的影响。试验表明，保持反应温度65 ℃，加热4～9 min 时，ΔA随着反应时间的增长而增大；加热超过9 min时，ΔA反而随着时间的增长而减小。故选择9 min为最佳反应时间。

图3 温度对阻抑反应的影响

2.4.2 催化动力学光度法

试验考察不同温度对催化反应的影响。图4表明，温度在20～60 ℃之间，随着反应温度的升高，lg（A0/A）逐渐增大。60 ℃时lg（A0/A）值最大且与镉浓度的线性关系良好。当反应温度大于60 ℃时，非催化反应加快，lg（A0/A）减小，故选择60 ℃为最佳反应温度。保持反应温度60 ℃，试验还考察了反应时间在4～18 min之间对体系的影响，在13 min内，lg（A0/A）与时间t的直线关系较好；超过13 min，催化体系和非催化体系的反应均加快，lg（A0/A）反而减少。因此，选择13 min为最佳反应时间。

图4 温度对催化反应的影响

2.5 校准曲线、检出限及精密度

试验采用2种动力学光度法对低、中、高3个浓度镉溶液进行校准曲线、检出限及精密度的测定，结果见表1。由表1可知，阻抑动力学光度法较为灵敏，其检出限比催化动力学光度法低2倍，同时其线性范围也较催化动力学光度法宽，精密度较高。

表1 2种分析方法检测镉的比较（n=6）

2.6 共存物质的影响

2.6.1 阻抑动力学光度法

此次试验考察了常见离子对测定10 mg/mL镉溶液的干扰影响，结果表明，分析误差在±4%范围内，离子Ca2+、Na+、Al+、K+、Ba2+、Zn2+、NH+、NO-、43Ni2+（以mg计）均不干扰测定。而Cu2+和Fe3+干扰测定，测定实际样品时加入10 mg/mL柠檬酸钠和10 mg/mL氟化钠可消除干扰。

2.6.2 催化动力学光度法

此次试验考察了常见离子对测定0.20 μg/mL镉溶液的干扰影响，相对误差控制在±4.5% 以内，2 000倍的NO-、Na+、K+、Cl-，1 000倍的PO3-、SO2-，344200倍的Ca2+、Mg2+、NH4+、Ni2+、Zn2+、F-，100倍的Pb2+、Al3+、Ba2+、Ag+、Mn2+，以及10倍的Br-、I-、Fe3+，对测定不产生干扰，等倍的Cu2+、Co2+、Fe2+对测定有干扰。试验采用KI-MIBK萃取分离除去干扰离子的影响[16]，结果令人满意。

2.7 动力学参数的测定

2.7.1 阻抑动力学光度法

在温度65 ℃、时间4～9 min条件下进行加热，基于Arrhenius方程K=Ae-Ea/RT，在50～65 ℃范围内，以-lnΔA对1/T作图，线性回归方程为-lnΔA=8.164×10-3×1/T-21.30，相关系数r为0.999 5，表观活化能Ea=67.887 kJ·mol-1。

2.7.2 催化动力学光度法

根据图4温度曲线和Axrhenius方程（K=Ae-Ea/RT），取温度曲线中的直线部分（45～60 ℃），以-lg[lg（A0/A）]对1/T作图得一条直线，该直线回归方程为-lg[lg（A0/A）]=5.018×103×1/T-13.805，相关系数r=0.999 5，表观活化能Ea=96.080 kJ·mol-1。

2.8 样品分析

按1.2.1试验方法处理油菜，再分别按1.2.2和1.2.3采用2种方法测定油菜中的镉含量，为了检验方法的准确性，测定了2种方法的标准加标回收率，试验结果见表2。可以看出，阻抑动力学光度法回收率高，δRSD较小，说明阻抑动力学光度法比催化动力学光度法准确度和精密度高，重复性好。贺州市矿区周边油菜中镉的含量在0.105～0.182 mg/kg之间，已超出国家限量标准。