鎘(Ⅱ)的共振散射光譜研究及應用

劉 琴， 楊迎春， 陳寧華， 何 妍

(成都信息工程大學 資源環境學院， 四川 成都 610225)

1 引 言

鎘廣泛存在于水體、土壤及生物體中，國際癌癥研究中心將其列為可疑致癌物[1-2]。鎘的化合物毒性極大,它作為一種蓄積性重金屬[3]，被人體吸收后主要貯藏在腎臟及肝臟等部位。急性鎘中毒會引起咳嗽、胸悶等癥狀，若意外口服鎘化物，會導致全身無力、肌肉酸痛，嚴重者可能會虛脫。

目前測定鎘的方法有分光光度法[4]、原子吸收光譜法[5-7]、原子熒光光譜法[8]、ICP-MS[9-10]等，但是這些方法都存在如線性范圍較窄、操作繁瑣費時、儀器難普及等問題，有的方法甚至需要使用氰化鉀等劇毒物質，具有一定的危險性。因此建立簡單高效的鎘分析檢測方法顯得尤為重要。

共振瑞利散射(RRS)是一種新的分析技術，憑借其快速，靈敏，操作方便等優點，被廣泛應用于環境樣品中的大分子、藥物、納米粒子、表面活性劑、金屬離子和非金屬離子的研究[11-15]，二級散射(SOS)和倍頻散射(FDS)被廣泛應用于許多無機和有機化合物的測定。本文利用在酸性介質中鎘(Ⅱ)與BSA溶液及剛果紅溶液反應生成三元離子締合絡合物，使體系的共振瑞利散射、二級散射和倍頻散射光譜明顯增強，且鎘(Ⅱ)的濃度在一定范圍內與ΔI成正比，由此建立了檢測水環境中鎘(Ⅱ)濃度的新方法。

2 實 驗

2.1 實驗儀器與試劑

實驗采用島津RF-5301型熒光分光光度計測定體系散射強度；采用1810-B型石英自動雙重蒸餾水器提供蒸餾水；采用PHS-3C型酸度計(上海精密科學儀器有限公司)調節pH值；采用島津UV-2550型UV-可見分光光度計測定紫外吸收光譜。

配制1 000 μg/mL的Cd2+標準溶液，使用時逐級稀釋成1.0 μg/mL的工作溶液；牛血清白蛋白(BSA)：20 μg/mL；剛果紅溶液(CR)：1.5×10-4mol/L；pH=4.0 Britton-Robinson緩沖液(BR)。所用試劑均為分析純，實驗用水為超純水。

2.2 實驗方法

3 結果與討論

3.1 光譜特征

3.1.1 RRS光譜

按照實驗方法測定體系的RRS光譜。如圖1所示，在250～800 nm波長范圍內，當Cd2+、BSA、CR三者單獨存在及在Cd2+-CR、CR-BSA、Cd2+-BSA兩兩結合的體系中，散射信號都很弱，當Cd2+-BSA-CR三組分體系形成后，散射信號明顯增強。該體系在363 nm和560 nm處都出現了RRS峰，且其散射強度(ΔI)隨著Cd2+濃度的增加而增大。但560 nm處的峰ΔIRRS較363 nm處大且呈現的線性關系更好，所以實驗選擇560 nm作為后續測定波長。

圖1 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反應體系的共振瑞利散射光譜

3.1.2 SOS和FDS光譜

按照上述操作方法，以λem=2λex和λem=1/2λex進行同步掃描，分別得到體系的二級散射(圖2)和倍頻散射(圖3)光譜圖。由圖可見，SOS和FDS的散射峰位于690 nm和352 nm處，同時690 nm和352 nm處的二級散射和倍頻散射信號強度與Cd2+濃度呈線性關系，表明這兩種散射光譜也可用于Cd2+的測定。

圖2 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反應體系的二級散射光譜

圖3 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反應體系的倍頻散射光譜圖

3.2 反應條件優化

為了研究該體系用于Cd2+測定的可行性，以RRS光譜作為代表對體系的各種條件以及分析特性等進行了研究。

3.2.1 酸度對反應的影響

為了找到反應最優環境，實驗了HAc-NaAc緩沖液、BR緩沖液、磷酸和鹽酸4種緩沖溶液體系。發現在接近的pH值條件下，不同的緩沖液對RRS的強度影響較小，因此選用pH范圍較大的BR溶液作為緩沖體系。研究發現，不同pH值的BR溶液對體系的ΔIRRS值影響較大，如圖4所示，當pH值小于4時，RRS強度隨著pH值的升高逐漸增大，當pH值大于4時，RRS強度逐漸降低。其原因可能在于BSA的等電點在4左右，pH值過低不利于反應的快速完成，pH值過高部分帶電荷的蛋白質可能變為無反應能力的蛋白質分子，導致反應不完全，從而使RRS強度降低。故本實驗選用pH=4的BR溶液為緩沖液，其最佳用量為2 mL。

圖4 pH值對RRS強度的影響

3.2.2 BSA濃度對反應的影響

實驗發現，加入0.6～2.4 mL蛋白質溶液對體系RRS強度的影響較大，如圖5所示，隨著蛋白質的加入，體系的ΔIRRS逐漸增大，當加入量為1.5 mL時體系的ΔIRRS值達到最大，繼續增大蛋白質用量，ΔIRRS值明顯降低。這是由于隨著蛋白質的加入，Cd2+通過靜電吸引與蛋白質結合形成了配合物，引起蛋白質與混配物的聚集程度變大，ΔIRRS值也逐漸增加，但當蛋白質過量時，體系空白強度增大，ΔIRRS值亦明顯下降。故本實驗選擇BSA的用量為1.5 mL，此時BSA濃度為3 μg/mL。

圖5 蛋白質用量對RRS強度的影響

3.2.3 剛果紅濃度對反應的影響

在pH=4的酸性條件下研究了濃度在(0.3～2.1)×10-5mol/L范圍內的剛果紅對體系RRS強度的影響。如圖6所示，ΔIRRS值在0.9×10-5mol/L處最大，之后隨著濃度的升高，ΔIRRS值反而開始下降，可能是由于剛果紅濃度小于0.9×10-5mol/L時，反應不完全，隨著剛果紅濃度增大，締合離子數增多，ΔIRRS值逐漸增大，當剛果紅濃度過高時，可能會發生染料的自聚集作用而產生多聚體，造成散射強度降低[16]，因此試驗加入剛果紅的濃度為0.9×10-5mol/L。

圖6 剛果紅濃度對RRS強度的影響

3.2.4 離子強度和有機溶劑對體系的影響

實驗研究了離子強度對RRS強度的影響，結果表明，離子強度的增加會使體系的RRS信號強度減弱，可能是溶液中大量存在的Na+和Cl-破壞了三元離子締合物的電荷平衡，導致Cd2+、BSA、CR之間的結合減弱，阻礙了離子締合物的形成，使得ΔIRRS值降低[17]，因此試驗過程中不加NaCl控制離子強度。

此外，還考察了幾種不同的有機溶劑對共振散射強度的影響。實驗結果表明，隨著CH3OH、CH3CH2OH和CH3COCH3這幾種有機溶劑的加入，RRS強度均降低。推測是因為有機溶劑的加入能使疏水性的結合產物部分溶解于有機溶劑中，使產物與水的疏水界面減少或消失，導致RRS強度降低，故實驗中不加入有機溶劑。

3.2.5 試劑加入順序與體系穩定性及溫度的影響

考察了體系中試劑不同加入順序對反應的影響：(1)BR+BSA+CR+Cd；(2)BR+Cd+BSA+CR；(3)BR+Cd+CR+BSA；(4)BR+BSA+Cd+CR；(5)BR+Cd+BSA+CR；(6)Cd+BSA+CR+BR；(7)Cd+BSA+BR+CR。實驗結果表明，按順序(1)加入試劑時，其ΔIRRS值最大，可能是因為BSA與CR的結合要在pH=4的緩沖體系中進行，故應先加入BR緩沖試劑，再加入BSA與CR。

研究了溫度對該體系RRS強度的影響，結果表明：在0～60 ℃的溫度變化范圍內，40 ℃時的ΔIRRS值略大于其他溫度。其原因可能是因為溫度過低體系反應過于緩慢，而溫度過高則會導致形成的離子締合物產生離解傾向。因此，選擇在40 ℃恒溫水浴中進行實驗。其次通過考察體系的穩定性，發現體系反應迅速，IRRS值在10 min時便達到最大，且90 min內基本保持不變，說明體系穩定性較好。

3.3 共存離子的影響

3.4 線性關系及檢出限

在選定的最佳反應條件下，分別得出RRS、SOS和FDS譜圖的線性回歸方程。從表1中可以看出，ΔIRRS、ΔISOS和ΔIFDS的強度與Cd2+濃度在0.5～350.0，0.5～300.0，0.5～250.0范圍內呈良好的線性關系，相關系數均大于0.999。RRS、SOS和FDS的檢出限分別為0.31，0.29，0.34 μg/L。且從表1中還可以看出，與相似體系分光光度法(SP)[19]相比，相關系數及線性范圍都相差不大，但是本實驗檢出限比SP法降低了兩個數量級，說明本方法更加靈敏，應用范圍也更廣。

表1 標準曲線及靈敏度

3.5 樣品測定

從表2中可以看出，在涪江河水及實驗室廢水中都檢測出了Cd2+，農夫山泉中基本不含Cd2+。水樣中Cd2+的回收率在93.2%～107.7%之間，相對標準偏差在0.8%～3.1%之間，表明方法的準確性和重現性都較好，可用于對環境水樣中Cd2+的濃度測定。

表2 水樣中鎘(Ⅱ)含量的分析結果(n=5)

nd:未檢出。

4 反應機理探討

4.1 透射電鏡圖分析

當Cd2+、BSA、CR 3種離子單獨存在時，都具有較好的親水性，當它們通過靜電吸引力和疏水作用力相結合后，電荷被中和，形成如圖7所示的粒徑為10 nm左右的締合物，使得它與水相之間形成一層疏水界面，導致散射效應明顯增強[20]。同時，由公式(1)可得，若其他參數不變，則散射光譜強度與微粒的體積成正比，由于締合物的粒徑較之前明顯增大，導致共振光散射信號增強。由簡化的瑞利公式I=KCMI0[21]可知，若體積不確定，可由分子量判斷，形成的三元離子締合物的相對分子質量明顯比3種物質單獨存在時大很多。

圖7 Cd(Ⅱ)-BSA-CR體系納米微粒的透射電子顯微鏡圖

(1)

式中：I為散射光強度；I0為入射光強度；N為單位體積內粒子數目(個)；λ為入射光和散射光波長(nm)；V為一個粒子的體積；n1為散射相的折射率；n0為介質的折射率。

4.2 紫外吸收光譜與RRS光譜分析

由圖8可以看出，RRS光譜與紫外吸收光譜呈互補趨勢，而RRS是瑞利散射位于吸收帶附近而產生的一種散射增強效應，表明該三元離子締合物所形成的光譜為RRS光譜。

圖8 紫外吸收光譜與共振瑞利散射光譜

5 結 論

本文以環境中鎘(Ⅱ)的監測作為研究目標，構建了鎘(Ⅱ)-蛋白質-剛果紅共振光散射體系，對該體系的RRS、SOS及FDS光譜以及實驗條件進行了較詳細的研究，據此建立了測定環境水樣中Cd2+的共振光散射新方法。該體系的RRS、SOS及FDS光譜強度與Cd2+濃度在0.5～350.0 μg/L、0.5～300.0 μg/L和0.5～250.0 μg/L范圍內呈現良好的線性關系，且相關系數均達到了0.999以上，方法的檢出限分別為0.31 μg/L(RRS)、0.29 μg/L(SOS)和0.34 μg/L(FDS)。對3種不同環境水樣進行測定，回收率在93.2%～107.7%之間，相對標準偏差在0.8%～3.1%之間。同時，該方法不需要復雜的樣品前處理，操作簡便，可望直接應用于環境水樣中Cd2+的檢測。