镉(Ⅱ)的共振散射光谱研究及应用

刘 琴， 杨迎春， 陈宁华， 何 妍

(成都信息工程大学 资源环境学院， 四川 成都 610225)

1 引 言

镉广泛存在于水体、土壤及生物体中，国际癌症研究中心将其列为可疑致癌物[1-2]。镉的化合物毒性极大,它作为一种蓄积性重金属[3]，被人体吸收后主要贮藏在肾脏及肝脏等部位。急性镉中毒会引起咳嗽、胸闷等症状，若意外口服镉化物，会导致全身无力、肌肉酸痛，严重者可能会虚脱。

目前测定镉的方法有分光光度法[4]、原子吸收光谱法[5-7]、原子荧光光谱法[8]、ICP-MS[9-10]等，但是这些方法都存在如线性范围较窄、操作繁琐费时、仪器难普及等问题，有的方法甚至需要使用氰化钾等剧毒物质，具有一定的危险性。因此建立简单高效的镉分析检测方法显得尤为重要。

共振瑞利散射(RRS)是一种新的分析技术，凭借其快速，灵敏，操作方便等优点，被广泛应用于环境样品中的大分子、药物、纳米粒子、表面活性剂、金属离子和非金属离子的研究[11-15]，二级散射(SOS)和倍频散射(FDS)被广泛应用于许多无机和有机化合物的测定。本文利用在酸性介质中镉(Ⅱ)与BSA溶液及刚果红溶液反应生成三元离子缔合络合物，使体系的共振瑞利散射、二级散射和倍频散射光谱明显增强，且镉(Ⅱ)的浓度在一定范围内与ΔI成正比，由此建立了检测水环境中镉(Ⅱ)浓度的新方法。

2 实 验

2.1 实验仪器与试剂

实验采用岛津RF-5301型荧光分光光度计测定体系散射强度；采用1810-B型石英自动双重蒸馏水器提供蒸馏水；采用PHS-3C型酸度计(上海精密科学仪器有限公司)调节pH值；采用岛津UV-2550型UV-可见分光光度计测定紫外吸收光谱。

配制1 000 μg/mL的Cd2+标准溶液，使用时逐级稀释成1.0 μg/mL的工作溶液；牛血清白蛋白(BSA)：20 μg/mL；刚果红溶液(CR)：1.5×10-4mol/L；pH=4.0 Britton-Robinson缓冲液(BR)。所用试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。

2.2 实验方法

3 结果与讨论

3.1 光谱特征

3.1.1 RRS光谱

按照实验方法测定体系的RRS光谱。如图1所示，在250～800 nm波长范围内，当Cd2+、BSA、CR三者单独存在及在Cd2+-CR、CR-BSA、Cd2+-BSA两两结合的体系中，散射信号都很弱，当Cd2+-BSA-CR三组分体系形成后，散射信号明显增强。该体系在363 nm和560 nm处都出现了RRS峰，且其散射强度(ΔI)随着Cd2+浓度的增加而增大。但560 nm处的峰ΔIRRS较363 nm处大且呈现的线性关系更好，所以实验选择560 nm作为后续测定波长。

图1 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反应体系的共振瑞利散射光谱

3.1.2 SOS和FDS光谱

按照上述操作方法，以λem=2λex和λem=1/2λex进行同步扫描，分别得到体系的二级散射(图2)和倍频散射(图3)光谱图。由图可见，SOS和FDS的散射峰位于690 nm和352 nm处，同时690 nm和352 nm处的二级散射和倍频散射信号强度与Cd2+浓度呈线性关系，表明这两种散射光谱也可用于Cd2+的测定。

图2 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反应体系的二级散射光谱

图3 Cd(Ⅱ)-BSA-CR反应体系的倍频散射光谱图

3.2 反应条件优化

为了研究该体系用于Cd2+测定的可行性，以RRS光谱作为代表对体系的各种条件以及分析特性等进行了研究。

3.2.1 酸度对反应的影响

为了找到反应最优环境，实验了HAc-NaAc缓冲液、BR缓冲液、磷酸和盐酸4种缓冲溶液体系。发现在接近的pH值条件下，不同的缓冲液对RRS的强度影响较小，因此选用pH范围较大的BR溶液作为缓冲体系。研究发现，不同pH值的BR溶液对体系的ΔIRRS值影响较大，如图4所示，当pH值小于4时，RRS强度随着pH值的升高逐渐增大，当pH值大于4时，RRS强度逐渐降低。其原因可能在于BSA的等电点在4左右，pH值过低不利于反应的快速完成，pH值过高部分带电荷的蛋白质可能变为无反应能力的蛋白质分子，导致反应不完全，从而使RRS强度降低。故本实验选用pH=4的BR溶液为缓冲液，其最佳用量为2 mL。

图4 pH值对RRS强度的影响

3.2.2 BSA浓度对反应的影响

实验发现，加入0.6～2.4 mL蛋白质溶液对体系RRS强度的影响较大，如图5所示，随着蛋白质的加入，体系的ΔIRRS逐渐增大，当加入量为1.5 mL时体系的ΔIRRS值达到最大，继续增大蛋白质用量，ΔIRRS值明显降低。这是由于随着蛋白质的加入，Cd2+通过静电吸引与蛋白质结合形成了配合物，引起蛋白质与混配物的聚集程度变大，ΔIRRS值也逐渐增加，但当蛋白质过量时，体系空白强度增大，ΔIRRS值亦明显下降。故本实验选择BSA的用量为1.5 mL，此时BSA浓度为3 μg/mL。

图5 蛋白质用量对RRS强度的影响

3.2.3 刚果红浓度对反应的影响

在pH=4的酸性条件下研究了浓度在(0.3～2.1)×10-5mol/L范围内的刚果红对体系RRS强度的影响。如图6所示，ΔIRRS值在0.9×10-5mol/L处最大，之后随着浓度的升高，ΔIRRS值反而开始下降，可能是由于刚果红浓度小于0.9×10-5mol/L时，反应不完全，随着刚果红浓度增大，缔合离子数增多，ΔIRRS值逐渐增大，当刚果红浓度过高时，可能会发生染料的自聚集作用而产生多聚体，造成散射强度降低[16]，因此试验加入刚果红的浓度为0.9×10-5mol/L。

图6 刚果红浓度对RRS强度的影响

3.2.4 离子强度和有机溶剂对体系的影响

实验研究了离子强度对RRS强度的影响，结果表明，离子强度的增加会使体系的RRS信号强度减弱，可能是溶液中大量存在的Na+和Cl-破坏了三元离子缔合物的电荷平衡，导致Cd2+、BSA、CR之间的结合减弱，阻碍了离子缔合物的形成，使得ΔIRRS值降低[17]，因此试验过程中不加NaCl控制离子强度。

此外，还考察了几种不同的有机溶剂对共振散射强度的影响。实验结果表明，随着CH3OH、CH3CH2OH和CH3COCH3这几种有机溶剂的加入，RRS强度均降低。推测是因为有机溶剂的加入能使疏水性的结合产物部分溶解于有机溶剂中，使产物与水的疏水界面减少或消失，导致RRS强度降低，故实验中不加入有机溶剂。

3.2.5 试剂加入顺序与体系稳定性及温度的影响

考察了体系中试剂不同加入顺序对反应的影响：(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。实验结果表明，按顺序(1)加入试剂时，其ΔIRRS值最大，可能是因为BSA与CR的结合要在pH=4的缓冲体系中进行，故应先加入BR缓冲试剂，再加入BSA与CR。

研究了温度对该体系RRS强度的影响，结果表明：在0～60 ℃的温度变化范围内，40 ℃时的ΔIRRS值略大于其他温度。其原因可能是因为温度过低体系反应过于缓慢，而温度过高则会导致形成的离子缔合物产生离解倾向。因此，选择在40 ℃恒温水浴中进行实验。其次通过考察体系的稳定性，发现体系反应迅速，IRRS值在10 min时便达到最大，且90 min内基本保持不变，说明体系稳定性较好。

3.3 共存离子的影响

3.4 线性关系及检出限

在选定的最佳反应条件下，分别得出RRS、SOS和FDS谱图的线性回归方程。从表1中可以看出，ΔIRRS、ΔISOS和ΔIFDS的强度与Cd2+浓度在0.5～350.0，0.5～300.0，0.5～250.0范围内呈良好的线性关系，相关系数均大于0.999。RRS、SOS和FDS的检出限分别为0.31，0.29，0.34 μg/L。且从表1中还可以看出，与相似体系分光光度法(SP)[19]相比，相关系数及线性范围都相差不大，但是本实验检出限比SP法降低了两个数量级，说明本方法更加灵敏，应用范围也更广。

表1 标准曲线及灵敏度

3.5 样品测定

从表2中可以看出，在涪江河水及实验室废水中都检测出了Cd2+，农夫山泉中基本不含Cd2+。水样中Cd2+的回收率在93.2%～107.7%之间，相对标准偏差在0.8%～3.1%之间，表明方法的准确性和重现性都较好，可用于对环境水样中Cd2+的浓度测定。

表2 水样中镉(Ⅱ)含量的分析结果(n=5)

nd:未检出。

4 反应机理探讨

4.1 透射电镜图分析

当Cd2+、BSA、CR 3种离子单独存在时，都具有较好的亲水性，当它们通过静电吸引力和疏水作用力相结合后，电荷被中和，形成如图7所示的粒径为10 nm左右的缔合物，使得它与水相之间形成一层疏水界面，导致散射效应明显增强[20]。同时，由公式(1)可得，若其他参数不变，则散射光谱强度与微粒的体积成正比，由于缔合物的粒径较之前明显增大，导致共振光散射信号增强。由简化的瑞利公式I=KCMI0[21]可知，若体积不确定，可由分子量判断，形成的三元离子缔合物的相对分子质量明显比3种物质单独存在时大很多。

图7 Cd(Ⅱ)-BSA-CR体系纳米微粒的透射电子显微镜图

(1)

式中：I为散射光强度；I0为入射光强度；N为单位体积内粒子数目(个)；λ为入射光和散射光波长(nm)；V为一个粒子的体积；n1为散射相的折射率；n0为介质的折射率。

4.2 紫外吸收光谱与RRS光谱分析

由图8可以看出，RRS光谱与紫外吸收光谱呈互补趋势，而RRS是瑞利散射位于吸收带附近而产生的一种散射增强效应，表明该三元离子缔合物所形成的光谱为RRS光谱。

图8 紫外吸收光谱与共振瑞利散射光谱

5 结 论

本文以环境中镉(Ⅱ)的监测作为研究目标，构建了镉(Ⅱ)-蛋白质-刚果红共振光散射体系，对该体系的RRS、SOS及FDS光谱以及实验条件进行了较详细的研究，据此建立了测定环境水样中Cd2+的共振光散射新方法。该体系的RRS、SOS及FDS光谱强度与Cd2+浓度在0.5～350.0 μg/L、0.5～300.0 μg/L和0.5～250.0 μg/L范围内呈现良好的线性关系，且相关系数均达到了0.999以上，方法的检出限分别为0.31 μg/L(RRS)、0.29 μg/L(SOS)和0.34 μg/L(FDS)。对3种不同环境水样进行测定，回收率在93.2%～107.7%之间，相对标准偏差在0.8%～3.1%之间。同时，该方法不需要复杂的样品前处理，操作简便，可望直接应用于环境水样中Cd2+的检测。