分析化学设计性实验蔬菜中铅镉含量的测定

分析化学性实验蔬菜中铅镉含量的测定 化学与环境学院 仪器分析实验报告 实验名称 蔬菜中重金属(Pb、Cd)含量的测定 专 业 化学教育 班 级 12级 姓 名 陆雪莹 学 号 20122401039 指 导 老 师 胡小刚 实 验 分 组 117 日 期 2014.05.14 1 【实验题目】 蔬菜中重金属(Pb、Cd)含量的测定 【引言】 随着工业化、城镇化、农业和养殖业的发展，人们对工业“三废”排放、生活垃圾、废旧电池的不适当处理等，导致土壤重金属污染状况日益严重，由此引起蔬菜也受到重金属污染。蔬菜是日常食用量较大的一类农作物,土壤镉、铅污染对人体健康造成严重影响，能产生急性或慢性毒性反应, 还有致畸、致癌和致突变的潜在危害。因此对蔬菜中的重金属铅、镉研究具有极大的现实意义。本实验通过对不同蔬菜以及不同蔬菜的不同部位(茎、叶)进行试验,研究蔬菜的不同品种、同一品种的不同部位之间Cd、Pd含量的差异。 【摘要】 铅离子和镉离子分别于-0.42V和-0.63V电位处能产生良好的极谱波，两者的峰电位相差较大，本实验通过用微波消解法处理蔬菜试样、用悬汞电极微分脉冲极谱溶出法对不同蔬菜以及不同蔬菜的不同部位(茎、叶)进行试验,研究蔬菜的不同品种、同一品种不同部位之间Cd、Pd含量的差异。 【关键词】 微分脉冲极谱法;蔬菜;重金属(铅Pb、镉Cd); 2 【实验原理】 一、目前有关该物质测定方法的概述: (一)光化学法: 1、原子吸收光谱法(AAS) 原子吸收光谱法是20世纪50年代创立的一种新型仪器分析方法，它与主要用于无机元素定性分析的原子发射光谱法相辅相成，已成为对无机化合物进行元素定量分析的主要手段。 原子吸收分析过程如下:1、将样品制成溶液(空白);2、制备一系列已知浓度的分析元素的校正溶液(标样);3、依次测出空白及标样的相应值;4、依据上述相应值绘出校正曲线;5、测出未知样品的相应值;6、依据校正曲线及未知样品的相应值得出样品的浓度值。 2、紫外可见分光光度法(UV) 重金属与显色剂—通常为有机化合物，可于重金属发生络合反应，生成有色分子团，溶液颜色深浅与浓度成正比。在特定波长下，比色检测。 分光光度分析有两种，一种是利用物质本身对紫外及可见光的吸收进行测定;另一种是生成有色化合物，即“显色”，然后测定。加入显色剂使待测物质转化为在紫外和可见光区有吸收的化合物来进行光度测定，这是目前应用最广泛的测试手段。 它主要是利用国家标准中第三标准法双硫腙比色法测食品中铅含量。 pH=8.5~9.0时，硫离子与双硫腙生成红色配合物，溶于三氯甲烷，加入柠檬酸铵，氰化钾与盐酸羟铵等，防止铁、铜、锌等杂质离子的干扰，与标准系列比较定量。 缺点:虽然不少无机离子在紫外和可见光区有吸收，但因一般强度较弱，能直接用于定量分析的较少;由于三氯甲烷，氰化钾等是剧毒物质，因此这个方法有一定局限性。 3、原子荧光法(AFS) 原子荧光光谱法是通过测量待测元素的原子蒸气在特定频率辐射能激以下所产生的荧光发射强度，以此来测定待测元素含量的方法。 操作步骤:准确配制铅镉系列的标准溶液，在实验工作条件下，测定这两个元素的荧光强度，得到线性回归方程，再将待测样品的荧光强度代入方程即可得到样品中铅、镉的浓度。 优点:发射谱线简单，线性范围较宽，干扰少，快速、简便、准确且灵敏度高，能够进行多元素同时测定。 4、X射线荧光光谱法(XRF) X射线荧光光谱法是利用样品对x射线的吸收随样品中的成分及其多少变化而变化来定性或定量测定样品中成分的一种方法。当试样受到x射线，高能粒 3 子束，紫外光等照射时，由于高能粒子或光子与试样原子碰撞，将原子内层电子逐出形成空穴，使原子处于激发态，这种激发态离子寿命很短，当外层电子向内层空穴跃迁时，多余的能量即以x射线的形式放出，并在教外层产生新的空穴和产生新的x射线发射，这样便产生一系列的特征x射线。特征x射线是各种元素固有的，它与元素的原子系数有关。所以只要测出了特征x射线的波长λ，就可以求出产生该波长的元素。即可做定性分析。在样品组成均匀，表面光滑平整，元素间无相互激发的条件下，当用x射线(一次x射线)做激发原照射试样，使试样中元素产生特征x射线(荧光x射线)时，若元素和实验条件一样，荧光x射线强度与分析元素含量之间存在线性关系。根据谱线的强度可以进行定量分析。 优点:分析迅速、样品前处理简单、可分析元素范围广、谱线简单，光谱干扰少，试样形态多样性及测定时的非破坏性。 缺点:检测精度和重复性不如光谱法。 5、石墨炉原子吸收光谱法 分别准确量取一定量的铅镉储备液，配置一系列标准溶液后按所选工作仪器条件用原子吸收分光光度计测出各溶液吸光度并制作A-C标准曲线，得出其一元线性回归方程。再测出一定量试样溶液吸光度，代入回归方程中即可得到铅镉含量。 6、火焰原子吸收法(标准加入法) 分别移取适量样品于容量瓶中，分别加入一系列不同体积相同浓度的铅镉标准溶液，用盐酸定容。使用空气-乙炔火焰，于原子吸收光谱仪波长283.30nm, 228.85nm处分别测量铅镉的吸光度，以标准系列浓度为横坐标，以扣除空白溶液的吸光度值为纵坐标作图，根据所绘制的直线外延与横轴的交点求出铅镉元素浓度。 7、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS) ICP-MS所用电离源是感应耦合等离子体(ICP)，通过高频装置使氩气电离，则氩离子和电子在电磁场作用下又会与其它氩原子碰撞产生更多的离子和电子，形成涡流。强大的电流产生高温，瞬间使氩气形成温度可达10000k的等离子焰炬。被分析样品通常以水溶液的气溶胶形式引入氩气流中，然后进入由射频能量激发的处于大气压下的氩等离子体中心区，等离子体的高温使样品去溶剂化，汽化解离和电离。部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统，在真空系统内，正离子被拉出并按照其质荷比分离。在负载线圈上面约10mm处,焰炬温度大约为8000K，在这么高的温度下,电离能低于7eV的元素完全电离，电离能低于10.5eV的元素电离度大于20%。 操作步骤:精密吸取铅镉标准储备溶液，用稀硝酸稀释配成含铅镉的混合标准系列溶液。另精密吸取Re溶液适量并用水稀释，即得到内标溶液，按照实验测试条件操作，绘制标准曲线，最后对样品溶液进行测定。 优点:快速、准确、灵敏度高，可同时测定多种元素; 4 缺点:运行成本较高，只测定铅镉两种元素较浪费;检出限大部份为ppt级，实际的检出限不可能优于你实验室的清洁条件。且ICP-MS的ppt级检出限是针对溶液中溶解物质很少的单纯溶液而言的，若涉及固体中浓度的检出限，由于ICP-MS的耐盐量较差，ICP-MS检出限的优点会变差多达50倍。 (二)极谱分析法: 1、示波极谱法 示波极谱法又称“单扫描极谱分析法”。一种极谱分析新力一法。它是一种快速加入电解电压的极谱法。常在滴汞电极每一汞滴成长后期，在电解池的两极上，迅速加入一锯齿形脉冲电压，在几秒钟内得出一次极谱图，为了快速极谱图，通常用示波管的荧光屏作显示工具，因此称为示波极谱法。 操作步骤:分别准确移取处理好的样品、标准液、试剂空白适量，各加入适量表面活性剂，底液(0.5mol/L的碘化钾溶液，此时可获得最大的铅、镉的络合吸附波，峰电流最大)于-533mV,-688mV测定铅离子，镉离子极谱波高，扣除空白，按此标准比较法计算样品中铅镉含量。 优点:快速、灵敏。 2、二次导数极谱法 在PH=4.5的HAc-NaAc介质中，铅离子与镉离子分别于-0.46V与-0.64V电 -5 ~ 位处产生一良好的极谱波。峰电流与铅离子和镉离子的浓度分别在1×10-1-5 ~ -13×10g/L和3×106×10g/L范围内呈线性关系。采用标准曲线法计算铅镉含量。本法准确、简便、快速、选择性高。 3、催化极谱分析法 测铅:于消化好的样品中趁热加入1:2 HCl，湿润残渣，加6%乙醇溶液，钒溶液及10%碘化钾溶液适量，混匀后于原点电位-0.3V作阴极化导数扫描测定，分别记录样品、空白试剂、铅标准的波高，采用直接比较法计算结果。 测镉:于消化好的样品中趁热加入6mol/L HCl，15%乙二胺溶液适量，放置一段时间后加入10%碘化钾溶液与2%四丁基碘化铵溶液适量，混匀后于原点电位-0.5V作阴极化导数扫描测定，分别记录样品、空白试剂，镉标准的波高，采用标准系列回归方程计算样品结果。用此方法测定蔬菜中铅镉含量。 优点:快速、高效、准确、简便、样品用量少、仪器价格便宜、方法干扰因素少。 (三)电化学法: 1、阳极溶出伏安法 阳极溶出伏安法是将恒电位电解富集与伏安法测定相结合的一种电化学分析方法。这种方法一次可连续测定多种金属离子，而且灵敏度很高，能测定10 5 -7-9~10mol/L的金属离子。 步骤:第一步为“电析”，即在一个恒电位下，将被测离子电解沉积，富集在工作电极上与电极上汞生成汞齐。对给定的金属离子来说，如果搅拌速度恒定，预电解时间固定，则m=Kc，即电积的金属量与被测金属离了的浓度成正比。第二步为“溶出”，即在富集结束后，一般静止30s或60s后，在工作电极上施加一个反向电压，由负向正扫描，将汞齐中金属重新氧化为离子回归溶液中，产生氧化电流，记录电压-电流曲线，即伏安曲线。曲线呈峰形，峰值电流与溶液中被测离了的浓度成正比，可作为定量分析的依据，峰值电位可作为定性分析的依据。 优点:仪器比较简单，操作方便;检测速度快，数值准确，可用于现场等环境应急检测。 二、分析方法的选择 以上每一种方法都有其优点，但但也有其缺点。除了上述列举缺点外，火焰原子吸收分光光度法、光度分析方法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等，仪器价格昂贵, 操作条件较高， 测试成本也较高,而且难以连续。 微分脉冲极谱法是在缓慢线性变化的直流电压上，于每一滴汞生长时的末期叠加一个等振幅ΔE为5~100mV,持续时间为4-80ms的矩形脉冲电压，在脉冲 而记录的是这两次测量的电流差值加入前20ms和脉冲终止前20ms内测量电流， Δi，能很好地扣除因直线电压引起的背景电流。微分脉冲极谱的极谱波是对称的峰状，分辨力很强，两个物质的峰电位只要相差25mV就可以分开，前放电物质的允许量大，前放电物质的浓度比被测物质高5000倍，亦不干扰。 本实验采用悬汞的微分脉冲极谱法,其过程表示为: - 2+ Pb + 2e + Hg = Pb(Hg) - 2+ Cd + 2e + Hg = Cd(Hg) 本实验采用PH=4.5的HAc-NaAc作为底液，查文献得:铅离子和镉离子分别于-0.42V和-0.63V电位处能产生良好的极谱波，两者的峰电位相差较大，可以通过微分脉冲极谱法将两峰分开，在同一待测体系中同时测定且并不干扰。 三、预处理方法的选择 (一)湿法消解 湿法消解是用酸或碱在开放或封闭容器中加热条件下将固体样品分解，待溶液呈现清亮颜色后，低温至蒸干，然后用稀酸定容待测。加热装置可以是电热炉、电热板、控温或红外加热消解器等。常用的消解液盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸、氢氟酸和氢氧化钠，具体用哪种消解体系根据样品所需。湿法消解分为常压湿法消解和密闭增压湿法消解两种，前者装置简单，可在普通实验室通过手工操作完成，为应用最广的消解方法;后者需要有不锈钢外套的氟塑料罐中在烘箱内加热完成消解，这种方法适用于比较难分解的样品。 6 (二)干灰化 对于很多植物、食物、生物等含有大量有机质的样品来说，首先应该破坏掉有机质释放出微量的无机物质进行测定，灰化法是将样品至于马弗炉中，在450,600?高温下将有机质分解，剩下的无机质用少量酸溶解进行测定。干灰化程序分为干燥、碳化、灰化和酸解四个阶段，最大的特点就是取样量大，并且可以彻底清除有机质而降低基体干扰。 (三)碱熔融法 对于氧化硅及硅酸盐含量比较高的样品，不易用酸溶，通常用碱熔法，如地质矿物类硅酸盐样品。通常将岩石样品研细至200目，然后与碱液混溶于高温炉中加热熔化至球状，然后用酸将熔融物浸出，在超声波中溶解，待测。常用的碱熔剂有无水碳酸钠、氢氧化钠、过氧化钠和偏硼酸锂。 (四)微波消解 微波消解属于内加热，是通过300-,300000 MHz的电磁波，直接穿透物质使能量辐射到电介质上，是物质内分子高速运动与摩擦产生的内加热。微波加热是随着分析仪器和方法的快速、简单、敏捷及自动在线化的发展的需求下发展起来的，与传统的消解方法相比，该方法最突出的特点就是消解速度快，分解能力而且快速节约时间。 综述:由于湿法消解在消解过程中有大量有毒气体生成，而碱熔法氧化硅及硅酸盐含量比较高的样品，并且考虑实验条件的限制，本实验采用干灰法。 四、实验步骤的设计 同种蔬菜不同器官所含Pb、Cd有明显差异，一般为:根,茎,叶,果或根,叶,茎,果。蔬菜中Pb、Cd含量与土壤中相对应元素含量均无显著相因关性。此本实验选用同种蔬菜的不同部位进行实验。 五、结果分析标准 食物中重金属卫生标准 -1元素 标准限值/mg(kg鲜重) 标准来源 -1Pd ?0.2mg• kg 《植物中铅限量卫生标准‎‎》(GB14935-94) -1Cd ?0.05mg• kg 《植物中镉限量卫生标准‎‎》(GB15201-94) 通过与蔬菜中镉、铅限量卫生‎‎标准，鉴定蔬菜质量与蔬菜不同部位的可食用性。 【仪器与试剂】 仪器: 瑞士万通797伏安极谱仪、马弗炉、电热板、移液枪、10mL移液管、1mL移液 7 管、100mL容量瓶、电炉、漏斗、烧杯、量筒 试剂: 新鲜蔬菜 HAc-NaAc缓冲液(pH=4.5 20ml): 取醋酸钠18g，加冰醋酸9.8ml，再加水稀释至1000mL。 硝酸(0.1%):取2mL浓硝酸，稀释至2000mL。 硝酸铅(优级纯) 硝酸镉(优级纯) 铅储备液:称取0.0160g硝酸铅，溶解，转移至100mL容量瓶中，用0.1%HNO3稀释定容，摇匀备用即得100mg/L铅标准溶液。 镉储备液:称取0.0274g硝酸镉，溶解，转移至100mL容量瓶中，用0.1%HNO3稀释定容，摇匀备用即得100mg/L镉标准溶液。 铅标准液(10mg/L):吸取10.00mL配制好的100mg/L铅储备液，于100mL容量瓶中用0.1%HNO3稀释定容，摇匀备用即得10 mg/L铅标准溶液。 镉标准液(0.5mg/L):吸取0.50mL配制好的100mg/L镉储备液，于100mL容量瓶中用0.1%HNO3稀释定容，摇匀备用即得0.5mg/L镉标准溶液。 【实验内容与步骤】 一、样品处理(灰化法) 称取2g ~ 5g试样(精确到0.001 g，根据铅、镉含量而定)，剪碎，置于瓷坩埚中，先小火在可调式电热板上炭化至无烟，移入马弗炉500??25? 灰化1h，冷却，用0.1 mol/L硝酸将灰分溶解，用滴管将试样消化液洗入(不需过滤)100 mL 容量瓶中，用水少量多次洗涤瓷坩埚，洗液合并于容量瓶中并定容至刻度，混匀备用; 二、部分参数设置 在伏安极谱仪软件操作界面选择“Exploratory mode”—?Load Method—?选择HMDE(悬汞电极)—?样品池体积:11mL—?加标次数:2—?重复次数:2—?通N2时间:120s—?加标浓度:Cd:0.5mg/L;Pb:10mg/L—?加标量:Cd:40μL;Pb:40μL。打开监视器(Monitor)。 四、标准加入法测定蔬菜中Pd、Cd元素的含量 向电解容器中加入1mL HAc-NaAc缓冲液，9mL蒸馏水，1mL样品溶液。记录样品的测定曲线后，用移液枪依序2次分别加入10mg/L铅标准溶液、0.5mg/L镉标准溶液各40μL，分别测定峰电流，利用标准加入法自动计算蔬菜中铅、镉的含量。 8 五、数据记录 Cd Pd 组号 质量(g) 种类 c +/- c +/- 7.275 13.545 1 3.00 14.844μg/L 110.835μg/L (49.01%) (12.22%) 菜心 0.408 1.896 2 3.00 7.217μg/L 84.476μg/L (5.65%) (2.24%) 六、结果与讨论 样品1: 通过标准加入法加入Pb、Cd标准溶液，得到的Pb曲线相对误差较小,Cd曲线相对误差较大，超出本实验对数据相对误差控制在10%内的要求。 数据结果: 样品中，镉浓度为14.844μg/L，相对误差49.01%，;铅浓度为110.835μg/L， 9 相对误差12.22%。实验要求相对误差在10%的数据可以使用，数据误差过大，不符合要求。 从结果可推算出蔬菜根中铅含量为0.4948mg/kg，镉含量为3.6945mg/kg。 造成相对误差高于10%的主要原因分析: 1.加标不适当。实际测量中，为避免曲线斜率过大或过小，造成误差过大，要求首次加入的元素标准溶液的浓度应大致和试样中被测元素浓度相接近。而本实验中，加标后，电流分别呈2.90nA、11.13nA、13.32nA和19.39nA、102.27nA、147.21nA递增，容易造成使误差较大。 2.使用移液枪时操作不当， 造成实际两次加标量不完全相等。 减小误差: 1.通过增减进样量或增减标液浓度 2.使用移液枪时注意操作得当，较少移动移液枪的量程，避免标液含有气泡，使标液完全滴入电解容器，避免标液粘在电极处。 10 样品2: 经处理样品1的过程，吸取经验，通过标准加入法加入Pb、Cd标准溶液，得到的Pb、Cd曲线相对误差较小,符合本实验对数据相对误差控制在10%内的要求。 数据结果: 样品中，镉浓度为7.217μg/L，相对误差5.65%，;铅浓度为84.476μg/L，相对误差2.24%。实验要求相对误差在10%的数据可以使用，数据误差较小，符合要求。 从结果可推算出蔬菜根中铅含量为0.2406mg/kg，镉含量为2.8157mg/kg。 11 1. 样品铅镉含量与国标比较 食物中重金属卫生标准 -1元素 标准限值/mg(kg鲜重) 标准来源 -1Pd ?0.2mg• kg 《植物中铅限量卫生标准‎‎》(GB14935-94) -1Cd ?0.05mg• kg 《植物中镉限量卫生标准‎‎》(GB15201-94) 根据样品2的测定结果，与食物中重金属卫生标准作比较，发现所测蔬菜中的铅、镉含量严重超标。 在日常生活中，我们难以避免在食物中暗藏的重金属。因此，我们应注意重金属的排毒。 1.补充钙、镁可阻止铅毒在体内堆积。 2.海带、苜蓿芽可有效去除铅毒。 3.维他命C及生物异黄酮可中和铅毒，使毒素浓度降低。 4.叶绿素可清除体内镉金属，并排出体外。 5.维他命K可有效排除镉金属。 6.锌、铜可防止镉浓度提高。 12 2. 铅、镉在菜心不同部位的含量比较 Pb Cd 组别 部位 质量/g c(mg/kg) +/-(%) c(mg/kg) +/-(%) 4 叶 4.03 3.0831 1.67 2.6208 1.23 5 叶 2.42 11.0489 1.85 5.3909 3.65 6 叶 4.60 2.3933 13.40 0.1592 49.83 8 叶 3.00 2.8159 2.24 0.2406 5.65 7 根 4.33 1.7721 4.69 0.0629 6.80 2 根 4.38 3.1735 6.64 0.3656 19.54 查阅文献，得蔬菜不同部位对Cd、Pd的积累规律为根,叶,茎，原因为:Cd进入芥菜根组织后，只有少量的Cd、Pd被转移运输到根上部位，大部分Cd、Pd被保留在芥菜的根部。而Cd、Pd在根系主要以Cd(PO)O3等沉淀形式和342PbC 存在，在茎、叶中也以游离态和络合态Cd存在，由于吸持、钝化或沉淀作用芥菜根系所吸收的Cd、Pd向地上部运输困难。 3. 菜心中铅、镉含量比较 从表中数据可看出，芥菜中Pb含量总体大于Cd含量。 分析其原因:铅离子可以被细胞壁大量结合，在重金属胁迫下, 有些植物会分 细胞壁上。同时由于细胞膜的保护作用, 泌出有机酸, 在胞外沉淀铅并附着在 只有少量的铅能进入细胞内部。此外，Pb与Cd竞争土壤吸附点位,由于化学性质的差异,土壤首先吸附Pb和Cu,弱化Cd的吸附,使土壤中的Cd迁移能力增强。Cd的存在抑制了Pb在芥菜体内的富集,Pb会夺取Cd在土壤中的吸附位而提高土壤中Cd的有效性,或者取代根中吸附的Cd,减少了Cd在芥菜地下部的滞留,从而表现为Pb的存在显著抑制了芥菜地下部对Cd的吸收。 4. 蔬菜铅、镉主要污染源 蔬菜中镉主要污染源:采矿金属冶炼以及电镀工业产生的大量含Cd废水未经处理直接排放到环境中、磷肥的使用、距离交通线的距离。蔬菜中铅主要污染源:采矿及冶金、大气降尘、污灌以及城市污泥的土地利用。 【参考文献】 [1]仪器分析实验.俞英主编;华南师范大学化学实验教学中心组织.仪器分析实验[M].北京:化学工业出版社，2008:115-123 [2]石彦召.刘小莉.何晓静.郑州市郊区菜地土壤及蔬菜中重金属含量状况调查与评价.陕西 农业科学.2009 [3]郭海涛. 不同蔬菜吸收积累镉的差异研究[D].首都师范大学,2009. 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