欒崇林，陳耀斌，陳少如

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055）

由于重金屬的高毒性、不可降解性和高蓄積性，重金屬污染不僅造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康危害較大．受重金屬污染的食品，通過(guò)食物鏈可進(jìn)入人體，在體內(nèi)蓄積，當(dāng)重金屬在體內(nèi)的含量超過(guò)閾值時(shí)，可造成中毒，重金屬中毒對(duì)機(jī)體的危害是多系統(tǒng)、多器官、多指證和不可逆的[1]．目前，能夠同時(shí)檢測(cè)多種重金屬的方法主要有電感耦合等離子體光譜法[2,3]和溶出伏安法[4,5]．前者方法靈敏度和準(zhǔn)確度高，但設(shè)備昂貴、檢測(cè)成本高、操作條件和技術(shù)要求高，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難．后者作為電化學(xué)分析方法，使用儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、小巧，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、遙控測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)分析，但該法一般也只能同時(shí)分析 2～4種元素[4～6]．本文對(duì)硫離子選擇電極測(cè)定多種重金屬進(jìn)行了探討，并應(yīng)用于食品添加劑CaCl2中重金屬檢測(cè)．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在一定的pH值范圍內(nèi)，溶液中的重金屬離子與硫離子反應(yīng)生成溶度積極小的金屬硫化物沉淀，其反應(yīng)式為（以鉛為例）：Pb2++S2-=PbS．因此以硫離子選擇電極為工作電極，以雙液接甘汞電極為參比電極，通過(guò)直接電位法可以測(cè)定含一定硫離子（c1）溶液的電極電位 E1，然后加入一定量的鉛標(biāo)液（設(shè)加入鉛標(biāo)液后溶液中鉛離子濃度為cPb），測(cè)定鉛離子和硫離子反應(yīng)后溶液（c2）的電極電位E2．

根據(jù)Nernst方程：

其中E代表電極電位，單位mV；E0代表標(biāo)準(zhǔn)電極電位，單位mV；c代表硫離子濃度，單位mol/L．

則有：

當(dāng) c1一定時(shí)，ΔE∝[-lg（c1-cPb）]．據(jù)此，可建立ΔE與[-lg（c1-cPb）]的線性關(guān)系．當(dāng)鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液以樣品溶液取代時(shí)，可測(cè)得ΔEx，從而求得cx（以鉛計(jì)）．

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

pHS-3C雷磁精密pH計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；S23-2恒溫磁力攪拌器（上海司樂(lè)儀器有限公司）；314型硫離子選擇性電極、801型雙液接甘汞電極（江蘇電分析儀器有限公司）；iCAP7000 原子發(fā)射光譜儀（美國(guó)賽默飛世爾公司）

1.2.2 試劑

硫代乙酰胺（A.R級(jí)，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；鹽酸（G.R級(jí)，廣州化學(xué)試劑廠）．重金屬標(biāo)液及鉛標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液1000μg/mL（北京環(huán)標(biāo)科創(chuàng)環(huán)境科技發(fā)展有限責(zé)任公司）；鉛標(biāo)準(zhǔn)使用液（1.0×10-3mol/L）：取20.70mL鉛儲(chǔ)備液，用水定容至100mL．臨用前稀釋?zhuān)甋AOB溶液：稱(chēng)取10g氫氧化鈉溶解于300mL無(wú)氧蒸餾水中，后加入20g抗壞血酸粉末，再以無(wú)氧去離子水稀釋至500mL，轉(zhuǎn)移到密閉塑料瓶中儲(chǔ)存，避光冷藏．硫化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備：稱(chēng)取硫化鈉晶體 2.402 g,溶解于50 mLSAOB溶液中，轉(zhuǎn)移至100.00 mL棕色容量瓶?jī)?nèi)，用SAOB溶液定容、搖勻，則為1.0×10-1mol/L儲(chǔ)備液，經(jīng)標(biāo)定后避光冷藏．硫代乙酰胺（TAA）標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液的配制：準(zhǔn)確稱(chēng)取0.7513 g硫代乙酰胺試劑晶體溶解于 50 mLSAOB溶液中，轉(zhuǎn)移至100.00 mL棕色容量瓶?jī)?nèi)，用SAOB溶液定容、搖勻，即為1.0×10-1mol/L硫標(biāo)準(zhǔn)溶液，避光保存．pH3.5乙酸鹽緩沖溶液：稱(chēng)取25.0g乙酸銨溶于25mL水中，加入45m L 6 mol／L鹽酸溶液，用稀鹽酸或稀氨水調(diào)解pH值至 3.5，用水定容至 100mL．去氧去離子水：去離子水煮沸10min后冷卻至室溫．

所有實(shí)驗(yàn)用水均為去氧去離子水，其他試劑均為分析純．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 測(cè)定方法

將pH計(jì)功能旋鈕調(diào)至電位（mv）模式，用溫度計(jì)測(cè)量待測(cè)溶液溫度，調(diào)溫度旋鈕旋至測(cè)量溫度．硫離子選擇電極（即工作電極）使用前活化并用去離子水清洗到空白電位約為+160mV．將工作電極和甘汞電極（即參比電極）插入待測(cè)溶液中，用鹽酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至 3.5，打開(kāi)磁力攪拌器，設(shè)置攪拌速度420r/min，計(jì)時(shí)攪拌3min，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄電位值E．

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線繪制制備

6份濃度為2×10-3mol/L的TAA標(biāo)準(zhǔn)溶液100 mL和一份SAOB空白溶液，使用前水浴15 min，冷卻至室溫后，用移液管吸取 2×10-3mol/L的硫標(biāo)準(zhǔn)溶液 25 mL于 6個(gè)攪拌杯內(nèi)．其中一份加入25mLSAOB溶液，用鹽酸和氨水調(diào)節(jié)pH至一定值，按1.3實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，得到電位值E1．

準(zhǔn)確吸取2.50，5.00，7.50，15.00，20.00mL的鉛標(biāo)準(zhǔn)使用液，分別加入上述另外 5個(gè)攪拌杯內(nèi)，然后分別加入 22.50，20.00，17.50，10.00，

5.00 mLSAOB 溶液，鉛濃度分別為1.0×10-4、2.0×10-4、4.0×10-4、6.0×10-4、8.0×10-4mol/L，用鹽酸或氨水調(diào)節(jié)pH至3.5，按1.3操作，記錄反應(yīng)后電位值E2，E3，…，E6，為以ΔE為縱坐標(biāo)，以[-lg（10-3-cPb）]為橫坐標(biāo)作圖，得到 ΔE-[-lg（10-3-cPb）]的工作曲線，見(jiàn)圖1．工作曲線方程為y=30.112x-2.328，相關(guān)系數(shù) r=0.9995，說(shuō)明 ΔE與[-lg（10-3-cPb）]之間有良好的線性關(guān)系．

圖1 不同濃度鉛標(biāo)液的工作曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 配制硫離子標(biāo)準(zhǔn)溶液試劑的選擇

用硫化鈉配制硫離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，需要間接配制，標(biāo)定后方可使用．標(biāo)定過(guò)程繁瑣、耗時(shí)，而且溶液中的硫離子極易被氧化，溶液穩(wěn)定性較差．硫代乙酰胺符合基準(zhǔn)物質(zhì)的要求，可以直接配制．在 pH值≥10時(shí)，硫代乙酰胺配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液于棕色瓶中可穩(wěn)定儲(chǔ)存480h[7]．試驗(yàn)進(jìn)一步考察了硫代乙酰胺和硫化鈉作為硫化物標(biāo)準(zhǔn)溶液的穩(wěn)定性，采用兩種試劑分別配制硫離子濃度為 1.0×10-3mol/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，調(diào)節(jié)pH值=10，存儲(chǔ)于4℃冰箱，在不同時(shí)間測(cè)定其電位值，結(jié)果見(jiàn)圖2．由圖2可見(jiàn)，硫代乙酰胺標(biāo)液儲(chǔ)存20 d后，溶液性能仍非常穩(wěn)定，硫化鈉溶液電位值有所下降，因此本文選擇硫代乙酰胺配制硫離子標(biāo)液．

2.2 抗壞血酸加入量的選擇

抗壞血酸作為抗氧化劑可緩解硫離子的氧化，減少硫離子的氧化損失，降低實(shí)驗(yàn)誤差．溶液中抗壞血酸的濃度對(duì)硫離子的抗氧化程度有影響，需要對(duì)SAOB溶液中抗壞血酸的濃度進(jìn)行優(yōu)化．選擇濃度為10-2mol/L和10-3mol/L的硫代乙酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液為固定濃度，其中含抗壞血酸的濃度分別為0、10 、20、30、40mg/mL，測(cè)定其電位值，結(jié)果見(jiàn)圖3．

由圖3可知，當(dāng)溶液中未加入抗壞血酸時(shí)，溶液的電位值偏低，隨著抗壞血酸濃度的增加，當(dāng)抗壞血酸濃度達(dá)到 10～40mg/mL時(shí)，濃度為1.0×10-2mol/L和1.0×10-3mol/L的硫標(biāo)準(zhǔn)溶液的電位均達(dá)到最大值，并保持基本穩(wěn)定，本文選擇抗壞血酸濃度為30mg/mL．

2.3 硫代乙酰胺溶液沸水浴時(shí)間的選擇

圖2 硫化鈉標(biāo)液和硫代乙酰胺標(biāo)液隨儲(chǔ)存時(shí)間電位變化圖

圖3 抗壞血酸濃度對(duì)硫離子氧化程度的影響

在堿性條件下，由于TAA要在水浴加熱后才可水解出游離硫離子，水浴時(shí)間會(huì)對(duì)硫離子的水解程度產(chǎn)生影響．因此，需對(duì) TAA的水浴時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化．用濃度1.0×10-3mol/L的TAA分別經(jīng)過(guò)沸水浴5、10、15和20 min后，測(cè)定其濃度，結(jié)果見(jiàn)表1．

由表1可見(jiàn)，水浴時(shí)間從5～15min遞增的過(guò)程中，測(cè)得硫離子的相對(duì)誤差逐漸減小，水浴 15min時(shí)，相對(duì)誤差最小，而當(dāng)水浴時(shí)間增加至20min時(shí)，相對(duì)誤差增大，可能由于水浴時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致溶液中水解出來(lái)的部分硫離子被氧化損失．所以選擇加熱15min作為配制硫離子標(biāo)液的最佳水浴時(shí)間．

2.4 pH值的選擇

金屬硫化物在弱酸中的沉淀包含沉淀-溶解平衡和弱酸離解平衡，假設(shè)金屬離子的初始濃度為1.0×10-3mol/L，沉淀完全的濃度為小于1.0×10-7mol/L．根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計(jì)算可得出各種金屬離子開(kāi)始沉淀和沉淀完全時(shí)的 pH值，結(jié)果見(jiàn)表2．當(dāng)溶液pH值大于開(kāi)始沉淀時(shí)的pH值而小于完全沉淀時(shí)pH值時(shí)，金屬離子部分沉淀；當(dāng)溶液pH值大于等于完全沉淀時(shí)的pH值時(shí)，金屬離子可完全沉淀．因此，可根據(jù)檢測(cè)重金屬離子種類(lèi)的需要，選定不同的pH值，進(jìn)行測(cè)定．國(guó)標(biāo)法[9]檢測(cè)重金屬選用溶液pH值為3.5，為了與國(guó)標(biāo)方法具有可比性，本方法同樣選擇溶液pH值為3.5．

2.5 電極響應(yīng)時(shí)間選擇

按最佳實(shí)驗(yàn)條件配制系列硫標(biāo)準(zhǔn)溶液，設(shè)置 3平行，插入電極后進(jìn)行電位測(cè)定，記錄各濃度溶液的響應(yīng)時(shí)間，觀察停止攪拌后電位的變化．結(jié)果見(jiàn)表3．

由表 3可見(jiàn)，當(dāng)溶液中硫離子濃度大于1.0×10-4mol/L時(shí)，電極的響應(yīng)時(shí)間較迅速，大約在10～60s之內(nèi)即可讀數(shù)．然而，當(dāng)硫標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度在1.0×10-5～1.0×10-7mol/L 時(shí)，其電位平衡建立較為緩慢，約在 3min內(nèi)可獲得穩(wěn)定的電位值．因此本文選擇攪拌時(shí)間3min后讀數(shù)．

表1 水浴時(shí)間對(duì)TAA水解程度的影響

表2 金屬離子開(kāi)始沉淀與完全沉淀時(shí)的pH值

表3 硫離子濃度對(duì)電極響應(yīng)時(shí)間的影響

2.6 共存離子的影響

在優(yōu)化條件下考察了一些常見(jiàn)離子對(duì)測(cè)定的干擾情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在濃度為1.0×10-3mol/L的硫離子標(biāo)準(zhǔn)溶液中，500倍的陰離子如CI-、I-、SO4-、NO3-、HCO3-、NO2-、SO32-等均對(duì)硫化物的測(cè)定不產(chǎn)生干擾．1000倍的鈣、鎂、鋇、鈉、陽(yáng)離子對(duì)電位測(cè)定不產(chǎn)生干擾．

3 方法應(yīng)用

食品級(jí)氯化鈣在食品加工中常用作穩(wěn)定劑和凝固劑，用于豆腐生產(chǎn)，果蔬加工等，能夠保持食品組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[10]．國(guó)標(biāo)[11]規(guī)定食品級(jí) CaCl2重金屬含量需采用《GB 5009.74-2014食品添加劑重金屬限量試驗(yàn)》進(jìn)行檢測(cè)，但該法只能定性檢測(cè)，無(wú)法測(cè)得重金屬含量的定量值，將本法應(yīng)用于食品添加劑CaCl2中重金屬檢測(cè)，可得到其中重金屬含量的定量結(jié)果，對(duì)其生產(chǎn)和監(jiān)督能起到更好的指導(dǎo)作用．

3.1 食品添加劑CaCl2中重金屬檢測(cè)

由標(biāo)準(zhǔn)曲線可知，當(dāng)鉛離子的濃度在6.0×10-4～8.0×10-4mol/L之間時(shí)，檢測(cè)的靈敏度最高．因此對(duì)食品添加劑CaCl2中重金屬采用以下操作步驟進(jìn)行測(cè)定．加入已配制好的濃度為2.0×10-3mol/L硫標(biāo)準(zhǔn)溶液25mL于攪拌杯中，然后加入10mLSOAB溶液，再加入15mL鉛標(biāo)準(zhǔn)使用液（得到溶液中鉛離子濃度為6.0×10-4mol/L），最后加入5gCaCl2食品添加劑，接下來(lái)按1.3實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定電位值Ex．

3.2 結(jié)果計(jì)算

ΔE=Ex-E1，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出ΔE對(duì)應(yīng)的y值．則：cx=（c1+10y），mol/L，其中 c1=1.0×10-3mol/L，c樣品=207.2（ cx-6.0×10-4）（以鉛計(jì)），g/L，ρ樣品=207.2（ cx-6.0×10-4）×50×1/5×103，mg/kg．

3.3 精密度和加標(biāo)回收試驗(yàn)

按最佳實(shí)驗(yàn)條件，以某食品添加劑CaCl2為樣品，選擇3個(gè)不同加標(biāo)量（以Pb計(jì)）做加標(biāo)回收試驗(yàn)，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定7次，結(jié)果見(jiàn)表4．

由表4可知，本方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于6%，加標(biāo)回收率在 96.6%～106%之間，說(shuō)明方法具有較好的精密度和準(zhǔn)確度．

3.4 方法對(duì)比

取3種不同品牌的食品添加劑CaCl2作為樣品，分別按照本法、國(guó)標(biāo)法[9]和ICP-AES法進(jìn)行重金屬檢測(cè)．國(guó)標(biāo)法利用重金屬離子與硫化氫作用，生成棕黑色，與同法處理的鉛標(biāo)液（cpb=20mg/kg）比較，只能給出定性結(jié)果．ICP-AES法測(cè)得值為各重金屬元素的總量．檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，由表5可見(jiàn)，本法與國(guó)標(biāo)法結(jié)果一致，與ICP-AES法相對(duì)誤差在13%以?xún)?nèi)．

表4 樣液中重金屬的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=7）

表5 2種不同方法檢測(cè)食品添加劑CaCl2中重金屬結(jié)果對(duì)比

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