三價(jià)鉻和六價(jià)鉻的前處理、分離與檢測(cè)方法

摘要:
鉻的常見(jiàn)穩(wěn)定價(jià)態(tài)是三價(jià)和六價(jià)，其中三價(jià)鉻是人體的必需微量元素，而六價(jià)鉻是1類致癌物。因此，三價(jià)鉻和六價(jià)鉻的檢測(cè)尤為重要。本文綜述了三價(jià)鉻和六價(jià)鉻的樣品前處理、分離與檢測(cè)方法。

鉻(Cr)是人體的必需微量元素，參與糖代謝調(diào)節(jié)、促進(jìn)蛋白質(zhì)合成和生長(zhǎng)發(fā)育等。鉻缺乏可導(dǎo)致葡萄糖和脂類代謝的改變，并與糖尿病、心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。鉻的毒性與其價(jià)態(tài)密切相關(guān)，鉻從-2到+6價(jià)態(tài)都有，三價(jià)鉻Cr(III)和六價(jià)鉻Cr(VI)是自然界中最常見(jiàn)的穩(wěn)定價(jià)態(tài)，而Cr(II)、Cr(IV)和Cr(V)不穩(wěn)定，容易轉(zhuǎn)化成Cr(III)或Cr(VI)。金屬鉻(0價(jià))不引起中毒，Cr(III)屬于低毒性物質(zhì)，Cr(VI)毒性最大，其致畸、致癌和致突變毒性比Cr(III)高10～100倍。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)把Cr(VI)歸為“1類致癌物”。Cr(VI)比Cr(III)易吸收，有機(jī)鉻比無(wú)機(jī)鉻易吸收[1]。因此，Cr(III)才是真正意義上人和動(dòng)物機(jī)體必需的微量元素，而Cr(VI)則是嚴(yán)格管控的元素。元素價(jià)態(tài)分析最重要的是保持元素原始價(jià)態(tài)不變，因此樣品前處理方法就成為元素價(jià)態(tài)分析的關(guān)鍵。本文總結(jié)了三價(jià)鉻和六價(jià)鉻的樣品前處理、分離與檢測(cè)方法，其中重點(diǎn)介紹樣品前處理方法。

鉻價(jià)態(tài)與pH
　　Cr(III)是最穩(wěn)定的價(jià)態(tài)，也是生物體內(nèi)最常見(jiàn)的一種，但Cr(III)在堿性溶液中卻有較強(qiáng)的還原性，較易被氧化。Cr(VI)具有較高的正電荷和較小的半徑，不論在晶體中還是在溶液中都不存在簡(jiǎn)單的Cr(VI)離子，而總是以酸根陰離子的形式存在。Cr(VI)主要是與氧結(jié)合成鉻酸鹽(CrO42-)或重鉻酸鹽(Cr2O72-)，是一種強(qiáng)氧化劑，不同pH條件下兩種離子可以互相轉(zhuǎn)化，在酸性溶液中，兩種離子很容易還原成Cr(III)。溶液中鉻的價(jià)態(tài)會(huì)隨著pH的變化而發(fā)生改變，pH降低極易導(dǎo)致Cr(VI)還原成Cr(III),pH升高又極易導(dǎo)致Cr(III)氧化成Cr(VI)。pH<3.9時(shí)，Cr(III)以水溶性Cr3+陽(yáng)離子形式存在，隨著pH升高到5,Cr3+數(shù)量逐漸減少;pH>5時(shí)，通過(guò)水解反應(yīng)形成Cr(OH)2+;pH>6時(shí)，形成水不溶性Cr(OH)3沉淀。pH<1時(shí)，Cr(VI)主要以H2CrO4形式存在;pH 1～6.5時(shí)，主要以HCrO4-陰離子形式存在;pH8～12時(shí)，主要以CaCrO4和CrO42-形式存在;pH>12時(shí)，以CrO42-陰離子形式存在。

樣品前處理方法
　　鉻價(jià)態(tài)受其所處基質(zhì)性質(zhì)和分析方法的影響，因此難點(diǎn)就在于如何保持鉻最初價(jià)態(tài)不變，同時(shí)要使樣品中各種鉻形態(tài)能定量地轉(zhuǎn)化為可測(cè)形式。溫度、pH、光和儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)鉻價(jià)態(tài)有較大影響。樣品最好置于不超過(guò)4°C，可以防止微生物引起的甲基化或生物降解。基質(zhì)pH顯著影響無(wú)機(jī)鉻價(jià)態(tài)，因此不要僅為儲(chǔ)存目的就改變樣品的pH。光可引起有機(jī)鉻化合物光降解，因此樣品應(yīng)置于不透明或黑色容器中儲(chǔ)存。儲(chǔ)存時(shí)間越短越好。僅硅酸鹽玻璃或石英玻璃容器可用于處理和儲(chǔ)存樣品，有些玻璃容器容易帶入鉻，有些方法推薦用20%硝酸溶液浸泡玻璃24h以上。分析前才可稀釋樣品。分析水樣中六價(jià)鉻時(shí)，須置于用酸浸泡后洗凈的塑料或硅酸鹽玻璃容器，樣品應(yīng)在24h分析，最長(zhǎng)不可超過(guò)4d。
　　固體樣本首先要提取鉻成分。堿性條件下水溶性及水不溶性Cr(VI)鉻酸鹽可以轉(zhuǎn)變成可溶性鹽，而Cr(III)變成不溶性碳酸鹽、氫氧化物或氧化物，因此堿性條件有利于Cr(VI)的提取，如采用Na2CO3、NaOH、NaOH-Na2CO3，同時(shí)提取液中加入含Mg2+離子(氯化鎂)抑制Cr(III)氧化成Cr(VI)。此外，氫氧化銨(NH4OH)也可用于選擇性提取Cr(VI)。酸性條件下有利于提取Cr(III)，且可防止Cr(VI)還原成Cr(III)，如乙酸、鹽酸，所以酸性提取條件下所得樣品可用于同時(shí)測(cè)定Cr(III)和Cr(VI)。
    提取Cr(VI)時(shí)，為避免Cr(III)氧化成Cr(VI)，可以加入Cr(III)絡(luò)合劑，如乙二胺四乙酸(EDTA)、2,6-嘧啶二羧酸(PDCA)、乙二胺-N,N’-二琥珀酸(EDDS)、二乙烯三胺五乙酸(DTPA)等。EDTA是Cr(III)的有效絡(luò)合劑，可與Cr(III)形成穩(wěn)定的Cr(III)-EDTA絡(luò)合物，而EDTA不與Cr(VI)絡(luò)合，因此加入EDTA可以有效避免Cr(III)氧化成Cr(VI)。樣品用EDTA溶液提取，含EDTA溶液為流動(dòng)相，Cr(III)以Cr(EDTA)-形式存在，Cr(VI)以CrO42-形式存在，陰離子交換色譜柱分離兩種鉻離子，電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)進(jìn)行檢測(cè)。pH高對(duì)形成Cr(EDTA)-絡(luò)合物有利，但此時(shí)也容易發(fā)生水解。由于EDTA本身有紫外吸收，鉻離子濃度較低時(shí)，采用廣泛使用的紫外檢測(cè)器則干擾較大，此時(shí)，把鉻離子用EDTA進(jìn)行柱前衍生化，采用無(wú)紫外吸收的硫酸鈉為流動(dòng)相，可以獲得理想結(jié)果，同時(shí)降低分析成本。采用含有硝酸的淋洗液，用離子色譜(IC)-ICP-MS進(jìn)行分離檢測(cè)，則無(wú)需EDTA前處理，可同時(shí)測(cè)定Cr(III)和Cr(VI)。流動(dòng)相中加入離子對(duì)試劑如四丁基硫酸氫銨，可以采用反相色譜-ICP-MS測(cè)定Cr(VI),100μL進(jìn)樣量時(shí)，Cr(VI)的檢測(cè)限為0.04mg/kg。PDCA與Cr(III)可絡(luò)合成Cr(DPCA)2-，而不與Cr(VI)結(jié)合。1,5-二苯卡巴肼(DPC)可與Cr(VI)結(jié)合Cr-DPC。Cr(III)的配位交換能力較弱，用PDCA柱前衍生化Cr(III)，用DPC柱后衍生化Cr(VI)，淋洗液中加入PDCA，在陰離子色譜上分離Cr(III)和Cr(VI)(CrO42-或Cr2O72-形式)后，在365或520nm波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，Cr(III)和Cr(VI)的檢測(cè)限分別為0.12mg/mL和0.011mg/kg。也可采用EDTA絡(luò)合Cr(III),DPC絡(luò)合Cr(VI)的衍生化方式，同時(shí)檢測(cè)兩種鉻離子。
鉻酵母通過(guò)生物轉(zhuǎn)化將無(wú)機(jī)鉻轉(zhuǎn)變成有機(jī)鉻，其中絕大部分鉻與酵母細(xì)胞的蛋白質(zhì)、DNA、RNA結(jié)合，少部分與多糖和脂類結(jié)合。對(duì)于此類含鉻復(fù)雜樣品中鉻提取，則要結(jié)合多種提取方法，例如:蛋白酶解與人工胃腸道液提取結(jié)合，分子排阻色譜法分離兩種離子;NaOH-Na2CO3加熱提取或結(jié)合EDTA絡(luò)合劑提取，而后pH7硝酸-氫氧化銨流動(dòng)相在弱陰離子交換色譜上分離Cr(III)和Cr(VI)。
　　曇點(diǎn)提取幾乎不使用有害化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境不造成危害，被認(rèn)為是一種綠色提取方法。該法可用于食品原料、溶液、人血清和淤泥中Cr(III)和Cr(VI)的提取。固相提取法也用于選擇性提取Cr(III)或Cr(VI)。

分離與檢測(cè)方法
　　鉻價(jià)態(tài)分析方法可以分為離線和在線兩大類，離線分析方法就是樣品處理后分析Cr(III)或Cr(VI)，在線分析方法則是采用聯(lián)用方法同時(shí)分離和分析Cr(III)和Cr(VI)。幾篇綜述較為完整概述了鉻價(jià)態(tài)的檢測(cè)方法類型和原理。
       離線分析方法由于采用無(wú)分離能力的儀器設(shè)備，如原子吸收儀、ICP-MS及紫外-可見(jiàn)分光光度儀，分析鉻需要首先分離Cr(III)或Cr(VI)。離子交換法、吸附法、萃取法、沉淀法、電化學(xué)法、膜分離法等常用于分離兩種鉻離子。離子交換法是利用陰離子交換樹(shù)脂、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、螯合樹(shù)脂、萃淋樹(shù)脂等作為吸附劑，將溶液中的鉻離子吸附于樹(shù)脂上，然后利用合適的洗脫液將其洗脫達(dá)到分離目的。吸附法是用活性氧化鋁、納米材料(二氧化鈦、納米二氧化鋯、納米鈦酸鍶鋇粉、鈦酸鍶鋇等)、冠醚交聯(lián)殼聚糖、溴化十六烷基三甲胺等為吸附材料，吸附鉻離子，然后用適宜洗脫液沖洗分離。
　　在線分析方法通常將分離儀器與檢測(cè)儀器聯(lián)接，做到簡(jiǎn)便、快速、靈敏。高效液相色譜常與ICP-MS聯(lián)接，采用反相色譜柱、離子色譜柱、分子排阻色譜柱[18]等分離鉻離子，然后ICP-MS檢測(cè)。Cr有4種穩(wěn)定的同位素，即50Cr、52Cr、53Cr和54Cr。采用ICP-MS測(cè)定52Cr或53Cr來(lái)定量鉻，為了增加特異性，同位素稀釋也用于鉻測(cè)定。ICP-MS是元素分析中最常用的分析技術(shù)，可同時(shí)快速檢測(cè)多種元素，具有靈敏度高、精密度好、檢測(cè)限低等特點(diǎn)并可同色譜技術(shù)聯(lián)用于元素的形態(tài)分析。楊海鋒等[9]用陰離子交換色譜柱分離食用菌中的Cr(III)和Cr(VI),HPLC-ICP-MS檢測(cè)，100μL進(jìn)樣量時(shí)，Cr(III)和Cr(VI)的檢測(cè)限分別為0.03ng/mL和0.1ng/mL。朱敏等采用陰離子交換色譜拄，60mmol/L硝酸為淋洗液，離子色譜-ICP-MS檢測(cè)尿液中Cr(III)和Cr(VI)，其檢測(cè)限分別為0.05和0.5μg/L。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、電化學(xué)法、中子活化法、化學(xué)發(fā)光法等也常用于鉻檢測(cè)，主要是進(jìn)行不同基質(zhì)樣品中鉻的總量測(cè)定。采用分光光度法測(cè)定水中Cr(VI)時(shí)，操作繁瑣，干擾較多。
　　水樣品前處理相對(duì)簡(jiǎn)單，幾乎可以直接分離和檢測(cè)。我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Cr(VI)的最大允許濃度為50ng/mL，利用二苯碳酰二肼在酸性條件下可與Cr(VI)生成紅色絡(luò)合物，采用分光光度法檢測(cè)，其檢測(cè)限為4ng/mL，但該法操作繁瑣，物理和化學(xué)因素干擾較多。陳紹占等采用EDTA絡(luò)合水中Cr(III),EDTA和硝酸銨用于流動(dòng)相，陰離子交換柱作為分析柱，IC-ICP-MS分離和檢測(cè)水中Cr(III)和Cr(VI)，其檢測(cè)限分別為0.05和0.02ng/mL。田雨荷等[32]采用含有EDTA和四丁基氫氧化銨離子對(duì)的流動(dòng)相，反相色譜柱C18分離，ICP-MS檢測(cè)水中Cr(III)和Cr(VI)，其檢測(cè)限分別為0.5和0.34ng/mL。

總結(jié)
　　本文綜述了三價(jià)鉻和六價(jià)鉻的樣品前處理、分離與檢測(cè)方法。鉻的兩種價(jià)態(tài)在樣品前處理過(guò)程中可發(fā)生轉(zhuǎn)化，不同的處理方式和檢測(cè)條件對(duì)價(jià)態(tài)測(cè)定結(jié)果有很大的影響，因此需要尋找合適的樣品前處理方法，保持樣品基質(zhì)中鉻的價(jià)態(tài)不發(fā)生變化。需選擇優(yōu)化簡(jiǎn)單有效的不同鉻價(jià)態(tài)分離方法，配合靈敏度高的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行鉻的價(jià)態(tài)分析，提高檢測(cè)方法的選擇性、靈敏度、準(zhǔn)確度和適用性。