（分析化学专业论文）流动注射浊点萃取光学仪器联用分析生物样品中痕量铬、砷、铅、镉的形态.pdf

摘要 随着科学技术的发展，在进行地质、生物、环境等样品的分析时， 经常要求测定n g m l 甚至p g m l 级的痕量元素，虽然流动注射分光 光度法和原子光谱分析等技术具有很高的灵敏度，且在测定样品时所 需样品量也不多，但要直接测定这些试样中的痕量组分往往会遇到困 难，有时甚至是不可能的，这是因为：一方面，分析方法对极低含量 的组分灵敏度不够，或者样品本身的物理化学状态有的不适合：直接测 定；另一方面是存在基体干扰，或者缺乏相应的校正标准和试剂。因 膜萃取、浊点萃取、硫酸铅共沉淀、在线离子对反相色谱分析、固相 浊点萃取是近年来出现的一种新兴的液一液萃取技术，它不使用 挥发性有机溶剂，不影响环境。它以中性表面活性剂胶束水溶液的溶 解性和浊点现象为基础，通过改变实验参数引发相分离，将疏水性物 质与亲水性物质分离。作为一种分离富集的手段，因其具有萃取效率 高、富集因子大、操作简便、安全、经济、便于实现联用化等优点， 受到人们的极大关注与重视，并在生物大分子的分离纯化、有机小分 子的分离测定及金属离子的分离富集等方面得到广泛的应用。 本论文的目的是，以浊点萃取和氢化物发生器作为分离富集手 段，以流动注射和可见分光光度计或原子光谱分析技术联用为检测手 段，分析痕量铬、砷、铅、镉的形态，并将其应用于实际样品。 主要研究内容概括如下： ( 1 ) 采用浊点萃取作为分离富集手段，采用流动注射一分光光度计 做为检测手段，系统地研究了痕量铬不同形态，通过单因素实验和正 交试验确定了最佳的萃取条件和实验条件，在优化条件下，分析了生 物样品中铬的不同形态，建立了一种铬的形态分析的新方法。 ( 2 ) 采用流动注射一氢化物发生器作为分离富集手段，采用电加热 原子吸收法作为检测手段，测定了痕量砷的不同形态，通过控制溶液 p h 值，即可达到分离( a s ( i i i ) ) $ 1 ( a s ( v ) ) ，并从理论上解释了原因。 在优化的实验条件下，将建立的方法应用于不同水样中的测定，结果 满意。 ( 3 ) 采用浊点萃取作为分离富集手段，采用f a a s 作为检测手段， 对影响金属离子铅、镉的浊点萃取效率的各种因素进行研究，确定最 佳的萃取条件和仪器条件，并将其应用于生物样品中不同形态铅、镉 的分离和测定。 关键词：浊点萃取，形态分析，流动注射，氢化物发生，光度法 i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ed e t e r m i n a t i o n o ft r a c ee l e m e n t so t t e n r e q u i r e sm o r es e n s i t i v i t y f i a ( f l o wi n je c t i o n s p e c t r o p h o t o m e t r y ) a n da a s ( a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t r y ) h a v eav e r yh i g hs e n s i t i v i t ya n di nt h e p r o c e s so fd e t e r m i n a t i o nt h e y r e q u i r eaf e wv o l u m e ，b u ti fd e t e r m i n et h es a m p l ed i r e c t l yi tw i l lf a c ea o fd i f f i c u l t i i m p o s s i b l e ，thelot o id l t t l c u l t i e so re v e n m p o s s i b l eb e c a u s eo nt h eo n eh a n d a n a l y s i so fav e r y1 0 wc o n t e n to fe l e m e n t sl a c ko fh i g hs e n s i t i v i t yo rt h e s t a t eo ft h es a m p l e sd on o ts u i t a b l ef o rd i r e c td e t e r m i n a t i o n ，o nt h eo t h e r h a n d ，t h e r ee x i s tm a t r i xi n t e r f e r e n c eo rl a c ko fa p p r o p r i a t ec a l i b r a t i o n s t a n d a r d sa n dc h e m i c a lr e a g e n t t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt oh i r et h e s e p a r a t i o na n de n r i c h m e n tt e c h n o l o g yi no r d e rt oi m p r o v et h es e n s i t i v i t y a n ds e l e c t i v i t yo ft h ed e t e r m i n a t i o n c l o u dp o i n t e x t r a c t i o n ( c p e ) i s an e wl i q u i d 1 i q u i de x t r a c t i o n t e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r sw i t ht h ea d v a n t a g e so fl i t t l eu s e sv o l a t i l e o r g a n i cs o l v e n t sa n dd on o tc o n t a m i n a t et h ee n v i r o n m e n t i ti sb a s e do n t h e s o l u b i l i t ya n dc l o u dp o i n tp h e n o m e n o no ft h en e u t r a ls u r f a c t a n t m i c e l l a ri n a q u e o u ss o l u t i o n ，t h eh y d r o p h o b i ca n dh y d r o p h i l i cm a t e r i a l w i l ls e p a r a t eb yc h a n g i n gt h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r s c p ea sam e a no f s e p a r a t i o na n de n r i c h m e n t ，i th a sal o to fm e r i t s ，s u c ha sh i g he x t r a c t i o n e f f i c i e n c y ，g r e a t e n r i c h m e n t f a c t o r s ，e a s yt oo p e r a t e ，c o n v e n i e n tt o o p e r a t e ，s e c u r i t y ，e c o n o m i ca n dc o n v e n i e n tf o rc o u p l i n gw i t ho t h e r i n s t r u m e n t a sar e s u l t ，i tt a k e sp e o p l e sg r e a tc o n c e r na n dr e c o g n i t i o n n o w ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h es e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o no f b i o l o g i c a lm a c r o m o l e c u l e s ，t h es e p a r a t i o na n dd e t e r m i n a t i o no fs m a l l o r g a n i cm o l e c u l e sa n dt h es e p a r a t i o na n de n r i c h m e n to fm e t a l i o n sa n ds o o n t h ep u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei st ou s et h ec l o u dp o i n te x t r a c t i o na n d h y d r i d eg e n e r a t o ra sam e a n so fs e p a r a t i o na n de n r i c h m e n t ，e m p l o yf i a c o u p l e dw i t hv i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t e ro ra a sa st h em e a no fd e t e c t i o n t oa n a l y s i st h es p e c i a t i o no ft r a c ec h r o m i u m ，a r s e n i c ，l c a d c a d m i u ma n d a p p l ie dt ot h ea c t u a ls a m p le s i t h em a i nc o n t e n t so ft h isp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) u s et h ec l o u dp o i n te x t r a c t i o na s am e a no fs e p a r a t i o na n d e n r i c h m e n t ，h i r et h ef i a - v i ss p e c t r o p h o t o m e t e ra sam e a no fd e t e c t i o n ， s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h es p e c i a t i o no ft r a c ec h r o m i u m t h eo p t i m a l e x t r a c t i o nc o n d i t i o n sa n d e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d t h r o u g hs i n g l e f a c t o re x p e r i m e n ta n do r t h o g o n a lt e s t u n d e rt h eb e s t c o n d i t i o n s ，t h ed i f f e r e n tf o r m so fc h r o m i u mi nb i o l o g i c a ls a m p l e sw e r e a n a l y z e d ( 2 ) u s et h ef l o wi n j e c t i o n h y d r i d eg e n e r a t o ra sam e a no f s e p a r a t i o n a n d e n r i c h m e n t ，e m p l o y t h ee l e c t r i c a l h e a t i n g a t o m i c a b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r ya sam e a no fd e t e c t i o n ，s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h es p e c i a t i o no ft r a c ea r s e n i c a s ( i i i ) a n da s ( v ) c o u l db es e p a r a t e db y c o n t r o l l i n gt h ep hv a l u eo ft h es o l u t i o na n de x p l a i n e di nt h e o r y u n d e r t h e o p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h ee s t a b l i s h e dm e t h o dw a su s e di n d i f f e r e n t w a t e rs a m p l e sw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s ( 3 ) u s et h ec l o u dp o i n te x t r a c t i o na sam e a no fs e p a r a t i o na n d e n r i c h m e n t ；u s ef a a sa sam e a no fd e t e c t i o n ，s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e da v a r i e t yo ff a c t o r so ft h es p e c i a t i o no ft r a c el e a da n dc a d m i u m ，d e t e r m i n e d t h eo p t i m a le x t r a c t i o nc o n d i t i o n sa n de q u i p m e n tc o n d i t i o n s f u r t h e r m o r e ， i tw a su s e di nt h es p e c i a t i o no ft r a c el e a da n dc a d m i u mi n b i o l o g i c a l s a m p l e s k e yw o r d s ：c l o u dp o i n te x t r a c t i o n ，s p e c i a t i o na n a l y s i s ，f l o wi n j e c t i o n ， h y d r i d eg e n e r a t i o n ，s p e c t r o p h o t o m e t r y i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另t i n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：查童 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被套阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者躲迤导师签名血丝嗍耳年上月监日 1 1 中南人学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 分析痕量铬、砷、铅、镉重要性 1 1 1 重金属在生物样品中污染现状 科技是一把双刃剑，2 0 世纪以来科学技术突飞猛进的同时人类也为之付出 了惨重的代价。工业“三废”、机动车尾气的排放、污水灌溉和农药、除草剂、 化肥等的使用，严重地污染了土壤、水质和大气。据报道，1 9 8 9 年我国有色冶金 工业向环境中排放重金属h g 为5 6 t ，c d 为8 8 t ，a s 为1 7 3 t ，p b 为2 2 6 t i 。重金属元 素的毒性作用主要是由于它们进入体内并与体内酶蛋白上的一s h 和一s s 一键 牢固结合，从而使蛋白质变性，酶失去活性，组织细胞出现结构和功能上的损害。 土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部 分。随着农业生产的发展和农业现代化的推进，人们忽视了土壤的环境承载能力， 过量施用劣质化肥、农药，造成土壤中重金属污染日趋严重。目前，全世界平均 每年排放h g 约1 5 w t ，c u3 4 0 w t ，p b5 0 0 w t ，m n1 5 0 0 w t ，n i l 0 0 w t l 2 。据农业部 的调查结果，目前我国污水灌区面积约1 4 0 w h m 2 ，遭受重金属污染的土地面积占 污灌总面积的6 4 8 。其中，轻度污染面积占4 6 7 ，中度污染面积占9 7 ，严 重污染面积占8 1 4 ，并且以汞和镉的污染面积最大，部分地区的重金属污染已 经相当严重。土壤中重金属积累到一定程度会对土壤一植物系统产生毒害，会造 成重大的经济损失。据初步估计，全国每年因重金属污染而造成的粮食减产损失 高达1 0 0 0 多；另外，每年被重金属污染的粮食也多达1 2 0 0 w t ，合计经济损失至 少2 0 0 亿元。目前，已有一些地方生产的粮食、蔬菜、水果等食物中重金属含量 超标或接近临界值，这些农产品通过食物链富集到人体和动物体中，还会危及人 类的生命和健康，引发癌症和其他疾病等，并导致大气、地表水、地下水污染和 生态系统退化等其他次生生态问题。因此，土壤重金属污染已引起许多国家的高 度重视。 目前最引起人们注意的是砷、镉、铬、汞等。重金属随废水排出时，即使浓 度很小，也可能造成危害，由重金属造成的环境污染称为重金属污染。重金属污 染的特点表现在以下几方面：( 1 ) 水体中的某些重金属可在微生物作用下转化为 毒性更强的金属化合物，如汞的甲基化作用就是其中典型例子；( 2 ) 生物从环境 中摄取重金属可以经过食物链的生物放大作用，在较高级生物体内成千万倍地富 集起来，然后通过食物进入人体，在人体的某些器官中积蓄起来造成慢性中毒， 中南人学硕十学仲：论文第一章绪论 危害人体健康；( 3 ) 在天然水体中只要有微量重会属即可产生毒性效应，一般重 金属产生毒性的范围大约在l 一1 0 m g l f 5 1 2 _ 问，毒性较强的金属如汞、镉等产生 毒性的质量浓度范围在0 0 l 0 0 0 1 m g l 之间。 污染水体的重金属有镉、铅、铬、砷、钒、钴、铜和汞等，以汞毒性最大， 镉、铅、铬次之，砷的毒性与重会属相似，故污染指标也并入此类。重金属与有 机物不同，它不能被微生物所分解，故当重余属流人水体后，可通过食物在生物体 中逐步富集，或被水中悬浮物吸附后沉入水底，积存在泥沙中，此外，有些重金 属如无机汞还能通过微生物作用转化为毒性更高的有机汞化合物如甲基汞。重金 属主要通过食物，饮水及呼吸进入人体，且不易排泄，能在人体的一定部位积累 而使人慢性中毒。因此，水体中重金属的含量是水质污染的重要指标。 1 1 2 重金属的生物毒性 重金属是一种难于控制的污染物。毒性大、潜伏期长，并且能沿食物链富集。 重金属对有机物的络合稳定性也一定程度上反映了重金属对植物的毒性大小。重 金属对靶生物一微生物和植物的毒害作用，但重金属的污染效应并不仅仅局限于 此，影响更大，作用更广的也许还是重金属的过量残留问题，后者将导致对动物 或人的毒性。 ， 重金属进入动物体内后，不同种类金属可能会产生协同作用，导致毒性更大。 欧小兵1 3 】等研究了重金j g n ( c u 2 + ) 、镉( c d 2 + ) 对水螅的急性毒性和联合毒性作用， 结果表明，c u 2 + 对水螅的2 4 h 半致死浓度( l c 5 0 ) 、4 8 h l c 5 0 、7 2 h l c 5 0 、9 6h l c 5 0 分别为0 0 7 2 、0 0 5 4 、0 0 4 2 、o 0 3 7 m g l ：c d 2 + 对水螅的2 4 h l c 5 0 、4 8 h l c 5 0 、7 2h l c 5 0 、 9 6 h l c 5 0 分别为0 0 0 1 7 0 、0 0 0 0 6 3 、0 0 0 0 3 6 、0 0 0 0 3 6 m g l 。水螅对两种重金属的 毒性反应既快速又敏感，其中c u 2 + 对水螅的毒性较c d 2 + 快，但c d 2 + 的毒性l 匕c u 2 + 的强。等毒性配比的两种重金属混合液对水螅的毒性大于单一毒性，为协同作用。 s s s s a r m a l 4j 通过在轮虫b r a c h i o n u sr u b e n s 的培养基和食料中添加重金属两 种途径评估了镉和 ；f 的效应，基于l c 5 0 的数据，b r u b e n s 对铅的敏感性要比镉高 2 4 倍，镉浓度为0 4m g l 时，培养基中加入镉造成b r u b e n s 的生长趋缓。而喂食 经不同时问处理的绿藻后，轮虫的密度随着食料在重金属中处理时问的延长而减 小。培养基中或食料中添加铅时，轮虫种群生长的的趋势与在镉处理下的情况类 似。随着培养基中重会属浓度的增加，每天种群增长率( r 值) 会减小。 重金属进入人体后不易排泄，逐渐蓄积，当超过人体的生理负荷时，就会引 起生理功能改变，导致急、慢性疾病或产生远期危害。( 1 ) 慢性中毒：日本的水 俣病是由于汞的污染所造成的，骨痛病是由于镉污染所致。( 2 ) 致癌作用：长 期吸入镍能引起鼻癌和肺癌；铬酸盐烟雾可引起肺癌；长期饮用高砷水可引起皮 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 肤癌、肺癌和肝癌。过量的铁可使铁在细胞内的隔室封闭大量破坏，诱发肿瘤。 ( 3 ) 致畸作用：汞和铅均可引起胎儿先天畸形。( 4 ) 变态反应：镍可引起接触 性皮炎、肺炎，铬可引起眼结膜炎、支气管哮喘、接触性皮炎等。( 5 ) 对免疫 功能的影响：铅可使中性粒细胞减少；铅和镉可使抗体形成减少；砷对免疫功能 有损害作用【5 1 。 1 2 形态分析 1 2 1 形态分析概述 元素形态分析是当今分析化学的重要研究课题之一。1 9 5 8 年g o l d b e r y 等人 首先提出了金属存在形态的概念，但目自 没有统一的定义，国内外学者对其也有 不同的解释。s t u m m 认为化学形态是指某一元素在环境中实际存在的离子或分 子形式。汤鸿霄则认为其包括价态、化合态、结合态和结构念四个方面。戴树桂 认为在测试技术中所谓形态是指化学形式和物理分散态的统称。袁东星认为化学 形态分析是指金属与生物有关元素的价态和络合态分析【lj 。根据国际理论与应用 化学协会( i u p a c ) 的定义，所谓形态分析是指表征与测定元素在样品中存在的 各种物理形态与化学形态的过程，形念分析是样品中元素的一个或多个化学形态 的定性和定量分析活动【6 】，形态一词包含状念( s t a t e ) 、形式( f o r m ) 和物$ 中( s p e c i e s ) 或种形的意思。元素的形态分析就足确定元素在样品中的各种形态以及各形态的 分布与含量，是指该元素的各个物理化学形态，其总和构成样品的总浓度。物 理形态是指元素在样品中的物理状态如溶解态、胶体和颗粒状等。化学形态是指 元素在样品中以某种离子或分子存在的实际形式，它包括元素的价态、化合态、 结合态、聚合态、结构态等i7 1 。 1 2 2 形态分析的重要性 早在2 0 世纪5 0 年代，地球化学家首先发现了水体系中“溶解态金属 和“颗 粒态金属”在传输过程中的差异。随着科学的不断发展，人们已经认识到化学元 素对人体和环境的作用与其存在形态有着密切的联系。自2 0 世纪7 0 年代以来，有 关元素形态分析的研究论文发表数量逐年增加。越来越多的证据表明，物质的化 学形态不仅决定该物质的生物活性和毒性，而且也影响它在生物体内及生态环境 中的迁移转化过程。越来越多的科学工作者认为仅对重金属的总量进行考察是 不科学的，不同金属形态不同其毒性也不相同。即测定元素总浓度不足以评价其 毒性、生物有效性及有益性，必须测定元素在特定样品中存在的形态，才能可靠 3 中南人学硕 学位论文第一章绪论 地评价痕量元素对环境和生态体系的影响。可见，形态分析可以为人们提供更多 有用的信息，在生命科学、环境科学、临床医学、营养学等领域的研究中具有重 要的意义哺j 。 下面我们就上述领域中列举几个范例说明形态分析的重要作用。当今，在生 物学与医学上，研究不同形态如不同价态、无机态和有机态、同位素等已经成为 研究热点。有些元素氧化念不同，其毒性和生物利用度办不同。女f l c r ( i i i ) 足人体 维持生命的必需元素，它可以促进人体葡萄糖的利用，可治疗糖尿病；而c r ( v i ) 在生物体系内具有很强的流动性，具有强氧化性。它可以以c r 0 4 厶、c r 2 0 7 2 。的形 念通过带负电荷的细胞膜，并且促使其氧化，从而导致病变发生，是致癌物，可 见测定铬的总浓度不足以表明其危害性的大小。在土壤中，铁元素大都以三价的 难溶形式存在的，植物吸收溶解的三价铁后，要利用自身的生物酶将其i 及收的三 价铁转化成二价才能利用，如果土壤中严重缺铁和缺乏这种酶，则植株会囚缺铁 生长得矮小异常；在专家改良了其基因，使铁还原酶恢复活性后，植株的生长即 恢复正常，这也可以说是元素形态分析与现代分子生物学的联姻之作1 9 j 。 在食品药品安全领域，元素形态分析也得到了重要应用。在我国，1 9 9 9 年元 旦期间，在江两赣州地区的龙南、定南两县，1 0 0 0 多名群众因使用含有有机锡的 桶装工业猪油而严重中毒，造成1 0 0 多人住院治疗，3 人死亡的惨剧【10 1 ，无机锡 单质与有机锡在毒性上有极大差异，无机锡很安全，至今仍作为罐头的包装材料， 而有机锡为剧毒物，食用几十毫克即可置人死地。砷元素的毒理学特性恰好与锡 相反，不同形态的砷对人体的影响不同，a s ( 1 1 1 ) 易与人体内的蛋白质和氨基酸的 毓基结合，形成稳定的整合物而使生物酶失活对生物体造成危害；而a s ( v ) 和毓 基的亲和性不强，因此认为a s ( i i i ) 的毒性远大于a s ( v ) 的毒性。上述的几种有机 砷通常是低毒或者无毒的，一般无机砷的毒性远大于有机砷的毒性，且有机砷不 易被人体i 及收，一般不会引起中毒。总的来说，汞、锡等金属元素烷基化后毒性 增加，而类金属如砷、硒等烷基化后毒性降低。 元素形态分析还可以解决其他一些领域的重要问题，比如欧洲科学家在研究 大气中由汽车尾气排放造成的铅污染情况时，找到了一个有趣的参考系法国 葡萄酒中的有机铅含量。因为葡萄在采摘前吸附积累了当时空气中的含铅成分， 特别是其中只由汽车尾气产生的丁基铅成分，在酿酒后就保存在酒中。对比几十 年来同一地区的葡萄酒含有机铅浓度的变化，科学家们惊奇地发现它竟然与法国 机动车含铅汽油的消费量是一个很吻合的曲线，这样就为环境监测研究又提供了 一个新颖的思路i j 。 由以上可见，元素形态分析已成为现代生物医学、食品安全、环境监测等多 门学科发展的必备工具。甚至，在与我们r 常生活息息相关的经济领域，元素形 4 中南人学硕七学位论文第一章绪论 念分析也可以发挥作用。 1 2 3 不同形态铬、砷、铅、镉的生物毒性、迁移转化以及分析现状 1 2 3 1 不同形态铬的生物毒性及其迁移转化 自然界存在从0 - 至u 6 的各种价态，不同价态铬的生物毒性不同，其无机化合物 以二、三、六价铬形式存在，其中以c r ( i i i ) 和c r ( v i ) 最为稳定，地面水铬含量为l 11 2 9 9 l 。随着研究的不断深入，人们发现铬在各类环境和生物要素( 包括人) 中均 有微量分布，但分布不均。1 9 5 5 年m e r t z 和s c h w a r z 实验发现了葡萄糖耐量因子 ( g t f ) ，并于1 9 5 9 年首次报道了使g t f 具有生物活性的重要结构成分是c r ( i i i ) 后， 铬的生物学功能受到了更广泛重视。铬随后被证明为动植物所必需的微量元素， 试验表明，当土壤铬含量低时，添加微量铬可刺激植物生长，提高产量，如对胡 萝卜、大麦、扁豆、马铃薯、莴苣等1 1 2 1 。1 9 7 7 年铬被确定为人体所必需的四种 微量元素之一( 其它三个是铁、锌和铜) 。土壤中铬的形态分为水溶态、交换态、 沉淀态( 包括铁锰结合态) 、有机结合态和残渣念，而自然土壤中铬的形态以残 渣态和沉淀态为主【l3 1 。在还原性条件下，土壤中铬有向有机结合态转化的趋势， 且有机结合态铬随时间有所增加，水溶态和交换态铬浓度也略有上升；土壤p h 值降低时，水溶态和交换态铬含量增加，沉淀态和残渣态铬含量降低，c r ( i i i ) 能被土壤强烈吸附、沉淀和螫合，土壤溶液中c r ( 1 l i ) 的浓度很快减少。而土壤溶 液中两种六价阴离子，且o c r 2 0 7 2 。和c r 0 4 2 的迁移能力强。它们可以被植物吸收 或沥滤到深层土壤、地下水中或流入表面水造成污染1 1 4 1 。不同植物对铬的富集 能力也不相同，同种植物不同部位及植物生长的不同时期对铬的积累也不一样。 试验表明，水稻中铬的含量顺序由高到低为：根 茎叶 糙米，而且茎叶中的铬 含量随生长时间的延长而减少【l5 | 。动物和人体内的微量营养元素不可能通过自 身合成来产生，只有通过食物链、饮水、呼吸等来满足生理的需要，地域性差异 较大。铬被吸收入血液后，可逐渐与血浆内输血铁球蛋白、白蛋白、p 2 球蛋白结 合，输铁球蛋白有两个结合铁的部位可与c r ( i i i ) 结合。c r ( v i ) 通过红细胞膜的能 力很强，血液中铬在1 5m i n 之内就有5 0 的c r ( v i ) 进入红细胞，并与血红蛋白结 合；c r ( i i i ) 不能进入红细胞，只有当血红蛋白从红细胞中游离出来以后才与之结 合。一般经消化道吸收的铬主要分布于肝、肾、脾等，经呼吸道吸收的铬，大量 积聚在肺内，其次为脾内。适量c r ( i i i ) 可降低人体血浆中的血糖浓度，提高人体 胰岛素活性，促进糖和脂肪代谢，提高人体的应激反应能力等；而c r ( v i ) 贝u j 是一 种强氧化剂，具有强致癌变、致畸变、致突变作用，对生物体伤害较大，六价铬 化合物不论经口、呼吸道，还是经皮肤吸收，都具有刺激和腐蚀作用，还可引起 皮疹、浮肿、喉炎和胃肠道疾病，5g - - 价铬可使人致死。 5 中南人学硕十学位论文第一章绪论 朱定祥i l 酬总结了环境中铬的行为和转移机制以及铬对生物体影响，结论为 铬的迁移转化遵循由土壤叶植物_ 动物_ 人体的转移过程中，从量上来看是相互 制约的：从质上来看，是从无机态铬向有机态铬转化的过程，符合食物链变化规 律。表生环境中不同形态的铬经植物、动物、人体这条食物链被逐级积累，以有 机态的形式存在于高等动物体内( 包括人) ，分散在血液、肌肉等组织中，最终又 归到环境，形成了铬元素的生物地球化学循环。黄掣1 7 j 等用极谱催化法测定了 江水中的总铬、总溶解铬、颗粒态铬、有机念铬、溶解无机铬、溶解无机念c r ( v 1 ) 、 溶解无机念c r ( i i i ) ，分析了不同季节罩铬的存在形态及其迁移转化。 1 2 3 2 痕量铬形态分析现状 铬的形念分析中，许多样品中铬的含量都比较低，因而，分离富集足铬的形 态分析中必不可少的步骤。由于c r ( h i ) 和c r ( v i ) 所带的电荷相反，许多分离和富 集方法都利用了这一特点。富集c r ( h i ) 除了以前常用的氢氧化铁共沉淀法以外， 近年来又发展了氢氧化铝共沉淀法。而富集c r ( v i ) 的方法比较多：包括液液萃取、 液膜萃取、浊点萃取、硫酸铅共沉淀、在线离子对反相色谱分析、固相萃取剂微 柱富集等都足富集c r ( v i ) 的有效手段。 在前人的工作中，对于铬的形态分析方法已作过很多报告，测定生物样品铬 形态的方法很多，归纳起来主要有：( 1 ) 光度法。包括分光光度法，动力学光度 法，催化动力学光度法，速差动力学分析，化学发光法和荧光光度法，荧光碎灭 法等，分光光度法几乎是目前使用得最多的测定铬的方法，国内外都有很多具体 的报道。刘二保i l8 j 综述了c r ( i i i ) 、c r ( v i ) 形态分析的发展，内容包括样品分离富 集、光谱分析、色谱分析。( 2 ) 原子光谱法。原子光谱法测定铬的含量主要包括 火焰和非火焰原子吸收光谱法，电感耦合等离子体原子发射光谱法等。肖开提5 可 行力孜l l9 j 采用三正辛胺( t o a ) 苯萃取分离体系原子吸收光谱法研究分析痕量铬 的形态，方法对c r ( v i ) 矛i j c r ( i i i ) 的检出限分别为6 6u l 和0 2 0 m g l 。朱霞石1 2 0 】 综述了铬形态分析的分离富集原子光谱分析研究进展，详细讨论了铬的存在形 态、铬形念分析中的样品f j 处理方法、分离富集原子光谱检测技术及应用。( 3 ) 色谱法与质谱法。朱敏1 2 l j 用离子色谱和电感耦合等离子体质谱联用法同时测定 样品中三价格和六价铬，c r ( i i i ) 和c r ( v 1 ) 的检出限( s n = 3 ，m z5 3 ) 分别为o 0 5u g l 矛l j o 5u l ，线性范围( m z5 3 ) 从0 5l ag l 至1 5 0 0l ag l 跨越4 个数量级。 ( 4 ) 共 振散射法。李娜【2 2 j 提出用共振散射法分析测定c r ( v i ) 的新方法，线性范围为0 4 0 0i j g l ，方法检出限为6 7u l ，与离子交换分离相结合，用于环境水样中铬 形态分析，结果满意。( 5 ) 电化学分析法。乐上日土【2 3 】对近年来电化学分析法应 用于铬的形态分析的现状和发展趋势进行了概述，包括极谱法、伏安法、电位分 析法、库仑法和其他电化学方法。 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 2 3 3不同形态砷的生物毒性及其迁移转化 砷足否是人体必需的微量元素，迄今为止尚无充分的科学证据，关于砷的“适 量”界值也无法确定。砷在自然界中分布甚广而稀散，几乎存在于所有物质之中， 主要以以下几种形态存在：亚砷酸盐( 砷( i i i ) ) 、砷酸盐( 砷( v ) ) 、单甲 基胂酸( m m a 或m m a a ) 、二甲基胂酸( d m a 或d m a a ) 、胂甜菜碱( a s b ) 、 肿胆碱( a s c ) 、三甲基氧化胂( t m a o ) 、四甲基胂( t m a i 或t e t r a ) 、二 甲基乙基胂( d m e a ) 、二甲基乙酰胂( d m a c e a ) 、胂糖a 、b 、c 、d 等。 砷的形态不同其毒性也不同，研究表明，砷化合物毒性顺序为：砷化氢( 无机物 或有机物) 氧化亚砷( a s 2 0 3 ) 亚砷酸( 无机) 砷酸 砷的化合物( 四个有机 基团带正电荷的砷) 单质砷1 2 4 1 。王燕兰1 2 5 1 报道了l 例长期服用牛黄解毒片致使 慢性砷中毒案例，患者因便秘，在5 6 年时间里每天或隔日服5 6 片牛黄解毒片， 引起慢性砷中毒。李国明【2 6 】等在雄黄对小鼠肾脏形态学的影响研究中发现，低 剂量( 1 2 5 m g k g ) 组对肾脏损害不明显，而高剂量( 2 5 0m g k g ) 组对。肾脏损害较为 严重。 砷的迁移转化：大多数砷以硫化物的形式作为次生元素存在于岩石和砷矿 中，并在矿区的地下水中显示出高砷的特征。在水环境中砷以什么样的形式稳定 存在，主要取决于周围环境的成分、酸碱度( p h ) 和氧化还原电位( e h ) 。一般环 境条件下以无机砷酸盐( a s 0 4 弘) 、亚砷酸盐( a s 0 3 3 ) 两种形式存在，在底泥中 砷有时形成硫化物，自然条件下，地下水中的砷主要来自水与岩石的相互作用， 这种作用使水中砷的含量随时间和空间而变化，还原环境以及较低的p h 值都有 利于砷在地下水中的迁移转化。另外，一些生物化学作用以及某些元素如铁和锰 对砷的吸附解吸也会产生一定影响l 2 17 。地球表层五大环境要素( 大气圈、水圈、 土壤圈、岩石圈、生物圈) 中，土壤承担着5 0 9 0 的各种来源的污染负荷， 其中由砷元素而导致的环境污染问题在工业化城市旱显得日益突出。砷进入土壤 系统后，会进行一系列化学、物理化学和生物化学反应。其结果可能是：使其 成为水溶性砷加重其危害；使其变为难溶性砷化物而在土壤中沉积起来，难以 迁移、危害性不大；被土壤胶体吸附，对砷起着缓冲作用，但有随时被解吸使 土壤再污染的可能性。富含铁、铝的酸性红壤，对砷有相当强大的固定净化作用， 固相中的砷难以解析迁移进入水相中，相反，水相中的砷有可能被吸附沉淀而得 到净化。土壤酸碱性影响着砷的危害程度，由于砷主要呈阴离子态存在，在较低 p h 范围内，h 2 a s 0 4 、h a s 0 4 2 。等能被带正电荷的氢氧化铁等吸附剂迅速吸附； 随着p h 值的增加，吸附剂表面负电荷增高，促使含砷阴离子向溶液中解吸。在 通常的p h 环境内，三价态砷和五价态砷的溶解度均随p h 增加而增高；当土壤由 酸性转为中性乃至碱性时，三价砷的迁移能力更强，又因为三价砷的毒性比五价 7 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 砷高许多倍，因此，p h 值高的土壤中过量砷的危害尤甚2 8 2 9 1 。 1 2 3 4 痕量砷形态分析现状 所谓砷的形态分析就是分离、鉴定及测定各种砷化合物的分析方法。在砷形 态分析初期，一些比较原始的方法常被用于分离或分别测定各种砷形念，如溶液 萃取法，选择性还原法、光度法等方法。近几年来各种联用技术如高效液相色谱 与原子荧光光谱、原子发射光谱等联用，氢化物发生法与电感耦合等离子体质潜 联用技术等对于砷的形态分析能达到较好效果。李海敏2 4 1 、甄云鹏3 0 1 等对近年 有关砷的形态分析的进展作了综述。 1 2 3 5 不同形态铅、镉的生物毒性及其迁移转化 铅是环境中广泛存在一种有毒重金属，并具有极广泛的用途，如：合金、颜 料、弹药、蓄电池制造、压延产品、电缆护套和汽油添加剂等。铅难以降解，可 通过食物、土壤、水和空气经呼吸道、消化道和皮肤三种途径进入人体，随血液 循环而被全身各组织迅速吸收。然而铅对人体来说，没有任何生理功能，纯属毒 物，铅具有极强的亲神经毒性，大量或长期铅暴露会发生急性或慢性铅中毒，铅 在体内能取代细胞内与巯基酶结合的元素，而与酶蛋白中的巯基结合，使酶失去 活性，导致生理生化功能障碍，影响人们的身心健康，尤其对儿章的体格生长、 心理成熟、智力发育和学习行为影响更严重。匡少平p l j 研究了铅对泥鳅的致毒 效应，通过毒性试验，表明铅可导致泥鳅发生各种生理、生殖反应( 甚至死亡) ， 并诱发泥鳅血红细胞和卵细胞畸形，破坏血红细胞和卵细胞的j f 常生长，降低细 胞的存活率，影响泥鳅的正常生理、生殖功能，显示较强的雌激素活性。刘文1 3 2 1 通过铅、酚在2 4h 内对红虫的单一和联合急性毒理试验，得出铅、酚单一急性毒 理试验的l c 5 0 分别是o 0 4 m g l 和o 0 4 1 m g l ，联合急性毒理试验的l c 5 0 为 o 0 6 1 m g l ，说明铅和酚的联合毒性作用具有拮抗作用。 铅的迁移转化：有机铅污染来自广泛使用的汽油抗爆剂四烷基铅，在自然界 水体中四烷基铅会降解成三烷基铅、二烷基铅，最后成为无机铅离子( 一烷基铅 极不稳定) 。土壤中铅可分为矿物态、吸附念、水溶态和有机络合态。矿物态铅 有方铅矿( p b s ) 、红铅矿( p b 0 2 ) 、白铅矿( p b c 0 3 ) 和硫酸铅矿( p b s 0 4 ) ，吸附态以 铁锰氧化念为主，水溶性p b 2 + 很少。土壤中大部分铅以p b ( o h ) 2 、p b c 0 3 、p b ( p 0 4 ) 2 等难溶性盐及有机络合态存在。土壤中铅化合物的溶解度和降解自由度低，迁移 能力弱，对铅的固定作用极强，这有利于植株不致受害。进入土壤中的铅绝大部 分将残留于土壤中。研究表明，铅元素由于根系中螫合物的种类，以及在土壤中 吸附强度，使进入水稻体内的铅大部分积累在根部，难于向地上部迁移。作物体 内的吸收以根系的富集量最多，向籽粒迁移量极少。植物中根对铅的吸收存在白 8 中南人学硕十学化论文第一章绪论 由空间和共质体两条通道，进入植物体的铅，主要沉积于导管壁及木质部细胞壁 中，植物叶片也能吸收铅，但大气中以固体颗粒形态存在的铅大部分仅沉降在叶 的表面，它们大多不能透过蜡质层和角质层而进入叶片内部。土壤温度、施肥都 会影响植物对铅的吸收。不同作物对铅的积累不同，生长期长的作物含铅量高于 生长期短的作物的含铅量，在同一生长期，作物不同部位对铅的吸收，大体按根、 茎叶、籽粒( 果实) 顺序递减【3 3 1 。 镉足具有强毒性的重金属元素之一，常见有两种价念，0 价和+ 2 价，镉在土 壤中只能以二价简单离子或简单配位离子的形式存在于土壤溶液中，如c d 2 + 、 c d o h 十、c a ( o h ) 扣、c d c i + 、c d o h c l 、c d s 0 4 、c d h c o ”等，以难溶念c a ( o h ) 2 、 c d c 0 3 、c d 3 ( p 0 4 ) 2 、c d s 等存在于土壤中。c d 2 + 与有机配体形成配合物的能力很 弱，故土壤中有机结合态的镉较少，而土壤又是食物链镉的重要来源，