正交實驗優(yōu)化微波消解海洋沉積物重金屬鎘測定的　條　件

王李寶，凌云，黎慧，沈輝，戚原野，萬夕和，史文軍，孫瑞健，（.江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇　南通　6007；.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，江蘇　南京　0095）

正交實驗優(yōu)化微波消解海洋沉積物重金屬鎘測定的條件

王李寶1，凌云1，黎慧1，沈輝1，戚原野2，萬夕和1，史文軍1，孫瑞健1，
（1.江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇南通226007；2.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，江蘇南京210095）

為優(yōu)化微波消解海洋沉積物重金屬鎘測定的實驗條件，設計三因素（溫度、保持時間、微波功率）三水平的正交實驗，微波消解海洋沉積物成分分析標準物質(zhì)，用原子吸收分光光度計測定消解液鎘含量，計算回收率，數(shù)據(jù)常用SPSS18.0軟件進行分析。結(jié)果顯示，海洋沉積物微波消解最佳實驗條件組合為180℃，5 min，1 200 W，該條件下海洋沉積物微波消解鎘測定回收率為96.5%。

正交實驗；微波消解；海洋沉積物；鎘

doi：10.3969/j.issn.1004-2091.2016.04.008

鎘作為工業(yè)和環(huán)境污染物之一，對人和動物的毒性效應均較強。其毒性在世界在研毒素中位居第三，已經(jīng)引起國內(nèi)外諸多學者的廣泛關(guān)注［1］。在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署所提出的12種具有全球意義的危險性物質(zhì)中，鎘位列首位；美國毒物管理委員會（ATSDR）也將其列為第6位危及人類健康的有毒物質(zhì)，同時被國際癌癥研究機構(gòu)確定為人類和動物肺癌和前列腺癌的致癌物［2］。

灘涂沉積物作為近岸各種海洋生物的主要棲息場所，不可避免地成為各種污染物的匯與源［3-4］。重金屬作為一種難降解、長潛伏和易累積的污染物，近年來受到越來越多的關(guān)注［5］。沿海灘涂目前多以發(fā)展海水養(yǎng)殖為主，富集在灘涂沉積物中的重金屬較容易通過再懸浮等物理、化學和生物過程被釋放出來，造成灘面的“二次污染”；還可能通過沉積物間隙水下滲作用向下遷移，危及不同深度的灘涂底棲生物，并通過食物鏈進一步危及產(chǎn)品質(zhì)量安全和人體健康［6］。因此對海洋沉積物環(huán)境中鎘的監(jiān)測，分析其含量具有十分重要的意義。

為了準確測定沉積物中鎘的含量，樣品前處理方法至關(guān)重要，常見的前處理方法主要有干法消解、濕法消解和微波消解。微波消解技術(shù)近些年發(fā)展起來的痕量元素分析樣品預處理方法，該法具有環(huán)保、節(jié)時、易操作等優(yōu)點［7］。此外，該法效果受諸多因素的影響，如樣品種類、溫度、時間、pH值、壓力、功率等［8］，因此如何選擇最佳微波消解條件，使樣品分解徹底，提高樣品前處理效率是提升檢測結(jié)果質(zhì)量的重要保障。本文采用正交設計實驗，尋求沉積物鎘測定的最佳微波消解條件，為優(yōu)化沉積物重金屬檢測提供一定的基礎數(shù)據(jù)。

1　材料和方法

1.1儀器和試劑

主要儀器有熱電M6型原子吸收分光光度計、CEM-MARs微波消解儀、Mettler公司PB153-L型電子分析天平等。

鎘標準溶液GBW08612，濃度為1000 μg/mL，由國家標準物質(zhì)中心提供；近海海洋沉積物成分分析標準物質(zhì)GBW07314，由國家海洋局第二海洋研究所制備。所用聚四氟乙烯坩堝、容量瓶、移液管等在1 mol/L稀硝酸中浸泡24 h后，再用超純水洗凈，待用。實驗用水均為millipore純水儀Elix-5 Academic制備的超純水。

1.2消解方法

準確稱取近海海洋沉積物成分分析標準物質(zhì)（0.2±0.0001）g，放入微波消解管中，滴加少量蒸餾水浸潤，加入5 mL硝酸和2 mL 30%的過氧化氫溶液，放置4 h或過夜冷處理。同時做空白實驗。然后放入微波消解儀中進行消解。消解結(jié)束后，取出冷卻至室溫，打開消解管，用超純水沖洗消解管蓋后，將消解管放置控溫電熱板上進行趕酸處理，溫度設置在（180±5）℃，當消解液至黃豆大小顆粒時停止加熱，趕酸，不可蒸干。冷卻后用超純水全量轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，定容至標線，待測。

1.3正交實驗設計

選擇溫度（℃）、保持時間（min）、微波功率（W）三個因素，每個因素設三水平（表1），采用L9（33）正交設計［9］。每次消解分為三個步驟，第一步和第二步作為消解初始階段，條件設置均相同（第一步均為120℃，3 min，微波功率800 W；第二步均為160℃，3 min，微波功率800 W），微波消解效果的不同水平主要體現(xiàn)在消解的第三階段。按照正交實驗設計做9次試驗，每次實驗重復3次，共測定27次。同時設3個空白對照實驗。

表1　3因素3水平正交設計表

1.4檢測方法

利用原子吸收分光光度計（美國熱電M6）測定消解液中鎘含量。設置原子吸收分光光度計儀器參數(shù)為波長為228.8 nm，狹縫0.5 nm，燈電流8～10 mA，干燥溫度120℃，30 s；灰化溫度800℃，15 s～20 s，原子化溫度1 200℃，3 s，背景矯正為塞曼效應。

1.5數(shù)據(jù)處理

以近海海洋沉積物成分分析標準物質(zhì)測定回收率為指標，利用正交設計助手軟件ⅡV3.1進行正交實驗設計極差分析。

2　正交實驗鎘含量測定結(jié)果

該研究中近海海洋沉積物成分分析標準物質(zhì)正交實驗結(jié)果極差分析（見表2）顯示：微波消解功率對最終消解結(jié)果影響最大，其次是微波消解保持時間，溫度影響最小。三因素優(yōu)化組合為溫度2時間2微波功率3，即微波消解第三階段最佳實驗條件為：溫度180℃，保持時間為10 min，微波功率為1 600 W。

表2　正交實驗鎘檢測結(jié)果

該研究中，海洋沉積物最佳的微波消解程序為表3。

表3　微波消解最佳程序條件

與GB 17378.5-2007《海洋監(jiān)測規(guī)范第5部分：沉積物分析》中沉積物重金屬樣品測定前消解方法相比，微波消解方法的優(yōu)勢不僅在于其操作便捷、快速、受基體干擾少、試劑消耗量少、節(jié)約能源、降低分析人員勞動強度等優(yōu)點，還能進一步減輕環(huán)境污染、提高消解效率，防止外界污染，避免高溫消解時的元素揮發(fā)損失，特別適合砷、汞等易揮發(fā)元素樣品的消解。

由于正交實驗篩選優(yōu)化實驗的高效、快速、經(jīng)濟性，近年來在工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)中得到很多應用［10］。本文中選擇了三因素（溫度、保持時間、微波功率）作為探究條件，采用的正交設計對各因素水平僅通過9次實驗就獲得了結(jié)果，并獲得了較為理想的微波消解條件，為優(yōu)化檢測沉積物中鎘的含量提供了基礎技術(shù)數(shù)據(jù)。在保障檢測結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性和準確性時，正交實驗方法不失為一種快速、有效的篩選實驗條件的方法。

［1］李學鵬，段青源，勵建榮.我國貝類產(chǎn)品中金屬鎘的危害及污染分析［J］.食品科學，2010，31（17）:457-461.

［2］孔慶瑚.環(huán)境鎘污染對人體健康的影響［J］.浙江省醫(yī)學科學院學報，2001，12（1）:122-123.

［3］亞菡，崔靈周，王傳花，等.樂清灣灘涂沉積物重金屬含量垂向分布及污染評價 ［J］.水土保持學報，2015，29（5）:299-303.

［4］方圓，趙智杰，孫衛(wèi)玲，等.深圳灣潮間帶濕地沉積物的重金屬分布特征 ［J］.應用基礎與工程科學學報，2000，8（4）: 343-353.

［5］姚榮江，楊勁松，孟慶峰，等．蘇北沿海某灘涂區(qū)土壤重金屬含量及其污染評價 ［J］.環(huán)境科學研究，2012，25（5）:512-518.

［6］曹紅英，梁濤，王立軍，等.近海潮間帶水體及沉積物中重金屬的含量及分布特征［J］.環(huán)境科學，2006，27（1）:126-131.

［7］湯建春，胡曙光，孟宇航.2009年-2010年廣東省食品污染物鉛和鎘的測定及污染狀況分析 ［J］.中國衛(wèi)生檢驗雜志，2011，21（3）:703-706.

［8］Bryce DW，Izquierdo A.Luque de Castro MD.Use of focused microwave shortening of sample pretreatment:digestion and reduction procedures prior to Selenium speciation ad Selenium（Ⅳ）or Selenium（Ⅵ）［J］.Analyst，1995，120（8）:2171-2174.

［9］汪瑤，余勇，郭磊，等.利用正交實驗和模糊評價改進香榧加工工藝［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2013，39（10）:151-155.

［10］王文靜，賀婧，姜婷婷，等.結(jié)合藥效學指標用正交實驗優(yōu)選濕迪膠囊的提取工藝 ［J］.西北藥學雜志，2015，30（4）: 337-340.

Optimal conditions for cadmium-measurement in microwave-digested marine sediments by orthogonal tests

Wang Libao1，Ling Yun1，Li Hui1，Shen Hui1，Qi Yuanye2，Wan Xihe1，Shi Wenjun1，Sun Ruijian1
（1.Jiangsu Marine Fisheries Research Institute，Nantong 226007，China；2.College of Resources and Environmental Sciences，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China）

To optimize the conditions for cadmium-measurement in microwave-digested marine sediments，we digested the standard marine sediments by microwave using the orthogonal tests on the bases of three factors involving temperature，holding time and power.The cadmium concentration was measured by graphite furnace atomic absorption spectrometer to calculate the recovery rate.The data were analyzed by SPSS 18.0.The results showed that the optimum test condition was that the temperature was 180℃，the holding time was 5 minutes and the microwave power was 1 200 W.The recovery rate of cadmium was 96.5%under the optimized experiment conditions.

orthogonal tests；microwave-digested；marine sediment；cadmium

Q176

A

1004-2091（2016）04-0039-03

國家海洋公益性行業(yè)科研專項（201005006-6）；南通市應用研究計劃（BK2013056）

王李寶（1978-），男，副研究員，研究方向：海洋生物學研究.E-mail：zebra_w@126.com

（2015-11-10）