无机化学论文
摘 要： 铬的常见稳定价态是三价和六价，其中三价铬是人体的必需微量元素，而六价铬是1类致癌物。因此，三价铬和六价铬的检测尤为重要。本文综述了三价铬和六价铬的样品前处理、分离与检测方法。
关键词： 三价铬; 六价铬; 价态分析;
铬(Cr)是人体的必需微量元素，参与糖代谢调节、促进蛋白质合成和生长发育等。铬缺乏可导致葡萄糖和脂类代谢的改变，并与糖尿病、心血管疾病和神经系统疾病有关[1]。铬的毒性与其价态密切相关，铬从-2到+6价态都有，三价铬Cr(III)和六价铬Cr(VI)是自然界中最常见的稳定价态，而Cr(II)、Cr(IV)和Cr(V)不稳定，容易转化成Cr(III)或Cr(VI)[2]。金属铬(0价)不引起中毒，Cr(III)属于低毒性物质，Cr(VI)毒性最大，其致畸、致癌和致突变毒性比Cr(III)高10～100倍[2]。国际癌症研究机构把Cr(VI)归为“1类致癌物”。Cr(VI)比Cr(III)易吸收，有机铬比无机铬易吸收[1]。因此，Cr(III)才是真正意义上人和动物机体必需的微量元素，而Cr(VI)则是严格管控的元素。元素价态分析最重要的是保持元素原始价态不变，因此样品前处理方法就成为元素价态分析的关键。本文总结了三价铬和六价铬的样品前处理、分离与检测方法，其中重点介绍样品前处理方法。
1、 铬价态与p H
Cr(III)是最稳定的价态，也是生物体内最常见的一种，但Cr(III)在碱性溶液中却有较强的还原性，较易被氧化。Cr(VI)具有较高的正电荷和较小的半径，不论在晶体中还是在溶液中都不存在简单的Cr(VI)离子，而总是以酸根阴离子的形式存在。Cr(VI)主要是与氧结合成铬酸盐(CrO42-)或重铬酸盐(Cr2O72-)，是一种强氧化剂，不同pH条件下两种离子可以互相转化，在酸性溶液中，两种离子很容易还原成Cr(III)。溶液中铬的价态会随着p H的变化而发生改变，pH降低极易导致Cr(VI)还原成Cr(III),p H升高又极易导致Cr(III)氧化成Cr(VI)[2,3,4]。pH<3.9时，Cr(III)以水溶性Cr3+阳离子形式存在，随着p H升高到5,Cr3+数量逐渐减少;pH>5时，通过水解反应形成Cr(OH)2+;pH>6时，形成水不溶性Cr(OH)3沉淀。p H<1时，Cr(VI)主要以H2CrO4形式存在;p H 1～6.5时，主要以HCrO4-阴离子形式存在;pH 8～12时，主要以CaCrO4和CrO42-形式存在;p H>12时，以CrO42-阴离子形式存在[2,3,4]。
2、 样品前处理方法
铬价态受其所处基质性质和分析方法的影响，因此难点就在于如何保持铬最初价态不变，同时要使样品中各种铬形态能定量地转化为可测形式。温度、pH、光和储存时间对铬价态有较大影响[5]。样品最好置于不超过4°C，可以防止微生物引起的甲基化或生物降解。基质pH显着影响无机铬价态，因此不要仅为储存目的就改变样品的pH。光可引起有机铬化合物光降解，因此样品应置于不透明或黑色容器中储存。储存时间越短越好。仅硅酸盐玻璃或石英玻璃容器可用于处理和储存样品，有些玻璃容器容易带入铬，有些方法推荐用20%硝酸溶液浸泡玻璃24 h以上[6,7]。分析前才可稀释样品。分析水样中六价铬时，须置于用酸浸泡后洗净的塑料或硅酸盐玻璃容器，样品应在24 h分析，最长不可超过4 d。
固体样本首先要提取铬成分。碱性条件下水溶性及水不溶性Cr(VI)铬酸盐可以转变成可溶性盐，而Cr(III)变成不溶性碳酸盐、氢氧化物或氧化物[8]，因此碱性条件有利于Cr(VI)的提取，如采用Na2CO3[5]、NaOH[6]、NaOH-Na2CO3[9]，同时提取液中加入含Mg2+离子(氯化镁)抑制Cr(III)氧化成Cr(VI)[9]。此外，氢氧化铵(NH4OH)也可用于选择性提取Cr(VI)[10]。酸性条件下有利于提取Cr(III)，且可防止Cr(VI)还原成Cr(III)，如乙酸[11]、盐酸[12]，所以酸性提取条件下所得样品可用于同时测定Cr(III)和Cr(VI)。
提取Cr(VI)时，为避免Cr(III)氧化成Cr(VI)，可以加入Cr(III)络合剂，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[13]。EDTA是Cr(III)的有效络合剂，可与Cr(III)形成稳定的Cr(III)-EDTA络合物，而EDTA不与Cr(VI)络合，因此加入EDTA可以有效避免Cr(III)氧化成Cr(VI)[7]。样品用EDTA溶液提取，含EDTA溶液为流动相，Cr(III)以Cr(EDTA)-形式存在，Cr(VI)以CrO42-形式存在，阴离子交换色谱柱分离两种铬离子，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)进行检测[13]。pH高对形成Cr(EDTA)-络合物有利，但此时也容易发生水解。由于EDTA本身有紫外吸收，铬离子浓度较低时，采用广泛使用的紫外检测器则干扰较大，此时，把铬离子用EDTA进行柱前衍生化，采用无紫外吸收的硫酸钠为流动相，可以获得理想结果，同时降低分析成本[14]。采用含有硝酸的淋洗液，用离子色谱(IC)-ICP-MS进行分离检测，则无需EDTA前处理，可同时测定Cr(III)和Cr(VI)[15]。流动相中加入离子对试剂如四丁基硫酸氢铵，可以采用反相色谱-ICP-MS测定Cr(VI),100μL进样量时，Cr(VI)的检测限为0.04 mg/kg[6]。PDCA与Cr(III)可络合成Cr(DPCA)2-，而不与Cr(VI)结合。1,5-二苯卡巴肼(DPC)可与Cr(VI)结合Cr-DPC。Cr(III)的配位交换能力较弱，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，在阴离子色谱上分离Cr(III)和Cr(VI)(CrO42-或Cr2O72-形式)后，在365或520 nm波长进行检测，Cr(III)和Cr(VI)的检测限分别为0.12 mg/m L和0.011mg/kg[11]。也可采用EDTA络合Cr(III),DPC络合Cr(VI)的衍生化方式，同时检测两种铬离子[16]。
铬酵母通过生物转化将无机铬转变成有机铬，其中绝大部分铬与酵母细胞的蛋白质、DNA、RNA结合，少部分与多糖和脂类结合[17]。对于此类含铬复杂样品中铬提取，则要结合多种提取方法，例如:蛋白酶解与人工胃肠道液提取结合，分子排阻色谱法分离两种离子[18];NaOH-Na2CO3加热提取或结合EDTA络合剂提取，而后pH7硝酸-氢氧化铵流动相在弱阴离子交换色谱上分离Cr(III)和Cr(VI)[19,20]。
昙点提取几乎不使用有害化学试剂，对环境不造成危害，被认为是一种绿色提取方法。该法可用于食品原料[21]、溶液[22]、人血清[23]和淤泥[24]中Cr(III)和Cr(VI)的提取。固相提取法也用于选择性提取Cr(III)或Cr(VI)[25]。
3 、分离与检测方法
铬价态分析方法可以分为离线和在线两大类[5,25]，离线分析方法就是样品处理后分析Cr(III)或Cr(VI)，在线分析方法则是采用联用方法同时分离和分析Cr(III)和Cr(VI)。几篇综述较为完整概述了铬价态的检测方法类型和原理[25,26,27,28]。
离线分析方法由于采用无分离能力的仪器设备，如原子吸收仪、ICP-MS及紫外-可见分光光度仪，分析铬需要首先分离Cr(III)或Cr(VI)。离子交换法、吸附法、萃取法、沉淀法、电化学法、膜分离法等常用于分离两种铬离子[12,26]。离子交换法是利用阴离子交换树脂、阳离子交换树脂、螯合树脂、萃淋树脂等作为吸附剂，将溶液中的铬离子吸附于树脂上，然后利用合适的洗脱液将其洗脱达到分离目的。吸附法是用活性氧化铝、纳米材料(二氧化钛、纳米二氧化锆、纳米钛酸锶钡粉、钛酸锶钡等)、冠醚交联壳聚糖、溴化十六烷基三甲胺等为吸附材料，吸附铬离子，然后用适宜洗脱液冲洗分离。
在线分析方法通常将分离仪器与检测仪器联接，做到简便、快速、灵敏。高效液相色谱常与ICP-MS联接，采用反相色谱柱[13]、离子色谱柱[9,15]、分子排阻色谱柱[18]等分离铬离子，然后ICP-MS检测。Cr有4种稳定的同位素，即50Cr、52Cr、53Cr和54Cr。采用ICP-MS测定52Cr或53Cr来定量铬，为了增加特异性，同位素稀释也用于铬测定[13,14]。ICP-MS是元素分析中最常用的分析技术，可同时快速检测多种元素，具有灵敏度高、精密度好、检测限低等特点并可同色谱技术联用于元素的形态分析。杨海锋等[9]用阴离子交换色谱柱分离食用菌中的Cr(III)和Cr(VI),HPLC-ICP-MS检测，100μL进样量时，Cr(III)和Cr(VI)的检测限分别为0.03 ng/m L和0.1 ng/m L。朱敏等[15]采用阴离子交换色谱拄，60 mmol/L硝酸为淋洗液，离子色谱-ICP-MS检测尿液中Cr(III)和Cr(VI)，其检测限分别为0.05和0.5μg/L。电感耦合等离子体发射光谱法、原子吸收光谱法、电化学法、中子活化法、化学发光法等也常用于铬检测[26,27,28]，主要是进行不同基质样品中铬的总量测定。采用分光光度法测定水中Cr(VI)时，操作繁琐，干扰较多。
水样品前处理相对简单，几乎可以直接分离和检测。我国生活饮用水卫生标准规定Cr(VI)的最大允许浓度为50 ng/m L[29]，利用二苯碳酰二肼在酸性条件下可与Cr(VI)生成红色络合物，采用分光光度法检测，其检测限为4 ng/m L[30]，但该法操作繁琐，物理和化学因素干扰较多。陈绍占等[31]采用EDTA络合水中Cr(III),EDTA和硝酸铵用于流动相，阴离子交换柱作为分析柱，IC-ICP-MS分离和检测水中Cr(III)和Cr(VI)，其检测限分别为0.05和0.02 ng/m L。田雨荷等[32]采用含有EDTA和四丁基氢氧化铵离子对的流动相，反相色谱柱C18分离，ICP-MS检测水中Cr(III)和Cr(VI)，其检测限分别为0.5和0.34ng/m L。
4 、总结
本文综述了三价铬和六价铬的样品前处理、分离与检测方法。铬的两种价态在样品前处理过程中可发生转化，不同的处理方式和检测条件对价态测定结果有很大的影响，因此需要寻找合适的样品前处理方法，保持样品基质中铬的价态不发生变化。需选择优化简单有效的不同铬价态分离方法，配合灵敏度高的检测技术进行铬的价态分析，提高检测方法的选择性、灵敏度、准确度和适用性。
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