海洋水中羅丹明B 示蹤劑的快速檢測方法研究

閆 峻，王志龍，徐 靜，馮 碩

（核工業北京地質研究院, 北京 100029）

近年來, 隨著工業生產的不斷發展, 大量的工業、 生活垃圾以及排放進入海洋的污染物質, 或以離子狀態存在, 或以顆粒和膠狀狀態存在。 以后兩種狀態存在的物質可能在較近的海區聚膠和下沉下來, 而以離子狀態存在的污染物質可能隨水體運動而擴散到很遠的地方。 因此在海洋污染監測的過程中,對于污染物的流向是環境監測的重點和難點[1-3]。 羅丹明B, 又稱玫瑰紅B, 是一種堿性玫瑰紅色的熒光染料, 具有價格低廉、 色澤紅艷、 穩定性強等特點, 很容易溶于水和醇, 在海洋水中擴散后可以直接觀察和追蹤擴散徑跡, 從而達到研究污染物運動規律的目的[4-5]。 因此用羅丹明B 作為示蹤劑可以很好地代表離子狀態污染物質的運動規律。

目前, 對羅丹明B 的檢測方法主要有高效液相色 譜 法[6]、 液相色譜與質 譜聯用 法[7]、超高效液相色譜與熒光聯用法[8]和電化學法[9]等。 但是這些方法樣品制備較為復雜, 而且儀器設備無法應用于野外監測。 而熒光分光光度法和分光光度法儀器設備經濟、 便攜, 樣品前處理流程簡單, 可以滿足野外檢測的各種要求, 是海洋污染監測過程中切實可行的方法。

本研究采用熒光分光光度法和分光光度法, 以羅丹明B 為研究對象, 建立了以羅丹明B 為海洋示蹤劑的快速分析方法, 以期為海洋污染物監測提供快捷、 準確的分析方法。

1 實驗儀器和試劑

1.1 實驗儀器

F97XP 熒光分光光度計, 上海棱光技術有限公司； 721G 分光光度計, 上海第三分析儀器廠。

1.2 實驗試劑

羅丹明B、 乙酸鈉、 碳酸鈉, 阿拉丁試劑（上海） 有限公司； 鄰苯二甲酸氫鉀、 混合磷酸鹽、 硼砂標準緩沖溶液, 中國計量科學研究院； 海洋水由交通運輸部天津水運工程科學研究院提供； 地熱水由北京市地質工程勘察院提供； 地下水由中國地質科學院國家地質實驗測試中心提供； 純水為實驗室自制去離子水, 符合GB/T 6682-2008 的要求。

2 熒光分光光度法

2.1 羅丹明B 最大吸收波長

應用熒光分光光度計進行測量時, 被測樣品的最大吸光度值是測量的重要指標。 采用F97XP 熒光分光光度計, 在負高壓為500 V的條件下, 分別對1.0 g/L 的羅丹明B 溶液在激發波長300～900 nm, 發射波長為300～900 nm 的范圍內進行三維掃描, 獲得羅丹明B 波長掃描等高圖（圖1）。

由圖1 可見, 羅丹明B 的最大熒光值處的激發波長為553 nm、 發射波長為578 nm。因此, 選擇激發波長為553 nm、 發射波長為578 nm 作為羅丹明B 的測定波長。

2.2 溶液pH 對羅丹明B 吸光度的影響

由于地下水、 海洋水和自來水等的pH 值存在一定的差異, 因此本試驗分別用一定體積的鄰苯二甲酸氫鉀緩沖溶液、 磷酸鹽緩沖溶液、 硼酸鈉緩沖溶液、 1 mol·L-1乙酸鈉溶液和1 mol·L-1碳酸鈉溶液作為酸度調節劑,對0.4 mg·L-1的羅丹明B 溶液的pH 值進行調節, 并在熒光最大吸收波長處測定羅丹明B溶液的熒光吸光度值, 結果見表1。

圖1 羅丹明B 熒光波長掃描等高圖Fig. 1 The scanning contour map of rhodamine B fluorescence wavelength

由表1 可見, 羅丹明B 在酸性和堿性的條件下, 熒光吸光度值均比較穩定, 無論是加入不同體積的相同緩沖溶液, 還是加入相同體積的不同緩沖溶液, 熒光吸光度值相對標準偏差均在2%以下。 因此在測量過程中,無需添加額外的酸度調節劑。

2.3 不同基體對羅丹明B 含量測定的影響

取5 支25 mL 的比色管, 分別加入1.00 mL濃度為10 mg·L-1的羅丹明B 溶液, 并分別以去離子水、 自來水、 海水、 地熱水和地下水定容至刻度, 在熒光最大吸收波長處測定羅丹明B 溶液的熒光吸光度值, 結果見表2。

表1 不同pH 值條件下羅丹明B 的熒光吸光度值Table 1 Fluorescence absorption value of rhodamine B at different pH value

表2 不同基體水樣對羅丹明B 熒光吸光度的影響Table 2 Effect of different matrix water samples on fluorescence absorption of rhodamine B

由表2 可見, 不同基體水樣對羅丹明B溶液的熒光吸光度值的的影響較小, 說明羅丹明B 可作為該基體水樣的示蹤劑從事科學研究工作。

2.4 羅丹明B 線性關系研究

在實際的測量中, 由于加入羅丹明B 示蹤劑后, 不同的監測時間和不同的監測地點的羅丹明B 示蹤劑的濃度差異較大, 最低濃度和最高濃度往往相差100 倍以上。 因此,本研究在4 μg·L-1～800 μg·L-1的濃度范圍內, 分別做了低濃度和高濃度的標準曲線,具體方法如下。

2.4.1 低濃度標準曲線

分別準確移取標準溶液0.10、 0.20、0.30、 0.40、 0.50 mL 1.00 mg·L-1的羅丹明B于25 mL 比色管中, 加純水定容至刻度, 搖勻。 用1 cm 比色皿, 在激發波長為553 nm、發射波長為578 nm, 負高壓為500 V 的條件下分別測定熒光吸光度值, 以溶液中羅丹明B的質量（μg）為橫坐標, 熒光吸光度值為縱坐標做線性回歸方程。 結果見圖2。

由 圖2 可 見, 羅 丹 明B 在4 μg·L-1～20 μg·L-1的范圍內線性關系良好, 線性回歸方程為y＝147.38x＋6.22, 相關系數r＝0.998 9,該線性回歸方程適用于較低濃度的羅丹明B示蹤劑的測量。

2.4.2 中濃度標準曲線

分 別 準 確 移 取1.00、 2.00、 3.00、 4.00、5.00 mL 1.00 mg·L-1的羅丹明B 標準溶液于25 mL 比色管中, 加純水定容至刻度, 搖勻。用1 cm 比色皿, 在激發波長為553 nm、 發射波長為578 nm, 負高壓為500 V 的條件下分別測定熒光吸光度值, 以溶液中羅丹明B 的質量（μg）為橫坐標, 熒光吸光度值為縱坐標做線性回歸方程。 結果見圖3。

圖2 低濃度羅丹明B 的線性回歸方程Fig. 2 The regression curve of low concentration rhodamine B

圖3 高濃度羅丹明B 的線性回歸方程Fig. 3 The regression curve of high concentration rhodamine B

由圖3 可見, 羅丹明B 在40 μg·L-1～200 μg·L-1的范圍內線性關系良好, 線性回歸方程為y＝132.57x＋18.19, 相關系數r＝0.999 4,該線性回歸方程適用于中等濃度的羅丹明B示蹤劑的測量。

2.4.3 高濃度標準曲線

分 別 準 確 移 取1.00、 2.00、 3.00、 4.00、5.00、 10.00、 20.00 mL 1.00 mg·L-1的羅丹明B 標準溶液于25 mL 比色管中, 加純水定容至刻度, 搖勻。 用1 cm 比色皿, 在激發波長為553 nm、 發射波長為578 nm, 負高壓為500 V的條件下分別測定熒光吸光度值, 以溶液中羅丹明B 的質量（μg）為橫坐標, 熒光吸光度值為縱坐標做線性回歸方程。 結果見圖4。

圖4 中濃度羅丹明B 的線性回歸方程Fig. 4 The regression curve of medium concentration rhodamine B

由圖4 可見, 羅丹明B 在40 μg·L-1～800 μg·L-1的范圍內線性關系良好, 線性回歸方程為y＝109.59x＋93.12, 相關系數r＝0.997 9,該線性回歸方程適用于高濃度的羅丹明B 示蹤劑的測量。 對于更高濃度樣品, 可將樣品稀釋后進行測量。

2.5 羅丹明B 的正確度和檢出限

配制含羅丹明B 濃度分別為0.004、0.006、 0.008、 0.010 和0.020 mg·L-1的海水樣品, 用1 cm 比色皿, 在激發波長為553 nm、發射波長為578 nm, 負高壓為500 V 的條件下分別測定熒光吸光度值, 并計算樣品中羅丹明B 的含量, 結果見表3。

表3 羅丹明B 測量正確度結果Table 3 Correctness result of rhodamine B measurement

由表3 可見, 羅丹明B 的含量在0.004 mg·L-1～0.020 mg·L-1的范圍內正確度良好。將0.004 μg·L-1的 羅 丹 明B 溶 液 繼 續 稀 釋,熒光吸光度值的平行性較差, 無法計算溶液中羅丹明B 的含量, 因此熒光分光光度法測定海水中羅丹明B 的含量的檢出限為0.004 mg·L-1。

2.6 羅丹明B 的加標回收率

配制含羅丹明B 濃度分別為0.005 和0.050 mg·L-1的海水樣品, 并加入一定量的羅丹明B, 用1 cm 比色皿, 在激發波長為553 nm、發射波長為578 nm, 負高壓為500 V 的條件下分別測定熒光吸光度值, 并計算加標前后樣品中羅丹明B 的含量, 結果見表4。

由表4 可知, 用該方法測量海水中羅丹明B 的回收率在98.7%～106%之間, 加標回收率良好。

3 分光光度法

3.1 羅丹明B 最大吸收波長

應用分光光度法進行測量時, 被測樣品的最大吸光度值是測量的重要指標。 采用721G 型分光光度計, 以去離子水為參比, 采用3 cm 比色皿對1.0 g·L-1的羅丹明B 溶液在480～580 nm 的波長范圍內進行掃描, 記錄吸光度值, 結果見圖5。

表4 羅丹明B 加標回收率測量結果Table 4 Result of recovery rate of rhodamine B

圖5 羅丹明B 在可見光區的吸收曲線Fig. 5 Absorption curve of rhodamine B in visible wavelength

由圖5 可見, 羅丹明B 的最大吸收波長為550 nm, 因此選擇550 nm 作為羅丹明B 的測定波長。

3.2 溶液pH 對羅丹明B 吸光度的影響

由于地下水、 海洋水、 自來水等的pH 值存在一定的差異, 因此本試驗分別用一定體積的鄰苯二甲酸氫鉀緩沖溶液（pH＝4.00）、 磷酸鹽緩沖溶液（pH＝6.86）、 硼酸鈉緩沖溶液（pH＝9.18）、 1 mol·L-1乙酸鈉溶液和1 mol·L-1碳酸鈉溶液作為酸度調節劑, 對0.4 mg·L-1的羅丹明B 溶液的pH 值進行調節, 并在550 nm 波長處測定羅丹明B 溶液的吸光度值, 結果見表5。

由表5 可見, 羅丹明B 在酸性和堿性的條件下, 吸光度值均比較穩定, 無論是加入不同體積的相同緩沖溶液, 還是加入相同體積的不同緩沖溶液, 熒光吸光度值相對標準偏差均在2.4% 以下。 因此在測量過程中, 無需添加額外的酸度調節劑。

3.3 不同基體對羅丹明B 含量測定的影響

取5 支25 mL 的比色管, 分別加入1.00 mL濃度為10 mg·L-1的羅丹明B 溶液, 并分別以去離子水、 自來水、 海水、 地熱水和地下水定容至刻度, 在550 nm 波長處測定羅丹明B溶液的吸光度值, 結果見表6。

由表6 可見, 不同基體水樣對羅丹明B溶液的吸光度值的的影響較小, 說明羅丹明B可作為該基體水樣的示蹤劑從事科學研究工作。

3.4 羅丹明B 線性關系

在實際的測量中, 由于加入羅丹明B 示蹤劑后, 不同的監測時間和不同的監測地點的羅丹明B 示蹤劑的濃度差異較大, 最低濃度和最高濃度往往相差100 倍以上。 因此,本研究在4 μg·L-1～800 μg·L-1的濃度范圍內, 分別做了低濃度和高濃度的標準曲線,具體方法如下:

3.4.1 低濃度標準曲線

分別準確移取0.10、 0.20、 0.30、 0.40 和0.50 mL 1.00 mg·L-1的羅丹明B 標準溶 液于25 mL 比色管中, 加純水定容至刻度, 搖勻。用10 cm 比色皿, 以純水為參比, 在550 nm波長下分別測定吸光度值, 以溶液中羅丹明B的質量（μg）為橫坐標, 吸光度值為縱坐標做線性回歸方程。 結果見圖6。

表5 不同pH 值條件下羅丹明B 的吸光度值Table 5 Absorption value of rhodamine B at different pH value

表6 不同基體水樣對羅丹明B 吸光度的影響Table 6 Effect of different matrix water samples on absorption of rhodamine B

圖6 低濃度羅丹明B 的線性回歸方程Fig. 6 The regression curve of low concentration rhodamine B

由圖6 可見, 羅丹明B 在4 μg·L-1～20 μg·L-1的范圍內線性關系良好, 線性回歸方程為y＝0.080 1x＋0.005 1, 相關系數r＝0.999 7,該線性回歸方程適用于較低濃度的羅丹明B示蹤劑的測量。

3.4.2 中濃度標準曲線

分別準確移取1.00、 2.00、 3.00、 4.00 和5.00 mL 1.00 mg·L-1的羅丹明B 標準溶液于25 mL 比色管中, 加純水定容至刻度, 搖勻。用1 cm 比色皿, 以純水為參比, 在550 nm波長下分別測定吸光度值, 以溶液中羅丹明B的質量（μg）為橫坐標, 吸光度值為縱坐標做線性回歸方程, 結果見圖7。

圖7 中濃度羅丹明B 的線性回歸方程Fig. 7 The regression curve of medium concentration rhodamine B

由圖7 可見, 羅丹明B 在40 μg·L-1～200 μg·L-1的范圍內線性關系良好, 線性回歸方程為y＝0.024 0x＋0.018 5, 相關系數r＝0.999 7,該線性回歸方程適用于中濃度的羅丹明B 示蹤劑的測量。

3.4.3 高濃度標準曲線

分 別 準 確 移 取1.00、 2.00、 3.00、 4.00、5.00、 10.00 和20.00 mL 1.00 mg·L-1的羅丹明B 標準溶液于25 mL 比色管中, 加純水定容至刻度, 搖勻。 用1 cm 比色皿, 以純水為參比, 在550 nm 波長下分別測定吸光度值, 以溶液中羅丹明B 的質量（μg）為橫坐標, 吸光度值為縱坐標做線性回歸方程, 結果見圖8。

圖8 高濃度羅丹明B 的線性回歸方程Fig. 8 The regression curve of high concentration rhodamine B

由圖8 可見, 羅丹明B 在40 μg·L-1～800 μg·L-1的范圍內線性關系良好, 線性回歸方程為y＝0.007 8x＋0.023 6, 相關系數r＝0.999 6,該線性回歸方程適用于高濃度的羅丹明B 示蹤劑的測量。 對于更高濃度的樣品, 可將樣品稀釋后進行測量。

3.5 羅丹明B 正確度和檢出限

配制含羅丹明B 濃度分別為0.004、0.006、 0.008、 0.010、 0.020 和0.040 mg·L-1的海水樣品, 用10 cm 比色皿在550 nm 波長下測定各樣品的吸光度值, 并計算各樣品中羅丹明B 的含量, 結果見表7。

表7 羅丹明B 測量正確度結果Table 7 Correctness result of rhodamine B measurement

由表7 可見, 羅丹明B 的含量在0.010 mg·L-1以上時正確度良好, 低于0.010 mg·L-1時羅丹明B 計算結果偏差較大。 因此分光光度法測定海水中羅丹明B 的含量的檢出限為0.010 mg·L-1。

3.6 羅丹明B 的加標回收率

配制含羅丹明B 濃度分別為0.005、0.050、 0.500 和5.00 mg·L-1的海水樣品, 并加入一定量的羅丹明B, 其中0.005 和0.050 mg·L-1的樣品用10 cm 比色皿, 0.500 mg·L-1的樣品用3 cm 比色皿, 5.00 mg·L-1的樣品用1 cm 比色皿, 在550 nm 波長下分別測定吸光度值, 并計算加標前后樣品中羅丹明B 的含量, 結果見表8。

由表8 可見, 用該方法測量海水中羅丹明B 的回收率在89.9%～116%之間, 加標回收率可以滿足要求。

表8 羅丹明B 加標回收率測量結果Table 8 Result of recovery rate of rhodamine B

4 結論與建議

本研究建立的熒光分光光度法和分光光度法二者均可用于海洋水中羅丹明B 示蹤劑的定量分析。 通過對比可知, 兩種方法均不受基體種類和pH 等因素的影響, 且樣品前處理簡單、 快速。 熒光分光光度法的檢出限 （0.004 mg·L-1） 優 于 分 光 光 度 法（0.010 mg·L-1）, 但是在野外監測過程中, 熒光分光光度法對環境的要求高于分光光度法,且熒光分光光度計長時間開機光源需要散熱,需要定時停機 “休息”, 從而影響野外檢測進度[10]。 而分光光度計對環境的要求較為簡單,儀器較熒光分光光度計更加便攜, 且可長時間連續工作。 因此, 在海洋監測活動中, 可根據實際的工作量和需求, 選取熒光分光光度法或分光光度法進行測試。