反相離子對色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定聚氯乙烯塑料中六價(jià)鉻

徐 聰，胡光輝，趙 婷，張 梅，2?，劉偉麗，2，高 峽，2

(1.北京市理化分析測試中心，北京100094； 2.有機(jī)材料檢測技術(shù)與質(zhì)量評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

鉻存在于自然界中的大氣、水、巖石、土壤以及生物體中，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于印染、電鍍、玩具及塑料等現(xiàn)代工業(yè)中，主要有三價(jià)鉻[Cr(Ⅲ)]和六價(jià)鉻[Cr(Ⅵ)]兩種存在形態(tài)[1-2]。Cr(Ⅲ)是對生物體有益的微量元素，而Cr(Ⅵ)具有致癌毒性，可通過吸入、攝取或皮膚接觸等方式導(dǎo)致皮膚、腎臟及呼吸系統(tǒng)等的損傷癌變[3-4]。美國環(huán)境保護(hù)局已將Cr(Ⅵ)確定為17種高度危險(xiǎn)的毒性物質(zhì)之一[5]。

塑料制品廣泛應(yīng)用于包裝、醫(yī)藥、家電、兒童玩具及各類日用品中，其在合成與加工過程中，受工藝參數(shù)、產(chǎn)品性能等的影響，常需要加入增塑劑、印染著色劑、穩(wěn)定劑等各種助劑，進(jìn)而引入了重金屬污染，其中Cr(Ⅵ)是一種重要的受控元素形態(tài)[6]。為減少環(huán)境污染及保護(hù)人體健康，歐盟玩具新指令2009/48/EC、包裝及包裝廢物指令94/62/EC、電子電氣設(shè)備中危害物質(zhì)禁用指令(Ro HS)201/65/EU對Cr(Ⅵ)的遷移量均有嚴(yán)格的規(guī)定，規(guī)定Cr(Ⅵ)的限值不得高于0.1%，其中玩具中最低限值可達(dá)0.005 mg·kg－1。因此，監(jiān)測塑料中Cr(Ⅵ)的含量具有重要的意義。

痕量Cr(Ⅵ)的測定方法主要有分光光度法[7]、原子吸收光譜法[8]、離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(IC-ICP-MS)[9-10]、液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(LC-ICP-MS)[11-12]等。分光光度法作為Cr(Ⅵ)的標(biāo)準(zhǔn)測定方法被廣泛采用，但在測定波長540 nm 處，高含量的釩、鐵雜質(zhì)會對樣品吸收產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測定結(jié)果偏高。原子吸收光譜法在分析過程中溶劑易受特征光譜的干擾，影響結(jié)果準(zhǔn)確性。高效液相色譜法(HPLC)具有選擇性好、分離度高、方便、快速等優(yōu)點(diǎn)，電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICPMS)具有靈敏度高、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)。HPLC 與ICP-MS聯(lián)用可消除40Ar12C＋、35Cl16O1H＋等多原子離子對鉻測定的干擾，提高Cr(Ⅵ)測定的靈敏度和準(zhǔn)確度，該方法已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、環(huán)境、印染、玩具等領(lǐng)域中。

不同于傳統(tǒng)的酸性浸提或超聲提取等前處理方法，本工作以美國EPA 方法3060A 為基礎(chǔ)，以不改變價(jià)態(tài)的堿性提取劑直接微波提取聚氯乙烯(PVC)塑料中的Cr(Ⅵ)，采用反相離子對色譜與電感耦合等離子體質(zhì)譜法聯(lián)用的方法，以四正丁基硫酸氫銨為離子對流動相，甲醇為有機(jī)改進(jìn)劑，在C18鍵合的反相色譜柱上實(shí)現(xiàn)了聚氯乙烯塑料中Cr(Ⅵ)的測定。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7700x型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；Agilent 1260 Infinity型高效液相色譜儀，配Mass Hunter操作軟件；Retsch MM400型冷凍混合球磨儀；Italy Ethos MILESTONE 型高級微波消解儀；LAQUA 型p H 計(jì)。

Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:1 000 mg·L－1。

Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液:10.0 mg·L－1，移取適量的1 000 mg·L－1Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液，用水稀釋配制而成。

調(diào)諧液:含10μg·L－1鋰、鈷、鉈、鈰、銥。

堿性提取劑:稱取20.0 g氫氧化鈉和30.0 g無水碳酸鈉，用適量水溶解后，轉(zhuǎn)移至1 L 容量瓶中，用水定容。

磷酸鹽緩沖溶液:p H 7.0，稱取8.7 g磷酸氫二鉀(不含結(jié)晶水)和6.8 g無水磷酸二氫鉀(不含結(jié)晶水)，用適量水溶解后，轉(zhuǎn)移至100 m L容量瓶中，用水定容。

液氮的純度為99.99%；甲醇為色譜純；其余試劑均為分析純；試驗(yàn)用水為超純?nèi)ルx子水(電阻率為18.2 MΩ·cm－1)。

試驗(yàn)中所用的聚四氟乙烯管、容量瓶等均用20%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硝酸溶液浸泡24 h以上，用水沖洗后備用。

1.2 儀器工作條件

1)微波消解條件 微波消解儀消解程序見表1。

2) 色譜條件 XTerra-C18反相色譜柱(4.6 mm×150 mm，5μm)；流動相為含5%(體積分?jǐn)?shù)，下同)甲醇的2 mmol·L－1四正丁基硫酸氫銨(TBA)溶液(用氨水調(diào)節(jié)p H 至7.0)；等度洗脫；流量1.0 m L·min－1；進(jìn)樣量100μL。

表1 微波消解程序Tab.1 Microwave digestion program

3)ICP-MS條件 射頻功率1 550 W；等離子體流量14.8 L·min－1，霧化氣流量1.0 L·min－1，載氣流量1.2 L·min－1，氦氣流量4.0 m L·min－1；霧化溫度2 ℃；取樣深度8.0 mm；蠕動泵轉(zhuǎn)速6.0 r·min－1；測 定 同 位 素52Cr、53Cr；積 分 時(shí) 間0.8 s。

1.3 試驗(yàn)方法

將聚氯乙烯塑料樣品粉碎，稱取適量于球形研磨儀中，密封后置于液氮中冷凍10 min，再將球磨儀安裝固定，研磨5 min。取出研磨好的聚氯乙烯塑料樣品，稱取2.500 0 g于微波消解罐中，分別加入50 m L 堿性提取劑、0.5 m L 磷酸鹽緩沖溶液、0.4 g無水氯化鎂，再加入2 滴辛基苯基聚氧乙烯醚，混勻。蓋好消解蓋，密封好后裝入微波消解儀中，連接溫度傳感器，按照表1設(shè)定的消解程序進(jìn)行消解。待消解完畢，取出微波消解罐，進(jìn)行真空抽濾，用水洗滌內(nèi)罐、內(nèi)蓋和樣品濾渣3次，濾液和洗滌液收集到燒杯中，用12.5%硝酸溶液調(diào)節(jié)p H 至7.5±0.5，并用水定容至100.0 m L，用0.45μm 濾膜過濾后，取濾液按儀器工作條件進(jìn)行測定，同時(shí)制備樣品空白溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理?xiàng)l件的選擇

鉻的形態(tài)分析存在多種提取方法，常見的玩具等塑料中的Cr(Ⅵ)多采用乙二胺四乙酸(EDTA)絡(luò)合、鹽酸溶液浸提等方法提取，均為酸性環(huán)境。酸性環(huán)境易造成Cr(Ⅵ)向Cr(Ⅲ)的還原，不利于目標(biāo)物的準(zhǔn)確定量。綜合文獻(xiàn)[13-14]，采用堿性條件更有利于Cr(Ⅵ)的提取，試驗(yàn)采用美國EPA 方法3060A 直接微波提取Cr(Ⅵ)，無需分離Cr(Ⅲ)與Cr(Ⅵ)。

含氫氧化鈉、碳酸鈉的堿性提取劑的加入容易使Cr(Ⅲ)生成氫氧化鉻沉淀，過濾后能減少Cr(Ⅲ)對Cr(Ⅵ)的干擾；為避免過強(qiáng)的堿性造成Cr(Ⅲ)向Cr(Ⅵ)的氧化，加入磷酸鹽緩沖溶液可以控制提取液的酸度；無水氯化鎂的加入是為了阻止Cr(Ⅲ)向Cr(Ⅵ)的氧化，而且氫氧化鎂會與氫氧化鉻產(chǎn)生共沉淀；辛基苯基聚氧乙烯醚(Triton X-100)有潤濕、分散劑的作用。前處理中加入上述各物質(zhì)能更好地提取聚氯乙烯塑料中的Cr(Ⅵ)，確保Cr(Ⅵ)的準(zhǔn)確測定。文獻(xiàn)[15]研究得出:在EPA 方法3060A 的提取條件下，近1%的Cr(Ⅲ)轉(zhuǎn)化成Cr(Ⅵ)。為了防止過強(qiáng)的堿性導(dǎo)致Cr(Ⅲ)氧化成Cr(Ⅵ)，將此方法中的堿性提取劑含量稀釋10倍。同時(shí)采用微波提取，在一定的溫度和壓力下，聚氯乙烯塑料中的Cr(Ⅵ)在基體上的溶解與解吸動力學(xué)過程加快，大大縮短了提取時(shí)間，方法簡便快速、提取效率高且環(huán)保無污染。試驗(yàn)采用含氫氧化鈉、碳酸鈉的堿性提取劑充分提取聚氯乙烯塑料中的Cr(Ⅵ)。由于殘留的少量Cr(Ⅲ)在中性條件下在反相離子交換色譜柱中不保留，所以提取完畢，需用12.5%硝酸溶液調(diào)節(jié)提取液p H 至7.5±0.5后才能進(jìn)樣分析。

2.2 色譜條件的選擇

2.2.1 色譜柱

首次使用色譜柱時(shí)，先用甲醇按照由小到大的流量沖洗柱子一定時(shí)間，再用流動相平衡半小時(shí)后備用，以保證Cr(Ⅲ)與Cr(Ⅵ)能在色譜柱上保留并得到分離。

試驗(yàn)分別考察了Zorbax Eclipse Plus-C18色譜柱(4.6 mm×150 mm，5μm)、XBridge-C18色譜柱(4.6 mm×150 mm，5μm)、Wondasil-C18色 譜 柱(4.6 mm×150 mm，5 μm)、XTerra-C18色 譜 柱(4.6 mm×150 mm，5μm)等4種相同規(guī)格的反相色譜柱對100μg·L－1Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液測定的影響，不同色譜柱對Cr(Ⅵ)的分離效果見圖1。

圖1 不同色譜柱對Cr(Ⅵ)的分離效果Fig.1 Cr(Ⅵ)separation effect on different chromatographic columns

由圖1可知:4種色譜柱均能實(shí)現(xiàn)Cr(Ⅵ)的分離，但Zorbax Eclipse Plus-C18色譜柱和XBridge-C18色譜柱分析時(shí)間太長，保留時(shí)間分別為12.63，14.17 min，流動相消耗量大，分析效率很低，同時(shí)Zorbax Eclipse Plus-C18色譜柱的峰有明顯拖尾現(xiàn)象，易導(dǎo)致分析結(jié)果的不準(zhǔn)確及保留時(shí)間的偏移。Wondasil-C18色譜柱與XTerra-C18色譜柱能將保留時(shí)間縮短至3.925，4.966 min，大大節(jié)約了分析時(shí)間，提高了工作效率，也減少了流動相的消耗，但Wondasil-C18色譜柱的基線強(qiáng)度高，表明其背景底值高，可能是色譜柱中Si－OR 鍵極性較強(qiáng)導(dǎo)致的，而且其靈敏度明顯低于XTerra-C18色譜柱，信噪比僅為XTerra-C18色譜柱的1/10，XTerra-C18色譜柱峰形窄而尖銳。試驗(yàn)選擇具有最優(yōu)信噪比的XTerra-C18色譜柱進(jìn)行Cr(Ⅵ)的測定。

2.2.2 流動相酸度和流量

根據(jù)XTerra-C18反相色譜柱的特性，試驗(yàn)選擇含5%甲醇的2 mmol·L－1TBA 溶液作為流動相。當(dāng)流動相呈酸性時(shí)，Cr(Ⅵ)容易被還原成Cr(Ⅲ)，出峰之后、拖尾嚴(yán)重，不能得到良好的分離；當(dāng)流動相呈堿性時(shí)，Cr(Ⅲ)易生成氫氧化鉻沉淀，堵塞色譜柱。綜合考慮，中性條件更有利于Cr(Ⅵ)的洗脫和測定，試驗(yàn)選擇流動相p H 為7.0。

流動相的流量對Cr(Ⅵ)的峰形和信噪比有明顯影響，試驗(yàn)考察了流動相流量依次為0.5，1.0，1.5 m L·min－1時(shí)對100μg·L－1Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液測定的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 流動相流量對Cr(Ⅵ)測定的影響Fig.2 Effect of flow rate of mobile phase on Cr(Ⅵ)determination

由圖2可知:隨著流動相流量加快，保留時(shí)間明顯前移，峰形和靈敏度逐漸降低；在低流量時(shí)，色譜峰較寬，分析時(shí)間延長，效率變低；在高流量時(shí)，液相分離中的色譜柱內(nèi)擴(kuò)散加大，霧化過程中大量的流動相在稀釋樣品的同時(shí)增加了電感耦合等離子體的負(fù)載從而導(dǎo)致基線背景抬高，信噪比下降。綜合考慮，試驗(yàn)選擇流動相流量為1.0 m L·min－1。

2.3 色譜峰定性

按儀器工作條件對100μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液以及兩者的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行鉻形態(tài)的譜峰確認(rèn)，Cr(Ⅲ)與Cr(Ⅵ)的色譜圖見圖3。

圖3 Cr(Ⅲ)與Cr(Ⅵ)的色譜圖Fig.3 Chromatograms of Cr(Ⅲ)and Cr(Ⅵ)

由圖3可知:Cr(Ⅲ)的出峰時(shí)間為1.732 min，Cr(Ⅵ)的出峰時(shí)間為4.966 min，混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的出峰時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)溶液中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的出峰時(shí)間完全一致，峰形尖銳不拖尾，保留時(shí)間間隔較大，能完全分離。這表明Cr(Ⅲ)與Cr(Ⅵ)的分離效果較好。

鉻在自然界中的同位素主要有52Cr和53Cr，所占豐度分別為83.790%，9.500%，對應(yīng)的自然豐度比為83.790%/9.500%＝8.82。在質(zhì)譜定量分析中，為獲得最優(yōu)的測定靈敏度，通常選擇52Cr的積分面積作為定量依據(jù)，但其在質(zhì)核比52 處容易受38Ar14N＋、40Ar12C＋、35Cl16O1H＋等多原子離子的干擾。因此，可通過52Cr與53Cr的色譜峰面積之比是否接近自然豐度比8.82，來判定鉻的存在，進(jìn)行色譜定性。100μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的兩種質(zhì)量數(shù)色譜圖見圖4。

圖4 100μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的兩種質(zhì)量數(shù)色譜圖Fig.4 Two mass number chromatograms of 100μg·L－1 Cr(Ⅲ)and Cr(Ⅵ)mixed standard solution

圖4中，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)對應(yīng)的52Cr與53Cr的峰面積比分別為14 067/1 615＝8.71，41 609/5 029＝8.27，均接近自然豐度比8.82，可確定保留時(shí)間在1.732 min與4.966 min處的色譜峰分別對應(yīng)Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的色譜峰，而不是多原子離子。

Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液在色譜柱中無法直接全部保留，需經(jīng)過EDTA 絡(luò)合后，才能在色譜柱中準(zhǔn)確定量。試驗(yàn)采用反相離子對色譜方法，先用EDTA 絡(luò)合Cr(Ⅲ)，然后四正丁基硫酸氫銨流動相中的親水基團(tuán)分別與Cr(Ⅲ)-EDTA 和Cr(Ⅵ)絡(luò)合，從而實(shí)現(xiàn)分離。100μg·L－1Cr(Ⅲ)-EDTA 的色譜圖見圖5。

圖5 100μg·L－1 Cr(Ⅲ)-EDTA 的色譜圖Fig.5 Chromatogram of 100μg·L－1 Cr(Ⅲ)-EDTA

由圖3和圖5可知:100μg·L－1的Cr(Ⅲ)與EDTA 絡(luò)合后的峰強(qiáng)度明顯優(yōu)于100μg·L－1Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰強(qiáng)度，但保留時(shí)間滯后，由1.732 min延后至3.658 min，分析效率變低的同時(shí)容易造成峰拖尾而干擾Cr(Ⅵ)的測定。原因可能是Cr(Ⅲ)與EDTA 絡(luò)合后，離子變大，與色譜柱的相互作用更強(qiáng)而導(dǎo)致出峰時(shí)間變慢。試驗(yàn)只需定量分析樣品中的Cr(Ⅵ)含量，在前處理的堿性條件下已將大部分Cr(Ⅲ)的干擾去除，無需引入EDTA，避免了EDTA 對Cr(Ⅵ)測定可能產(chǎn)生的干擾，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定量。

2.4 質(zhì)譜干擾

電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析過程中的質(zhì)譜干擾主要有同質(zhì)異位素、雙電荷氧化物及多原子離子干擾等。以自然豐度最高的同位素52Cr作為積分定量 依 據(jù) 時(shí)，其 容 易 受38Ar14N＋、40Ar12C＋、35Cl16O1H＋等多原子離子的干擾。雙電荷氧化物通過調(diào)諧優(yōu)化儀器參數(shù)后可達(dá)到要求范圍，采用單氦氣碰撞反應(yīng)模式可消除多原子離子干擾，降低背景信號值，提高Cr(Ⅵ)的測定靈敏度和準(zhǔn)確度。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

移取適量的10.0 mg·L－1Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液，用流動相逐級稀釋混合得到0.50，1.50，5.0，10.0，20.0，50.0，100，200μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。按儀器工作條件對上述混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測定，以Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的色譜峰面積為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示:Cr(Ⅵ)的質(zhì)量濃度在0.50～200μg·L－1內(nèi)與其對應(yīng)的峰面積呈線性關(guān)系，線性回歸方程為y＝411.8 x－25.41，相關(guān)系數(shù)為0.999 9。

以3倍信噪比對應(yīng)的質(zhì)量濃度計(jì)算方法的檢出限(3S/N)，結(jié)果為0.10μg·L－1。

2.6 方法的精密度和準(zhǔn)確度

按儀器工作條件對10.0μg·L－1Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液平行測定7次，通過色譜峰面積積分定量，測得其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.4%，方法精密度較好。

為驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確度，按試驗(yàn)方法對聚氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(RMA 034)進(jìn)行分析，Cr(Ⅵ)的認(rèn)定值為(9.3±0.9)mg·kg－1，平行測定6次，Cr(Ⅵ)測定值為9.19 mg·kg－1，相對誤差為－1.18%，測定值的RSD 為2.2%。

2.7 樣品分析

按試驗(yàn)方法對聚氯乙烯塑料材質(zhì)的兒童文具盒樣品、水管樣品、洗臉盆樣品進(jìn)行分析，并進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 樣品分析結(jié)果Tab.2 Analytical results of the samples

由表2可知:樣品中存在Cr(Ⅵ)，其中兒童文具盒樣品符合歐盟2013最新玩具法規(guī)EN 71-3中Ⅲ類可刮取玩具材料的限值要求(在0.2 mg·kg－1以內(nèi))；3種樣品的回收率為94.2%～101%。

本工作采用反相離子對色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定聚氯乙烯塑料中Cr(Ⅵ)的含量。方法操作簡便，靈敏度和準(zhǔn)確度高，分析時(shí)間短、效率高，適用于聚氯乙烯塑料中Cr(Ⅵ)的測定，同時(shí)也為其他類型塑料中Cr(Ⅵ)的測定提供了檢驗(yàn)依據(jù)。