在線富集/高效液相色譜與電感耦合等離子體質譜聯用測定玩具中超痕量可遷移六價鉻

歐陽雨，曹國樟，劉崇華，田 勇，劉欣欣

(廣州海關技術中心，廣東 廣州 510623)

鉻元素在自然界中以三價鉻和六價鉻為主要存在形態。其中，六價鉻化合物屬于有毒致癌物質[1-2]，因此歐盟玩具標準對六價鉻進行限制。2014年，歐委會和健康及環境風險評估科學委員會(SCHER)提議在歐盟玩具安全指令2009/48/EC[3]基礎上將六價鉻的限量降低21～25倍，將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類玩具材料中可遷移六價鉻的限值分別定為 0.000 8、0.000 2、0.009 4 mg/kg[4]。2017年歐盟公布了修訂指令(EU)2018/725[5]，將2009/48/EC中Ⅲ類玩具材料中六價鉻的遷移限量從0.2 mg/kg降低至0.053 mg/kg。2018年歐盟發布的嬰幼兒安撫奶嘴標準EN 1400:2013+A2:2018[6]將可遷移六價鉻的限量進一步降低至0.002 mg/kg。而2019年歐盟發布的EN 71-3:2019[7]給出的六價鉻方法檢出限為0.002 5 mg/kg，不能滿足SCHER對可遷移六價鉻的建議限量的檢測要求。隨著對六價鉻研究的深入，未來對玩具等兒童產品中六價鉻遷移量的限制將更加嚴格，亟需建立新的實用檢測方法以支撐標準的更新。

按SCHER提議的Ⅱ類玩具材料限量[4]，考慮到樣品遷移過程需要稀釋，對限量為0.000 2 mg/kg的樣品，遷移液中六價鉻的濃度僅為0.004 μg/L。目前六價鉻的主要檢測方法如紫外可見分光光度法[8-9]、原子吸收分光光度法[10]、離子色譜-電感耦合等離子體質譜聯用法[11]、高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜聯用法(HPLC-ICP-MS)[12-20]均無法對該濃度水平進行檢測。已報道的檢出限最低的方法是生物惰性高效液相色譜(Bio-HPLC)與ICP-MS聯用技術，檢出限為0.005 μg/L[18]，但Bio-HPLC部件的成本高。

本文采用在線富集/高效液相色譜與電感耦合等離子體質譜聯用法測定玩具材料中的超痕量可遷移六價鉻，通過控制在線富集裝置，實現了對樣品溶液中六價鉻預先富集再進樣分析，從而使檢出限降至1.93 ng/L(0.000 1 mg/kg)。該方法在使用普通不銹鋼管路的條件下，可滿足SCHER對六價鉻的建議限量的檢測要求，能夠很好地支撐玩具產品中六價鉻相關標準的更新和推廣。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

電感耦合等離子體質譜儀(7500cx，配有八極桿碰撞反應池，美國Agilent公司)；高效液相色譜(1260，配置2個四元泵G1311A和G1311B，美國Agilent公司)；Dionex AG7陰離子柱(4.0 mm×50 mm,10 μm，美國Dionex公司)；Agilent BIO WAX NP5陰離子交換柱(4.6 mm×50 mm ,5 μm，美國Agilent公司)；在線富集(SPE)系統(1290 Infinity Ⅱ，美國Agilent公司)；pH計(Thermo Orion公司)；純水機(Milli-Q Elemen，美國Millipore公司)。

超純水(電阻率>18.2 MΩ·cm)；Cr(Ⅲ)單元素標準儲備溶液(GBW08614，1 000 μg/mL，中國計量科學研究院)；Cr(Ⅵ)單元素標準儲備溶液(GBW(E)080257，100 μg/mL，中國計量科學研究院)；濃硝酸(質量分數≥68%，痕量金屬級，Fisher Scientific公司)；氨水(質量分數20%～22%，痕量金屬級，Fisher Optima)；流動相為硝酸銨溶液：由硝酸和氨水混合配制，調至pH 7.1，濃度分別為10 mmol/L和75 mmol/L。

1.2 樣品前處理

稱取約0.2 g樣品，加入50倍質量體積的0.07 mol/L鹽酸，調節pH為1.1～1.3，置于避光的(37±2) ℃恒溫振蕩水浴鍋中以180 r/min振蕩1 h，靜置1 h后，取出溶液用0.45 μm濾頭過濾。抽取5 mL濾液，逐滴加入氨水調至pH 7.0～7.1，混勻，待測。

1.3 分析條件

1.3.1 在線富集與HPLC條件流動相A(四元泵G1311A)：10 mmol/L硝酸銨溶液(pH 7.1)；流動相B(四元泵G1311B)：75 mmol/L硝酸銨溶液(pH 7.1)；富集流速(G1311A)：0.4 mL/min；洗脫流速(G1311B)：0.6 mL/min；進樣體積：900 μL；富集時間：4 min；運行時間：12 min。

1.3.2 ICP-MS條件分析模式：氦氣碰撞反應池模式；射頻功率：1 550 W；采集深度：7.0 mm；載氣流速：1.05 L/min；等離子氣流速：15.0 L/min；輔助氣流速：1.0 L/min；碰撞氣(氦氣)流速：4.0 mL/min；同位素：52Cr；積分時間：0.3 s。

2 結果與討論

2.1 色譜柱的選擇

2.2 在線富集步驟

六價鉻的富集步驟如圖1所示。富集狀態：流動相A和自動進樣器將樣品壓入富集柱，六價鉻在富集柱上保留，同時用流動相B沖洗分析柱，此時流路為：樣品→4→5→10→1→富集柱→8→9→廢液。待樣品溶液全部壓入富集柱后，切換裝置至進樣狀態：用流動相B洗脫富集柱上的六價鉻，并引入分析柱進行分離，再進入ICP-MS進行分析，同時用流動相A沖洗富集柱，此時流路為：流動相B→7→8→富集柱→1 →2→分析柱→ICP-MS。

圖1 在線富集裝置進樣示意圖Fig.1 Injection schematic of on-line enrichment device

2.3 富集條件的選擇

富集時間和富集流速是影響分析物富集的重要因素，富集時間太短或流速太慢，會使分析物富集不完全，而富集時間太長或流速太快，分析物易被沖出。配制質量濃度分別為10、2 ng/L的六價鉻標準溶液，考察了流速(0.3～0.7 mL/min)和富集時間(1～6 min)對六價鉻富集效果的影響，最終選擇富集流速為0.4 mL/min，富集時間為4 min。在該條件下測定低濃度六價鉻時有更高的強度，且峰形良好。

2.4 進樣體積及最大進樣濃度的確定

配制10 ng/L的六價鉻標準溶液，考察了進樣體積(500～900 μL)對六價鉻強度的影響。結果顯示，隨著進樣體積的增大，六價鉻的強度逐漸增大，當進樣體積為900 μL時強度最大，加大進樣量有望進一步提升富集效果，降低檢出限。因實驗室的定量環體積所限，本文選擇進樣體積為900 μL。

考慮到富集柱的容量有限，為確定方法測試的最大濃度，固定進樣體積為900 μL，考察了六價鉻溶液的質量濃度(0～100 μg/L)對強度的影響。結果表明，質量濃度在0～50 μg/L范圍內增大時，六價鉻的峰面積呈線性增大。當質量濃度由50 μg/L增至100 μg/L時，六價鉻的峰面積增加不明顯，且100 μg/L時六價鉻的峰形發生明顯變化，說明此時色譜柱已飽和。因此本方法的最大進樣濃度為50 μg/L，超過該濃度的溶液需要稀釋后再測定。

2.5 洗脫流速的選擇

在富集流速為0.4 mL/min時，考察了洗脫流速(0.3～0.7 mL/min)對10 ng/L六價鉻標準溶液分析結果的影響。結果表明，隨著洗脫流速的增大，六價鉻的分離度逐漸下降，信噪比先增大后降低，可能是由于流速過低時色譜峰寬過大，分析時間延長導致信噪比降低，而流速過高會加大色譜柱內部擴散，同時增加等離子體負載導致信噪比下降。為獲得最佳信噪比，選擇洗脫流速為0.6 mL/min。

圖2 兩種進樣方式得到的HPLC-ICP-MS譜圖Fig.2 HPLC-ICP-MS spectra of two different injection methods

2.6 濃縮因子

常規HPLC與ICP-MS聯用技術檢測六價鉻的檢出限可達0.02 μg/L[20]。若要滿足SCHER提議的限量，采用在線富集技術需使儀器檢出限降至0.004 μg/L以下，即濃縮因子需為5倍以上。

配制100 ng/L的六價鉻標準溶液，分別通過兩種方式進樣分析：(1)直接進樣100 μL；(2)采用在線富集進樣900 μL。結果如圖2所示，在相同濃度下，兩種進樣方式下六價鉻的強度有顯著差異，計算兩者的峰面積比，得濃縮因子約為8.1倍，大于目標濃縮因子，因此可滿足測試要求。通過濃縮因子8.1倍和實際增大進樣量9倍，可算出富集效率為90%，富集效果良好。

2.7 線性關系、檢出限與精密度

按照本方法對質量濃度為0、2、5、10、20 ng/L的六價鉻標準工作溶液進行測定，以質量濃度(x,ng/L)為橫坐標，峰面積(y)為縱坐標，繪制標準曲線。結果顯示，六價鉻在2～20 ng/L范圍內呈良好線性關系，線性方程為y=1 293.3x+55.0，相關系數大于0.999。

采用本方法重復測定5 ng/L的六價鉻標準溶液8次，得到相對標準偏差(RSD)為3.9%，精密度滿足分析要求。取信噪比S/N=3時的質量濃度，計算得到六價鉻的檢出限為1.93 ng/L。按本文的前處理方法，1.93 ng/L對應的六價鉻干樣濃度為0.000 1 mg/kg,可滿足SCHER提議限量的檢測要求。為驗證檢出限能否達到計算值，取2 ng/L的六價鉻溶液進樣分析，得到回收率為115%，表明檢出限可滿足要求。

2.8 準確度

采用本方法分別對歐盟玩具安全指令2009/48/EC規定的3類玩具材料進行加標回收實驗，其中Ⅰ類選取某鉛筆芯，Ⅱ類選取某款墨水，Ⅲ類選取某塑膠顆粒，結果如表1所示。不同樣品中六價鉻的回收率為93.4%～111%，該方法的準確度能滿足測試要求。

表1 不同樣品中六價鉻的加標回收率Table 1 Recoveries of hexavalent chromium spiked in different samples

*not detected

2.9 陽性樣品的檢測

應用本方法對白色粉末、透明液體、黃色液體以及藍色塑膠粒4種陽性玩具材料樣品中的可遷移六價鉻進行測定，并采用EN 71-3:2019[7]方法進行比對(表2)，其中透明液體采用本方法有檢出，而用EN 71-3:2019方法則小于檢出限。以EN 71-3:2019方法的測試值為真值，計算偏差均小于15%，說明兩種方法無顯著差異。

表2 陽性樣品的檢測結果比對Table 2 Comparison of test results for positive sample

3 結 論

本實驗采用在線富集系統和HPLC-ICP-MS技術，建立了一種分析玩具材料中超痕量可遷移六價鉻的方法。在優化條件下，該方法的進樣量為900 μL，與常規進樣方式相比，六價鉻的濃縮因子約為8.1倍，富集效率約為90%，檢出限為1.93 ng/L，可滿足SCHER提出的六價鉻建議限量的要求，為歐盟進一步修改玩具材料中六價鉻限值提供了參考。本方法僅需在實驗室常規檢測六價鉻的HPLC-ICP-MS上增加在線富集裝置，無需將儀器的不銹鋼管路換成無金屬背景的生物惰性管路，成本低，具有巨大的開發和應用潛力。并且在實際工作中可通過加大樣品進樣量，以進一步降低檢出限。