反相離子對色譜-電感耦合等離子體質譜法測定聚氯乙烯塑料中六價鉻

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.有機材料檢測技術與質量評價北京市重點實驗室，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，同時也廣泛應用于印染、電鍍、玩具及塑料等現代工業中，主要有三價鉻[Cr(Ⅲ)]和六價鉻[Cr(Ⅵ)]兩種存在形態[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致皮膚、腎臟及呼吸系統等的損傷癌變[3-4]。美國環境保護局已將Cr(Ⅵ)確定為17種高度危險的毒性物質之一[5]。

塑料制品廣泛應用于包裝、醫藥、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、產品性能等的影響，常需要加入增塑劑、印染著色劑、穩定劑等各種助劑，進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[6]。為減少環境污染及保護人體健康，歐盟玩具新指令2009/48/EC、包裝及包裝廢物指令94/62/EC、電子電氣設備中危害物質禁用指令(Ro HS)201/65/EU對Cr(Ⅵ)的遷移量均有嚴格的規定，規定Cr(Ⅵ)的限值不得高于0.1%，其中玩具中最低限值可達0.005 mg·kg－1。因此，監測塑料中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譜法(IC-ICP-MS)[9-10]、液相色譜-電感耦合等離子體質譜法(LC-ICP-MS)[11-12]等。分光光度法作為Cr(Ⅵ)的標準測定方法被廣泛采用，但在測定波長540 nm 處，高含量的釩、鐵雜質會對樣品吸收產生干擾，導致測定結果偏高。原子吸收光譜法在分析過程中溶劑易受特征光譜的干擾，影響結果準確性。高效液相色譜法(HPLC)具有選擇性好、分離度高、方便、快速等優點，電感耦合等離子體質譜法(ICPMS)具有靈敏度高、檢出限低等優點。HPLC 與ICP-MS聯用可消除40Ar12C＋、35Cl16O1H＋等多原子離子對鉻測定的干擾，提高Cr(Ⅵ)測定的靈敏度和準確度，該方法已廣泛應用于醫藥、環境、印染、玩具等領域中。

不同于傳統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，以不改變價態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譜法聯用的方法，以四正丁基硫酸氫銨為離子對流動相，甲醇為有機改進劑，在C18鍵合的反相色譜柱上實現了聚氯乙烯塑料中Cr(Ⅵ)的測定。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7700x型電感耦合等離子體質譜儀；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。

Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)標準儲備溶液:1 000 mg·L－1。

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

調諧液: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(不含結晶水)和6.8 g無水磷酸二氫鉀(不含結晶水)，用適量水溶解后，轉移至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；試驗用水為超純去離子水(電阻率為18.2 MΩ·cm－1)。

試驗中所用的聚四氟乙烯管、容量瓶等均用20%(體積分數，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%(體積分數，下同)甲醇的2 mmol·L－1四正丁基硫酸氫銨(TBA)溶液(用氨水調節p H 至7.0)；等度洗脫；流量1.0 m L·min－1；進樣量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；蠕動泵轉速6.0 r·min－1；測 定 同 位 素52Cr、53Cr；積 分 時 間0.8 s。

1.3 試驗方法

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設定的消解程序進行消解。待消解完畢，取出微波消解罐，進行真空抽濾，用水洗滌內罐、內蓋和樣品濾渣3次，濾液和洗滌液收集到燒杯中，用12.5%硝酸溶液調節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行測定，同時制備樣品空白溶液。

2 結果與討論

2.1 前處理條件的選擇

鉻的形態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)絡合、鹽酸溶液浸提等方法提取，均為酸性環境。酸性環境易造成Cr(Ⅵ)向Cr(Ⅲ)的還原，不利于目標物的準確定量。綜合文獻[13-14]，采用堿性條件更有利于Cr(Ⅵ)的提取，試驗采用美國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能更好地提取聚氯乙烯塑料中的Cr(Ⅵ)，確保Cr(Ⅵ)的準確測定。文獻[15]研究得出:在EPA 方法3060A 的提取條件下，近1%的Cr(Ⅲ)轉化成Cr(Ⅵ)。為了防止過強的堿性導致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過程加快，大大縮短了提取時間，方法簡便快速、提取效率高且環保無污染。試驗采用含氫氧化鈉、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%硝酸溶液調節提取液p H 至7.5±0.5后才能進樣分析。

2.2 色譜條件的選擇

2.2.1 色譜柱

首次使用色譜柱時，先用甲醇按照由小到大的流量沖洗柱子一定時間，再用流動相平衡半小時后備用，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種相同規格的反相色譜柱對100μg·L－1Cr(Ⅵ)標準溶液測定的影響，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種色譜柱均能實現Cr(Ⅵ)的分離，但Zorbax Eclipse Plus-C18色譜柱和XBridge-C18色譜柱分析時間太長，保留時間分別為12.63，14.17 min，流動相消耗量大，分析效率很低，同時Zorbax Eclipse Plus-C18色譜柱的峰有明顯拖尾現象，易導致分析結果的不準確及保留時間的偏移。Wondasil-C18色譜柱與XTerra-C18色譜柱能將保留時間縮短至3.925，4.966 min，大大節約了分析時間，提高了工作效率，也減少了流動相的消耗，但Wondasil-C18色譜柱的基線強度高，表明其背景底值高，可能是色譜柱中Si－OR 鍵極性較強導致的，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。試驗選擇具有最優信噪比的XTerra-C18色譜柱進行Cr(Ⅵ)的測定。

2.2.2 流動相酸度和流量

根據XTerra-C18反相色譜柱的特性，試驗選擇含5%甲醇的2 mmol·L－1TBA 溶液作為流動相。當流動相呈酸性時，Cr(Ⅵ)容易被還原成Cr(Ⅲ)，出峰之后、拖尾嚴重，不能得到良好的分離；當流動相呈堿性時，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，試驗考察了流動相流量依次為0.5，1.0，1.5 m L·min－1時對100μg·L－1Cr(Ⅵ)標準溶液測定的影響，結果見圖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，保留時間明顯前移，峰形和靈敏度逐漸降低；在低流量時，色譜峰較寬，分析時間延長，效率變低；在高流量時，液相分離中的色譜柱內擴散加大，霧化過程中大量的流動相在稀釋樣品的同時增加了電感耦合等離子體的負載從而導致基線背景抬高，信噪比下降。綜合考慮，試驗選擇流動相流量為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)標準溶液以及兩者的混合標準溶液進行鉻形態的譜峰確認，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)的出峰時間為1.732 min，Cr(Ⅵ)的出峰時間為4.966 min，混合標準溶液中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的出峰時間與標準溶液中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的出峰時間完全一致，峰形尖銳不拖尾，保留時間間隔較大，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%，對應的自然豐度比為83.790%/9.500%＝8.82。在質譜定量分析中，為獲得最優的測定靈敏度，通常選擇52Cr的積分面積作為定量依據，但其在質核比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，進行色譜定性。100μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)混合標準溶液的兩種質量數色譜圖見圖4。

圖4 100μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)混合標準溶液的兩種質量數色譜圖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，可確定保留時間在1.732 min與4.966 min處的色譜峰分別對應Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的色譜峰，而不是多原子離子。

Cr(Ⅲ)標準溶液在色譜柱中無法直接全部保留，需經過EDTA 絡合后，才能在色譜柱中準確定量。試驗采用反相離子對色譜方法，先用EDTA 絡合Cr(Ⅲ)，然后四正丁基硫酸氫銨流動相中的親水基團分別與Cr(Ⅲ)-EDTA 和Cr(Ⅵ)絡合，從而實現分離。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 絡合后的峰強度明顯優于100μg·L－1Cr(Ⅲ)標準溶液的峰強度，但保留時間滯后，由1.732 min延后至3.658 min，分析效率變低的同時容易造成峰拖尾而干擾Cr(Ⅵ)的測定。原因可能是Cr(Ⅲ)與EDTA 絡合后，離子變大，與色譜柱的相互作用更強而導致出峰時間變慢。試驗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)測定可能產生的干擾，從而實現準確定量。

2.4 質譜干擾

電感耦合等離子體質譜法分析過程中的質譜干擾主要有同質異位素、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 時，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諧優化儀器參數后可達到要求范圍，采用單氦氣碰撞反應模式可消除多原子離子干擾，降低背景信號值，提高Cr(Ⅵ)的測定靈敏度和準確度。

2.5 標準曲線和檢出限

移取適量的10.0 mg·L－1Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)標準溶液，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)混合標準溶液系列。按儀器工作條件對上述混合標準溶液系列進行測定，以Cr(Ⅵ)的質量濃度為橫坐標，對應的色譜峰面積為縱坐標進行線性回歸，繪制標準曲線。結果顯示:Cr(Ⅵ)的質量濃度在0.50～200μg·L－1內與其對應的峰面積呈線性關系，線性回歸方程為y＝411.8 x－25.41，相關系數為0.999 9。

以3倍信噪比對應的質量濃度計算方法的檢出限(3S/N)，結果為0.10μg·L－1。

2.6 方法的精密度和準確度

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

為驗證方法的準確度，按試驗方法對聚氯乙烯標準物質(RMA 034)進行分析，Cr(Ⅵ)的認定值為(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

按試驗方法對聚氯乙烯塑料材質的兒童文具盒樣品、水管樣品、洗臉盆樣品進行分析，并進行加標回收試驗，結果見表2。

表2 樣品分析結果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)；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，靈敏度和準確度高，分析時間短、效率高，適用于聚氯乙烯塑料中Cr(Ⅵ)的測定，同時也為其他類型塑料中Cr(Ⅵ)的測定提供了檢驗依據。