連續流動法測定卷煙主流煙氣中的六價鉻

(吉林煙草工業有限責任公司技術研發中心,長春 130031)

重金屬元素鉻是卷煙中的有害成分,可能來源于煙草作物在生長過程中從環境中吸收和富集的鉻[1],也可能來源于卷煙加工過程中用到的香精香料、水基膠、卷煙紙、接裝紙等煙用輔助材料的痕量鉻[2-3]。在卷煙抽吸過程中,鉻元素會隨著主流煙氣進入身體,從而對人的健康造成危害。鉻元素常見的價態為三價和六價,其中六價鉻比三價鉻毒性高100倍[4],吸入會傷及肺和腎,有強烈致癌作用。因此,準確測定主流煙氣中六價鉻含量對卷煙危害性評價有重要意義。

六價鉻測定方法主要有液相色譜-電感耦合等離子體質譜法[5]、分光光度法[6]、連續流動法[7]、離子色譜法[8]、原子吸收光譜法[9]。其中,連續流動法具有自動化程度高、測試速率快、試劑用量少和廢液排放量少等優點,在六價鉻分析中得到了廣泛應用。目前分析對象大多集中于卷煙紙和接裝紙[10-12],一般根據樣品萃取液中的六價鉻會與顯色劑反應,生成的產物在540 nm 處有最大吸收的原理來測定六價鉻含量。由于主流煙氣萃取液呈深色,對六價鉻的測定有較大干擾,因此關于連續流動法測定主流煙氣中六價鉻含量的研究鮮有報道。

針對這一現狀,本工作使用磷酸緩沖溶液收集氣相物、石英濾片收集粒相物、磷酸緩沖溶液萃取,采用HLB固相萃取柱對吸收液或萃取液進行脫色處理后使其與顯色劑進行在線顯色反應,用連續流動分析儀測定六價鉻含量,以期為主流煙氣中六價鉻含量的測定提供解決方案。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Astoria-305D 型連續流動分析儀,配540 nm濾光片;Pentagon型吸煙機;自制吸收瓶(用于主流煙氣氣相物的捕集,見圖1);HY-8A 數顯調速多用振蕩器;Milli-Q10純水儀;ORION STAR A214型pH 計;Waters Oasis HLB 固相萃取柱(6 mL/500 mg);90 mm 石英濾片。

圖1 吸收瓶Fig.1 Absorption bottle

六價鉻標準溶液:1 000 mg·L－1。

六價鉻標準溶液系列:取1 000 mg·L－1六價鉻標準溶液,用磷酸鹽緩沖溶液(pH 8.0)逐級稀釋,配制成5,10,20,50,100,200μg·L－1的六價鉻標準溶液系列。

磷酸鹽緩沖溶液:稱取22.80 g三水合磷酸氫二鉀,用水溶解并定容至1 L,用磷酸調節其pH 為8.0±0.1,最后再用氮氣脫氣,備用。

顯色劑:稱取0.04 g 1,5-二苯基卡巴肼溶于20 mL乙醇中,再加入4 mL磷酸和40 mL水,冷卻至室溫后,用水定容至100 mL。

硫酸為優級純;磷酸、乙醇為色譜純;三水合磷酸氫二鉀為分析純;1,5-二苯基卡巴肼的純度為98%;試驗用水為超純水。

試驗所選用的5種牌號的卷煙樣品(樣品A～E)均為烤煙型卷煙,煙支長度均為84 mm,其他主要參數見表1。

表1 5種卷煙樣品主要參數Tab.1 Main parameters of 5 cigarette samples

1.2 儀器工作條件

分析速率30次·h－1;螺旋管圈數45圈;濾光片波長540 nm;按照6根泵管直徑由細到粗的順序分別設置流量為947,722,642,482,166,118μL·min－1。

1.3 試驗方法

1.3.1 主流煙氣的收集

（1）乙方（師）在合作科目上為甲方（生）指點迷津，及時指出甲方錯誤，耐心解答甲方問題，達到提高甲方知識運用能力的目的。

按照GB/T 16447－2004《煙草及煙草制品調節和測試的大氣環境》平衡卷煙樣品中的水分;按照GB/T 19609－2004《卷煙用常規分析用吸煙機測定總粒相物和焦油》用吸煙機抽吸卷煙樣品,每種牌號抽吸20 支煙。在吸收瓶中加入50 mL 磷酸鹽緩沖溶液作吸收液(用于收集氣相物)。吸收瓶進氣口和吸煙機中間連接一個放有石英濾片的濾片夾持器,用于收集粒相物,同一牌號卷煙抽吸兩個濾片。吸收瓶出氣口和吸煙機抽吸泵之間用橡膠管連接。

1.3.2 氣相物的分析

取下吸收瓶,靜置5 min,取吸收液約5 mL 倒入HLB 固相萃取柱中進行脫色處理,以小于2 mL·min－1的速率收集洗脫液,按照儀器工作條件測定氣相物中六價鉻含量。

不點燃卷煙,以相同方法分析樣品空白。

1.3.3 粒相物的分析

將同一牌號卷煙的兩片濾片均放入捕集瓶中,加入50 mL 磷酸鹽緩沖溶液,以180～200 r·min－1速率振蕩60 min。靜置5 min,取上層萃取液約5 mL 于HLB 固相萃取柱中進行脫色處理,以小于2 mL·min－1的速率收集洗脫液,如果脫色不徹底,需用新HLB 固相萃取柱進行重復脫色處理,按照儀器工作條件測定粒相物中六價鉻含量。

不點燃卷煙,以相同方法分析樣品空白。

2 結果與討論

2.1 濾片的選擇

按照試驗方法分別采用玻璃纖維濾片和石英濾片捕集樣品A 的粒相物,每種濾片做6組平行樣。結果顯示:2 種濾片所得六價鉻的測定值分別為1.66,2.07 ng·支－1,測定值的相對標準偏差(RSD)分別為19%,10%,說明石英濾片的捕集效果更好,且石英濾片比較薄,操作更方便,故試驗選擇的濾片為石英濾片。

2.2 固相萃取柱的選擇

基于參考文獻[13-15],試驗考察了固相萃取柱填充材料分別為聚酰胺、C18、活性炭、硅藻土、HLB時對吸收液脫色效果的影響。結果表明,脫色程度按照從小到大的順序依次為硅藻土、活性炭、C18、聚酰胺、HLB,且只有HLB 作為填充材料時,得到的萃取液為無色的,說明HLB 對主流煙氣具有很好的脫色能力。這是由于HLB為親脂性二乙烯苯和親水性N-乙烯基吡咯烷酮單體按一定質量比混合而成的大孔共聚物,對親水性化合物和親脂性有機化合物均有較好的保留。故試驗選擇用HLB 固相萃取柱進行脫色。

如果HLB 固相萃取柱對六價鉻具有吸附作用,可能會使測定值發生變化,因此試驗考察了采用HLB固相萃取柱萃取20,60,100μg·L－1六價鉻標準溶液時六價鉻的回收率。結果顯示:測定值分別為19.62,59.86,100.69μg·L－1,對應回收率分別為98.1%,99.8%,101%,進一步說明HLB 固相萃取柱對六價鉻幾乎沒有吸附作用,可以采用HLB固相萃取柱對吸收液進行脫色處理。

2.3 配制顯色劑所用介質的選擇

文獻[12,14]采用丙酮或異丙醇溶解1,5-二苯基卡巴肼配制顯色劑,但試驗發現,乙醇也可以很好地溶解1,5-二苯基卡巴肼,從成本和環境友好等角度考慮,試驗選擇用乙醇溶解1,5-二苯基卡巴肼。由于六價鉻與顯色劑在酸性條件下才能發生顯色反應,而磷酸不僅能使體系有合適的酸度,還能有效去除萃取液中潛在三價鐵離子干擾。為了保證有合適的用量,試驗考察了磷酸用量分別為1,2,3,4,5,6 mL時對50μg·L－1六價鉻標準溶液中六價鉻測定的影響。結果顯示:不同用量磷酸所得測定值分別為4.76,31.89,46.11,50.12,50.08,50.16μg·L－1,說明當磷酸用量不小于4 mL 時,測定值和已知值比較接近,綜合考慮,試驗選擇磷酸用量為4 mL。

2.4 粒相物萃取條件的選擇

理論上來講,吸收劑磷酸鹽緩沖溶液用量越少,萃取液中目標物含量就越高,越有利于目標物的檢出。但試驗發現,吸收劑用量過少時,不能將濾片吸附的六價鉻全部萃取出,會使測定值偏低;而吸收劑過多時,萃取液中六價鉻含量偏低,不利于六價鉻的檢出。經過反復試驗摸索,最終確定的吸收劑用量為50 mL。

試驗以卷煙樣品A 為待測對象,還考察了吸收劑酸度(pH 6.0,7.0,8.0,9.0)和振蕩時間(10,20,30,40,50,60,120 min)對樣品中六價鉻測定的影響,結果見表2。

表2 酸度和振蕩時間對測定的影響Tab.2 Effect of acidity and oscillation time on determination ng·支－1

由表2可知:六價鉻測定值隨著振蕩時間的延長而增加,60 min時基本達到最高值;振蕩時間繼續延長,六價鉻的測定值基本不變。由于pH 8.0時的測定值最大,故試驗選擇的吸收劑的pH 為8.0,振蕩時間為60 min。

2.5 標準曲線和檢出限

按照試驗方法測定六價鉻標準溶液系列,以六價鉻的質量濃度為橫坐標,其對應的響應值為縱坐標繪制標準曲線。結果顯示:標準曲線的線性范圍為5～200μg·L－1,線性回歸方程為y＝4.350×10－4x＋2.947×10－4,相關系數為0.999 9。

按照試驗方法分析11次氣相物和粒相物樣品空白,以3倍和10倍標準偏差(s)計算檢出限(3s)和測定下限(10s),所得檢出限分別為1.16,1.87 ng·支－1,測定下限分別為3.87,6.23 ng·支－1。

2.6 精密度和回收試驗

按照試驗方法分析卷煙樣品A,平行測定6次,計算測定值的RSD。結果顯示:氣相物中六價鉻測定值的RSD 為13%,粒相物中的為9.4%,滿足痕量分析要求。

向吸收瓶中的吸收液中加入1.25 ng·支－1六價鉻,按照試驗方法分析樣品A,計算氣相物中六價鉻的回收率;在石英濾片上加入2 ng·支－1六價鉻后,按照試驗方法分析樣品A,計算粒相物中六價鉻的回收率,所得結果見表3。

由表3結果可知,本方法的準確度較高。

表3 回收試驗結果Tab.3 Results of test for recovery

2.7 樣品分析

按照試驗方法分析4種卷煙樣品,結果見表4。

由表4 可知:卷煙樣品中六價鉻均不高于6.36 ng·支－1,且粒相物中六價鉻含量略高于氣相物中的。

表4 樣品分析結果Tab.4 Analytical results of samples ng·支－1

本工作分別采用磷酸鹽緩沖溶液和石英濾片捕集卷煙樣品主流煙氣中的氣相物和粒相物,經脫色和顯色處理后,用連續流動法測定其中六價鉻含量。本方法前處理簡單,分析快速、精密度和準確度高,可用于卷煙主流煙氣中六價鉻的痕量分析。