一種基于微流動(dòng)反應(yīng)體系檢測(cè)皮革中六價(jià)鉻的新方法

(浙江省家具與五金研究所，浙江省家具檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311113)

1 前言

Cr(VI)是毒性極強(qiáng)的吸入性物質(zhì)，對(duì)皮膚黏膜具有刺激作用，會(huì)引發(fā)皮炎、濕疹、氣管炎和鼻炎，并通過消化道、呼吸道、皮膚和黏膜侵入人體，具有致癌作用[1-3]，并會(huì)遺傳給下一代。同時(shí)，Cr(VI)對(duì)環(huán)境也會(huì)帶來持久性的污染，其危害性能是全球公認(rèn)的，各個(gè)國家對(duì)產(chǎn)品及環(huán)境中的Cr(VI)含量都有嚴(yán)格的限定。皮革中Cr(VI)的產(chǎn)生可能是皮革生產(chǎn)過程中使用了本身就含有Cr(VI)或超標(biāo)Cr(VI)的鉻粉、含鉻鞣劑、含鉻鹽助劑，如含鉻鹽染料、顏料膏、固定劑、介質(zhì)水等。此外，生產(chǎn)工藝對(duì)于Cr(VI)形成的影響也較為復(fù)雜，包括生產(chǎn)中的p H值、加脂劑、光照、溫度和濕度等條件[4]。

隨著中國加入WTO，我國出口皮革制品不斷擴(kuò)大，中國已經(jīng)成為出口皮革制品第一大國，廣泛應(yīng)用于家具、箱包、鞋類及服裝等產(chǎn)品中。同時(shí)Cr(VI)超標(biāo)也已成為出口皮革產(chǎn)品召回的主因，2014年至2018年期間歐盟官方非食品類消費(fèi)品快速預(yù)警通報(bào)系統(tǒng)(RAPEX)發(fā)布了多起Cr(VI)超標(biāo)皮革產(chǎn)品被召回案例，其中Cr(VI)超標(biāo)占召回總數(shù)的91%，多個(gè)批次是產(chǎn)自中國大陸。2015年5月1日，歐盟發(fā)布了(EU)No301/2014[5]，將與皮膚接觸的皮革物品及含皮革零件物品的Cr(VI)限量從1000mg/kg的標(biāo)準(zhǔn)改為3mg/kg。對(duì)于我國皮革及其相關(guān)產(chǎn)品制造企業(yè)來說，Cr(VI)含量控制是一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題。

目前，Cr(VI)檢測(cè)方法有傳統(tǒng)的化學(xué)顯色分光光度法，原子吸收分光光度法(AAS)、離子色譜法(IC)、高效液相色譜法(HPLC)、電感耦合等離子體(ICP)、液相色譜與電感耦合等離子質(zhì)譜(LC-ICP-MS)聯(lián)機(jī)[6-10]，以及各類在線傳感器。然而，化學(xué)顯色法浪費(fèi)大量試劑，污染嚴(yán)重，分析時(shí)間長；AAS、IC、ICP、HPLC、LC-ICP-MS等方法對(duì)儀器設(shè)備要求比較高，成本高；而傳感器法雖然快速高效[11，12]，但分析精度相對(duì)較低。微流動(dòng)反應(yīng)具有微型化、精確流量、溶劑用量小、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[13]，能夠很好地解決Cr(VI)檢測(cè)方法存在的問題。目前，微流動(dòng)反應(yīng)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)、藥物等檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，主要通過微流控芯片實(shí)現(xiàn)[14，15]，但成本較高。為了解決以上問題，本實(shí)驗(yàn)通過微量注射泵進(jìn)樣，采用具有微尺寸直徑的聚醚醚酮(PEEK)管代替微流控芯片作為運(yùn)輸載體和反應(yīng)空間，通過光譜儀定量分析，構(gòu)建一套化學(xué)劑用量少、檢測(cè)速度快的Cr(VI)微流動(dòng)反應(yīng)體系檢測(cè)裝置。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試劑與儀器

Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液購買于J&K Chemicals公司，濃度為1000mg / L；1,5-二苯卡巴肼和磷酸氫二鉀均為分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；丙酮，色譜純，美國TEDIA。超純水由Merck Millipore MINGCHE水凈化系統(tǒng)生產(chǎn)，其電阻率高于18.2MΩ。

微量注射泵，LSP02-1型，蘭格恒流泵有限公司；HL2000型鹵素光源和FX4000型便攜式微型光纖光譜儀均為上海復(fù)享光學(xué)股份有限公司；pH計(jì)，F(xiàn)E20型，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司。

2.2 磷酸二氫鉀緩沖液

稱取2.28 g 磷酸二氫鉀于100mL容量瓶中，超純水溶解定容，通過磷酸(7+3)將pH值調(diào)至 8.0±0.1，再用氬氣排除空氣。

2.3 Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液

移取1 mL濃度為1000μg/mL的Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液于10 mL容量瓶中，用2.2磷酸二氫鉀緩沖液稀釋，制得100μg/mL Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液。取1 mL濃度100μg/mL Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液，于100 mL容量瓶中，用2.2磷酸二氫鉀緩沖液稀釋，制得1μg/mL Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液。

取0.05、0.1、0.2、5、10、15mL的1μg/mL Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液于25mL容量瓶中，用2.2磷酸二氫鉀緩沖液稀釋，配成濃度為0.02、0.04、0.08、0.2、0.4、0.6μg/mL的工作標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.4 顯色劑

稱取1.0 g 1,5-二苯卡巴肼于100mL容量瓶中，丙酮溶解定容，加一滴乙酸，使其呈酸性，配制成10 mg/mL顯色劑，放入冰箱避光保存。取5mL 10mg/L顯色劑于25毫升容量瓶中，超純水定容，制得2 mg/mL顯色劑，放入冰箱避光保存。

2.5 樣品處理方法

按照GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化學(xué)試驗(yàn) 六價(jià)鉻含量的測(cè)定》[10]7.1-7.3處理皮革樣品。用移液管移取100 mL排除空氣的磷酸緩沖溶液2.2于250 mL錐形瓶中，插入導(dǎo)氣管，往錐形瓶中通入不含有氧氣的氬氣，流量(50±10)mL/min，時(shí)間5min，加入剪碎的皮革試樣(2±0.01)g，蓋好磨口塞，放在振蕩器上萃取3h±5min。萃取結(jié)束后，檢查溶液的pH值，應(yīng)該在7.5～8.0之間。如果超出這一范圍，需要重新調(diào)整稱樣質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 測(cè)定裝置

微流動(dòng)反應(yīng)體系測(cè)定皮革中Cr(VI)的裝置主要由進(jìn)樣系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)和測(cè)定系統(tǒng)三部分組成(圖1)。進(jìn)樣系統(tǒng)包含一個(gè)微量注射泵和兩個(gè)5mL注射器；反應(yīng)系統(tǒng)是PEEK管(0.5mm*1/16″)，為反應(yīng)液提供載體和微反應(yīng)空間；測(cè)定系統(tǒng)包含具有可調(diào)波長激光光源(可見光波長范圍)的便攜式光譜儀(FX-4000)以及“Z”形流通池。

3.2 參數(shù)優(yōu)化

3.2.1 微流動(dòng)反應(yīng)體系中PEEK管長度的影響

聚醚醚酮(PEEK)是一種分子主鏈中含有鏈節(jié)的線性芳香族高分子化合物，具有半結(jié)晶性、熱塑性的塑料，耐高溫、不易被化學(xué)品腐蝕、能夠阻燃，并且還能夠很好的耐強(qiáng)硝酸、濃硫酸等強(qiáng)酸，應(yīng)用于要求比較高的航空、核工程以及一些高端的機(jī)械等方面。采用PEEK管作為微流動(dòng)反應(yīng)體系中液體載體和反應(yīng)空間，其長度對(duì)結(jié)果有所影響，太短兩種溶液反應(yīng)不完全，太長則影響檢測(cè)速度。本實(shí)驗(yàn)分別選擇30cm、50cm和70cm 3種長度的PEEK管進(jìn)行Cr(VI)測(cè)試，Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液和顯色劑(2 mg/mL)的流速均設(shè)置為100 μL/min，結(jié)果見表1。

圖1 微流動(dòng)反應(yīng)體系Cr(VI)測(cè)定裝置結(jié)構(gòu)圖1.進(jìn)樣裝置；2.反應(yīng)裝置；3.光學(xué)檢測(cè)裝置；4.微量注射泵；5.樣品注射器；6.顯色劑注射器；7.三連通；8.PEEK管；9.流通池；10.光源；11.便攜光譜儀；12.廢液池；13.計(jì)算機(jī)

3種長度的PEEK中，Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系均成立，50cm和70cm長時(shí)，R2均大于0.999。其中，50cm PEEK管微流動(dòng)體系檢測(cè)Cr(VI)用時(shí)5.8 min，是3種長度PEEK中檢測(cè)時(shí)間最短的。

表1PEEK管長度對(duì)微流動(dòng)反應(yīng)體系檢測(cè)Cr(VI)的影響(泵流速100 μL/min)

PEEK管長度(cm)標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程R2檢測(cè)時(shí)間(min)30y=0.3157x + 0.00380.99798.050y=0.4110x + 0.00140.99955.870y=0.5051x + 0.00740.99948.9

3.2.2 微流動(dòng)反應(yīng)體系中微量注射泵流速的影響

根據(jù)3.2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇微流動(dòng)反應(yīng)體系中PEEK為50 cm，研究微量注射泵流速對(duì)Cr(VI)檢測(cè)結(jié)果的影響。微量注射泵流速分別設(shè)置為80 μL/min、100 μL/min和120 μL/min，結(jié)果見表2。3種泵流速條件下，Cr(VI)標(biāo)準(zhǔn)曲線線性關(guān)系均成立，R2均大于0.999。微量注射泵流速越大，Cr(VI)檢測(cè)所需時(shí)間越短，當(dāng)流速為120 μL/min 時(shí)，檢測(cè)所需時(shí)間為4.8 min，明顯小于GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化學(xué)試驗(yàn) 六價(jià)鉻含量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的顯色時(shí)間15±5min。

表2 微量注射泵流速對(duì)Cr(VI)檢測(cè)的影響(PEEK管長度50 cm)

根據(jù)以上結(jié)果，體現(xiàn)檢測(cè)效率，微流動(dòng)反應(yīng)體系采用50 cm PEEK管作為反應(yīng)液載體和反應(yīng)空間，微量注射泵流速設(shè)置為120μL/min，此時(shí)檢測(cè)過程所需顯色劑溶液(2 mg/mL)和待測(cè)樣品溶液的理論用量均為576 μL(泵流速×反應(yīng)時(shí)間)。相對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)顯色法GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化學(xué)試驗(yàn) 六價(jià)鉻含量的測(cè)定》，完成一個(gè)樣品檢測(cè)總共消耗25 mL液體(樣品溶液10mL、磷酸0.5mL、顯色劑0.5mL，磷酸二氫鉀緩沖液定容)，微流動(dòng)反應(yīng)體系化學(xué)試劑消耗量很少，符合綠色化學(xué)發(fā)展要求。

3.3 方法的線性范圍和檢出限

按照3.2優(yōu)化參數(shù)，微流動(dòng)反應(yīng)體系測(cè)定皮革中Cr(VI)含量，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(見表3)，Cr(VI)含量在1～30 mg/kg范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)R2為0.9995。濃度范圍覆蓋GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化學(xué)試驗(yàn) 六價(jià)鉻含量的測(cè)定》[10]標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)系數(shù)滿足光譜分析要求。

表3 微流動(dòng)反應(yīng)體系測(cè)定Cr(VI)線性關(guān)系

微流動(dòng)反應(yīng)體系測(cè)定皮革中Cr(VI)的方法檢出限(MDL)，通過重復(fù)測(cè)定空白樣品12次評(píng)估，結(jié)果見表4。多次測(cè)得空白樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差S為0.171，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到MDL為0.43 mg/kg，低于GB/T 22807-2008《皮革和毛皮 化學(xué)試驗(yàn) 六價(jià)鉻含量的測(cè)定》[10]中要求3 mg/kg。

MDL=SD×tn-1.099

(1)

MDL：方法檢出限

SD：標(biāo)準(zhǔn)偏差

表4 重復(fù)測(cè)定空白樣品12次結(jié)果

3.4 精密度和方法回收率

選取陽性皮革樣品1#，按照GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化學(xué)試驗(yàn) 六價(jià)鉻含量的測(cè)定》[10]7.1-7.3進(jìn)行前處理，重復(fù)6次平行試驗(yàn)(見表5)。平均值為5.6 mg/kg, RSD 8.5%, 滿足分析要求。

表5 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=6)

同樣選取陽性皮革樣品1#，Cr(VI)加標(biāo)量為10μg、25μg、40μg， 重復(fù)測(cè)定6次，結(jié)果見表6。平均回收率94.1%～109.0%，RSD 5.7%～9.5%，滿足分析要求。

表6 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=6)

4 結(jié)論

建立了一種基于微流動(dòng)反應(yīng)體系檢測(cè)Cr(VI)的新方法，采用PEEK管代替微流控芯片為反應(yīng)液提供載體和微反應(yīng)空間，應(yīng)用于皮革中Cr(VI)檢測(cè)。與傳統(tǒng)的Cr(VI)檢測(cè)方法相比，該方法具有試劑用量少、設(shè)備成本低、操作簡單、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，能夠滿足第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際工作需要。同時(shí)也可拓展應(yīng)用于其他產(chǎn)品中的Cr(VI)檢測(cè)，例如紡織品、飲用水、廢水、電子電器等。因其化學(xué)試劑消耗量小、檢測(cè)速度快特點(diǎn)，在Cr(VI)便攜式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。