在線富集/高效液相色譜與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用測定玩具中超痕量可遷移六價(jià)鉻

歐陽雨，曹國樟，劉崇華，田 勇，劉欣欣

(廣州海關(guān)技術(shù)中心，廣東 廣州 510623)

鉻元素在自然界中以三價(jià)鉻和六價(jià)鉻為主要存在形態(tài)。其中，六價(jià)鉻化合物屬于有毒致癌物質(zhì)[1-2]，因此歐盟玩具標(biāo)準(zhǔn)對六價(jià)鉻進(jìn)行限制。2014年，歐委會和健康及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估科學(xué)委員會(SCHER)提議在歐盟玩具安全指令2009/48/EC[3]基礎(chǔ)上將六價(jià)鉻的限量降低21～25倍，將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類玩具材料中可遷移六價(jià)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(jià)鉻的遷移限量從0.2 mg/kg降低至0.053 mg/kg。2018年歐盟發(fā)布的嬰幼兒安撫奶嘴標(biāo)準(zhǔn)EN 1400:2013+A2:2018[6]將可遷移六價(jià)鉻的限量進(jìn)一步降低至0.002 mg/kg。而2019年歐盟發(fā)布的EN 71-3:2019[7]給出的六價(jià)鉻方法檢出限為0.002 5 mg/kg，不能滿足SCHER對可遷移六價(jià)鉻的建議限量的檢測要求。隨著對六價(jià)鉻研究的深入，未來對玩具等兒童產(chǎn)品中六價(jià)鉻遷移量的限制將更加嚴(yán)格，亟需建立新的實(shí)用檢測方法以支撐標(biāo)準(zhǔn)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(jià)鉻的濃度僅為0.004 μg/L。目前六價(jià)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(zhì)譜聯(lián)用法[11]、高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用法(HPLC-ICP-MS)[12-20]均無法對該濃度水平進(jìn)行檢測。已報(bào)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(lián)用技術(shù)，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(zhì)譜聯(lián)用法測定玩具材料中的超痕量可遷移六價(jià)鉻，通過控制在線富集裝置，實(shí)現(xiàn)了對樣品溶液中六價(jià)鉻預(yù)先富集再進(jìn)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(jià)鉻的建議限量的檢測要求，能夠很好地支撐玩具產(chǎn)品中六價(jià)鉻相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新和推廣。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(7500cx，配有八極桿碰撞反應(yīng)池，美國Agilent公司)；高效液相色譜(1260，配置2個(gè)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(tǒng)(1290 Infinity Ⅱ，美國Agilent公司)；pH計(jì)(Thermo Orion公司)；純水機(jī)(Milli-Q Elemen，美國Millipore公司)。

超純水(電阻率>18.2 MΩ·cm)；Cr(Ⅲ)單元素標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液(GBW08614，1 000 μg/mL，中國計(jì)量科學(xué)研究院)；Cr(Ⅵ)單元素標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液(GBW(E)080257，100 μg/mL，中國計(jì)量科學(xué)研究院)；濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥68%，痕量金屬級，F(xiàn)isher Scientific公司)；氨水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～22%，痕量金屬級，F(xiàn)isher Optima)；流動相為硝酸銨溶液：由硝酸和氨水混合配制，調(diào)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(zhì)量體積的0.07 mol/L鹽酸，調(diào)節(jié)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(diào)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(jìn)樣體積：900 μL；富集時(shí)間：4 min；運(yùn)行時(shí)間：12 min。

1.3.2 ICP-MS條件分析模式：氦氣碰撞反應(yīng)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(shí)間：0.3 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱的選擇

2.2 在線富集步驟

六價(jià)鉻的富集步驟如圖1所示。富集狀態(tài)：流動相A和自動進(jìn)樣器將樣品壓入富集柱，六價(jià)鉻在富集柱上保留，同時(shí)用流動相B沖洗分析柱，此時(shí)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(jìn)樣狀態(tài)：用流動相B洗脫富集柱上的六價(jià)鉻，并引入分析柱進(jìn)行分離，再進(jìn)入ICP-MS進(jìn)行分析，同時(shí)用流動相A沖洗富集柱，此時(shí)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(jìn)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(shí)間和富集流速是影響分析物富集的重要因素，富集時(shí)間太短或流速太慢，會使分析物富集不完全，而富集時(shí)間太長或流速太快，分析物易被沖出。配制質(zhì)量濃度分別為10、2 ng/L的六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，考察了流速(0.3～0.7 mL/min)和富集時(shí)間(1～6 min)對六價(jià)鉻富集效果的影響，最終選擇富集流速為0.4 mL/min，富集時(shí)間為4 min。在該條件下測定低濃度六價(jià)鉻時(shí)有更高的強(qiáng)度，且峰形良好。

2.4 進(jìn)樣體積及最大進(jìn)樣濃度的確定

配制10 ng/L的六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，考察了進(jìn)樣體積(500～900 μL)對六價(jià)鉻強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，隨著進(jìn)樣體積的增大，六價(jià)鉻的強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)進(jìn)樣體積為900 μL時(shí)強(qiáng)度最大，加大進(jìn)樣量有望進(jìn)一步提升富集效果，降低檢出限。因?qū)嶒?yàn)室的定量環(huán)體積所限，本文選擇進(jìn)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(jìn)樣體積為900 μL，考察了六價(jià)鉻溶液的質(zhì)量濃度(0～100 μg/L)對強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，質(zhì)量濃度在0～50 μg/L范圍內(nèi)增大時(shí)，六價(jià)鉻的峰面積呈線性增大。當(dāng)質(zhì)量濃度由50 μg/L增至100 μg/L時(shí)，六價(jià)鉻的峰面積增加不明顯，且100 μg/L時(shí)六價(jià)鉻的峰形發(fā)生明顯變化，說明此時(shí)色譜柱已飽和。因此本方法的最大進(jìn)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(shí)，考察了洗脫流速(0.3～0.7 mL/min)對10 ng/L六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液分析結(jié)果的影響。結(jié)果表明，隨著洗脫流速的增大，六價(jià)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(shí)色譜峰寬過大，分析時(shí)間延長導(dǎo)致信噪比降低，而流速過高會加大色譜柱內(nèi)部擴(kuò)散，同時(shí)增加等離子體負(fù)載導(dǎo)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(jìn)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(guī)HPLC與ICP-MS聯(lián)用技術(shù)檢測六價(jià)鉻的檢出限可達(dá)0.02 μg/L[20]。若要滿足SCHER提議的限量，采用在線富集技術(shù)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(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別通過兩種方式進(jìn)樣分析：(1)直接進(jìn)樣100 μL；(2)采用在線富集進(jìn)樣900 μL。結(jié)果如圖2所示，在相同濃度下，兩種進(jìn)樣方式下六價(jià)鉻的強(qiáng)度有顯著差異，計(jì)算兩者的峰面積比，得濃縮因子約為8.1倍，大于目標(biāo)濃縮因子，因此可滿足測試要求。通過濃縮因子8.1倍和實(shí)際增大進(jìn)樣量9倍，可算出富集效率為90%，富集效果良好。

2.7 線性關(guān)系、檢出限與精密度

按照本方法對質(zhì)量濃度為0、2、5、10、20 ng/L的六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行測定，以質(zhì)量濃度(x,ng/L)為橫坐標(biāo)，峰面積(y)為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，六價(jià)鉻在2～20 ng/L范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系，線性方程為y=1 293.3x+55.0，相關(guān)系數(shù)大于0.999。

采用本方法重復(fù)測定5 ng/L的六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液8次，得到相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.9%，精密度滿足分析要求。取信噪比S/N=3時(shí)的質(zhì)量濃度，計(jì)算得到六價(jià)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(yīng)的六價(jià)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(yàn)證檢出限能否達(dá)到計(jì)算值，取2 ng/L的六價(jià)鉻溶液進(jìn)樣分析，得到回收率為115%，表明檢出限可滿足要求。

2.8 準(zhǔn)確度

采用本方法分別對歐盟玩具安全指令2009/48/EC規(guī)定的3類玩具材料進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，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(jié)果如表1所示。不同樣品中六價(jià)鉻的回收率為93.4%～111%，該方法的準(zhǔn)確度能滿足測試要求。

表1 不同樣品中六價(jià)鉻的加標(biāo)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(yīng)用本方法對白色粉末、透明液體、黃色液體以及藍(lán)色塑膠粒4種陽性玩具材料樣品中的可遷移六價(jià)鉻進(jìn)行測定，并采用EN 71-3:2019[7]方法進(jìn)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(jì)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(jié)果比對Table 2 Comparison of test results for positive sample

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用在線富集系統(tǒng)和HPLC-ICP-MS技術(shù)，建立了一種分析玩具材料中超痕量可遷移六價(jià)鉻的方法。在優(yōu)化條件下，該方法的進(jìn)樣量為900 μL，與常規(guī)進(jìn)樣方式相比，六價(jià)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(jià)鉻建議限量的要求，為歐盟進(jìn)一步修改玩具材料中六價(jià)鉻限值提供了參考。本方法僅需在實(shí)驗(yàn)室常規(guī)檢測六價(jià)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(fā)和應(yīng)用潛力。并且在實(shí)際工作中可通過加大樣品進(jìn)樣量，以進(jìn)一步降低檢出限。