反相离子对色谱-电感耦合等离子体质谱法测定聚氯乙烯塑料中六价铬

2020-06-01胡光辉刘伟丽

理化检验-化学分册 2020年2期

徐聪，胡光辉，赵婷，张梅，2∗，刘伟丽，2，高峡，2

(1.北京市理化分析测试中心，北京100094； 2.有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室，北京100094)

铬存在于自然界中的大气、水、岩石、土壤以及生物体中，同时也广泛应用于印染、电镀、玩具及塑料等现代工业中，主要有三价铬[Cr(Ⅲ)]和六价铬[Cr(Ⅵ)]两种存在形态[1-2]。Cr(Ⅲ)是对生物体有益的微量元素，而Cr(Ⅵ)具有致癌毒性，可通过吸入、摄取或皮肤接触等方式导致皮肤、肾脏及呼吸系统等的损伤癌变[3-4]。美国环境保护局已将Cr(Ⅵ)确定为17种高度危险的毒性物质之一[5]。

塑料制品广泛应用于包装、医药、家电、儿童玩具及各类日用品中，其在合成与加工过程中，受工艺参数、产品性能等的影响，常需要加入增塑剂、印染着色剂、稳定剂等各种助剂，进而引入了重金属污染，其中Cr(Ⅵ)是一种重要的受控元素形态[6]。为减少环境污染及保护人体健康，欧盟玩具新指令2009/48/EC、包装及包装废物指令94/62/EC、电子电气设备中危害物质禁用指令(Ro HS)201/65/EU对Cr(Ⅵ)的迁移量均有严格的规定，规定Cr(Ⅵ)的限值不得高于0.1%，其中玩具中最低限值可达0.005 mg·kg－1。因此，监测塑料中Cr(Ⅵ)的含量具有重要的意义。

痕量Cr(Ⅵ)的测定方法主要有分光光度法[7]、原子吸收光谱法[8]、离子色谱-电感耦合等离子体质谱法(IC-ICP-MS)[9-10]、液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(LC-ICP-MS)[11-12]等。分光光度法作为Cr(Ⅵ)的标准测定方法被广泛采用，但在测定波长540 nm 处，高含量的钒、铁杂质会对样品吸收产生干扰，导致测定结果偏高。原子吸收光谱法在分析过程中溶剂易受特征光谱的干扰，影响结果准确性。高效液相色谱法(HPLC)具有选择性好、分离度高、方便、快速等优点，电感耦合等离子体质谱法(ICPMS)具有灵敏度高、检出限低等优点。HPLC 与ICP-MS联用可消除40Ar12C＋、35Cl16O1H＋等多原子离子对铬测定的干扰，提高Cr(Ⅵ)测定的灵敏度和准确度，该方法已广泛应用于医药、环境、印染、玩具等领域中。

不同于传统的酸性浸提或超声提取等前处理方法，本工作以美国EPA 方法3060A 为基础，以不改变价态的碱性提取剂直接微波提取聚氯乙烯(PVC)塑料中的Cr(Ⅵ)，采用反相离子对色谱与电感耦合等离子体质谱法联用的方法，以四正丁基硫酸氢铵为离子对流动相，甲醇为有机改进剂，在C18键合的反相色谱柱上实现了聚氯乙烯塑料中Cr(Ⅵ)的测定。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 7700x型电感耦合等离子体质谱仪；Agilent 1260 Infinity型高效液相色谱仪，配Mass Hunter操作软件；Retsch MM400型冷冻混合球磨仪；Italy Ethos MILESTONE 型高级微波消解仪；LAQUA 型p H 计。

Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)标准储备溶液:1 000 mg·L－1。

Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)标准溶液:10.0 mg·L－1，移取适量的1 000 mg·L－1Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)标准储备溶液，用水稀释配制而成。

调谐液:含10μg·L－1锂、钴、铊、铈、铱。

碱性提取剂:称取20.0 g氢氧化钠和30.0 g无水碳酸钠，用适量水溶解后，转移至1 L 容量瓶中，用水定容。

磷酸盐缓冲溶液:p H 7.0，称取8.7 g磷酸氢二钾(不含结晶水)和6.8 g无水磷酸二氢钾(不含结晶水)，用适量水溶解后，转移至100 m L容量瓶中，用水定容。

液氮的纯度为99.99%；甲醇为色谱纯；其余试剂均为分析纯；试验用水为超纯去离子水(电阻率为18.2 MΩ·cm－1)。

试验中所用的聚四氟乙烯管、容量瓶等均用20%(体积分数，下同)硝酸溶液浸泡24 h以上，用水冲洗后备用。

1.2 仪器工作条件

1)微波消解条件微波消解仪消解程序见表1。

2) 色谱条件 XTerra-C18反相色谱柱(4.6 mm×150 mm，5μm)；流动相为含5%(体积分数，下同)甲醇的2 mmol·L－1四正丁基硫酸氢铵(TBA)溶液(用氨水调节p H 至7.0)；等度洗脱；流量1.0 m L·min－1；进样量100μL。

表1 微波消解程序Tab.1 Microwave digestion program

3)ICP-MS条件射频功率1 550 W；等离子体流量14.8 L·min－1，雾化气流量1.0 L·min－1，载气流量1.2 L·min－1，氦气流量4.0 m L·min－1；雾化温度2 ℃；取样深度8.0 mm；蠕动泵转速6.0 r·min－1；测定同位素52Cr、53Cr；积分时间0.8 s。

1.3 试验方法

将聚氯乙烯塑料样品粉碎，称取适量于球形研磨仪中，密封后置于液氮中冷冻10 min，再将球磨仪安装固定，研磨5 min。取出研磨好的聚氯乙烯塑料样品，称取2.500 0 g于微波消解罐中，分别加入50 m L 碱性提取剂、0.5 m L 磷酸盐缓冲溶液、0.4 g无水氯化镁，再加入2 滴辛基苯基聚氧乙烯醚，混匀。盖好消解盖，密封好后装入微波消解仪中，连接温度传感器，按照表1设定的消解程序进行消解。待消解完毕，取出微波消解罐，进行真空抽滤，用水洗涤内罐、内盖和样品滤渣3次，滤液和洗涤液收集到烧杯中，用12.5%硝酸溶液调节p H 至7.5±0.5，并用水定容至100.0 m L，用0.45μm 滤膜过滤后，取滤液按仪器工作条件进行测定，同时制备样品空白溶液。

2 结果与讨论

2.1 前处理条件的选择

铬的形态分析存在多种提取方法，常见的玩具等塑料中的Cr(Ⅵ)多采用乙二胺四乙酸(EDTA)络合、盐酸溶液浸提等方法提取，均为酸性环境。酸性环境易造成Cr(Ⅵ)向Cr(Ⅲ)的还原，不利于目标物的准确定量。综合文献[13-14]，采用碱性条件更有利于Cr(Ⅵ)的提取，试验采用美国EPA 方法3060A 直接微波提取Cr(Ⅵ)，无需分离Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)。

含氢氧化钠、碳酸钠的碱性提取剂的加入容易使Cr(Ⅲ)生成氢氧化铬沉淀，过滤后能减少Cr(Ⅲ)对Cr(Ⅵ)的干扰；为避免过强的碱性造成Cr(Ⅲ)向Cr(Ⅵ)的氧化，加入磷酸盐缓冲溶液可以控制提取液的酸度；无水氯化镁的加入是为了阻止Cr(Ⅲ)向Cr(Ⅵ)的氧化，而且氢氧化镁会与氢氧化铬产生共沉淀；辛基苯基聚氧乙烯醚(Triton X-100)有润湿、分散剂的作用。前处理中加入上述各物质能更好地提取聚氯乙烯塑料中的Cr(Ⅵ)，确保Cr(Ⅵ)的准确测定。文献[15]研究得出:在EPA 方法3060A 的提取条件下，近1%的Cr(Ⅲ)转化成Cr(Ⅵ)。为了防止过强的碱性导致Cr(Ⅲ)氧化成Cr(Ⅵ)，将此方法中的碱性提取剂含量稀释10倍。同时采用微波提取，在一定的温度和压力下，聚氯乙烯塑料中的Cr(Ⅵ)在基体上的溶解与解吸动力学过程加快，大大缩短了提取时间，方法简便快速、提取效率高且环保无污染。试验采用含氢氧化钠、碳酸钠的碱性提取剂充分提取聚氯乙烯塑料中的Cr(Ⅵ)。由于残留的少量Cr(Ⅲ)在中性条件下在反相离子交换色谱柱中不保留，所以提取完毕，需用12.5%硝酸溶液调节提取液p H 至7.5±0.5后才能进样分析。

2.2 色谱条件的选择

2.2.1 色谱柱

首次使用色谱柱时，先用甲醇按照由小到大的流量冲洗柱子一定时间，再用流动相平衡半小时后备用，以保证Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)能在色谱柱上保留并得到分离。

试验分别考察了Zorbax Eclipse Plus-C18色谱柱(4.6 mm×150 mm，5μm)、XBridge-C18色谱柱(4.6 mm×150 mm，5μm)、Wondasil-C18色谱柱(4.6 mm×150 mm，5 μm)、XTerra-C18色谱柱(4.6 mm×150 mm，5μm)等4种相同规格的反相色谱柱对100μg·L－1Cr(Ⅵ)标准溶液测定的影响，不同色谱柱对Cr(Ⅵ)的分离效果见图1。

图1 不同色谱柱对Cr(Ⅵ)的分离效果Fig.1 Cr(Ⅵ)separation effect on different chromatographic columns

由图1可知:4种色谱柱均能实现Cr(Ⅵ)的分离，但Zorbax Eclipse Plus-C18色谱柱和XBridge-C18色谱柱分析时间太长，保留时间分别为12.63，14.17 min，流动相消耗量大，分析效率很低，同时Zorbax Eclipse Plus-C18色谱柱的峰有明显拖尾现象，易导致分析结果的不准确及保留时间的偏移。Wondasil-C18色谱柱与XTerra-C18色谱柱能将保留时间缩短至3.925，4.966 min，大大节约了分析时间，提高了工作效率，也减少了流动相的消耗，但Wondasil-C18色谱柱的基线强度高，表明其背景底值高，可能是色谱柱中Si－OR 键极性较强导致的，而且其灵敏度明显低于XTerra-C18色谱柱，信噪比仅为XTerra-C18色谱柱的1/10，XTerra-C18色谱柱峰形窄而尖锐。试验选择具有最优信噪比的XTerra-C18色谱柱进行Cr(Ⅵ)的测定。

2.2.2 流动相酸度和流量

根据XTerra-C18反相色谱柱的特性，试验选择含5%甲醇的2 mmol·L－1TBA 溶液作为流动相。当流动相呈酸性时，Cr(Ⅵ)容易被还原成Cr(Ⅲ)，出峰之后、拖尾严重，不能得到良好的分离；当流动相呈碱性时，Cr(Ⅲ)易生成氢氧化铬沉淀，堵塞色谱柱。综合考虑，中性条件更有利于Cr(Ⅵ)的洗脱和测定，试验选择流动相p H 为7.0。

流动相的流量对Cr(Ⅵ)的峰形和信噪比有明显影响，试验考察了流动相流量依次为0.5，1.0，1.5 m L·min－1时对100μg·L－1Cr(Ⅵ)标准溶液测定的影响，结果见图2。

图2 流动相流量对Cr(Ⅵ)测定的影响Fig.2 Effect of flow rate of mobile phase on Cr(Ⅵ)determination

由图2可知:随着流动相流量加快，保留时间明显前移，峰形和灵敏度逐渐降低；在低流量时，色谱峰较宽，分析时间延长，效率变低；在高流量时，液相分离中的色谱柱内扩散加大，雾化过程中大量的流动相在稀释样品的同时增加了电感耦合等离子体的负载从而导致基线背景抬高，信噪比下降。综合考虑，试验选择流动相流量为1.0 m L·min－1。

2.3 色谱峰定性

按仪器工作条件对100μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)标准溶液以及两者的混合标准溶液进行铬形态的谱峰确认，Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)的色谱图见图3。

图3 Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)的色谱图Fig.3 Chromatograms of Cr(Ⅲ)and Cr(Ⅵ)

由图3可知:Cr(Ⅲ)的出峰时间为1.732 min，Cr(Ⅵ)的出峰时间为4.966 min，混合标准溶液中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的出峰时间与标准溶液中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)的出峰时间完全一致，峰形尖锐不拖尾，保留时间间隔较大，能完全分离。这表明Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ)的分离效果较好。

铬在自然界中的同位素主要有52Cr和53Cr，所占丰度分别为83.790%，9.500%，对应的自然丰度比为83.790%/9.500%＝8.82。在质谱定量分析中，为获得最优的测定灵敏度，通常选择52Cr的积分面积作为定量依据，但其在质核比52 处容易受38Ar14N＋、40Ar12C＋、35Cl16O1H＋等多原子离子的干扰。因此，可通过52Cr与53Cr的色谱峰面积之比是否接近自然丰度比8.82，来判定铬的存在，进行色谱定性。100μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)混合标准溶液的两种质量数色谱图见图4。

图4 100μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)混合标准溶液的两种质量数色谱图Fig.4 Two mass number chromatograms of 100μg·L－1 Cr(Ⅲ)and Cr(Ⅵ)mixed standard solution

图4中，Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)对应的52Cr与53Cr的峰面积比分别为14 067/1 615＝8.71，41 609/5 029＝8.27，均接近自然丰度比8.82，可确定保留时间在1.732 min与4.966 min处的色谱峰分别对应Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的色谱峰，而不是多原子离子。

Cr(Ⅲ)标准溶液在色谱柱中无法直接全部保留，需经过EDTA 络合后，才能在色谱柱中准确定量。试验采用反相离子对色谱方法，先用EDTA 络合Cr(Ⅲ)，然后四正丁基硫酸氢铵流动相中的亲水基团分别与Cr(Ⅲ)-EDTA 和Cr(Ⅵ)络合，从而实现分离。100μg·L－1Cr(Ⅲ)-EDTA 的色谱图见图5。

图5 100μg·L－1 Cr(Ⅲ)-EDTA 的色谱图Fig.5 Chromatogram of 100μg·L－1 Cr(Ⅲ)-EDTA

由图3和图5可知:100μg·L－1的Cr(Ⅲ)与EDTA 络合后的峰强度明显优于100μg·L－1Cr(Ⅲ)标准溶液的峰强度，但保留时间滞后，由1.732 min延后至3.658 min，分析效率变低的同时容易造成峰拖尾而干扰Cr(Ⅵ)的测定。原因可能是Cr(Ⅲ)与EDTA 络合后，离子变大，与色谱柱的相互作用更强而导致出峰时间变慢。试验只需定量分析样品中的Cr(Ⅵ)含量，在前处理的碱性条件下已将大部分Cr(Ⅲ)的干扰去除，无需引入EDTA，避免了EDTA 对Cr(Ⅵ)测定可能产生的干扰，从而实现准确定量。

2.4 质谱干扰

电感耦合等离子体质谱法分析过程中的质谱干扰主要有同质异位素、双电荷氧化物及多原子离子干扰等。以自然丰度最高的同位素52Cr作为积分定量依据时，其容易受38Ar14N＋、40Ar12C＋、35Cl16O1H＋等多原子离子的干扰。双电荷氧化物通过调谐优化仪器参数后可达到要求范围，采用单氦气碰撞反应模式可消除多原子离子干扰，降低背景信号值，提高Cr(Ⅵ)的测定灵敏度和准确度。

2.5 标准曲线和检出限

移取适量的10.0 mg·L－1Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)标准溶液，用流动相逐级稀释混合得到0.50，1.50，5.0，10.0，20.0，50.0，100，200μg·L－1的Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)混合标准溶液系列。按仪器工作条件对上述混合标准溶液系列进行测定，以Cr(Ⅵ)的质量浓度为横坐标，对应的色谱峰面积为纵坐标进行线性回归，绘制标准曲线。结果显示:Cr(Ⅵ)的质量浓度在0.50～200μg·L－1内与其对应的峰面积呈线性关系，线性回归方程为y＝411.8 x－25.41，相关系数为0.999 9。

以3倍信噪比对应的质量浓度计算方法的检出限(3S/N)，结果为0.10μg·L－1。