微波消解-原子吸收光谱法测定儿童牙刷刷毛中重金属元素的含量

郧海丽,任 蕾,雷 霓,高岩磊

(1.石家庄学院 化工学院,石家庄 050035; 2.河北省建陶工程技术研究中心,石家庄 050035)

重金属元素对人体的新陈代谢有严重的危害作用[1],影响人体的正常生理过程,尤其是在儿童成长发育阶段,摄入过量的重金属元素会影响儿童的智力和身体发育[2],降低儿童的免疫力,因此人们对儿童用品中重金属元素的含量越来越重视。儿童牙刷是儿童重要的生活用品,刷毛中通常含有铬、镉、铅、铜、铁等重金属元素,因此建立一种准确测定儿童牙刷刷毛中重金属元素含量的方法具有重要意义[3]。

目前,测定重金属元素含量的方法主要有滴定法、原子吸收光谱法、X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体光谱法等[4-7]。其中,滴定法对仪器要求不高、操作简便,但存在滴定终点难以界定、部分元素不适宜用滴定分析等缺点;X射线荧光光谱法重现性好、分析快速、灵敏度高,但在测定过程中容易受到其他元素的干扰;电感耦合等离子体光谱法可对多种元素同时测定,稳定性好、精密度高,但仪器昂贵,检测成本高;原子吸收光谱法具有灵敏度高、成本低等优点,是目前测定重金属元素含量较成熟的方法,在重金属元素分析中得到了广泛的应用。本工作以硝酸和硫酸的混合液对儿童牙刷刷毛进行微波消解,采用原子吸收光谱法测定其中镉、铬、铅、铜等4种重金属元素的含量。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

ZEEnit 700P型原子吸收光谱仪;YW-Ⅱ型远红外电热干燥箱;MD6C-6H型微波样品处理系统;FA2204B型电子天平。

镉、铬、铅、铜单标准储备溶液:1 g·L－1。

镉、铬混合标准溶液系列:移取适量的镉、铬单标准储备溶液,用1%(体积分数,下同)硝酸溶液逐级稀释,配制成镉、铬质量浓度均为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mg·L－1的镉、铬混合标准溶液系列。

铅、铜混合标准溶液系列:移取适量的铅、铜单标准储备溶液,用1%硝酸溶液逐级稀释,配制成铅、铜质量浓度均为0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0 mg·L－1的铅、铜混合标准溶液系列。

硝酸、硫酸均为分析纯;试验用水为去离子水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 微波消解程序

微波消解程序见表1。

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

1.2.2 原子吸收光谱仪

原子吸收光谱仪的工作条件见表2。当测定铬元素时,在乙炔-空气中加入0.5%(质量分数)氯化铵,以消除刷毛中铁元素杂质的干扰,提高仪器的稳定性[8]。

表2 仪器工作参数Tab.2 Working parameters of the instrument

1.3 试验方法

用剪刀将儿童牙刷刷毛剪成细碎的小颗粒,置于远红外电热干燥箱中干燥至恒重。称取处理后的刷毛样品0.500 0 g于聚四氟乙烯消解罐中,加入1 mL硝酸和4 mL硫酸,摇匀,按照微波消解程序进行消解。消解结束后,取出消解罐,冷却,将消解液转移至50 mL容量瓶中,用2%(体积分数)硝酸溶液定容至刻度,按照仪器工作条件进行测定。随同做空白试验。

2 结果与讨论

2.1 消解方法的优化

在原子吸收光谱法测定过程中,通常要先将样品进行消解。消解方法主要有微波消解法、电热消解法、干法消解法等[9-10]。试验考察了上述3种消解方法对样品测定结果的影响。结果显示:采用干法消解法处理样品时,消解时间较长,并且测定值偏低;采用电热消解法处理样品时,硝酸和硫酸挥发严重,易产生暴沸现象;采用微波消解法时,样品受热均匀,可完全消解,并且损失少。因此,试验选择的消解方法为微波消解法。

2.2 酸体系的优化

试验考察了不同酸体系(硝酸、盐酸、硝酸-硫酸、硝酸-高氯酸)[11-14]对样品消解情况的影响。结果表明:单独使用硝酸时,消解后的样品溶液中存在较多的颗粒,样品消解不完全;单独使用盐酸时,消解过程中会产生较多白烟,样品的消解效果较差;使用硝酸-硫酸体系和硝酸-高氯酸体系时,消解后的样品溶液中未见不溶颗粒物,消解效果较好,但使用硝酸-高氯酸时,操作不当容易引发危险。因此,试验选择的酸体系为硝酸-硫酸体系。

2.3 仪器工作条件的优化

元素灯的强度与其工作电流有关,工作电流过低,会导致光强度较弱,信号强度不稳定,信噪比下降;工作电流过高,会导致谱线变宽,元素灯阴极放电异常,光强度不稳定,减少灯的使用寿命。因此,采用原子吸收光谱法测定重金属元素含量时,需要根据测定元素的不同来选择合适的灯工作电流[15],并进一步优化各元素的狭缝宽度。优化后的仪器工作条件见表1。

2.4 标准曲线和检出限

按照 仪 器 工 作 条 件 对 0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mg·L－1的镉、铬混合标准溶液系列和0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0 mg·L－1的铅、铜混合标准溶液系列进行测定。以各元素的质量浓度为横坐标,其对应的信号强度为纵坐标绘制标准曲线。结果表明,镉、铬标准曲线的线性范围在1.0 mg·L－1以内,铅、铜标准曲线的线性范围在5.0 mg·L－1以内,线性参数见表3。

按照仪器工作条件对空白溶液连续测定11次,计算测定值的标准偏差(s),以3倍标准偏差计算镉、铬、铅、铜的检出限(3s),结果见表3。

表3 线性参数和检出限Tab.3 Linearity parameters and detection limits

2.5 精密度试验

按照仪器工作条件对0.6 mg·L－1的铬标准溶液、0.6 mg·L－1的镉标准溶液、3.0 mg·L－1的铅标准溶液、3.0 mg·L－1的铜标准溶液连续测定6次,铬、镉、铅、铜测定值的相对标准偏差(RSD)依次 为 0.95%,1.5%,1.7%,0.52% 。

2.6 回收试验

按照试验方法对实际儿童牙刷刷毛样品中的铬、镉、铅、铜分别进行3个浓度水平的加标回收试验,计算回收率,结果见表4。

2.7 样品分析

按照试验方法对市售的儿童牙刷刷毛中铬、镉、铅、铜进行测定。结果显示,该儿童牙刷刷毛中铬、镉、铅、铜的测定值依次为 14.86,8.26,14.08,14.08μg·g－1,结果符合国家标准 GB/T 19342－2013《牙刷》的要求。

本工作选用硝酸-硫酸体系微波消解儿童牙刷刷毛样品,采用原子吸收光谱法测定其中铬、镉、铅、铜等4种重金属元素的含量,该方法操作简便,结果准确度高,可用于儿童牙刷刷毛中重金属元素含量的测定。