IC及HPLC与iCAP Q ICP-MS联用分析0.07molL盐酸介质玩具样品中Cr（III）和Cr（VI）形态

2 3 赛默飞世尔科技(中国)应用中心，痕量元素分析 中国是世界最大的玩具出口国，出口额约占全球玩具贸易额的70%，同时中国也是对欧盟出口玩具的大国。2009年7月欧盟实施玩具安全新指令2009/48/EC，指令整体设置两年过渡期，于2011年7月生效。其中化学安全性能过渡期定位四年，于2013年7月20日生效。该指令被业界称为最严苛的玩具安全技术法规，它根据材料类别的不同设定不同的限量要求，共分：干燥、易碎、粉状或易弯曲的玩具材料(一类)；液态或粘性材料(二类)；可刮去玩具材料(三类)。而且分别对相应迁移元素的形态分析作出明确要求，如对于玩具中迁移元素铬的限制，旧指令只要求限制总铬，并不分价态，新指令要求对Cr(Ⅲ)和Cr(ⅥI)分别进行限制，且Cr(VI)的最低限量达5pg/L。 自然界中铬主要以Cr(Ⅲ) 和Cr(Ⅵ)的形式存在，其中Cr(Ⅲ)是人体必需的微量元素，参与人体内糖与脂肪的代谢，而Cr(Ⅵ)则是有害元素，能使人体血液中某些蛋白质沉淀，引起贫血、肾炎、神经炎等疾病，长期接触Cr(Ⅵ)将致癌并诱发基因突变。美国环境保护局(EPA)已将Cr (VI)确定为17种高度危险的毒性物质之一。为适应新指令的要求，建立快速、准确、可靠的铬形态分析方法已成为玩具检测行业重点研究的方向之一。 欧盟玩具新指令“中建议采用LC-ICP-MS法进行玩具样品中铬形态分析，该方法中以含1mMTBAH和0.6mMEDTA(钾盐)的2%甲醇溶液作为流动相(pH7.1)，用C8柱进行分离，然后结合ICP-MS方法实现指令中对铬各态限量的检测要求。其中Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)限量在各类样品中的要求分别如下：一类样品(37.5、0.02mg/kg)；二类样品(9.4、0.005mg/kg)；三类样品(460、0.02mg/kg)；本本实验室前期工作中，研究了HPLC-ICP-MS( Thermo X series 2)联用测定皮革和毛绒玩具样品中铬形态的方法，采用Thermo Hypersil Gold C18柱进行分离，基本能满足检测要求。本文在工厂实验室IC-iCAP QICP-MS分析各用水铬形态基础上，结合上述前期研究工作，建立了IC-iCAP QICP-MS测定0.07 mol/L盐酸介质玩具样品中铬形态的方法，为与HPLC-ICP-MS方法进行比较，分别考察了lonPac AG7、SynocronisC18、Synocronis C8柱子的Cr(Ⅲ)和Cr(V)形态分离能力，探讨了IC-iCAP Q ICP-MS、HPLC-iCAP Q ICP-MS联用测定0.07mol/L盐酸介质玩具样品中铬形态的方法。 仪器 。 iCAP QICPMS ( Thermo Scientific) ( . Ultimate 3000 HPLC ( Thermo Scientific) ) ( ICS-1100 IC ( Therm o Scientific ) ) ( O rion 3 Star P H meter ( Thermo Sc i entific ) ) ( 超纯水机 ( Thermo Scientific ) ) .20~100uL、200~1000pL微量移液器(FisherScientific ) 试剂及标准品 乙二胺四乙酸(EDTA) (分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司) .乙酸铵(分析纯，广东光华化学厂有限公司) .四丁基氢氧化铵(10%水溶液)(TBAH)(分析纯，国药集团化学试剂有限公司) ● 氨水(Fisher Scientific ) ● 甲醇 ( Optimal， Fisher Scientific) ( . Cr (Ⅲ) 1 000mg/L ( I norganic Venture)， C r (Ⅵ)1000mg/L(国家计量标准物质中心) ) ( . 高纯硝酸和肖盐酸 ( Trace Metal Grade， Fisher Scientific) ) ( ● Tuning Solution 调谐液，采 用 1 % HNO3稀释，制成1 pg/L调谐溶液(含Li、Be、Co、In、U、 Ce等) ) ( 分别采用Thermo Scientific Dionex UltiMate 3000液相色谱和Thermo Scientifi c Dionex ICS-1100离子色谱系统进行色谱分离。同时本研究中使用Thermo Scientific iCAF QcICP-MS作为高灵敏度元素检测器，检测从HPLC/IC 洗脱的Cr形态。iCAP Q具有专利Flatapole碰撞反应池 QCell，本实验使用单氦气作为动能歧视效应(KED)的 ) 碰撞气体，选择性地有效抑制了ArC*对52Cr*的干扰，同时能保持相联设备(HPLC-ICP-MS、IC-ICP-MS)的高灵敏度。实验中直接将柱子出口与雾化器相联完成仪器之间的联用。同时用通讯电缆连接到iCAP Q ICP-MS的I/O面板，建立双向触发。使用Thermo Scientific Qtegra控制软件的tQuant功能实现全部定量分析(峰面积积分、浓度、校准曲线拟合等)。 样品和标准溶液制备 IC-ICP-MS方法(AG7柱)：取Cr(Ⅲ) 和Cr(VI)标准储备溶液，以0.07 mol/L HCI 逐级稀释配制成0.005、0.01、0.05、0.1、1.0pg/L的混合标准溶液。 HPLC-ICP-MS方法(C18、C8柱)：分别取1000 mg/L的Cr(Ⅲ)和Cr(V)配置成1 mg/L标准储备溶液，加入30mg EDTA在60度水浴加热3小时。测定时用流动相逐级稀释1mg/L标准储备溶液配置成0.01、0.05、0.1、0.5、1.0pg/L校正曲线标准溶液，以流动相作为空白。 为使样品与标液匹配，将0.07 mol/L介质玩具样品(1#、2#、3#、4#)用流动相稀释一定倍数测定，依次稀释50倍、50倍、1250倍、10倍。 结果与讨论 条件优化 LC-ICP-MS方法 分离柱的选择 实验初期考察了本公司生产的部分反相色谱柱对背景和分离效果影响。在同等条件下， Acclaim C18柱背景为20000cps左右，分离效果较好，但能做到的定量限 为0.1 pg/L； Accucore C18的背景较其它考察柱子高；Acclaim PA2 C18、NG1及Syncronis phenyl柱的分离效果较其它考察柱子差；最终选择背景低且分离效果好的Syncronis C18和Syncronis C8柱进行测试。 流动相试剂纯度的影响 在HPLC-ICP-MS ( C8、C18柱)方法中，考察了流动相中用到的试剂剂度对背景强度的影响。以C18柱为例， ICP-MS调谐完毕后，直接从雾化器自吸入去离子水，52Cr信号值为1400cps； 乙二胺四乙酸和乙酸铵水溶液的52Cr背景信号为3000cps；再在上述溶液中加入TBAH，并用氨水pH值调节，该流动相的Cr背景信号为3700cps；按照流动相的配制方法加入一定量的甲醇溶液后，52Cr背景信号为4500cps；通过C18柱后，流动相2Cr背景信号为16500cps。最终认为流动相中所用试剂纯度能满足本方法的要求。 四丁基氢氧化铵10%水溶液(TBAH) 加入量 在HPLC-ICP-MS(C18柱、C8柱)方法中，分别考察了TBAH加入量对色谱分离的影响，如图1所示为C8柱方法中，分别加入TBAH 0.5mL和1.0mL进行对比，发现随着TBAH加入量的减少，能缩短出峰时间，但是同时将提高背景，且峰形变宽。最终选择参数如表2所示。 图1TBAH加入量对色谱分离的影响(上：1.0mL，下：0.5mL) 表1.iCAP Q运行参数 仪器参数 设置值 仪器参数 设置值 RF功率(W) 1550 Q Cell 气体 (L/min) 5.0 ( He) 冷却气(L/min) 14 KED 电压(v) 4 辅助气(L/min) 0.8 驻留时间(s) 200 雾化气(L/min) 1.1 分析质量数 2Cr 表2.ICS-1100/ UltiMate 3000运行参数 IC HPLC 柱子 Dionex AG7 (4.0×50mm) Thermo Scientific SycronisC18(4.6x150mm) Thermo Scientific SycronisC8(4.6×150mm) 洗脱 等度 等度 等度 流动相 3%硝酸溶液 0.6mM EDTA； 20mM乙酸铵，2%甲醇1000mL，0.75mL 四丁基氢氧化铵10%水溶液，用氨水调 pH=7.1左右 0.6mM EDTA； 20mM乙酸铵，2%甲醇1000mL，1.0mL四丁基氢氧化铵10%水溶液，用氨水调pH=7.1左右 流速 1.2mL/min 1.2mL/min 1.0mL/min 进样体积 200pL 200pL 200pL 持续时间 150s 400s 300s IC-ICP-MS方法硝酸浓度 在IC-ICP-MS方法中，分别配制2.0%、2.5%、3.0%、3.5%硝酸溶液作为流动相对0.5pg/L混标溶液进行分离，如图2所示，发现随着硝酸浓度增大所需分离时间缩短，但是当浓度达3.5%时，Cr(Ⅵ) 和Cr(Ⅲ)分离效果变差，最终选择3.0%硝酸溶液作为流动相。 图2硝酸浓度对色谱分离的影响 (左上：2.0%，右上：2.5%，左下：3.0%，右下：3.5%) 流速 在IC-ICP-MS方法中，考察了流动相流速对0.5pg/L混标溶液的分离效果，如图3所示，最终选择流动相流速为1.2mL/min。 图3流动相流速对色谱分离的影响 (左上： 0.8mL/min， 右上：1.0mL/min， 左下： 1.2mL/min，右下：1.5mL/min) 仪器参数 经条件优化，本实验中最终采用iCAP Q ICP-MS及IC/HPLC参数如表1、2所示。 色谱分离图 如图4所示为0.5pg/L混标溶液及2#样品的色谱分离图，IC-ICP-MS方法中，仅120s即可完成Cr两种形态的分离。在HPLC-ICP-MS方法中，C8柱的分离时间较C18木短，但Cr(ⅥI) 和Cr(Ⅲ)两峰的分离程度C18柱优于C8柱。 图4.A)IC-ICP-MS(AG7柱)方法，0.5pg/L及2#样品Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)色谱分离图 图4.B) HPLC-ICP-MS (C18柱)方法， 0.5pg/L及2#样品Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)色谱分离图 图4.C)HPLC-ICP-MS(C8柱)方法，0.5ug/L标液及2#样品Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)色谱分离图 校准曲线 按照表1和2中的条件，分别对IC-ICP-MS及HPLC-ICP-MS方法中Cr(Ⅲ)和Cr(ⅥI)标准溶液进行分析，校准曲线信息如图5(A、B、C)所示。 图5.A) IC-ICP-MS(AG7柱)方法中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的校准曲线 图5.B) HPLC-ICP-MS(C18柱)方法中Cr(Ⅲ)和Cr(ⅥI)的校准曲线 图5.C)HPLC-ICP-MS (C8柱) 方法中Cr(Ⅲ) 和Cr(ⅥI)的校准曲线 测试结果 Cr (Ⅲ)、Cr(VI) 的检出限 如图6(A、B、C)分别为IC-ICP-MS(AG7柱)和HPLC-ICP-MS(C18、C8柱) 方法0.005pg/L、0.01 pg/L标准溶液色谱图(图6)中，采用大于三倍信噪比(S/N>3)的峰高所对应的Cr形态含量作为方法检出限， IC-ICP-MS(AG7柱)方法中，基线处信号波动约200cps，Cr(Ⅲ) 和Cr(Ⅵ)检出限为0.005pg/L， HPLC-ICP-MS(C18柱和C8柱)方法中，基线处信号波动约为300cps， Cr (Ⅲ)和Cr(Ⅵ)检出限为0.01 pg/L。 图6A.IC-ICP-MS(AG7柱)方法中0.005pg/L标准溶液色谱图 图6B.HPLC-ICP-MS (C18柱)方法中0.01pg/L标准溶液色谱图 图6C.HPLC-ICP-MS (C8柱)方法中0.01 pg/L标准溶液色谱图 重复性 分别对标液及样品重复测试三次，均能得到较好的重复性。以2#样品为例，如图7所示，给出了三次测试的色谱重叠图及其积分值。 图7.A)IC-ICP-MS(AG7柱)方法， 2#样品三次测试色谱重叠图及积分值 图7.B) HPLC-ICP-MS(C18柱)方法，2#样品三次测试色谱重叠图及积分值 图7.C) HPLC-ICP-MS(C8柱)方法， 2#样品三次测试色谱重叠图及积分值 样品中铬形态测试结果 采用以上优化条件对1#、2#、3#、4#样品进行分析。表3为四组样品的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)测试结果。 CrVI加标回收实验结果 为考察三种方法的准确性，分别进行加标回收实验。将2#和4#样品用流动相稀释一定倍数后，加入Cr(Ⅵ)标液0.1pg/L和0.05pg/L， 如表4所示，均能得到较好的回收率结果。 表3样品中Cr(Ⅲ)和Cr(ⅥI)形态测试结果 木品 (Crlll) IC-ICP-MS HPLC-ICP-MS AG7柱(ug/L) C18柱 (ug/L) C8柱(ug/L) 1#样品 ND ND ND 2#样品 22 20 27 3#样品 959 860 1033 4#样品 ND ND ND 样品 (CrVI) IC-ICP-MS HPLC-ICP-MS AG7柱 (pg/L) C18柱 (pg/L) C8柱 (ug/L) 1#样品 5.9 6.3 5.8 2#样品 6.0 6.5 5.3 3#样品 202.5 208 185 4#样品 0.48 0.375 ND 注：由于三种方法整体样品测试周期较长，在放置过程中Cr(VI)出现一定程度的转化，实验顺序依次为C18、AG7、C8，因而Cr(Ⅲ)测试结果有逐渐增大的趋势，而Cr(Ⅵ)则反之 表4. IC-ICP-MS及HPLC-ICP-MS方法的加标回收结果 方法 样品 CrVI结果 (pg/L) CrVI加标结果 (ug/L) 回收率(%) IC-ICP-MS AG 7柱 4#样品 0.48 0.94 92 HPLC-ICP-MS C18柱 2#样品 6.5 11.45 98 C8柱 2#样品 5.3 10.25 99 根据欧盟玩具安全新指令2009/48/EC中对铬形态测试的要求，其Cr(Ⅲ)和Cr(ⅥI)的最低限量分别为9.4mg/L和5pg/L， 而本文所讨论的三种方法检出限均能满足且远远低于法规要求限量。比较这三种方法，都能得到较好的Cr(Ⅵ)的回收率结果；其中IC-ICP-MS方法中AG7柱子的52Cr背景最低，相对灵敏度最高，分析速度也较快(仅120s)，流动相配制简便；而HPLC-ICP-MS(C8柱和C18柱)法中，流动相均采用EDTA作为络合剂，同时加入一定的有机相，与欧盟法规一致，显然C8柱的使用更符合法规要求，而从本实验考察可知C18柱的分离效果优于C8柱。 ( 参考文献 ) ( 1. prEN 71-3 r e v DRAFT. Safety of toys-Part3：Migration of certain elements. ) ( 2. 新的欧盟玩具标准中的铬形态分析的HPLC-ICP-MS分析方法研究. ) ( 3. S peciation analysis of Cr (III) a n d Cr (VI) in drinkingwaters using anion exchange chromatographycoupled to the Thermo Scientific iCAP Q ICP-MS. T hermo Scientific Application Note： 43098. ) thermoscientific.com C 2013 Thermo Fisher Scientific Inc. All rights reserved. All trademarks are the property of Thermo Fisher Scientific Inc. and itssubsidiaries. 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