在线富集/高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱联用测定玩具中超痕量可迁移六价铬

欧阳雨，曹国樟，刘崇华，田 勇，刘欣欣

(广州海关技术中心，广东 广州 510623)

铬元素在自然界中以三价铬和六价铬为主要存在形态。其中，六价铬化合物属于有毒致癌物质[1-2]，因此欧盟玩具标准对六价铬进行限制。2014年，欧委会和健康及环境风险评估科学委员会(SCHER)提议在欧盟玩具安全指令2009/48/EC[3]基础上将六价铬的限量降低21～25倍，将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类玩具材料中可迁移六价铬的限值分别定为 0.000 8、0.000 2、0.009 4 mg/kg[4]。2017年欧盟公布了修订指令(EU)2018/725[5]，将2009/48/EC中Ⅲ类玩具材料中六价铬的迁移限量从0.2 mg/kg降低至0.053 mg/kg。2018年欧盟发布的婴幼儿安抚奶嘴标准EN 1400:2013+A2:2018[6]将可迁移六价铬的限量进一步降低至0.002 mg/kg。而2019年欧盟发布的EN 71-3:2019[7]给出的六价铬方法检出限为0.002 5 mg/kg，不能满足SCHER对可迁移六价铬的建议限量的检测要求。随着对六价铬研究的深入，未来对玩具等儿童产品中六价铬迁移量的限制将更加严格，亟需建立新的实用检测方法以支撑标准的更新。

按SCHER提议的Ⅱ类玩具材料限量[4]，考虑到样品迁移过程需要稀释，对限量为0.000 2 mg/kg的样品，迁移液中六价铬的浓度仅为0.004 μg/L。目前六价铬的主要检测方法如紫外可见分光光度法[8-9]、原子吸收分光光度法[10]、离子色谱-电感耦合等离子体质谱联用法[11]、高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用法(HPLC-ICP-MS)[12-20]均无法对该浓度水平进行检测。已报道的检出限最低的方法是生物惰性高效液相色谱(Bio-HPLC)与ICP-MS联用技术，检出限为0.005 μg/L[18]，但Bio-HPLC部件的成本高。

本文采用在线富集/高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱联用法测定玩具材料中的超痕量可迁移六价铬，通过控制在线富集装置，实现了对样品溶液中六价铬预先富集再进样分析，从而使检出限降至1.93 ng/L(0.000 1 mg/kg)。该方法在使用普通不锈钢管路的条件下，可满足SCHER对六价铬的建议限量的检测要求，能够很好地支撑玩具产品中六价铬相关标准的更新和推广。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

电感耦合等离子体质谱仪(7500cx，配有八极杆碰撞反应池，美国Agilent公司)；高效液相色谱(1260，配置2个四元泵G1311A和G1311B，美国Agilent公司)；Dionex AG7阴离子柱(4.0 mm×50 mm,10 μm，美国Dionex公司)；Agilent BIO WAX NP5阴离子交换柱(4.6 mm×50 mm ,5 μm，美国Agilent公司)；在线富集(SPE)系统(1290 Infinity Ⅱ，美国Agilent公司)；pH计(Thermo Orion公司)；纯水机(Milli-Q Elemen，美国Millipore公司)。

超纯水(电阻率>18.2 MΩ·cm)；Cr(Ⅲ)单元素标准储备溶液(GBW08614，1 000 μg/mL，中国计量科学研究院)；Cr(Ⅵ)单元素标准储备溶液(GBW(E)080257，100 μg/mL，中国计量科学研究院)；浓硝酸(质量分数≥68%，痕量金属级，Fisher Scientific公司)；氨水(质量分数20%～22%，痕量金属级，Fisher Optima)；流动相为硝酸铵溶液：由硝酸和氨水混合配制，调至pH 7.1，浓度分别为10 mmol/L和75 mmol/L。

1.2 样品前处理

称取约0.2 g样品，加入50倍质量体积的0.07 mol/L盐酸，调节pH为1.1～1.3，置于避光的(37±2) ℃恒温振荡水浴锅中以180 r/min振荡1 h，静置1 h后，取出溶液用0.45 μm滤头过滤。抽取5 mL滤液，逐滴加入氨水调至pH 7.0～7.1，混匀，待测。

1.3 分析条件

1.3.1 在线富集与HPLC条件流动相A(四元泵G1311A)：10 mmol/L硝酸铵溶液(pH 7.1)；流动相B(四元泵G1311B)：75 mmol/L硝酸铵溶液(pH 7.1)；富集流速(G1311A)：0.4 mL/min；洗脱流速(G1311B)：0.6 mL/min；进样体积：900 μL；富集时间：4 min；运行时间：12 min。

1.3.2 ICP-MS条件分析模式：氦气碰撞反应池模式；射频功率：1 550 W；采集深度：7.0 mm；载气流速：1.05 L/min；等离子气流速：15.0 L/min；辅助气流速：1.0 L/min；碰撞气(氦气)流速：4.0 mL/min；同位素：52Cr；积分时间：0.3 s。

2 结果与讨论

2.1 色谱柱的选择

2.2 在线富集步骤

六价铬的富集步骤如图1所示。富集状态：流动相A和自动进样器将样品压入富集柱，六价铬在富集柱上保留，同时用流动相B冲洗分析柱，此时流路为：样品→4→5→10→1→富集柱→8→9→废液。待样品溶液全部压入富集柱后，切换装置至进样状态：用流动相B洗脱富集柱上的六价铬，并引入分析柱进行分离，再进入ICP-MS进行分析，同时用流动相A冲洗富集柱，此时流路为：流动相B→7→8→富集柱→1 →2→分析柱→ICP-MS。

图1 在线富集装置进样示意图Fig.1 Injection schematic of on-line enrichment device

2.3 富集条件的选择

富集时间和富集流速是影响分析物富集的重要因素，富集时间太短或流速太慢，会使分析物富集不完全，而富集时间太长或流速太快，分析物易被冲出。配制质量浓度分别为10、2 ng/L的六价铬标准溶液，考察了流速(0.3～0.7 mL/min)和富集时间(1～6 min)对六价铬富集效果的影响，最终选择富集流速为0.4 mL/min，富集时间为4 min。在该条件下测定低浓度六价铬时有更高的强度，且峰形良好。

2.4 进样体积及最大进样浓度的确定

配制10 ng/L的六价铬标准溶液，考察了进样体积(500～900 μL)对六价铬强度的影响。结果显示，随着进样体积的增大，六价铬的强度逐渐增大，当进样体积为900 μL时强度最大，加大进样量有望进一步提升富集效果，降低检出限。因实验室的定量环体积所限，本文选择进样体积为900 μL。

考虑到富集柱的容量有限，为确定方法测试的最大浓度，固定进样体积为900 μL，考察了六价铬溶液的质量浓度(0～100 μg/L)对强度的影响。结果表明，质量浓度在0～50 μg/L范围内增大时，六价铬的峰面积呈线性增大。当质量浓度由50 μg/L增至100 μg/L时，六价铬的峰面积增加不明显，且100 μg/L时六价铬的峰形发生明显变化，说明此时色谱柱已饱和。因此本方法的最大进样浓度为50 μg/L，超过该浓度的溶液需要稀释后再测定。

2.5 洗脱流速的选择

在富集流速为0.4 mL/min时，考察了洗脱流速(0.3～0.7 mL/min)对10 ng/L六价铬标准溶液分析结果的影响。结果表明，随着洗脱流速的增大，六价铬的分离度逐渐下降，信噪比先增大后降低，可能是由于流速过低时色谱峰宽过大，分析时间延长导致信噪比降低，而流速过高会加大色谱柱内部扩散，同时增加等离子体负载导致信噪比下降。为获得最佳信噪比，选择洗脱流速为0.6 mL/min。

图2 两种进样方式得到的HPLC-ICP-MS谱图Fig.2 HPLC-ICP-MS spectra of two different injection methods

2.6 浓缩因子

常规HPLC与ICP-MS联用技术检测六价铬的检出限可达0.02 μg/L[20]。若要满足SCHER提议的限量，采用在线富集技术需使仪器检出限降至0.004 μg/L以下，即浓缩因子需为5倍以上。

配制100 ng/L的六价铬标准溶液，分别通过两种方式进样分析：(1)直接进样100 μL；(2)采用在线富集进样900 μL。结果如图2所示，在相同浓度下，两种进样方式下六价铬的强度有显著差异，计算两者的峰面积比，得浓缩因子约为8.1倍，大于目标浓缩因子，因此可满足测试要求。通过浓缩因子8.1倍和实际增大进样量9倍，可算出富集效率为90%，富集效果良好。

2.7 线性关系、检出限与精密度

按照本方法对质量浓度为0、2、5、10、20 ng/L的六价铬标准工作溶液进行测定，以质量浓度(x,ng/L)为横坐标，峰面积(y)为纵坐标，绘制标准曲线。结果显示，六价铬在2～20 ng/L范围内呈良好线性关系，线性方程为y=1 293.3x+55.0，相关系数大于0.999。

采用本方法重复测定5 ng/L的六价铬标准溶液8次，得到相对标准偏差(RSD)为3.9%，精密度满足分析要求。取信噪比S/N=3时的质量浓度，计算得到六价铬的检出限为1.93 ng/L。按本文的前处理方法，1.93 ng/L对应的六价铬干样浓度为0.000 1 mg/kg,可满足SCHER提议限量的检测要求。为验证检出限能否达到计算值，取2 ng/L的六价铬溶液进样分析，得到回收率为115%，表明检出限可满足要求。

2.8 准确度

采用本方法分别对欧盟玩具安全指令2009/48/EC规定的3类玩具材料进行加标回收实验，其中Ⅰ类选取某铅笔芯，Ⅱ类选取某款墨水，Ⅲ类选取某塑胶颗粒，结果如表1所示。不同样品中六价铬的回收率为93.4%～111%，该方法的准确度能满足测试要求。

表1 不同样品中六价铬的加标回收率Table 1 Recoveries of hexavalent chromium spiked in different samples

*not detected

2.9 阳性样品的检测

应用本方法对白色粉末、透明液体、黄色液体以及蓝色塑胶粒4种阳性玩具材料样品中的可迁移六价铬进行测定，并采用EN 71-3:2019[7]方法进行比对(表2)，其中透明液体采用本方法有检出，而用EN 71-3:2019方法则小于检出限。以EN 71-3:2019方法的测试值为真值，计算偏差均小于15%，说明两种方法无显著差异。

表2 阳性样品的检测结果比对Table 2 Comparison of test results for positive sample

3 结 论

本实验采用在线富集系统和HPLC-ICP-MS技术，建立了一种分析玩具材料中超痕量可迁移六价铬的方法。在优化条件下，该方法的进样量为900 μL，与常规进样方式相比，六价铬的浓缩因子约为8.1倍，富集效率约为90%，检出限为1.93 ng/L，可满足SCHER提出的六价铬建议限量的要求，为欧盟进一步修改玩具材料中六价铬限值提供了参考。本方法仅需在实验室常规检测六价铬的HPLC-ICP-MS上增加在线富集装置，无需将仪器的不锈钢管路换成无金属背景的生物惰性管路，成本低，具有巨大的开发和应用潜力。并且在实际工作中可通过加大样品进样量，以进一步降低检出限。