仪器信息网APP

选仪器、听讲座、看资讯

立即体验

当前位置：仪器社区 >质谱 > ICP-MS > 帖子详情

小议玩具中（EN71-3）的六价铬分析技术。

xuquanhui

2013/02/17

私聊

ICP-MS

在53、55楼更新了样品实例和谱图。

按说分析六价铬不是什么新鲜事，但从最近网上的热议以及我们接到的用户信息来看，玩具中的六价铬分析是大家非常关心又觉得很苦恼的事情。趁刚回来上班还算清闲的时候，上来练练笔头，顺便给大家拜年。

先从形态分析的基础说起。三价铬和六价铬是铬元素两种不同形态（或者说价态），只有外层电子的区别。电化学反映的是得失电子的信息，因此电化学的仪器（例如极谱仪之类）可以直接测六价铬。另外，利用六价铬的强氧化性，与二苯卡巴肼反应后测产物的分子吸收光谱，也是一种间接测定六价铬的方法（UV、比色法、分光光度法）。原子光谱（质谱）测定的是原子/等离子的信息，因此单独的原子光谱（质谱）无法区分不同形态的铬，必须和分离手段联用，先把不同形态的铬分离出来，再先后到原子光谱（质谱）上检测。分离的手段有离线分离和在线分离，一般都是LC的分离原理（LC在本文中都是指大范围的Liqued Chromatograph，包含HPLC、IC、以及中低压的层析、过固相萃取柱、等等）。来一下排列组合，再去掉不可能的组合，我们就会知道分析六价铬的手段其实是很多的：极谱、LC-极谱（可能没人做）、UV（比色法、分光光度法）、LC-UV、LC-FAAS、LC-GFAAS、LC-ICP-OES、LC-ICPMS。

极谱我不熟悉，不讨论。UV的检测原理是利用六价铬具有强氧化性，在酸性环境下可以氧化二苯卡巴肼（二苯基碳酰二肼），并且络合成有颜色的络合物，在540nm处测定它的光吸收，从而通过朗伯比尔定律定量分析。该方法已经很成熟，翻翻相关的标准方法就是了，检出限能到10ppb左右，经济实用，应该是目前应用最广的方法了。LC-UV大同小异，只是多了LC的分离降低了干扰，并且把二苯卡巴肼衍生过程自动化了，检出限也比单独的UV改善1~2个数量级，到亚ppb水平。这方面D公司和M公司都有大量文献资料，我03年在D公司工作时就看到他们十几年前的应用文献，已经研究得很透彻了。这两种方法都是测定衍生产物分子的光吸收，因此有颜色的样品干扰会比较大；衍生的条件（例如温度、酸度等等）需要严格控制，对衍生过程有影响的基体（例如一些高价态的过渡金属离子，能氧化二苯卡巴肼）也会造成干扰；LC-UV相对好一些。

LC-FAAS以及LC-ICP-OES的情况比较类似，联机比较容易，有现成的接口，只需稍微改进一下软件就可以了。他们面临的共同问题是灵敏度较低，检出限只能达到10-100ppb左右的水平。理论上，用较低的载气流量把低流量（微升级）的LC流动相直接喷入ICP-OES的喷射管（相当于近100%的雾化效率），LC-ICP-OES有希望把检出限做到亚ppb水平。我也做过尝试，但由于条件有限接口做到不够好，而且色谱柱不匹配，效果欠佳，并且考虑到该方法很可能存在基体耐受性差的缺陷，最终放弃。这块偶尔有看到用户做着玩，仪器厂家好像都没有商品化。(注：发该贴时楼主还没找到成熟的LC-ICP-OES测玩具六价铬的方法，经过一年多的摸索试验，有较大进步，详见：http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20140530/5331222/index_1.shtml 【分享】HPLC与ICP-OES联用，便捷分析玩具中的六价铬（EN71-3，Cr（VI））)

LC-GFAAS的联用很少引起大家的注意，但可能会是一个新的方向。GFAAS具有进样量少、灵敏度高的优点，比FAAS和ICP-OES更适合痕量元素分析。我试过离线的LC分离后收集馏分，再用GFAAS分析，检出限可到亚ppb水平，而且样品的基体干扰都可以消除；但是操作麻烦、实用价值不高。要实现LC-GFAAS的在线联用，最大的困难在于如何解决LC的连续的流动相和GFAAS的间歇进样的匹配问题。GFAAS的间歇进样和冗长的升温程序会产生采样频率低、信号延迟、峰扩展等等诸多问题。曾有人尝试将GFAAS的石墨炉处于连续的高温状态，LC的流动相进过特殊的接口热喷雾到石墨管内，可以实现真正意义上的LC-GFAAS在线联用，但这只是研究实验，实际的批量检测中估计没有人愿意这么干。我想比较现实做法是将原来离线做的事情自动化，或许就能形成一种经济实用的六价铬分析方法。如果有兴趣又有条件的版友，可以和我联系大家一起探索这条路，xuquanhui2000@21cn.com。

LC-ICPMS是目前大家最看好的分析手段，检出限可到ppt级别，已经商品化，网上已经炒得沸沸扬扬了，就不用多说了。

看完硬件平台，再来说说方法。按说UV、LC-UV、LC-ICPMS都已经有非常成熟的方法，为什么大家面对玩具中的六价铬分析却是一度迷失呢？这和样品特性有很大关系。我们先看EN71-3对三价铬和六价铬的限值要求：

可见欧盟把六价铬的限值定得非常低（II类样品在萃取液中的限值仅为0.1ppb），而三价铬的限值是很高的。这尚算合理，因为毒性大的是六价铬，三价铬毒性很低而且有的玩具物料中是含有铬的（主要是三价铬），三价铬放宽一点是可以理解的。另外，EN71-3中是要求将样品用50倍体积的0.07mol/L的HCL萃取，从化学的角度看这是极其不合理的（但是它符合样品被儿童吞咽后在体内的吸收过程，你没法跟欧盟争辩），六价铬存在降解的风险（事实上绝大部分的样品都存在不同程度的降解），同时引入了高浓度的Cl离子、样品中的金属离子、三价铬（如果样品中有铬）的干扰。可以这样来描述萃取液中的情景：

1，我们要分析的目标物六价铬的浓度仅为亚ppb、甚至ppt级别。

2，样品中同时存在另一种形态的铬（三价铬），浓度远高于六价铬，很可能是ppm（或者亚ppm）级别，动辄是六价铬的几百、几千甚至几万倍。这是该分析中的重点也是难点：当用LC-ICPMS分析时，三价铬会出一个很大的峰，直接影响六价铬的分析；用LC-UV分析时，三价铬不会立刻出峰，但是三价铬会沉积在色谱柱里，会在几次到几百次（取决于色谱柱的容量/(进样量*三价铬浓度)的比值）进样后再跑出来，会在接下来的色谱图中造成毛刺和莫名的小峰，如果连续的流出则会提高基线和放大噪声。

3，样品中同时存在很高浓度的Cl离子，两千多ppm，是六价铬的几千万倍，Cl离子不仅影响六价铬在LC的保留行为，而且Cl容易形成多原子离子（ClO、ClOH）对铬产生质谱干扰。

4，样品中可能存在多种金属离子，浓度不确定、可能高到几百ppm（例如油漆中的铝），有些离子具有氧化（还原）能力，干扰六价铬和二苯卡巴肼的衍生反应；有些离子有光吸收，用UV、LC-UV测定时造成假阳性或者高本底。

5，样品是处于一系列的动态的化学平衡中，包括了氧化/还原、沉淀/溶解、络合/解离、酸效应、水解效应等等，各种化学反应就像煮开了一锅八宝粥，原料和产物都在里面翻滚，十分热闹，六价铬的浓度随时都在变化，我们所测得的六价铬浓度其实是这段视频中的一个画面，这个画面对应着我们加入稳定剂的那一个瞬间。

可以说，EN71-3通过“不合理”的前处理，将简单的问题复杂化，确实给大家出了一道难题。

从上段的样品特性已经可以看出，单独的UV已是无法应对，必须先用LC对样品进行分离处理。因为三价铬是阳离子、六价铬是阴离子，所以这里又面临了多种选择，常见LC的分离机理就有离子对色谱（用烷基季胺盐做离子对试剂时类似阴离子交换色谱，用烷基磺酸盐做离子对试剂时类似阳离子交换色谱）、阴离子交换色谱（三价铬出在水峰、三价铬和EDTA的络合物有保留、六价铬保留更强）、阳离子交换色谱（PH低于2时，六价铬出在水峰，三价铬有保留，三价铬不需络合），还有阴、阳离子同时交换的（阴、阳离子在柱上都有保留）。分离机理不同，前处理条件（这里的前处理指的是拿到萃取液到上机测试的这一段）也需要做匹配，不同类型的色谱柱也对应不同的流动相条件。

目前已经有成百上千的实验室在做这方面的方法优化，但真正做得好的并不多。我的理解是其中影响的因素太多，而且其中的很多参数又有比较广的取值范围，组成的排列组合数目太大了，实验室都在做独立的尝试，很大部分时间都是在重复前人的工作，摸索创新的效率并不高，更难以把各种条件的排列组合一一尝试。如果回到问题的根本，也许大家会想到新的思路。

前面提到，样品是处在一系列的化学平衡当中，包括了氧化/还原、沉淀/溶解、络合/解离、酸效应等等。我们可以很容易的找到每一个平衡的计算公式，比如能斯特方程、离解平衡方程、溶解度方程等等，并且可以查到E0、Log β、Ka、Kb、Ksp等等参数。仔细研究一下这些化学平衡，会发现他们和溶液的PH值和离子强度关系密切，并且很多公式是相互关联的。LC分离时还需考虑不同组分在色谱柱上的竞争保留机制，这也可以通过分配系数、塔板理论、相对保留值等等公式进行计算。因此我们可以做成一个数学模型。通过这个模型，我们可以找到所谓的“稳定区域”（满足各种公式的平衡条件）。挑出比较大“稳定区域”（大，意味着条件范围宽松，可操作性强，比如流动相的PH值如果限制在7.1±0.01，实际操作时是很难配出来的；如果是7.1±1，那就很轻松），再做验证实验。有时候最大的“稳定区域”往往是对应特殊的色谱条件，可能意味着要使用定制的色谱柱。还需要考虑动力学的问题，也就是达到该平衡条件所需的时间，因为有的“稳定区域”看起来很美好，但你可能要好几天才等到实现平衡那一刻，显然就没有实用价值了。通过数学模型，可以最大程度节省摸索的时间、并且扩大摸索的范围，以便在短时间内找到最有实用价值的（或者说最宽松的、最傻瓜的）分析条件。我们帮P公司做该项目的方法开发时早期也是这样做的，后来形成的产品ONLY WATER KIT采用最傻瓜的条件，用户只需加水即可完成玩具中的六价铬分析。这个例子证明使用数学模型比单纯的实验摸索有更高的效率，而且“视野”更开阔。通过这个模型我们还会发现目前的一些认识其实是有误区的，比如很多书和文献都说六价铬的稳定PH值是7.1，实际上当溶液中有大量还原物时，六价铬在PH7.1下也会降解；而当样品中有大量的三价铁和三价铬时，六价铬在PH 2下也不会降解。普通用户要建立完整的数学模型来优化分析条件的难度比较大，但是当我们找不到方向、原地转圈的时候，让思维回到原点，多从基本原理出发去思考解决问题的方法，在头脑中建一个简单的模型，往往也会有意外收获的。也许你的方法离成功只差一步，稍微调整一下某个方程中的某个参数就可以了。

精
该帖子已被管理者-设置为精华，下面是奖励记录：

分
该帖子已被版主-tang566加8积分，加2经验;加分理由:鼓励发帖