一种基于微流动反应体系检测皮革中六价铬的新方法

(浙江省家具与五金研究所，浙江省家具检测技术重点实验室，杭州 311113)

1 前言

Cr(VI)是毒性极强的吸入性物质，对皮肤黏膜具有刺激作用，会引发皮炎、湿疹、气管炎和鼻炎，并通过消化道、呼吸道、皮肤和黏膜侵入人体，具有致癌作用[1-3]，并会遗传给下一代。同时，Cr(VI)对环境也会带来持久性的污染，其危害性能是全球公认的，各个国家对产品及环境中的Cr(VI)含量都有严格的限定。皮革中Cr(VI)的产生可能是皮革生产过程中使用了本身就含有Cr(VI)或超标Cr(VI)的铬粉、含铬鞣剂、含铬盐助剂，如含铬盐染料、颜料膏、固定剂、介质水等。此外，生产工艺对于Cr(VI)形成的影响也较为复杂，包括生产中的p H值、加脂剂、光照、温度和湿度等条件[4]。

随着中国加入WTO，我国出口皮革制品不断扩大，中国已经成为出口皮革制品第一大国，广泛应用于家具、箱包、鞋类及服装等产品中。同时Cr(VI)超标也已成为出口皮革产品召回的主因，2014年至2018年期间欧盟官方非食品类消费品快速预警通报系统(RAPEX)发布了多起Cr(VI)超标皮革产品被召回案例，其中Cr(VI)超标占召回总数的91%，多个批次是产自中国大陆。2015年5月1日，欧盟发布了(EU)No301/2014[5]，将与皮肤接触的皮革物品及含皮革零件物品的Cr(VI)限量从1000mg/kg的标准改为3mg/kg。对于我国皮革及其相关产品制造企业来说，Cr(VI)含量控制是一个挑战性的问题。

目前，Cr(VI)检测方法有传统的化学显色分光光度法，原子吸收分光光度法(AAS)、离子色谱法(IC)、高效液相色谱法(HPLC)、电感耦合等离子体(ICP)、液相色谱与电感耦合等离子质谱(LC-ICP-MS)联机[6-10]，以及各类在线传感器。然而，化学显色法浪费大量试剂，污染严重，分析时间长；AAS、IC、ICP、HPLC、LC-ICP-MS等方法对仪器设备要求比较高，成本高；而传感器法虽然快速高效[11，12]，但分析精度相对较低。微流动反应具有微型化、精确流量、溶剂用量小、安全稳定等优点[13]，能够很好地解决Cr(VI)检测方法存在的问题。目前，微流动反应已经成为医学、药物等检测领域的研究热点，主要通过微流控芯片实现[14，15]，但成本较高。为了解决以上问题，本实验通过微量注射泵进样，采用具有微尺寸直径的聚醚醚酮(PEEK)管代替微流控芯片作为运输载体和反应空间，通过光谱仪定量分析，构建一套化学剂用量少、检测速度快的Cr(VI)微流动反应体系检测装置。

2 实验

2.1 试剂与仪器

Cr(VI)标准溶液购买于J&K Chemicals公司，浓度为1000mg / L；1,5-二苯卡巴肼和磷酸氢二钾均为分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；丙酮，色谱纯，美国TEDIA。超纯水由Merck Millipore MINGCHE水净化系统生产，其电阻率高于18.2MΩ。

微量注射泵，LSP02-1型，兰格恒流泵有限公司；HL2000型卤素光源和FX4000型便携式微型光纤光谱仪均为上海复享光学股份有限公司；pH计，FE20型，瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司。

2.2 磷酸二氢钾缓冲液

称取2.28 g 磷酸二氢钾于100mL容量瓶中，超纯水溶解定容，通过磷酸(7+3)将pH值调至 8.0±0.1，再用氩气排除空气。

2.3 Cr(VI)标准溶液

移取1 mL浓度为1000μg/mL的Cr(VI)标准溶液于10 mL容量瓶中，用2.2磷酸二氢钾缓冲液稀释，制得100μg/mL Cr(VI)标准溶液。取1 mL浓度100μg/mL Cr(VI)标准溶液，于100 mL容量瓶中，用2.2磷酸二氢钾缓冲液稀释，制得1μg/mL Cr(VI)标准溶液。

取0.05、0.1、0.2、5、10、15mL的1μg/mL Cr(VI)标准溶液于25mL容量瓶中，用2.2磷酸二氢钾缓冲液稀释，配成浓度为0.02、0.04、0.08、0.2、0.4、0.6μg/mL的工作标准溶液。

2.4 显色剂

称取1.0 g 1,5-二苯卡巴肼于100mL容量瓶中，丙酮溶解定容，加一滴乙酸，使其呈酸性，配制成10 mg/mL显色剂，放入冰箱避光保存。取5mL 10mg/L显色剂于25毫升容量瓶中，超纯水定容，制得2 mg/mL显色剂，放入冰箱避光保存。

2.5 样品处理方法

按照GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化学试验 六价铬含量的测定》[10]7.1-7.3处理皮革样品。用移液管移取100 mL排除空气的磷酸缓冲溶液2.2于250 mL锥形瓶中，插入导气管，往锥形瓶中通入不含有氧气的氩气，流量(50±10)mL/min，时间5min，加入剪碎的皮革试样(2±0.01)g，盖好磨口塞，放在振荡器上萃取3h±5min。萃取结束后，检查溶液的pH值，应该在7.5～8.0之间。如果超出这一范围，需要重新调整称样质量进行测定。

3 结果与讨论

3.1 测定装置

微流动反应体系测定皮革中Cr(VI)的装置主要由进样系统、反应系统和测定系统三部分组成(图1)。进样系统包含一个微量注射泵和两个5mL注射器；反应系统是PEEK管(0.5mm*1/16″)，为反应液提供载体和微反应空间；测定系统包含具有可调波长激光光源(可见光波长范围)的便携式光谱仪(FX-4000)以及“Z”形流通池。

3.2 参数优化

3.2.1 微流动反应体系中PEEK管长度的影响

聚醚醚酮(PEEK)是一种分子主链中含有链节的线性芳香族高分子化合物，具有半结晶性、热塑性的塑料，耐高温、不易被化学品腐蚀、能够阻燃，并且还能够很好的耐强硝酸、浓硫酸等强酸，应用于要求比较高的航空、核工程以及一些高端的机械等方面。采用PEEK管作为微流动反应体系中液体载体和反应空间，其长度对结果有所影响，太短两种溶液反应不完全，太长则影响检测速度。本实验分别选择30cm、50cm和70cm 3种长度的PEEK管进行Cr(VI)测试，Cr(VI)标准溶液和显色剂(2 mg/mL)的流速均设置为100 μL/min，结果见表1。

图1 微流动反应体系Cr(VI)测定装置结构图1.进样装置；2.反应装置；3.光学检测装置；4.微量注射泵；5.样品注射器；6.显色剂注射器；7.三连通；8.PEEK管；9.流通池；10.光源；11.便携光谱仪；12.废液池；13.计算机

3种长度的PEEK中，Cr(VI)标准曲线线性关系均成立，50cm和70cm长时，R2均大于0.999。其中，50cm PEEK管微流动体系检测Cr(VI)用时5.8 min，是3种长度PEEK中检测时间最短的。

表1PEEK管长度对微流动反应体系检测Cr(VI)的影响(泵流速100 μL/min)

PEEK管长度(cm)标准曲线回归方程R2检测时间(min)30y=0.3157x + 0.00380.99798.050y=0.4110x + 0.00140.99955.870y=0.5051x + 0.00740.99948.9

3.2.2 微流动反应体系中微量注射泵流速的影响

根据3.2.1实验结果，选择微流动反应体系中PEEK为50 cm，研究微量注射泵流速对Cr(VI)检测结果的影响。微量注射泵流速分别设置为80 μL/min、100 μL/min和120 μL/min，结果见表2。3种泵流速条件下，Cr(VI)标准曲线线性关系均成立，R2均大于0.999。微量注射泵流速越大，Cr(VI)检测所需时间越短，当流速为120 μL/min 时，检测所需时间为4.8 min，明显小于GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化学试验 六价铬含量的测定》标准中规定的显色时间15±5min。

表2 微量注射泵流速对Cr(VI)检测的影响(PEEK管长度50 cm)

根据以上结果，体现检测效率，微流动反应体系采用50 cm PEEK管作为反应液载体和反应空间，微量注射泵流速设置为120μL/min，此时检测过程所需显色剂溶液(2 mg/mL)和待测样品溶液的理论用量均为576 μL(泵流速×反应时间)。相对传统化学显色法GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化学试验 六价铬含量的测定》，完成一个样品检测总共消耗25 mL液体(样品溶液10mL、磷酸0.5mL、显色剂0.5mL，磷酸二氢钾缓冲液定容)，微流动反应体系化学试剂消耗量很少，符合绿色化学发展要求。

3.3 方法的线性范围和检出限

按照3.2优化参数，微流动反应体系测定皮革中Cr(VI)含量，以质量浓度为横坐标，对应的吸光度为纵坐标绘制标准曲线(见表3)，Cr(VI)含量在1～30 mg/kg范围内，相关系数R2为0.9995。浓度范围覆盖GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化学试验 六价铬含量的测定》[10]标准，相关系数满足光谱分析要求。

表3 微流动反应体系测定Cr(VI)线性关系

微流动反应体系测定皮革中Cr(VI)的方法检出限(MDL)，通过重复测定空白样品12次评估，结果见表4。多次测得空白样品的标准偏差S为0.171，根据公式(1)计算得到MDL为0.43 mg/kg，低于GB/T 22807-2008《皮革和毛皮 化学试验 六价铬含量的测定》[10]中要求3 mg/kg。

MDL=SD×tn-1.099

(1)

MDL：方法检出限

SD：标准偏差

表4 重复测定空白样品12次结果

3.4 精密度和方法回收率

选取阳性皮革样品1#，按照GB/T 22807—2008《皮革和毛皮 化学试验 六价铬含量的测定》[10]7.1-7.3进行前处理，重复6次平行试验(见表5)。平均值为5.6 mg/kg, RSD 8.5%, 满足分析要求。

表5 精密度实验结果(n=6)

同样选取阳性皮革样品1#，Cr(VI)加标量为10μg、25μg、40μg， 重复测定6次，结果见表6。平均回收率94.1%～109.0%，RSD 5.7%～9.5%，满足分析要求。

表6 加标回收实验结果(n=6)

4 结论

建立了一种基于微流动反应体系检测Cr(VI)的新方法，采用PEEK管代替微流控芯片为反应液提供载体和微反应空间，应用于皮革中Cr(VI)检测。与传统的Cr(VI)检测方法相比，该方法具有试剂用量少、设备成本低、操作简单、检测效率高等特点，能够满足第三方检测机构和生产企业质量控制实验室的实际工作需要。同时也可拓展应用于其他产品中的Cr(VI)检测，例如纺织品、饮用水、废水、电子电器等。因其化学试剂消耗量小、检测速度快特点，在Cr(VI)便携式现场检测和在线监测方面具有良好的应用前景。