涂料中六价铬检测方法的优化与改进

伦伟灿，陈少丽，蔡义兰，侯 珊，高 捷，彭 军

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)

六价铬（Cr(VI)）毒性极大，被世界卫生组织列为第一类致癌物[1]。六价铬主要通过呼吸道、消化道、皮肤、粘膜等途径进入人体，可对机体造成DNA损伤，并诱发肿瘤、癌症发生[2-4]。因而很多发达国家对六价铬的限值进行了严格的规定，欧盟ROHS明确规定六价铬含量≤0.1%[5]，因此从环境保护与污染风险的角度，应更加重视对六价铬污染的管控。

六价铬的检测方法有二苯碳酰二肼分光光度法（DPC法）、高效液相色谱法、荧光分光光度法、原子吸收法、离子色谱和电感耦合等离子体质谱联用法等[6-7]，但对于短期检测而言，分光光度法更具有优势。更重要的是，该方法的稳定性好、准确度高、仪器成本较低、操作简单、易于在日常检测中广泛推广和普及[8-9]。因此，国家标准方法检测涂料中六价铬含量采用的是二苯碳酰二肼分光光度法，如GB 24409-2020《汽车涂料中有害物质限量》[10]和GB 30981-2020《工业防护涂料中有害物质限量》[11]。另外，氧化铁红、氧化铁黄等无机颜料由于其着色力好、遮盖力强、无毒等优点，被广泛应用于涂料生产过程中。然而，当涂料成分中存在大量三价铁时，国家标准方法并不适用，这是由于三价铁会与二苯碳酰二肼显色剂反应生成黄色络合物[12]，会导致国家标准方法的测试结果出现假阳性现象或检测结果偏高的现象。因此，有必要对方法进行优化改进案来解决这一问题。另一方面，在当前，绿色发展理念深入人心，而国家标准方法在检测过程中使用到的丙酮、硝酸和硫酸试剂，这些试剂对环境以及人体危害性极大，迫切需要对检测方法进行“绿色转型”。

本研究旨在探索出一种能遮蔽三价铁离子干扰的六价铬检测方法，并实现对检测方法所使用的试剂低毒低害化。为此，我们经过对试剂的筛选后，推出了DMSO-磷酸法测涂料中的六价铬，结果表明，该方法对高浓度三价铁离子依然具有很好的抗干扰能力。重要的是，DMSO-磷酸法测试结果与国标法的测试结果在误差范围内均可接受。

1 实验部分

1.1 主要仪器和主要试剂

主要仪器：BSA224S电子天平、DHG-9050A电热恒温鼓风干燥箱、UV2501PC紫外可见分光光度计、KQ-500DE超声清洗器、50 mL带塞锥形瓶、250 mL烧杯。

主要试剂：N-甲基吡咯烷酮（AR）、硫酸（GR）、硝酸（AR）、磷酸（GR）、氢氧化钠（AR）、无水碳酸钠（GR）、磷酸氢二钾（AR）、磷酸二氢钾（AR）、二苯碳酰二肼（AR）、无水氯化镁（AR）、丙酮（AR）、无水乙醇（AR）、二甲基亚砜（AR）、六价铬标准储备溶液（1000 μg/mL）、三级水。

1.2 实验原理

该方法采用有机溶剂溶解样品基质，经过超声分散后，加入碱性消解液提取聚合物中的Cr（VI），在酸性环境下，提取液中的Cr（VI）与二苯碳酰二肼反应生成Cr（III）和二苯偶氮碳酰肼，随后Cr（III）和二苯偶氮碳酰肼络合生成紫红色化合物[13][图1（a）]。通过紫外-可见光分光光度计测定溶液在540 nm处的吸收值[图1（b）]，根据朗伯比尔定律计算出试样溶液浓度；同时测定试样的不挥发物含量，最终结果以干膜中的Cr（VI）含量给出。

图1 (a)Cr(VI)与二苯碳酰二肼反应过程和(b)络合后的紫外-可见光光谱图Fig.1 (a) Reaction process of Cr(VI) with diphenylcarbonic hydrazide,and (b) Uv-vis spectra of Cr(VI) complexed with diphenylcarbazide

1.3 试剂配制

（1+9）硫酸：移取5mL硫酸缓慢滴加入到45mL三级水中。

（1+1）硝酸：移取50mL硝酸缓慢滴加入到50mL三级水中。

缓冲液：称取8.709g磷酸氢二钾和6.804g磷酸二氢钾，加水溶解后移入定容至100mL容量瓶中并稀释至刻度。

消解液：称取20.0g氢氧化钠和30.0g无水碳酸钠，加水溶解后移入定容至1000mL容量瓶中并稀释至刻度；

显色剂：称取二苯碳酰二肼0.25g，溶于50mL丙酮/乙醇/DMSO中，保存于棕色瓶中。

1.4 实验步骤

称取0.1g（精确至0.1mg）样品和移取10mL干燥的N-甲基吡咯烷酮于50mL锥形瓶中，盖上塞子，在60～65 ℃下水浴超声1h，同时做基体加标回收实验；随后加入200mg无水氯化镁和0.5mL缓冲液，摇匀后加入20mL消解液，盖上塞子，在60～65 ℃下水浴超声；1h后取出并冷却至室温，转移至250mL烧杯。

国家标准方法/方法1（乙醇）/方法2（DMSO）：边搅拌边滴加（1+1）硝酸，调节溶液pH值至7.5±0.5，再缓慢滴加（1+9）硫酸，调节溶液pH值至2.0±0.5，移取2mL显色剂（丙酮/乙醇/DMSO），混合均匀，转移并定容至100mL容量瓶；静置5～10 min，30min内完成测试。

方法3（磷酸）：边搅拌边缓慢滴加磷酸溶液，调节溶液pH值至2.0±0.5，移取2mL显色剂（丙酮），混合均匀，转移并定容至100mL容量瓶；静置 5～10 min，30min内完成测试。

DMSO-磷酸法：边搅拌边缓慢滴加磷酸溶液，调节溶液pH值至2.0±0.5，移取2mL显色剂（DMSO），混合均匀，转移并定容至100mL容量瓶。静置5～10 min，30min内完成测试。

不挥发物含量：水性涂料和溶剂型涂料按GB/T 1725-2007测试，称取试样约1g，在105±2 ℃烘烤1h；辐射固化涂料按GB/T 34675-2017测试，粉末涂料的不挥发物含量以1计。

2 结果与讨论

2.1 有机溶剂的筛选

丙酮属于管制化学品，且在常温下易挥发，为了减少检测过程对环境和人体的危害。我们寻求一种低毒、不易挥发的试剂来代替丙酮的使用，为此，我们查阅相关资料[14]。首先，我们对常见的有机溶剂的毒性大小和水溶性进行了归纳整理。综合表1和表2结果可知，甲酸、乙酸、乙醇、丙醇和DMSO的毒性较低、水溶性好。但甲酸和乙酸具有酸性，会改变六价铬与二苯碳酰二肼显色反应所需的酸性环境（pH值2.0±0.5），因此不宜作为二苯碳酰二肼的溶剂。随后，我们根据毒理学数据（表3），筛选出乙醇和DMSO的生物毒性更低，因而被拟定为丙酮的候选可替代试剂。

表1 有机溶剂分类Table 1 Organic solvent classification

表2 水溶性好的有机溶剂Table 2 Organic solvents with good water solubility

表3 半致死量(单位：mg/kg )Table 3 Median lethal dose

2.2 三价铁离子遮蔽剂的选择

为了掩蔽三价铁离子对六价铬显色的干扰，我们注意到了磷酸的特性，其可与三价铁离子反应生成无色的络合物。因此，加入磷酸即可消除涂料样品中的三价铁离子对显色结果的影响。此外，磷酸是三元弱酸，不易挥发，可以替代检测过程中使用到硝酸和硫酸作为调节pH值的试剂。因此，采用磷酸来代替硝酸和硫酸的使用，既能消除了三价铁离子对检测结果的影响，又减少了危险化学品的使用。为此，磷酸作为优选的硫酸和硝酸的替代试剂。

2.3 优化后方法对六价铬工作曲线的影响

为了分析用乙醇、DMSO、磷酸替代后，对六价铬工作曲线的影响，我们采用单因素变量法，分别将其标准曲线与国标法进行对比。由表4可知，三种优化后的方法与国家标准方法相比，相同浓度下的六价铬含量对吸光度大小保持在同一水平，随后分别将其进行曲线拟合，曲线方程接近，相关系数均≥0.9995（见表5）。实验结果说明了用乙醇、DMSO、磷酸替代后对六价铬显色效果不变，同时表明了乙醇和DMSO均可作为丙酮的可替代试剂，磷酸可作为硫酸和硝酸的可替代试剂。

表4 不同方法下浓度与吸光度的关系Table 4 Relationship between concentration and absorbance under different methods

表5 不同方法下的标准工作曲线Table 5 Standard operating curves for different methods

2.4 优化后方法的适用性

为了进一步验证用乙醇、DMSO、磷酸替代后的方法在实际涂料样品中检测六价铬是否适用，我们采用三组涂料样品进行实验和比较，结果见表6和表7。

表6 实际样品的比较Table 6 Comparison of actual samples

表7 加标回收率Table 7 Recovery rate of standard addition

由表6可知，三组样品的测定结果在各方法之间的相对标准偏差分别为2.64%、5.86%、7.89%，均满足国家标准方法中的精密度要求（＜20%）。此外，由表7 看出，三组样品在各方法之间的基体加标回收率为80.33%～107.52%，均满足国家标准方法的要求（≥50%且≤125%）。因此，用乙醇或DMSO代替丙酮，磷酸替代硝酸和磷酸，所检测出的结果在可接受的范围内。

2.5 DMSO-磷酸法对三价铁离子的掩蔽能力

在实验过程中，我们发现用乙醇配制的二苯碳酰二肼显色剂在第二天已经变色，存储时间远不如丙酮和DMSO所配置的显色剂，如图2所示。因此，乙醇所配置的显色剂仅适用于现配现用，DMSO更宜作为丙酮的可代替试剂。

图2 不同溶剂配制的显色剂随时间变化：(a) 丙酮；(b)乙醇；(c)DMSOFig.2 The chromogenic agent prepared with different solvents varied with time:(a) Acetone; (b) Ethanol; (c) DMSO

进一步，我们综合方法2（DMSO）和方法3（磷酸），推出DMSO-磷酸法测定涂料中六价铬含量。首先，我们考察了DMSO-磷酸法掩蔽三价铁离子干扰的能力。我们分别以国家标准方法和DMSO-磷酸法的空白试验作为化学环境，随着0～200 μg/mL三价铁离子加入，测试其在540nm处的吸光度变化。如图3所示，国家标准方法会受到三价铁离子的干扰，而DMSO-磷酸法对于样品基质中三价铁离子浓度高达200μg/mL时，仍有很好的抗干扰能力，说明DMSO-磷酸法能适用于含三价铁的样品中测试。

图3 不同浓度三价铁离子对两种方法的干扰情况Fig.3 Interference of ferric ions at different concentrations for the two methods

2.6 DMSO-磷酸法的可行性

同样，我们将DMSO-磷酸法应用于三种涂料样品当中，从表8和表9实测数据分析我们可以发现，DMSO-磷酸法所测得的结果的相对标准偏差（分别为2.62%、2.58%、8.62%）和加标回收率（分别为89.58%、85.65%、105.42%）均满足国家标准方法的要求。与国家标准方法的结果进行分析，方法间的相对标准偏差分别为1.94%、0.45%、3.99%，说明了DMSO-磷酸法的试验方法可行。

表8 DMSO-磷酸法与国标法在实际样品中的比较Table 8 Comparison between DMSO-phosphoric acid method and national standard method in actual samples

表9 DMSO-磷酸法与国标法加标回收率试验的比较Table 9 Comparison of the recovery test of the DMSO-phosphoric acid method and the national standard method

3 结论

（1）优化了涂料中六价铬的检测方法，用乙醇或DMSO代替丙酮溶解二苯碳酰二肼显色剂，用磷酸直接替代（1+1）硝酸和（1+9）硫酸调节溶液的pH值，得到的工作曲线与国标法保持一致，相关系数R2≥0.9995。

（2）优化后的方法应用于三组涂料样品中，实验数据表明，优化后的方法的相对标准偏差和加标回收率均满足国家标准方法的分析要求。但是，用乙醇配制的显色剂保存时间短，仅适用于现配现用。进一步综合了方法2和方法3，推出DMSO-磷酸法检测涂料中的六价铬，该方法去除了管制化学品的使用，采用的试剂更为低毒低害，重要的是，该方法表现出对高浓度三价铁离子仍具有优异的抗干扰能力，使得测试结果更为准确，其测试结果的相对标准偏差（＜10%）和加标回收率（85.65%～105.42%）均满足测试要求。

（3）本文实验结果可作为涂料中六价铬测定国标方法的后续优化改进提供思路与技术支撑。此外，对于无管制化学品资质的企业也能在生产过程中快速方便检测涂料中六价铬含量，有助于其进行产品自查，这样能更好地对产品进行监控。