涂料中六價鉻檢測方法的優化與改進

倫偉燦，陳少麗，蔡義蘭，侯 珊，高 捷，彭 軍

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

六價鉻（Cr(VI)）毒性極大，被世界衛生組織列為第一類致癌物[1]。六價鉻主要通過呼吸道、消化道、皮膚、粘膜等途徑進入人體，可對機體造成DNA損傷，并誘發腫瘤、癌癥發生[2-4]。因而很多發達國家對六價鉻的限值進行了嚴格的規定，歐盟ROHS明確規定六價鉻含量≤0.1%[5]，因此從環境保護與污染風險的角度，應更加重視對六價鉻污染的管控。

六價鉻的檢測方法有二苯碳酰二肼分光光度法（DPC法）、高效液相色譜法、熒光分光光度法、原子吸收法、離子色譜和電感耦合等離子體質譜聯用法等[6-7]，但對于短期檢測而言，分光光度法更具有優勢。更重要的是，該方法的穩定性好、準確度高、儀器成本較低、操作簡單、易于在日常檢測中廣泛推廣和普及[8-9]。因此，國家標準方法檢測涂料中六價鉻含量采用的是二苯碳酰二肼分光光度法，如GB 24409-2020《汽車涂料中有害物質限量》[10]和GB 30981-2020《工業防護涂料中有害物質限量》[11]。另外，氧化鐵紅、氧化鐵黃等無機顏料由于其著色力好、遮蓋力強、無毒等優點，被廣泛應用于涂料生產過程中。然而，當涂料成分中存在大量三價鐵時，國家標準方法并不適用，這是由于三價鐵會與二苯碳酰二肼顯色劑反應生成黃色絡合物[12]，會導致國家標準方法的測試結果出現假陽性現象或檢測結果偏高的現象。因此，有必要對方法進行優化改進案來解決這一問題。另一方面，在當前，綠色發展理念深入人心，而國家標準方法在檢測過程中使用到的丙酮、硝酸和硫酸試劑，這些試劑對環境以及人體危害性極大，迫切需要對檢測方法進行“綠色轉型”。

本研究旨在探索出一種能遮蔽三價鐵離子干擾的六價鉻檢測方法，并實現對檢測方法所使用的試劑低毒低害化。為此，我們經過對試劑的篩選后，推出了DMSO-磷酸法測涂料中的六價鉻，結果表明，該方法對高濃度三價鐵離子依然具有很好的抗干擾能力。重要的是，DMSO-磷酸法測試結果與國標法的測試結果在誤差范圍內均可接受。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和主要試劑

主要儀器：BSA224S電子天平、DHG-9050A電熱恒溫鼓風干燥箱、UV2501PC紫外可見分光光度計、KQ-500DE超聲清洗器、50 mL帶塞錐形瓶、250 mL燒杯。

主要試劑：N-甲基吡咯烷酮（AR）、硫酸（GR）、硝酸（AR）、磷酸（GR）、氫氧化鈉（AR）、無水碳酸鈉（GR）、磷酸氫二鉀（AR）、磷酸二氫鉀（AR）、二苯碳酰二肼（AR）、無水氯化鎂（AR）、丙酮（AR）、無水乙醇（AR）、二甲基亞砜（AR）、六價鉻標準儲備溶液（1000 μg/mL）、三級水。

1.2 實驗原理

該方法采用有機溶劑溶解樣品基質，經過超聲分散后，加入堿性消解液提取聚合物中的Cr（VI），在酸性環境下，提取液中的Cr（VI）與二苯碳酰二肼反應生成Cr（III）和二苯偶氮碳酰肼，隨后Cr（III）和二苯偶氮碳酰肼絡合生成紫紅色化合物[13][圖1（a）]。通過紫外-可見光分光光度計測定溶液在540 nm處的吸收值[圖1（b）]，根據朗伯比爾定律計算出試樣溶液濃度；同時測定試樣的不揮發物含量，最終結果以干膜中的Cr（VI）含量給出。

圖1 (a)Cr(VI)與二苯碳酰二肼反應過程和(b)絡合后的紫外-可見光光譜圖Fig.1 (a) Reaction process of Cr(VI) with diphenylcarbonic hydrazide,and (b) Uv-vis spectra of Cr(VI) complexed with diphenylcarbazide

1.3 試劑配制

（1+9）硫酸：移取5mL硫酸緩慢滴加入到45mL三級水中。

（1+1）硝酸：移取50mL硝酸緩慢滴加入到50mL三級水中。

緩沖液：稱取8.709g磷酸氫二鉀和6.804g磷酸二氫鉀，加水溶解后移入定容至100mL容量瓶中并稀釋至刻度。

消解液：稱取20.0g氫氧化鈉和30.0g無水碳酸鈉，加水溶解后移入定容至1000mL容量瓶中并稀釋至刻度；

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

1.4 實驗步驟

稱取0.1g（精確至0.1mg）樣品和移取10mL干燥的N-甲基吡咯烷酮于50mL錐形瓶中，蓋上塞子，在60～65 ℃下水浴超聲1h，同時做基體加標回收實驗；隨后加入200mg無水氯化鎂和0.5mL緩沖液，搖勻后加入20mL消解液，蓋上塞子，在60～65 ℃下水浴超聲；1h后取出并冷卻至室溫，轉移至250mL燒杯。

國家標準方法/方法1（乙醇）/方法2（DMSO）：邊攪拌邊滴加（1+1）硝酸，調節溶液pH值至7.5±0.5，再緩慢滴加（1+9）硫酸，調節溶液pH值至2.0±0.5，移取2mL顯色劑（丙酮/乙醇/DMSO），混合均勻，轉移并定容至100mL容量瓶；靜置5～10 min，30min內完成測試。

方法3（磷酸）：邊攪拌邊緩慢滴加磷酸溶液，調節溶液pH值至2.0±0.5，移取2mL顯色劑（丙酮），混合均勻，轉移并定容至100mL容量瓶；靜置 5～10 min，30min內完成測試。

DMSO-磷酸法：邊攪拌邊緩慢滴加磷酸溶液，調節溶液pH值至2.0±0.5，移取2mL顯色劑（DMSO），混合均勻，轉移并定容至100mL容量瓶。靜置5～10 min，30min內完成測試。

不揮發物含量：水性涂料和溶劑型涂料按GB/T 1725-2007測試，稱取試樣約1g，在105±2 ℃烘烤1h；輻射固化涂料按GB/T 34675-2017測試，粉末涂料的不揮發物含量以1計。

2 結果與討論

2.1 有機溶劑的篩選

丙酮屬于管制化學品，且在常溫下易揮發，為了減少檢測過程對環境和人體的危害。我們尋求一種低毒、不易揮發的試劑來代替丙酮的使用，為此，我們查閱相關資料[14]。首先，我們對常見的有機溶劑的毒性大小和水溶性進行了歸納整理。綜合表1和表2結果可知，甲酸、乙酸、乙醇、丙醇和DMSO的毒性較低、水溶性好。但甲酸和乙酸具有酸性，會改變六價鉻與二苯碳酰二肼顯色反應所需的酸性環境（pH值2.0±0.5），因此不宜作為二苯碳酰二肼的溶劑。隨后，我們根據毒理學數據（表3），篩選出乙醇和DMSO的生物毒性更低，因而被擬定為丙酮的候選可替代試劑。

表1 有機溶劑分類Table 1 Organic solvent classification

表2 水溶性好的有機溶劑Table 2 Organic solvents with good water solubility

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

2.2 三價鐵離子遮蔽劑的選擇

為了掩蔽三價鐵離子對六價鉻顯色的干擾，我們注意到了磷酸的特性，其可與三價鐵離子反應生成無色的絡合物。因此，加入磷酸即可消除涂料樣品中的三價鐵離子對顯色結果的影響。此外，磷酸是三元弱酸，不易揮發，可以替代檢測過程中使用到硝酸和硫酸作為調節pH值的試劑。因此，采用磷酸來代替硝酸和硫酸的使用，既能消除了三價鐵離子對檢測結果的影響，又減少了危險化學品的使用。為此，磷酸作為優選的硫酸和硝酸的替代試劑。

2.3 優化后方法對六價鉻工作曲線的影響

為了分析用乙醇、DMSO、磷酸替代后，對六價鉻工作曲線的影響，我們采用單因素變量法，分別將其標準曲線與國標法進行對比。由表4可知，三種優化后的方法與國家標準方法相比，相同濃度下的六價鉻含量對吸光度大小保持在同一水平，隨后分別將其進行曲線擬合，曲線方程接近，相關系數均≥0.9995（見表5）。實驗結果說明了用乙醇、DMSO、磷酸替代后對六價鉻顯色效果不變，同時表明了乙醇和DMSO均可作為丙酮的可替代試劑，磷酸可作為硫酸和硝酸的可替代試劑。

表4 不同方法下濃度與吸光度的關系Table 4 Relationship between concentration and absorbance under different methods

表5 不同方法下的標準工作曲線Table 5 Standard operating curves for different methods

2.4 優化后方法的適用性

為了進一步驗證用乙醇、DMSO、磷酸替代后的方法在實際涂料樣品中檢測六價鉻是否適用，我們采用三組涂料樣品進行實驗和比較，結果見表6和表7。

表6 實際樣品的比較Table 6 Comparison of actual samples

表7 加標回收率Table 7 Recovery rate of standard addition

由表6可知，三組樣品的測定結果在各方法之間的相對標準偏差分別為2.64%、5.86%、7.89%，均滿足國家標準方法中的精密度要求（＜20%）。此外，由表7 看出，三組樣品在各方法之間的基體加標回收率為80.33%～107.52%，均滿足國家標準方法的要求（≥50%且≤125%）。因此，用乙醇或DMSO代替丙酮，磷酸替代硝酸和磷酸，所檢測出的結果在可接受的范圍內。

2.5 DMSO-磷酸法對三價鐵離子的掩蔽能力

在實驗過程中，我們發現用乙醇配制的二苯碳酰二肼顯色劑在第二天已經變色，存儲時間遠不如丙酮和DMSO所配置的顯色劑，如圖2所示。因此，乙醇所配置的顯色劑僅適用于現配現用，DMSO更宜作為丙酮的可代替試劑。

圖2 不同溶劑配制的顯色劑隨時間變化：(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

進一步，我們綜合方法2（DMSO）和方法3（磷酸），推出DMSO-磷酸法測定涂料中六價鉻含量。首先，我們考察了DMSO-磷酸法掩蔽三價鐵離子干擾的能力。我們分別以國家標準方法和DMSO-磷酸法的空白試驗作為化學環境，隨著0～200 μg/mL三價鐵離子加入，測試其在540nm處的吸光度變化。如圖3所示，國家標準方法會受到三價鐵離子的干擾，而DMSO-磷酸法對于樣品基質中三價鐵離子濃度高達200μg/mL時，仍有很好的抗干擾能力，說明DMSO-磷酸法能適用于含三價鐵的樣品中測試。

圖3 不同濃度三價鐵離子對兩種方法的干擾情況Fig.3 Interference of ferric ions at different concentrations for the two methods

2.6 DMSO-磷酸法的可行性

同樣，我們將DMSO-磷酸法應用于三種涂料樣品當中，從表8和表9實測數據分析我們可以發現，DMSO-磷酸法所測得的結果的相對標準偏差（分別為2.62%、2.58%、8.62%）和加標回收率（分別為89.58%、85.65%、105.42%）均滿足國家標準方法的要求。與國家標準方法的結果進行分析，方法間的相對標準偏差分別為1.94%、0.45%、3.99%，說明了DMSO-磷酸法的試驗方法可行。

表8 DMSO-磷酸法與國標法在實際樣品中的比較Table 8 Comparison between DMSO-phosphoric acid method and national standard method in actual samples

表9 DMSO-磷酸法與國標法加標回收率試驗的比較Table 9 Comparison of the recovery test of the DMSO-phosphoric acid method and the national standard method

3 結論

（1）優化了涂料中六價鉻的檢測方法，用乙醇或DMSO代替丙酮溶解二苯碳酰二肼顯色劑，用磷酸直接替代（1+1）硝酸和（1+9）硫酸調節溶液的pH值，得到的工作曲線與國標法保持一致，相關系數R2≥0.9995。

（2）優化后的方法應用于三組涂料樣品中，實驗數據表明，優化后的方法的相對標準偏差和加標回收率均滿足國家標準方法的分析要求。但是，用乙醇配制的顯色劑保存時間短，僅適用于現配現用。進一步綜合了方法2和方法3，推出DMSO-磷酸法檢測涂料中的六價鉻，該方法去除了管制化學品的使用，采用的試劑更為低毒低害，重要的是，該方法表現出對高濃度三價鐵離子仍具有優異的抗干擾能力，使得測試結果更為準確，其測試結果的相對標準偏差（＜10%）和加標回收率（85.65%～105.42%）均滿足測試要求。

（3）本文實驗結果可作為涂料中六價鉻測定國標方法的后續優化改進提供思路與技術支撐。此外，對于無管制化學品資質的企業也能在生產過程中快速方便檢測涂料中六價鉻含量，有助于其進行產品自查，這樣能更好地對產品進行監控。