結合微波消化與原子吸收光譜法進行玩具中重金屬分析

2008-11-08

結合微波消化與原子吸收光譜法進行玩具中重金屬分析

歐盟指令88/378/EWG清楚規定,玩具中重金屬必須低於可能對孩童有害的數值,每日孩童最高容許的食入量分別為 銻/0.2µg, 砷/0.1µg, 鋇/25µg, 鎘/0.6µg, 鉻/0.3µg, 鉛/0.7µg,汞/0.5µg, 硒/5µg。 過去數個月以來,已有幾則報導指出有偵測到玩具中有害重金屬含量超出標準的案件。隨著媒體報導的增加,消費者的不安全感日益上升。因此,經由可靠的品質控管證明產品無害,想必是大多數玩具製造商關注的焦點所在。本文以塑膠洋娃娃為例,介紹了由非均質化物的樣品前處理(neutral-to analysis)至最終重金屬分析結果之間的詳細步驟。

以微波消化進行玩具樣品前處理

由裁切樣品到上機分析

原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectroscopy, AAS)非常適合用於偵測塑膠中之微量重金屬。此方法簡易、價格低且分析結果具有良好的精準度。由於原子吸收光譜法只能分析溶解的物質,因此樣品須事先經磨碎及消化。通常樣品前處理所花費的時間較實際分析時間長,且期間所產生的誤差是不容忽視的。若使用剪刀或家用攪拌機來裁切樣品,則容易因汙染造成錯誤的分析結果數值。

初步先將樣品切成細小顆粒

首先以粉碎機(SM2000)切割洋娃娃的身體成為細粒(約3~4mm)。SM2000備有堅硬的金屬刀刃與強大的動力,即使是非均質物質亦非常適合用於初步的裁切。接著用(PT 100)旋轉式管分切器將樣品切割成次級樣品,再以超離心粉碎機(ZM 200)進一步均質化。如此一來便可溫和地在短時間內獲得200µm以下的精緻產物。建議以乾冰輔助磨碎,因為冷卻不僅可加強物質的粉碎,亦可避免磨擦生熱有助於揮發性元素的保留。

圖1. 玩具樣品前處理

微波消化法

洋娃娃經機械裁切處理後,接續是以CEM MARS密閉式微波消化器搭配MARSXpress瓶組,進行酸消化溶解(以液態為最終分析條件)。這個步驟的目的為將樣品完全消化成含有所有目標元素與化合物之原始含量的消化液。無機物質將完全轉換成為可溶成分,有機物則會被無機酸分解。將洋娃娃被磨碎的部分(接近500 mg)置於消化容器中並加入10 ml硝酸,消化過程便於軟體監控下開始進行。機器會持續測量所有樣品的溫度發展並納入特定之消化數據圖表,視反應發展而定。只需30分鐘樣品即消化完成,繼而導入定量容器供原子吸收光譜儀作無機元素分析。

就微量元素分析而言,須符合下列幾點需求:

  1. 樣品消化應易於操作,即不需用太費力或複雜的儀器。
  2. 程序應具安全性,微波則擁有一切所需之安全特性。
  3. 消化過程須能夠配合完整的分析程序,例如消化所用之酸液不會導致基質擴張。
  4. 可記錄、控制消化參數,並且保證可複製相同條件。

在現代,用加熱板加熱沸騰無機酸中的樣品達數小時是非常沒效率的。微波消化系統便是為了在非常短的時間內溶解樣品而設計。微波直接加熱溶液,使消化液溫度遠高於酸常壓下的沸點,是如此快速省時的原因。

洋娃娃的頭髮與服裝則以混合碾碎機Mixer Mill MM 400磨碎,一次可於1-2分鐘內研磨兩個20毫升的樣品。樣品置入有螺旋蓋之磨碎瓶後以液態氮降溫,再夾入碾碎機中。以上所有粉碎機皆配備不含重金屬之器具,因此可避免分析時因汙染造成的錯誤結果。

圖2. 玩具樣品進行微波消化前需盡可能地磨碎

以石墨爐原子吸收光譜法進行重金屬分析

以石墨爐原子吸收光譜法分析樣品可達極低的偵測濃度。將5至50µl樣品溶液放入石墨熔爐並緩緩加熱至樣品被原子化。針對分析洋娃娃中的有毒重金屬砷、鎘、鉛和銻,結果如下:

1. 洋娃娃中的砷、鎘、鉛和銻濃度
元素服裝頭髮身體
ppmppmppm
---
--31±1
---
32±3--

洋娃娃的身體及服裝當中分別檢測出微量的鎘與銻。志願團體所認可生態可相容之數值,如 Oekotex 100 建議為30ppm (30mg/kg),與其相比,服裝中的銻含量實際上已相當危險。為確認整個分析的準確度,我們也分析了由德國汽車工業協會(VDA)取得之五個塑膠標準參考樣品。

2. 以五個塑膠樣品確認分析準確度
樣本參考數值測量數值
ppmppm
1114.6±2.1114.0±1.0
240.9±1.240.5±0.6
375.9±2.175.7±1.0
4197.9±4.8196.8±1.3
5407±12403±6

由於分析結果與參考數值十分接近(三次獨立消化的平均值),因此總結而言本文所述之流程非常適於分析玩具中的微量重金屬。所得的結果相當準確,再現性高,且短時間內便可完成整個分析流程。

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