Validatie ICP-MS analysemethode voor het uitlogen van zware

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2015 – 2016
Validatie ICP-MS analysemethode voor het uitlogen
van zware metalen uit speelgoed volgens EN 71-3
Dave Manhaeghe
Promotor: Prof. dr. Ann Dumoulin
Tutor: dr. Isabel De Schrijver
Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van
Master in de industriële wetenschappen: Chemie
Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2015 – 2016
Validatie ICP-MS analysemethode voor het uitlogen
van zware metalen uit speelgoed volgens EN 71-3
Dave Manhaeghe
Promotor: Prof. dr. Ann Dumoulin
Tutor: dr. Isabel De Schrijver
Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van
Master in de industriële wetenschappen: Chemie
Auteursrecht
De auteur, de promotoren en de tutor geven de toelating deze masterproef voor
consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk
ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met de
verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze
masterproef.
Kortrijk, juni 2016
Woord vooraf
Een aantal mensen hebben geholpen bij het verwezenlijken van deze scriptie. In het
bijzonder wil ik volgende mensen bedanken.
Eerst en vooral zou ik mijn tutor Isabel De Schrijver willen bedanken voor de goede
begeleiding, deskundige kennis en kans om mijn scriptie tot een goed einde te brengen.
Verder gaat mijn dank uit naar mijn promotor Ann Dumoulin vanwege haar ondersteuning
en inzichten die me geholpen hebben om kritisch te leren zijn en gericht te zoeken naar
oplossingen.
Ook zou ik Geert willen bedanken om me wegwijs te maken in het labo en het delen van
zijn ervaringen zodat ik snel weg was met de werking van de toestellen. Ik zou hem ook
willen bedanken voor de vele ideeënuitwisselingen die we samen gehad hebben.
Ten slotte wil ik de mensen van het chemisch labo en mijn bureaugenoten Geert, Karen,
Lien en Dries bedanken voor de aangename momenten. Mijn bijzondere dank gaat uit
naar Lien voor het zorgen voor enkele speelgoedstaaltjes.
Dit alles zou weliswaar niet mogelijk zijn geweest zonder mijn vriendin, familie en vrienden
die er steeds zijn geweest om me te motiveren.
Never lose a holy curiosity.
~ Albert Einstein ~
i
Inhoudsopgave
Woord vooraf ...................................................................................................................................... i
Inhoudsopgave ...................................................................................................................................iii
Lijst van afkortingen ............................................................................................................................v
Abstract ............................................................................................................................................. vii
Samenvatting ..................................................................................................................................... ix
1.
Inleiding ...................................................................................................................................... 1
2.
Metaalcontaminatie in speelgoed en hun uitloogpotentieel .................................................... 3
2.1
Bronnen van zware metalen in speelgoed ......................................................................... 3
2.2
Wetgeving met betrekking tot het uitlogen....................................................................... 3
2.2.1
Europese speelgoedrichtlijn en EN 71 series ............................................................. 3
2.2.2
Europa versus de rest van de wereld ......................................................................... 5
2.3
2.3.1
Parameterstudie extractieprocedure......................................................................... 6
2.3.2
Migratielimieten ......................................................................................................... 8
2.3.3
EN 71-3 versus andere uitloogtesten ....................................................................... 10
2.3.4
Conclusie .................................................................................................................. 12
2.4
Speciatie Cr III - Cr VI: scheidingstechnieken ................................................................... 12
2.5
ICP-MS als meettechniek.................................................................................................. 14
2.5.1
Werking ICP-MS........................................................................................................ 14
2.5.2
Voor- en nadelen van ICP-MS .................................................................................. 18
2.6
3.
Uitloogtesten: een stand van zaken op basis van wetenschappelijke literatuur............... 5
Validatie van de methode ................................................................................................ 18
2.6.1
Horwitz-vergelijking ................................................................................................. 18
2.6.2
Testen op lineariteit ................................................................................................. 19
2.6.3
Detectielimieten ....................................................................................................... 20
2.6.4
Uitgebreide relatieve meetonzekerheid (U%) ......................................................... 23
Materiaal en methode ............................................................................................................. 27
3.1
Materiaal .......................................................................................................................... 27
3.1.1
Chemicaliën en oplossingen ..................................................................................... 27
3.1.2
Apparatuur ............................................................................................................... 28
3.2
Extractieprocedure volgens EN 71-3 ................................................................................ 29
3.2.1
Monstername ........................................................................................................... 29
3.2.2
Extractieprocedure ................................................................................................... 29
3.3
Destructieprocedure ........................................................................................................ 30
iii
4.
3.4
Meting ICP-MS .................................................................................................................. 31
3.5
Meting IC-ICP-MS ............................................................................................................. 32
Onderzoeksresultaten .............................................................................................................. 33
4.1
Drift ICP-MS ...................................................................................................................... 33
4.2
Aanpassingen extractieprocedure.................................................................................... 36
4.2.1
Zuursterkte en stabiliteit .......................................................................................... 37
4.2.2
Filter.......................................................................................................................... 37
4.2.3
Ijklijn ......................................................................................................................... 39
4.3
4.3.1
Methodevalidatie ..................................................................................................... 40
4.3.2
Kwaliteitscontrole..................................................................................................... 48
4.4
Evaluatie extractieprocedure ........................................................................................... 49
4.4.1
Herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid .............................................................. 49
4.4.2
Recoverytesten ......................................................................................................... 51
4.5
Speciatie van chroom ....................................................................................................... 52
4.5.1
Kwalitatief onderzoek............................................................................................... 53
4.5.2
Kwantitatief onderzoek ............................................................................................ 55
4.6
5.
Validatie van de ICP-MS analysemethode........................................................................ 40
Invloed matrix op het uitloogpotentieel .......................................................................... 59
Besluit ....................................................................................................................................... 63
Geciteerde werken ........................................................................................................................... 65
iv
Lijst van afkortingen
|x|
ABS
AG
amu
ASTM
ATR-IR
BG
CB
CE
CEN
CPS
CPSC
CPSIA
CRM
DC
EDTA
EN
HDPE
HPLC
H-PTFE
IC
ICP-MS
ICP-OES
IVG
KED
M
MCA
ORS
P/A factor
PB
PBET
PE
PES
PP
PS
PU
PVC
ppb
ppt
QC1
R²
RC
RF
RIVM
RIVM-M
RIVM-S
Absolute waarde van ‘x’
Acrylonitril butadieen styreen
Aantoonbaarheidsgrens
Atomic mass unit
American Society for Testing and Materials
Attenuated Total Reflectance - Infrared
Bepalingsgrens
Controleblanco
Conformité Européenne
Comité Européen de Normalisation
Counts Per Second
Consumer Product Safety Commission
Consumer Product Safety Improvement Act
Carcinogenen, Reprotoxische stoffen en Mutagenen
Direct Current
Ethyleendiaminetetra-azijnzuur
Europese Normen
High Density Polyethylene
High Performance Liquid Chromatography
Hydrophilized Polytetrafluoroethylene
Ionenchromatografie
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry
Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry
In Vitro Gastrointestinal
Kinetische Energie Discriminatie
Molariteit (mol/l)
Meerkanaalsanalysator
Octopool Reactie Systeem
Pulse/Analog factor
Procedureblanco
Physiologically Based Extraction Test
Polyethyleen
Polyester
Polypropyleen
Polystyreen
Polyurethaan
Polyvinylchloride
Parts per billion (hier: µg/l)
Parts per trillion (hier: ng/l)
Quality Control 1 (controlestandaard 10 ppb)
Determinatiecoëfficiënt
Regenerated Cellulose
Radiofrequent
Nederlands Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu
In vitro mouth phase
In vitro stomach phase
v
RIVM-SI
rpm
RSD
SOP
TDI
vi
In vitro small intestinal phase
Revolutions per minute
Residuele Standaarddeviatie
Standard Operation Procedure
Toelaatbare Dagelijkse Inname
Abstract
The European toy safety directive was renewed in 2009. In this new directive, the
migration limits are more stringent and they consider 17 elements instead of 8. The
purpose of this new directive is to minimize children’s exposure to certain potentially toxic
elements when they swallow a toy. As a result, the European standard EN 71-3 was
adapted in 2013. This standard specifies requirements and test methods for the migration
of these 17 elements from toys in an acid environment. Because of these new migration
limits, a more sensitive technique such as inductively coupled plasma mass spectrometry
(ICP-MS) was used. Therefore, the first research question is: ‘Can the ICP-MS analysis
method be used to measure the migration of certain elements from toys according to EN
71-3 - 2013?’. This is the key objective of this thesis.
First of all the new leaching method was optimized. Therefore, a pH-meter was needed to
check the pH of the solution and a membrane filter with a pore size of 0,45 µm was used.
Secondly, the expiration date of the calibration standards in a 0,07 M HCl solution was
adjusted because of problems with the stability of some of the elements. Finally the
calibration line of the elements selenium, tin, antimony and lead was adjusted due to
deviant values. Instead of the calibration points 0, 1, 5, 10, 50 and 100 ppb, only the last
four values were used. Subsequently the linearity, repeatability, reproducibility, precision
and limit of quantification could be tested.
The goodness-of-fit test and the lack-of-fit test were used to check the (linear) response of
the detector for the 17 elements in the range of 1 to 100 ppb. With respect to the
goodness-of-fit test, the R²-value of 16 elements was greater than 0,999. Only for
mercury, the R²-value was 0,9988 and this for both isotopes. The renewed European
standard requires an R²-value greater than 0,99. This means that the 17 elements have
passed the goodness-of-fit test.
The lack-of-fit test consists of an F-test and an analysis of the residuals. The F-test was
significant for all the 17 elements. The analysis of the residuals indicated a deviation for
antimony at the concentration level of 1 ppb. Therefore, the linear range of antimony lies
between 5 and 100 ppb. For the other 16 elements the linear range lies between 1 and
100 ppb.
The repeatability, reproducibility and precision were compared relative to the Horwitzcriterion. The repeatability was inadequate at the 1 ppb concentration level for the
elements boron, tin and antimony and for the isotope selenium 82. Above the 5 ppb
concentration level, the repeatability of all the 17 elements was adequate. Secondly, the
reproducibility was tested at the 10 ppb level. All 17 elements showed compliance with the
Horwitz-criterion. Thirdly, the precision was tested through recovery tests at the 10 and 60
ppb level. These tests proved that the precision was adequate for the 17 elements.
Finally, the limits of quantification were determined under worst case conditions. Only
chromium (VI) had a limit of quantification that is greater than the migration limit. However,
in the European standard it is stated that this is normal because the chosen migration limit
is unfeasible.
Based on the results it can be stated that the ICP-MS analysis method can be used to
measure the migration of certain elements according to EN 71-3 - 2013.
vii
The second research question tests if the leaching procedure in EN 71-3 - 2013 is
reliable. To answer this research question the repeatability and reproducibility are tested
and recovery tests are performed.
The first two tests were performed with a sample that did not contain any boron, arsenic,
selenium, tin, antimony, mercury and lead. Therefore, the results do not cover these
elements. It was found that the remaining elements complied with the Horwitz-criterion for
both of the tests.
In the recovery test only B, Al, Cr, Mn, Ni, Co, Se, Sr and Ba complied with the Horwitzcriterion when spikes were performed of 20 and 60 ppb. When recovery tests were carried
out on 10 different samples, the recovery for mercury was always lower than 82 %. It can
be questioned whether mercury and possibly other elements are lost by interactions with
substances which are leached from the toy. Therefore, it can be concluded that the
reliability of the extraction procedure can be questioned.
The third research question involves optimization of the Cr speciation and identifying of an
unknown peak. This peak arises during the speciation of chromium by ion
chromatography inductively coupled plasma mass spectrometry (IC-ICP-MS). During the
investigations it was determined that the unknown peak only occurred in the presence of
chromium (III). Even when a blank was spiked with chromium (III) the unknown peak
occurred. It was noticed that the measured concentration of chromium (III) started to
diverge when more chromium (III) was spiked. At the same time the area of the unknown
peak started to increase. When both areas where added the spiked concentration of
chromium (III) was found. The same was noticed when toy samples were used. The
separation of chromium (III) into two peaks is caused by a deficiency of sulfonic acid
groups in the stationary phase of the column.
The fourth and last research question examines if the leaching potential of a toy depends
on its matrix. We found that softened plastics and foams have a greater leaching potential
than hard plastics. This is probably due to the less strong polymer structure of these
materials.
viii
Samenvatting
In 2009 werd de Europese speelgoedrichtlijn vernieuwd. Zo werden onder andere de
regels omtrent de toegelaten concentraties aan migrerende elementen in speelgoed
verstrengd. Ook werden in totaal 17 elementen opgenomen in plaats van 8. Het doel van
deze verstrengde limieten is het beter beschermen van kinderen tegen potentieel giftige
elementen bij het eventueel inslikken van speelgoed. Als gevolg hiervan werd de norm EN
71-3 aangepast in 2013. Deze norm beschrijft de extractieprocedure om stukken
speelgoed uit te logen in een zuur milieu. Vanwege de verstrengde migratielimieten moest
er worden overgeschakeld naar een gevoelige techniek zoals inductief gekoppeld plasma
massaspectrometrie (ICP-MS). De eerste onderzoeksvraag is dan ook of de opgestelde
ICP-MS analysemethode kan worden gebruikt om de migratie van elementen uit
speelgoed te meten volgens EN 71-3: 2013 + A1: 2014. Dit is meteen de
hoofddoelstelling van deze scriptie.
Vooraleer de testen uitgevoerd konden worden, moest de gebruikte extractieprocedure
worden aangepast aan de vernieuwde versie. Dit betekende eerst en vooral het
aanpassen van de pH-controle. Ten tweede werd overgeschakeld naar een
membraanfilter met poriëngrootte van 0,45 µm voor de scheiding van het extract en het
speelgoed.
Verder werden nog twee andere zaken aangepast. Ten eerste werd de houdbaarheid van
de kalibratiestandaarden in HCl aangepast omdat er problemen waren met de stabiliteit
van enkele elementen. Ten tweede werd de ijklijn van de elementen seleen, tin, antimoon
en lood aangepast omdat er afwijkende meetwaarden werden verkregen. In plaats van de
ijkpunten 0, 1, 5, 10, 50 en 100 ppb werden enkel de laatste vier ijkpunten gebruikt.
Vervolgens konden testen worden uitgevoerd naar de lineariteit, herhaalbaarheid,
reproduceerbaarheid, juistheid en bepalingsgrens.
Om te controleren of alle elementen een lineaire respons hebben binnen het bereik van 1
tot 100 ppb, werden een ‘goodness-of-fit’ test en een ‘lack-of-fit’ test uitgevoerd. Voor wat
betreft de ‘goodness-of-fit’ test was de R²-waarde van alle elementen behalve deze van
kwik groter dan 0,999. Voor kwik werd voor beide isotopen een R²-waarde verkregen van
0,9988. In de norm EN 71-3 - 2013 werd geëist dat de R²-waarde groter was dan 0,99.
Hieraan is dus voldaan. Voor de ‘lack-of-fit’ test werd zowel een F-test als een
residuenanalyse uitgevoerd. De F-test was significant voor alle 17 elementen. De
residuenanalyse toonde aan dat er een te lage waarde werd voorspeld voor antimoon op
het concentratieniveau van 1 ppb. Daaruit volgt dat voor de twee gemeten isotopen van
antimoon het lineair bereik loopt van 5 tot 100 ppb. Voor de 16 overige elementen loopt
het lineair bereik van 1 tot 100 ppb.
De herhaalbaarheid, reproduceerbaarheid en juistheid werden gecontroleerd ten opzichte
van het Horwitz-criterium. De herhaalbaarheid was ontoereikend op het 1 ppb niveau voor
de elementen boor, tin en antimoon. Ook voor het isotoop seleen 82 was de
herhaalbaarheid ontoereikend op dit concentratieniveau. Boven het 5 ppb niveau was de
herhaalbaarheid van alle elementen toereikend. De reproduceerbaarheid werd getest op
het 10 ppb concentratieniveau en was voor alle elementen toereikend. Als derde werd de
juistheid bepaald aan de hand van recoverytesten op het 10 en 60 ppb niveau. De
recovery voor alle elementen voldeed aan het Horwitz-criterium.
ix
Uit de resultaten van de bepalingsgrens ten slotte volgt dat onder ‘worst case’
omstandigheden enkel voor chroom (VI) de bepalingsgrens groter is dan de opgestelde
migratielimiet. In de norm staat dat dit normaal is omdat deze migratielimiet te streng
gekozen is.
Uit bovenstaande resultaten kan worden besloten dat de opgestelde ICP-MS
analysemethode kan worden gebruikt om de migratie van elementen uit speelgoed te
meten zoals beschreven in EN 71-3: 2013 + A1: 2014.
De tweede onderzoeksvraag was het onderzoeken van de betrouwbaarheid van de
extractieprocedure in EN 71-3: 2013 + A1: 2014. De herhaalbaarheid en
reproduceerbaarheid werden getest en er werden recoverytesten uitgevoerd.
De herhaalbaarheids- en reproduceerbaarheidstesten werden uitgevoerd met een staal
dat geen boor, arseen, seleen, tin, antimoon, kwik en lood bevatte. Over deze elementen
kan dus ook geen uitspraak worden gedaan. Voor de overige elementen voldeden zowel
de herhaalbaarheid als de reproduceerbaarheid aan het Horwitz-criterium.
Bij de recoverytesten voldeden enkel B, Al, Cr, Mn, Ni, Co, Se, Sr en Ba aan het Horwitzcriterium bij 20 en 60 ppb ‘spikes’ van alle 17 elementen. Wanneer recoverytesten werden
uitgevoerd op 10 verschillende speelgoedstalen werd voor kwik steeds minder dan 82 %
teruggevonden. Er kan de vraag worden gesteld of kwik en eventueel andere elementen
deels verloren gaan door de interactie met andere uitgeloogde stoffen.
Hieruit wordt besloten dat de betrouwbaarheid van de extractieprocedure in vraag kan
worden gesteld.
Bij de derde onderzoeksvraag werd onderzocht hoe de onbekende piek ontstond bij de
speciatie van chroom. Bij de onderzoeken werd vastgesteld dat de onbekende piek enkel
voorkwam wanneer er chroom (III) aanwezig was, zelfs wanneer chroom (III) werd
‘gespiked’ bij blanco stalen. Hierbij week de concentratie van chroom (III) steeds meer af
naarmate er meer chroom (III) werd ‘gespiked’ en nam de oppervlakte van de onbekende
piek steeds toe. Wanneer beide oppervlaktes werden samengeteld en omgerekend, werd
de toegevoegde chroom(III)-concentratie teruggevonden. Ook bij reële stalen leidde het
optellen van beide piekoppervlaktes tot de correcte chroom(III)-concentraties. Het
opsplitsen van chroom (III) in twee pieken wordt veroorzaakt door een tekort aan
sulfonzure groepen in de stationaire fase van de kolom.
De vierde en laatste onderzoeksvraag test wat de invloed is van de matrix van het stuk
speelgoed op zijn uitloogpotentieel.
Uit de testen volgt dat zachte plastics en schuimen een groter uitloogpotentieel hebben
dan harde plastics. Vermoedelijk is dit te wijten aan de minder sterke polymeerstructuur
van deze materialen.
x
1.
Inleiding
Het onderzoek werd uitgevoerd in het chemisch labo van Centexbel, gelegen in het
Technologiepark te Zwijnaarde. Verder heeft Centexbel afdelingen in Brussel
(administratieve hoofdzetel), Kortrijk (Vlaams Kunststofcentrum, VKC) en in GrâceHollogne. Centexbel werd in 1950 opgericht door Fedustria. Door testen, certificatie,
dienstverlening en onderzoek en ontwikkeling aan te bieden moest Centexbel de
concurrentiepositie van de Belgische textielbedrijven versterken. Tegenwoordig zijn de
activiteiten van Centexbel veel uiteenlopender. Ze gaan van het testen van persoonlijke
beschermingsmiddelen, vezeleigenschappen voor in vezelversterkte composieten,
kompressen voor medische doeleinden, afwezigheid van stoffen die op de lijst met zeer
zorgwekkende stoffen van de REACH-verordening staan, brandgedrag van gordijnen en
versnelde veroudering van materialen en producten tot het assisteren bij het aanvragen
van patenten en het uitvoeren van onderzoek.
Het uitgevoerde onderzoek focust op het ontwikkelen van een analysemethode voor
‘EN 71-3: 2013 + A1: 2014, Migration of certain elements’ uit de speelgoedrichtlijn
(2009/48/EG). In deze norm wordt het inslikken van een stuk speelgoed door een kind
gesimuleerd. De uitgeloogde hoeveelheid van enkele elementen wordt nadien gemeten
en vergeleken met migratielimieten. Het onderzoek bestaat uit vier onderzoeksvragen.
De hoofdvraag is: ‘Kan de opgestelde ICP-MS analysemethode worden gebruikt om de
migratie van elementen uit speelgoed te meten volgens EN 71-3: 2013 + A1: 2014?’.
Hiervoor wordt een validatiedossier opgesteld waarin de parameters lineariteit,
herhaalbaarheid, reproduceerbaarheid, juistheid en bepalingsgrens van de methode
worden onderzocht.
De tweede onderzoeksvraag is: ‘Is de gebruikte extractieprocedure in EN 71-3: 2013 +
A1: 2014 betrouwbaar?’. Dit wordt getest door een soortgelijk, maar minder uitgebreid
validatiedossier als in de hoofdvraag op te stellen. Zo kan er een beeld worden geschetst
van de herhaalbaarheid, reproduceerbaarheid en juistheid van de extractieprocedure.
De derde onderzoeksvraag is: ‘Hoe ontstaat de onbekende piek bij de speciatie van
chroom?’. Het beantwoorden van deze vraag leidt tot de identificatie van de piek. Dit is
noodzakelijk om een betrouwbare kwantificatie te kunnen doen van chroom (III) en
chroom (VI).
De vierde en laatste onderzoeksvraag is: ‘Wat is de invloed van de matrix van het
speelgoed op het uitloogpotentieel?’. Het gaat hier om een inleidend onderzoek waarin
wordt onderzocht of zachte plastics en schuimen een groter uitloogpotentieel hebben dan
harde plastics.
Deze scriptie start met een literatuurstudie. Hierin worden achtereenvolgens de bronnen
van zware metalen in speelgoed, de Europese wetgeving, een evaluatie van de
uitloogtest, mogelijke methodes voor de speciatie van chroom (III) en chroom (VI), de
meettechniek ICP-MS en een aantal belangrijke statistische methoden die nodig zijn om
een analysemethode te valideren, besproken. Vervolgens worden het gebruikte materiaal
en de gebruikte apparatuur en methodes besproken waarna de onderzoeksresultaten aan
bod komen. Finaal wordt op basis van de onderzoeksresultaten en resultaten gevonden in
de
literatuur
een
besluit
geformuleerd
op
de
onderzoeksvragen.
1
2
2.
2.1
Metaalcontaminatie in speelgoed en hun uitloogpotentieel
Bronnen van zware metalen in speelgoed
Tot op vandaag worden er nog steeds toxische zware metalen zoals lood en kwik
teruggevonden in speelgoed. Nochtans kunnen deze zware metalen neurologische
problemen, gedragsstoornissen en kanker veroorzaken (Cui, et al., 2015). Volgens Guney
en Zagury zijn er drie grote bronnen van zware metalen in speelgoed (Guney & Zagury,
2012):
1) het gebruik van metaalverbindingen als stabilisator in plastics;
2) het gebruik van metaalhoudende pigmenten;
3) het
gebruik
van
gecontamineerde
gerecycleerde
plastics
in
de
speelgoedproductie.
In tabel 2.1 staan een aantal voorbeelden van de eerste twee bronnen van zware
metalen.
Tabel 2.1: Mogelijke bronnen van enkele zware metalen in speelgoed (Al-Qutob, et al., 2014)
Element
Bron
Lood
Geel pigment (PbCrO4)
Thermische stabilisatoren en vulmateriaal (loodzouten)
*
Kwik
PVC-productie op basis van kolen (China)
Chroom
Pigment (PbCrO4) in PVC
Thermische stabilisatoren
Cadmium
Thermische stabilisator in PVC
Barium
BaSO4 - BaO - BaS (witte en licht gele kleuring)
Zink
Vlamvertrager in PVC (samen met SbO3)
Anticorrosief pigment in coatings
Antimicrobiële stof in PVC
Seleen
Pigment (diep rood tot licht oranje)
Arseen
Pigment (zoals Paris Green)
*
PVC-productie op basis van kolen gebruikt kwik als katalysator. Door ongecontroleerde verliezen
van deze katalysator tijdens het productieproces komt kwik terecht in de eindproducten die op hun
beurt gebruikt worden in speelgoed.
Wat betreft de derde bron worden gerecycleerde plastics voornamelijk gebruikt om de
kostprijs te drukken. Hierbij is het belangrijk dat het gerecycleerde plastic geen
ongewenste stoffen en zware metalen bevat.
Hierbij aansluitend toonden Kang en Zhu aan dat goedkoop plastic speelgoed meer kans
heeft om zware metalen te bevatten (Kang & Zhu, 2015).
2.2
Wetgeving met betrekking tot het uitlogen
2.2.1
Europese speelgoedrichtlijn en EN 71 series
De oorspronkelijke Europese speelgoedrichtlijn 88/378/EEG uit 1988 zegt wat er onder
speelgoed verstaan wordt en aan welke veiligheids- en gezondheidsvereisten speelgoed
moet voldoen (Raad van de Europese Gemeenschappen, 1988). Het doel hiervan is dat
kinderen kunnen spelen zonder ze hierbij gevaar lopen. Het gaat hier voornamelijk over
fysische en mechanische gevaren, ontvlambaarheid, elektriciteit, radioactiviteit en
3
natuurlijk ook de blootstelling aan chemische stoffen. Aan de hand van de normen in de
EN 71 series kunnen de fabrikanten aantonen dat ze deze gevaren kunnen beperken
zoals geëist in de speelgoedrichtlijn (Centexbel, 2010). Wat betreft de migratie van
bepaalde elementen uit speelgoed werd in 1994 de norm EN 71-3 uitgevaardigd. Hierin
worden 8 elementen getest: Sb, As, Ba, Cd, Cr, Pb, Hg en Se. Het geteste speelgoed
wordt onderverdeeld in twee verschillende categorieën met elk hun eigen migratielimieten:
boetseerklei (‘modelling clay’) en speelgoed andere dan boetseerklei (CEN, 2006). In
2000 werd een amendement uitgebracht op deze norm.
Doordat in 2007 grote hoeveelheden speelgoed teruggeroepen werden omdat ze een te
hoge hoeveelheid lood bevatten, rees de vraag of de speelgoedrichtlijn wel nog streng
genoeg was (UL Environment, 2012). Dit heeft samen met de technologische vooruitgang
en de uitgebreide kennis over de veiligheidsrisico’s geleid tot de uitbreiding van de
speelgoedrichtlijn in 2009: 2009/48/EG (Het Europees Parlement en de Raad van de
Europese Unie, 2009). Deze aangepaste speelgoedrichtlijn verbiedt onder andere
carcinogenen, mutagenen en reprotoxische stoffen (CRM’s) en geurstoffen die een
allergische reactie kunnen veroorzaken. Daarnaast voegt ze ook 11 elementen (Al, B,
Cr(VI), Co, Cu, Mn, Ni, Sr, Sn, organische Sn, Zn) toe aan de lijst met migratielimieten en
worden deze migratielimieten herzien (Becker, et al., 2010). Ook worden drie nieuwe
categorieën
gebruikt:
droge/breekbare/poedervormige/kneedbare
materialen,
vloeibare/kleverige materialen en afgeschraapte materialen. In navolging van de
vernieuwde speelgoedrichtlijn werd de norm EN 71-3 vernieuwd in 2013. In 2014 werd
een amendement uitgebracht dat onder andere de pH-controle herzag.
Naast de speelgoedrichtlijn kunnen ook andere wetgevingen van toepassing zijn op
speelgoed. Een voorbeeld hiervan is de REACH-verordening die onder andere een lijst
met zeer zorgwekkende stoffen bevat. Als deze stoffen aanwezig zijn in het speelgoed
mag het niet verkocht worden binnen Europa (Europese Commissie, 2013).
Pas als er voldaan is aan deze en aan alle andere wetgevingen met betrekking tot het
stuk speelgoed, krijgt het de CE-markering (‘Conformité Européenne’). Deze CEmarkering toont aan dat aan de huidige wetgeving voldaan is en garandeert dus een
bepaald niveau van veiligheid. Om deze CE-markering te kunnen verkrijgen, moet de
fabrikant over een verklaring van overeenstemming beschikken. Hierin verklaart de
fabrikant dat het speelgoed conform is met alle wetten die van toepassing zijn op het vlak
van gezondheid, veiligheid en milieubescherming. Indien later blijkt dat dit niet klopt, kan
de fabrikant door deze valse verklaring aansprakelijk worden gesteld voor de juridische en
economische gevolgen (Centexbel, 2010).
Binnen dit wettelijk kader voert Centexbel een aantal testen uit, deze zijn opgenomen in
tabel 2.2.
Tabel 2.2: Testen uitgevoerd door Centexbel met betrekking tot de speelgoedrichtlijn
Wetgeving/norm
Inhoud
EN 71-2
Vuurbestendigheid
EN 71-3
Migratie van bepaalde elementen
EN 71-9
Vereisten voor organische chemische stoffen
EN 71-10
Staalvoorbereiding en extractie van bepaalde organische stoffen
EN 71-11
Analysemethodes voor organische stoffen
REACH
Analyse op de aanwezigheid van zeer zorgwekkende stoffen
4
2.2.2
Europa versus de rest van de wereld
De Chinese wet- en regelgeving met betrekking tot de migratie van elementen uit
speelgoed (GB 6675 appendix C - 2003) lijkt anno 2015 sterk op de eerste versie van EN
71-3 uit 1994 (Bureau Veritas, 2014) (CEN, 2006). Zo worden dezelfde 8 elementen
getest en hebben de twee categorieën (boetseerklei en vingerverf / elk ander speelgoed
dat geen boetseerklei of vingerverf is) identiek dezelfde migratielimieten. Door deze
minder strenge wetgeving wordt speelgoed dat niet voldoet aan de strengere buitenlandse
wetgeving verkocht op de Chinese markt. Hierdoor lopen Chinese kinderen een groter
gezondheidsrisico (Kang & Zhu, 2015). Om dit te vermijden werd de Chinese
speelgoedrichtlijn op 1 januari 2016 vernieuwd. In deze vernieuwde versie (GB 6675 2014) worden boetseerklei en vingerverf opgesplitst in twee aparte categorieën. De
nieuwe categorie vingerverf heeft strengere migratielimieten. De migratielimieten van de
overige twee categorieën blijven onveranderd (Bureau Veritas, 2014).
De Amerikaanse wetgeving op vlak van speelgoed staat in de ‘Consumer Product Safety
Improvement Act’ (CPSIA) van de ‘Consumer Product Safety Commission’ (CPSC). In de
CPSIA wordt verwezen naar de ‘American Society for Testing and Materials’ (ASTM)
standaard F963: ‘Standard Consumer Safety Specification for Toy Safety’ (Guney &
Zagury, 2012). In de CPSIA worden maximaal toelaatbare hoeveelheden lood
gespecificeerd voor alle speelgoed en producten voor kinderen (max. 100 mg/kg) en voor
eventueel aanwezige verflagen en oppervlaktecoatings (max. 90 mg/kg). Ook worden
verflagen en oppervlaktecoatings van speelgoed, het speelgoed zelf en juwelen voor
kinderen onderworpen aan dezelfde migratietest en -limieten als in de eerste versie van
EN 71-3 (CPSC, 2016) (Shin Dorn, 2015) (Guney & Zagury, 2012). Voor juwelen moet
bijkomend de totale hoeveelheid aan cadmium worden bepaald. Als deze de limiet van
300 mg/kg overschrijdt, moet er een migratietest worden uitgevoerd. Indien het gaat over
een plastic juweel wordt EN 71-3 gebruikt. Indien het gaat over een metalen juweel wordt
er een andere extractietest gebruikt met een extractieduur van 24 uur (Guney & Zagury,
2012) (CPSC, 2016).
Hieruit blijkt dat Europa erg vooruitstrevend is op vlak van de migratie van zware metalen
uit speelgoed. Ze hebben namelijk strengere detectielimieten en testen meer elementen.
2.3
Uitloogtesten: een stand van zaken op basis van wetenschappelijke
literatuur
Binnen de Europese Unie wordt de methode zoals beschreven in EN 71-3 - 2013 als
uitloogtest gebruikt. Er kan echter de vraag worden gesteld of deze uitloogprocedure wel
een accurate schatting geeft van het reële uitloogproces wanneer een kind een stuk
speelgoed inslikt. Daarom wordt deze uitloogtest getoetst aan data gevonden in
wetenschappelijke literatuur. Eerst en vooral zullen enkele gevoelige parameters van de
extractieprocedure worden overlopen. Daarna wordt de keuze van de migratielimieten
toegelicht en geëvalueerd. Vervolgens zal de uitloogtest beschreven in EN 71-3 - 2013
afgewogen worden tegenover andere uitloogtesten om tot slot een gefundeerd besluit te
formuleren over de totale accuraatheid van de uitloogtest in EN 71-3 - 2013.
5
2.3.1
Parameterstudie extractieprocedure
In 1977 publiceerde Fowles een parameterstudie voor de uitloging van cadmiumpigmenten uit acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) (Fowles, 1977). De gebruikte
extractieprocedure gelijkt sterk op deze in EN 71-3 - 2013 (tabel 2.3).
Tabel 2.3: Parameters extractieprocedure (Fowles, 1977) (CEN, 2014)
Parameter
Waarde Fowles
Waarde EN 71-3 - 2013
Partikelgrootte (mm)
0,106 - 0,5
6
Concentratie HCl (M)
0,1
0,07
Toegevoegd volume HCl
25 maal afgewogen massa
50 maal afgewogen massa
pH
< 1,5
1,2 ± 0,1
Temperatuur (°C)
37,5
37
Extractieduur (uur)
4
2
Uit deze studie volgt dat de monstername een heel gevoelige stap is, want hoe kleiner de
partikelgrootte is, hoe groter de uitgeloogde hoeveelheid wordt. Het is daarom erg
belangrijk om de monstername op een consistente manier uit te voeren en ervoor te
zorgen dat de partikelgrootte steeds gelijk is. Dit kan bijvoorbeeld door het monster te
zeven. Deze zeefstap is enkel voor afgeschraapte materialen opgenomen in de norm EN
71-3 - 2013.
In EN 71-3 - 2013 is gekozen om de stalen zo voor te bereiden dat ze minstens 1
dimensie van 6 mm bezitten. Wetende dat het vaak gaat over harde stukken speelgoed
die moeilijk fijn gekauwd kunnen worden door kinderen, lijkt dit een verantwoorde keuze.
Bij verf en andere materialen die afgeschraapt kunnen worden, moeten de afgeschraapte
partikels door een zeef met openingen van 0,5 mm kunnen. Zo wordt voorkomen dat te
grote partikels worden afgewogen die een te lage waarde opleveren.
Drie andere bestudeerde parameters zijn de zuursterkte, de duur van de extractie en de
temperatuur. Uit Fowles’ onderzoek volgt dat de uitgeloogde hoeveelheid toeneemt met
alle drie deze parameters. Het is daarom belangrijk dat deze parameters goed worden
gekozen zodat de extractieprocedure een goede simulatie is van de werkelijkheid.
De pH in de norm bedraagt 1,2 ± 0,1 en dit is een goede schatting van de pH van
maagzuur (Fallingborg, et al., 1990) (Kelly, et al., 1993). Ook de temperatuur van 37°C is
een goede schatting van de reële maagtemperatuur (Lim, et al., 2008).
Wat betreft de extractieduur heerst er meer onenigheid. Zo beweren Fowles, Guney en
Zagury en de CPSC dat de extractieduur te kort is (Fowles, 1977) (Guney & Zagury,
2012) (Cui, et al., 2015). Fowles zegt dat de retentietijd in de maag kan oplopen tot 4 uur,
Guney en Zagurey zeggen dat de retentietijd meestal tussen de 1 en 6 uur ligt en de
CPSC streeft naar een extractieduur van 24 uur voor cadmium in metalen juwelen (zie
2.2.2). De CPSC baseert zich hiervoor op een artikel van Macgregor en Ferguson waarin
besloten wordt dat de mediane verblijftijd van vreemde lichamen in kinderen 6 dagen
bedraagt (Macgregor & Ferguson, 1998). In dit onderzoek bestond de doelgroep uit
kinderen die door hun ouders naar het ziekenhuis werden gebracht omdat ze een
muntstuk, een knikker, een kogellager etc. hadden ingeslikt. De kinderen waren allemaal
tussen de 9 maand en 13 jaar oud en 73 % was jonger dan 6 jaar. De mediane leeftijd
was 3 jaar.
6
Er zijn echter ook argumenten om aan te nemen dat de gekozen extractieduur goed is.
Eerst en vooral gaat het in het onderzoek van Macgregor en Ferguson over de totale
verblijftijd in het kind, terwijl zware metalen voornamelijk in het zure maagzuur zullen
worden uitgeloogd (Van Engelen, et al., 2008). Verder gaat het om vreemde lichamen die
meestal 5 gram of meer wegen. In vergelijking werd bij de bepaling van de
migratielimieten in EN 71-3 - 2013 rekening gehouden met een maximale inname van
400 mg/dag (CEN, 2014). Daarenboven zijn knikkers en kogellagers van een redelijke
omvang waardoor de uitgeloogde hoeveelheid (en dus ook het blootstellingsrisico) kleiner
zal zijn. Ook zullen ze een langere verblijftijd in de maag hebben (Rhoades & Bell, 2009).
Bijgevolg is het beter om de extractieduur te baseren op basis van de verblijftijd van
voedsel in de maag dan op basis van de verblijftijd van vreemde lichamen.
Hierover zijn ook al onderzoeken uitgevoerd, meer bepaald naar de halfwaardetijd van
voeding in de maag van zuigelingen en kinderen. Uit deze onderzoeken volgt dat de
halfwaardetijd van de voeding in een maag van een zuigeling ongeveer 87 minuten
bedraagt en bij kinderen tussen de 5 en 10 jaar ongeveer 90 minuten (Heyman, 1998)
(Singh, et al., 2006) (Thomas, et al., 1999).
Daarenboven is de toename in uitgeloogde hoeveelheid in functie van de extractietijd
groter voor kleinere partikels (figuur 2.1). De partikels moeten volgens de norm minstens
1 dimensie bezitten van 6 mm, dit is nog eens zes maal groter dan de grootste dimensie
in figuur 2.1. Hieruit volgt dat het verschil in uitgeloogde hoeveelheid tussen 2 uur en
bijvoorbeeld 3 uur niet zo groot zal zijn. Dit samen met het feit dat het merendeel van de
ingeslikte hoeveelheid na twee uur uit de maag is verdwenen, maakt van de extractieduur
van twee uur in EN 71-3 - 2013 een verantwoorde keuze.
Hoeveelheid cadmium
geëxtraheerd (µg)
0.106-0.5 mm
0.5-1 mm
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Extractietijd (uur)
Figuur 2.1: Invloed van de extractietijd en partikelgrootte op de uitgeloogde hoeveelheid
(Fowles, 1977)
Verder moet er ook een duidelijk verschil gemaakt worden tussen de hoeveelheid zware
metalen die een stuk speelgoed bevat en de hoeveelheid zware metalen die effectief
uitgeloogd worden in het maagzuur van het kind. Deze laatstgenoemde wordt ook wel de
’bioaccessibility’ of biotoegankelijkheid genoemd. Bij de testen van Khang en Zhu viel het
op dat er geen correlatie is tussen de uitgeloogde hoeveelheid lood via EN 71-3 - 2013 en
de totale hoeveelheid lood aanwezig in het staal (Kang & Zhu, 2015). Dit wil met andere
woorden zeggen dat het blootstellingsrisico beter wordt ingeschat door een uitloogtest
dan door te werken met de totale hoeveelheid zware metalen aanwezig in het speelgoed.
Dit wordt bevestigd door onderzoek van Cui et al (Cui, et al., 2015). Er dient echter
7
opgemerkt te worden dat bij deze testen geen groepering werd gedaan van de matrix van
de speelgoedstalen en of het plastic hard was of zacht. De biotoegankelijkheid van lood in
de geteste speelgoedstalen werd wel vergeleken met de biotoegankelijkheid van lood in
bodems en krijt. Hieruit volgde dat de biotoegankelijkheid van lood in plastic
speelgoedstalen kleiner was. Kang en Zhu vermoeden dat dit te wijten is aan de
complexe en sterke polymeerstructuur van het plastic.
Er dient opgemerkt te worden dat niet alle elementen die uitgeloogd worden in de maag
(= biotoegankelijkheid) vervolgens opgenomen worden in de bloedbaan (=’bioavailability’
of biobeschikbaarheid). In EN 71-3 - 2013 wordt verondersteld dat de biotoegankelijkheid
gelijk is aan de biobeschikbaarheid. Dit is een overschatting.
Tabel 2.4: Onderscheid biotoegankelijkheid-biobeschikbaarheid
Naam
Definitie
Biotoegankelijkheid De hoeveelheid zware metalen die uitgeloogd wordt in het maagzuur.
Biobeschikbaarheid De hoeveelheid zware metalen die opgenomen wordt in de bloedbaan.
Een laatste invloedrijke parameter die door Fowles werd bestudeerd is de invloed van
licht. Uit de testen volgde dat het uitloogpercentage van de pigmenten cadmiumsulfide en
cadmiumselenide een factor 3 tot 10 groter was in de aanwezigheid van licht. Voor lood
werd geen invloed van licht vastgesteld. Doordat licht afwezig is in de maag en het anders
kan zorgen voor vals hoge uitloogpercentages wordt het mengsel in EN 71-3 - 2013
afgeschermd van licht.
Om uitsluitsel te kunnen geven over de accuraatheid van de migratieprocedure is er nood
aan in vivo studies waarbij de uitgeloogde hoeveelheden via EN 71-3 - 2013 vergeleken
worden met de uitgeloogde hoeveelheden bij een (volwassen) persoon. Voorlopig
bestaan er nog geen in vivo studies over de migratie van zware metalen uit speelgoed
waardoor het moeilijk is om te bepalen of EN 71-3 - 2013 de werkelijkheid goed simuleert.
De individuele parameters lijken weliswaar een verantwoorde keuze.
2.3.2
Migratielimieten
Het tweede belangrijke element in de norm zijn de migratielimieten. Dit zijn de maximaal
toegelaten uitgeloogde hoeveelheden zware metalen in mg per kg speelgoed. Het is
belangrijk dat de migratielimieten goed gekozen zijn zodat de speelgoedrichtlijn de
kinderen echt beschermt en geen vals gevoel van veiligheid creëert.
Er zijn vijf factoren die in beschouwing genomen moeten worden om een relevante
migratielimiet te bepalen (Van Engelen, et al., 2008):
1)
2)
3)
4)
5)
Route van de blootstelling;
Duur van de blootstelling;
Frequentie van de blootstelling;
Aanwezigheid van toxicologische data + betrouwbaarheid;
Veiligheidsmarge die de beleidsmakers inbouwen.
De eerste factor gaat over de route waarlangs kinderen blootgesteld worden aan zware
metalen uit speelgoed. De belangrijkste route is de orale route. Dit kan via direct contact
tussen de mond en het speelgoed maar ook via hand-mond contact, bijvoorbeeld bij
vingerverf en krijt. Verder kan een kind via de orale route op twee manieren blootgesteld
8
worden aan zware metalen. Enerzijds kan het een stuk speelgoed inslikken en anderzijds
kan het erop zuigen en via speeksel zware metalen opnemen. In EN 71-3 - 2013 wordt
het ‘worst case’ scenario gesimuleerd waarbij een kind een stuk speelgoed inslikt. Indien
het kind enkel via speeksel zware metalen binnenkrijgt, biedt EN 71-3 - 2013 een
overbescherming (Guney & Zagury, 2012) (Van Engelen, et al., 2008).
Andere contactscenario’s zoals inhalatie of opname via de huid worden in EN 71-3 - 2013
niet beschouwd omdat zware metalen niet vluchtig zijn en de opname via de huid
algemeen heel laag is. Voor stoffen die zware metalen zoals nikkel, chroom en
organische tin bevatten en waar de opname via de huid wel significant kan zijn, wordt
door Van Engelen et al. aangeraden om een aparte evaluatie uit te voeren (Van Engelen,
et al., 2008).
De tweede factor gaat over de duur van de blootstelling. Kinderen stoppen voornamelijk in
de eerste drie levensjaren allerlei voorwerpen in hun mond. Bijgevolg moet speelgoed
voor kinderen ouder dan drie jaar enkel voldoen aan EN 71-3 - 2013 indien het speelgoed
bedoeld is om in de mond te stoppen. De duur van de blootstelling is bijgevolg dagelijks
gedurende een periode van 1-2 jaar. In toxicologische termen heet dit sub-chronische
blootstelling.
Wat betreft de frequentie van de blootstelling zeggen Guney en Zagury dat er nog veel
parameters niet of onvoldoende gekend zijn (Guney & Zagury, 2012). Zo zijn er meerdere
studies die de frequentie van het mondcontact met speelgoed bij kinderen bepaald
hebben, maar alle studies hebben een lage betrouwbaarheid. Verder zijn er ook
onvoldoende onderzoeken gebeurd naar de frequentie van het mondcontact met
speelgoed en naar de dagelijkse inname van stukken speelgoed. Hierdoor is het moeilijk
om een goede schatting te maken van de totale blootstelling. Dit is duidelijk te merken in
het rapport van Van Engelen et al. waar met behulp van wiskundige formules gepoogd
werd om de dagelijkse inname te bepalen (Van Engelen, et al., 2008). Deze formule
vereenvoudigde de zaken echter te veel waardoor relatief hoge waarden werden
verkregen. Daarom werden deze waarden volgens een persoonlijke inschatting
aangepast waarvan ze zelf zeggen dat er bijkomend onderzoek noodzakelijk is.
Om goede migratielimieten op te stellen is het nodig om te weten vanaf welke dosis er
nadelige effecten kunnen optreden. In toxicologische termen heet dit de Toelaatbare
Dagelijks Inname of ‘Tolerable Daily Intake’ (TDI). Dit is de dagelijkse hoeveelheid van
een chemische stof die opgenomen kan worden gedurende het hele leven zonder dat er
nadelige effecten ontstaan voor het individu.
Er zijn voor alle zware metalen in EN 71-3 - 2013 TDI-waarden bepaald. Er zijn echter
twee belangrijke opmerkingen. Ten eerste, omdat sub-chronische limietwaarden niet voor
alle chemische stoffen aanwezig zijn en chronische limietwaarden wel (voor de orale
route), worden chronische limietwaarden gebruikt om een adequaat niveau van
bescherming te geven. Ten tweede worden TDI-waarden bepaald voor gevoelige groepen
in de samenleving. Niet voor alle elementen zijn er TDI-waarden specifiek voor kinderen
bepaald. Om toch adequate migratielimieten op te stellen, werd speciale aandacht
gevestigd op het selecteren van de best passende TDI-waarde en werden indien nodig
extra onzekerheidsfactoren ingebouwd (Van Engelen, et al., 2008).
9
Een laatste belangrijke factor is het inbouwen van veiligheidsmarges. Dit omdat er zoals
eerder gezegd onzekerheden zijn zoals de totale blootstelling en de TDI-waarden, maar
ook door de achtergrondblootstelling. Achtergrondblootstelling is de blootstelling aan
elementen via andere routes dan via speelgoed, bijvoorbeeld voedsel. Het is belangrijk
om deze achtergrondblootstelling in rekening te brengen zodat de totale inname van
zware metalen de TDI-waarden niet overschrijden. Omdat de achtergrondblootstelling
meestal 20 tot 70 % bedraagt van de totale TDI, wordt in het rapport van Van Engelen et
al. aangeraden om maximaal 30 % van de TDI-waarden te alloceren voor speelgoed (Van
Engelen, et al., 2008). De finaal gekozen niveaus zijn algemeen 10 % van de TDI. Voor
arseen, chroom VI, lood, kwik en organische tin 5 % en voor barium en cadmium 3,3 %
(CEN, 2014).
Samenvattend kan er gesteld worden dat het gebruik van enkel de orale route in het
overgrote deel van de gevallen volstaat om het risico correct in te schatten. Wat betreft de
duur van de blootstelling is er een overschatting. De grote vraagtekens staan bij de
frequentie van de blootstelling en de TDI-waarden die niet specifiek zijn voor kinderen. Er
is hierover duidelijk nood aan meer onderzoek en informatie.
Deze vraagtekens worden voorlopig ingevuld door grote veiligheidsmarges te kiezen.
2.3.3
EN 71-3 versus andere uitloogtesten
In paragraaf 2.2.2 werd duidelijk dat de Europese regelgeving met betrekking tot uitloging
erg toonaangevend is. Maar omdat er nog geen in vivo studies gebeurd zijn van
EN 71-3 - 2013, rijzen er vragen of de extractieprocedure en het extractiemedium goed
gekozen zijn.
Er zijn al studies gebeurd die EN 71-3 - 2013 vergelijken met andere uitloogtesten. Deze
uitloogtesten maken onder andere gebruik van enzymen om het maagzuur beter te
simuleren, van een voorafgaande speekselfase en van een afsluitende simulatie van het
darmkanaal. Kang en Zhu hebben de migratieprocedure uit EN 71-3 - 2013 vergeleken
met drie verschillende methoden opgesteld door het Nederlandse Rijksinstituut voor
Volksgezondheid en Milieu (RIVM) (tabel 2.5) (Kang & Zhu, 2015). In de ‘in vitro mouth
phase’ (RIVM-M) methode wordt enkel de inname via speeksel gesimuleerd. In de ‘in vitro
stomach phase’ (RIVM-S) methode wordt de inname via mond-maag gesimuleerd en in
de ‘in vitro small intestinal phase’ (RIVM-SI) methode wordt de inname via mond-maagdarm gesimuleerd. In hun studie ondergingen 20 verschillende stalen alle vier de
extractieprocedures en werden ze nadien getest op de uitgeloogde hoeveelheid lood.
Figuur 2.2 geeft de verkregen resultaten weer.
Figuur 2.2: Uitlooggraad van lood voor 20 stalen via vier uitloogmethoden
(Kang & Zhu, 2015)
10
Tabel 2.5: Vergelijkende tabel methoden RIVM (Kang & Zhu, 2015)
Uit figuur 2.2 volgt dat de biotoegankelijkheid van de migratieprocedure gebruikt in
EN 71-3 - 2013 (D-HCl) het kleinst is van de vier geteste methoden en bijgevolg het risico
lijkt te onderschatten. Wanneer de drie RIVM-methoden uit tabel 2.5 vergeleken worden,
bedraagt de extractieduur van de RIVM-S methode 1 uur, van de RIVM-M methode 2 uur
en van de RIVM-SI methode 4 uur. De biotoegankelijkheid van de drie methoden
bedraagt respectievelijk 4.09 %, 3.65 % en 2.62 %. Hieruit volgt dat voornamelijk het
gebruik van enzymen en de pH het verschil in uitlooggraad bepalen, meer dan de
extractieduur. Ook heeft de mond-maag simulatie (RIVM-S) zoals verwacht een hogere
biotoegankelijkheid dan de mond simulatie (RIVM-M) en de mond-maag-darm simulatie
(RIVM-SI).
Guney en Zagury hebben EN 71-3 - 2013 vergeleken met nog twee andere methoden: de
‘in vitro gastrointestinal’ (IVG) methode en de ‘in vitro physiologically based extraction test’
(PBET) (Guney & Zagury, 2014). Uit hun onderzoek bleek dat EN 71-3 - 2013 de neiging
heeft om de biotoegankelijkheid te onderschatten, ondanks het feit dat de IVG-methode
en PBET het maag-darmkanaal simuleren (= biobeschikbaarheid). Ze geven echter toe
dat er meer informatie nodig is om dit met een hogere betrouwbaarheid te kunnen
zeggen. Zo was het uitloogpotentieel van de drie verschillende methoden sterk afhankelijk
van het geteste staal.
Tabel 2.6: Vergelijkende tabel IVG-methode en PBET (Guney & Zagury, 2014)
11
Het lijkt er dus op dat EN 71-3 - 2013 een te lage uitlooggraad heeft en het risico
onderschat. Dit wordt gestaafd door het rapport van Van Engelen et al. waarop CEN zich
heeft gebaseerd om EN 71-3 - 2013 op te stellen. In dit rapport wordt de
migratieprocedure immers omschreven als een meer realistische maar nog steeds
voorzichtige aanpak voor inslikken (Van Engelen, et al., 2008) (CEN, 2014). Om zeker te
zijn is er nood aan in vivo studies en een kosten-baten analyse. Zo maken bovenstaande
uitloogmethodes gebruik van enzymen en speciale zouten waardoor ze minder eenvoudig
zijn en duurder in gebruik dan de methode in EN 71-3 - 2013. Daarenboven is het nog niet
bestudeerd of deze enzymatische oplossingen de oxidatietoestand van onder andere
chroom (III) en chroom (VI) veranderen. Dit kan immers een grote invloed hebben om te
bepalen of een stuk speelgoed een gezondheidsrisico inhoudt of niet (Wragg & Cave,
2003).
2.3.4
Conclusie
Uit voorgaande bespreking volgt dat er enkele over- en onderschattingen zijn gebeurd bij
het opstellen van de extractieprocedure en migratielimieten (tabel 2.7).
Tabel 2.7: Samenvatting over- en onderschatting extractieprocedure en migratielimieten
Overschatting
(Gevaar voor) onderschatting
Biotoegankelijkheid > biobeschikbaarheid
Extractieprocedure
Chronische TDI-waarden i.p.v. sub-chronische
Dagelijkse inname speelgoed
Grote veiligheidsmarges
TDI-waarden niet voor kinderen
Hieruit volgt dat er een reële kans bestaat dat de extractieprocedure in EN 71-3 - 2013
zorgt voor een vals lage uitlooggraad. Om zeker te zijn is er nood aan in vivo studies voor
EN 71-3 - 2013. Het is dus niet uitgesloten dat er in de toekomst aanpassingen aan de
extractieprocedure in EN 71-3 - 2013 zullen plaatsvinden. Het is echter belangrijk om te
onthouden dat er bij de keuze van de migratielimieten grote veiligheidsmarges zijn
gekozen die zo eventuele tekortkomingen van de extractieprocedure opheffen.
Hierdoor kan er worden besloten dat EN 71-3 - 2013 het risico goed lijkt te beheersen.
Voor een meer accurate schatting waarbij dan minder grote veiligheidsmarges kunnen
worden gekozen, is er weliswaar nood aan meer onderzoek naar TDI-waarden speciaal
voor kinderen en naar de dagelijkse inname van speelgoed door kinderen tussen 0 en 3
jaar oud.
2.4
Speciatie Cr III - Cr VI: scheidingstechnieken
Chroom komt voornamelijk voor als chroom (III) en chroom (VI). Omdat chroom (III) een
essentiële voedingsstof is voor mensen en chroom (VI) toxisch en carcinogeen, volstaat
het niet om het totale chroomgehalte te bepalen om het gezondheidsrisico in te schatten.
Er is daarom nood aan een techniek om chroom (III) en chroom (VI) te scheiden.
Eén van de grootste problemen bij de speciatie van chroom is de onderlinge omzetting
tussen chroom (VI) en chroom (III). Deze omzetting is afhankelijk van de pH. Zo zorgen
lage pH-waarden voor een reductie van chroom (VI) naar chroom (III) en leiden hoge pHwaarden tot een stabilisatie van chroom (VI) en tot neerslagvorming van chroom (III) als
Cr(OH)3 (Thermo Fisher Scientific, 2012) (Xing & Beauchemin, 2010).
12
In de literatuur wordt vaak gebruik gemaakt van hoge performantie
vloeistofchromatografie (‘High Performance Liquid Chromatography’, HPLC) en van
ionenchromatografie (IC) als scheidingstechniek, met inductief gekoppeld plasma
massaspectrometrie (‘Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry’, ICP-MS) als
detector.
Om gebruik te kunnen maken van anionuitwisselingschromatografie (kolom bevat enkel
quaternaire ammoniumgroepen) moeten zowel chroom (III) als chroom (VI) een netto
negatieve lading hebben wanneer ze in oplossing zijn. Chroom (VI) komt voornamelijk
voor als CrO42- of als Cr2O72- en voldoet aan deze vereiste. Omdat chroom (III) echter
meestal voorkomt als Cr3+ wordt aan de oplossing vaak ethyleendiaminetetra-azijnzuur
(EDTA) toegevoegd. EDTA vormt een netto negatief geladen complex met chroom (III)
waardoor wordt voldaan aan de vereiste. Het nadeel van deze complexatiestap is dat ze
de staalvoorbereiding verlengt (PerkinElmer, 2003) (Agilent Technologies, 2012) (Inoue,
et al., 1995).
Thermo Fisher Scientific heeft een methode ontwikkeld om via IC-ICP-MS de speciatie
van chroom uit te voeren zonder de complexatiestap met EDTA (Thermo Fisher Scientific,
2012). In deze methode wordt er gebruik gemaakt van een Dionex AG-7 kolom. Dit is een
‘guard’ kolom die voornamelijk gebruikt wordt voor anionuitwisseling maar ook een aantal
plaatsen heeft voor kationuitwisseling (Byrdy, et al., 1995). Doordat deze kolom zowel
quaternaire ammoniumgroepen als sulfonzure groepen bevat als stationaire fase, kan hij
zowel kationen als anionen scheiden (Thermo Fisher Scientific, 2012). Bijgevolg is er bij
deze methode geen complexatiestap met EDTA nodig. Als mobiele fase wordt er gebruik
gemaakt van HNO3 0,4 mol/l.
Tabel 2.8: Parameters IC-methode Thermo Fisher Scientific
Parameter
Waarde
Kolom
Dionex AG-7 (2 mm I.D. x 50 mm lengte, partikelgrootte 10 µm)
Elutie
Isocratisch
Mobiele fase
0,4 mol/l HNO3
Stroomsnelheid
400 µl/min
Injectievolume
20 µl
Duur
150 s
Indien de methode van Thermo Fisher Scientific wordt vergeleken met de methode van
PerkinElmer, Agilent Technologies en Inoue et al. is zowel de totale scheidingsstijd als de
detectielimiet beter (PerkinElmer, 2003) (Agilent Technologies, 2012) (Inoue, et al., 1995).
Er kan echter de vraag worden gesteld of er door het gebrek aan complexatie van
chroom (III) geen omzetting zal plaatsvinden van deze chroom (III).
In een studie van Xing en Beauchemin werd ook geen complexatiestap uitgevoerd en
werd de Dionex AG-7 kolom (4 mm I.D. x 50 mm, 10 µm) gebruikt (Xing & Beauchemin,
2010). Ze voerden wel een gradiëntelutie uit in plaats van een isocratische elutie. Tijdens
hun metingen verkregen ze een onverwachte derde piek. Deze piek werd niet
geïdentificeerd maar was vermoedelijk te wijten aan een complexatie van chroom III, iets
wat bij de andere bronnen niet voorkomt.
Vanwege de opgesomde voordelen wordt in deze scriptie gebruik gemaakt van de
methode van Thermo Fisher Scientific om de speciatie van chroom (III) en chroom (VI) uit
13
te voeren. Bij de door Centexbel reeds uitgevoerde testen werd net zoals bij Xing en
Beauchemin een onverwachte derde piek verkregen. Het is belangrijk om deze
onbekende piek te identificeren zodat een betrouwbaar kwantitatief resultaat wordt
verkregen.
2.5
ICP-MS als meettechniek
Om de simultane sporenconcentraties van 17 elementen te bepalen wordt gebruik
gemaakt van een ICP-MS 7700x van Agilent Technologies.
Figuur 2.3: Overzicht ICP-MS 7700 series (Agilent Technologies, 2010)
2.5.1
Werking ICP-MS
2.5.1.1
Monsterintroductiesysteem
In figuur 2.3 wordt een overzicht gegeven van de weg die het monster aflegt vooraleer het
bij de detector terechtkomt. Eerst en vooral wordt het vloeibare monster door een
peristaltische pomp aangezogen naar de cross-flow vernevelaar. Hier wordt het monster
opgenomen in een stroom argongas waardoor een nevel ontstaat. De grote druppels uit
deze nevel worden vervolgens in de ‘double-pass’ sproeikamer verwijderd door botsingen
met de wand. Door een bijkomende Peltier-koeling zal een deel van het water in de
aerosol condenseren. Hierdoor bereikt minder water het plasma. Dit leidt tot een lagere
oxidevorming en een grotere ionisatiegraad van de atomen (want er is minder energie
nodig om water te verdampen). Een bijkomend voordeel van de Peltier-koeling is dat de
temperatuur van de sproeikamer constant is waardoor een stabieler signaal wordt
gevormd (Thomas, 2013).
2.5.1.2
Toorts en plasma
De in de sproeikamer gevormde aerosol wordt via een injectorbuis naar de toorts geleid.
De toorts bestaat uit drie concentrische kwartsbuizen die allen doorstroomd worden met
argongas. De argonstroom van de buitenste buis houdt het plasma in stand en zorgt voor
een afkoeling van de toorts. De middelste argonstroom is het argon hulpgas en wordt
gebruikt om de hoogte van het plasma te regelen. Eventueel kan het argon hulpgas ook
koolstofafzettingen op de toorts verminderen indien organische monsters worden
gemeten. De derde en laatste argonstroom is de gevormde monsteraerosol. Deze wordt
via de binnenste buis in het plasma gebracht.
14
Figuur 2.4: Toorts met argonstromen en spoel (Agilent Technologies, 2012)
Om het plasma op te wekken wordt een spoel met vier wikkelingen rond de toorts
geplaatst. De spoel wordt doorstroomd met een radiofrequente wisselstroom waardoor
een wisselend magnetisch veld wordt gevormd. Door vervolgens argonionen en
elektronen in het magnetisch veld te introduceren door middel van een Tesla-ontlading,
worden deze geladen deeltjes versneld in cirkelvormige banen. Hierbij botsen ze met
andere argonatomen die op hun beurt worden geïoniseerd. Finaal ontstaat een
evenwichtstoestand: het plasma. De temperatuur in dit plasma ligt dan tussen de 6700 K
en 8000 K. Door deze hoge temperaturen worden de deeltjes aanwezig in de
monsteraerosol achtereenvolgens gedesolvateerd, gevaporiseerd, geatomiseerd en finaal
geïoniseerd (figuur 2.5). Voor de meeste elementen is de ionisatiegraad groter dan 90 %
(Agilent Technologies, 2012).
Figuur 2.5: Ionisatie van de monsteraerosol (Agilent technologies, 2009)
2.5.1.3
Interface
Nadat de ionen zijn gevormd, worden deze naar de vacuümkamer gebracht. Het
vacuümsysteem bestaat uit drie niveaus: de interface (of de koppeling tussen de
apparaten), het lenzensysteem en het analysegedeelte.
De interface dient om het drukverschil tussen het plasma (1 atm) en de
massaspectrometer te overbruggen. De interface bestaat uit twee watergekoelde kegels
met een kleine opening die coaxiaal geplaatst zijn: de ‘sampling cone’ en de ‘skimmer
cone’. De kegels zijn meestal vervaardigd uit nikkel. In de interface gaat de druk van
atmosfeerdruk naar ongeveer 2 mbar en wordt ze in stand gehouden door een
olierotatiepomp. De ruimte tussen de kegels wordt ook de expansiekamer genoemd.
Wegens het drukverschil zal een gedeelte van het plasma worden aangezogen door de
15
opening van de ‘sampling cone’ naar de expansiekamer. De expansie van de
binnentredende bundel gaat zeer snel, men spreekt dan ook van een supersonische
expansie. Dit zorgt als het ware voor een bevriezing van de samenstelling in het plasma
en minimaliseert interionaire reacties. Het centrale deel van de bundel, bestaande uit
ionen, elektronen, neutrale deeltjes en fotonen zal doorheen de opening van de ‘skimmer
cone’ het lenzensysteem bereiken. De overige species zullen met behulp van een
mechanische pomp worden weggezogen uit de interface.
2.5.1.4
Het lenzensysteem
Het lenzensysteem is de vacuümzone (10-4 Pa) waarin de lenzen zich bevinden. Om het
onderhoud van de lenzen te vergemakkelijken liggen de lenzen buiten het hoog-vacuüm
gebied. Het geëxtraheerde deel van het plasma wordt eerst en vooral gecollimeerd door
de extractielenzen.
Figuur 2.6: Overzicht ionlenzen (Vercauteren, 2002)
Deze extractielenzen zijn negatief geladen waardoor de aanwezige elektronen worden
afgestoten en via de wand naar de aarding gaan. De overblijvende ionenstraal, die ook
neutrale deeltjes en fotonen bevat, wordt door de ionlenzen gefocusseerd. Zo zullen de
neutrale deeltjes en fotonen (die niet van richting veranderen door de ionlenzen) de
quadrupool niet bereiken omdat de quadrupoolmassaspectrometer en de detector niet op
één lijn staan met de ionenstraal die het systeem binnenkomt vanuit de interface
(figuur 2.6). Dit levert een lager achtergrondsignaal op waardoor de gevoeligheid vergroot.
De resulterende ionenstraal zonder elektronen, fotonen en neutrale deeltjes wordt
vervolgens geleid naar het hoog vacuüm gebied. Hier heerst een druk van kleiner dan
10-5 Pa die in stand wordt gehouden door een turbo moleculaire pomp.
2.5.1.5
Het analysegedeelte
In het hoog vacuüm gebied worden achtereenvolgens het Octopool Reactie Systeem
(ORS), de quadrupoolmassaspectrometer en de detector doorlopen.
De grote uitdaging van ICP-MS bestaat uit de vele spectrale interferenties afkomstig van
enerzijds het plasma en de waterige oplossing (bvb. 40Ar, 40Ar16O, 40Ar38Ar) en anderzijds
van matrixzuren en andere stoffen aanwezig in de matrix (35Cl16O, 32S34S). Deze spectrale
interferenties bestaan voornamelijk uit polyatomische of moleculaire ionen en isobaren
(De Schrijver, 2002). Omdat ze in de quadrupool samen met de analytische ionen zullen
16
worden doorgelaten en zo tezamen worden gedetecteerd, moeten ze zo veel mogelijk
worden verwijderd. Dit gebeurt door gebruik te maken van de ‘Helium Collision Mode’ via
het ORS waardoor nagenoeg alle polyatomische stoffen verwijderd worden op basis van
hun grootte (McCurdy, et al., 2006). In dit systeem wordt een octopool gevuld met helium
onder druk. Dit helium zal botsen met de elementen aanwezig in het geëxtraheerde
plasma. Doordat alle polyatomische ionen groter zijn dan de analytische ionen met
dezelfde massa, zullen ze vaker botsen met het helium waardoor ze meer energie zullen
verliezen tijdens hun passage in de octopool.
Doordat de beginenergie van de polyatomische ionen bij het binnengaan van het ORS
dezelfde is als deze van de analytische ionen, zullen ze bij het verlaten van het ORS dus
een lagere energie-inhoud hebben. Door op het einde van de octopool een ‘Stopping
voltage’ aan te leggen, kunnen elementen met een lage energie-inhoud worden
tegengehouden. Hierdoor kan het analiet worden gescheiden van de polyatomische
ionen. Dit proces heet Kinetische Energie Discriminatie (KED).
Figuur 2.7: Werking KED (Agilent Technologies, 2010)
De ionenbundel zonder polyatomaire interferenties gaat vervolgens naar de quadrupool.
De quadrupool is opgebouwd uit vier parallelle hyperbolische staven. Twee van deze
staven zijn aangesloten op een gelijkspanningsbron, de andere twee staven zijn
aangesloten op een wisselspanning met een frequentie van 3 MHz. Door de RF- en DCspanningen te variëren, wordt de quadrupool gebruikt als een massafilter. Immers, voor
één bepaalde RF/DC-verhouding wordt een bepaalde massa/lading-verhouding door het
centrum van de quadrupool gestuurd. De andere massa/lading-verhoudingen zijn
onstabiel en zullen afbuigen/botsen met de staven waardoor ze de detector niet kunnen
bereiken.
De RF/DC-verhouding wordt zeer snel gevarieerd zodat in een periode van 100 ms het
volledige massabereik van 2 tot 260 amu (‘atomic mass unit’) wordt doorlopen. Hierdoor
lijkt het alsof de MS simultaan een massaspectrum opmeet van alle verschillende
elementen.
Tot slot bestaat de detector uit een elektronenvermenigvuldiger met een aantal dynodes.
Wanneer een ion op de eerste dynode terechtkomt, komen een aantal elektronen vrij.
17
Deze worden aangetrokken tot de volgende dynode waar opnieuw een veelvoud aan
elektronen vrijkomt. Dit gaat zo verder zodat uiteindelijk voor 1 binnenkomend ion
ongeveer 107 elektronen vrijkomen (Burle, 2003). Zo zal uiteindelijk elk binnenvallend
elektron een puls creëren en dus individueel worden geregistreerd. Indien de
concentraties hoger worden zal de detector automatisch overschakelen van deze ‘pulsemode’ naar de ‘analog-mode’. In deze mode wordt de stroom halfweg de dynodes
gemeten, geconverteerd naar een log-spanning en omgezet naar een digitaal signaal. Dit
digitale signaal wordt geaccumuleerd op een collectorelektrode om tot slot om te rekenen
naar ‘Counts’ aan de hand van een ‘pulse/analog-factor’ (P/A-factor). Deze
collectorelektrode maakt deel uit van een meerkanaalsanalysator (MCA). De scans van
de quadrupool zijn gesynchroniseerd met de ‘sweeps’ van de MCA, waardoor een ion met
een gegeven massa/lading-verhouding steeds gestockeerd wordt in dezelfde
collectorelektrode. De tijd die gemeten wordt in een collectorelektrode heet de ‘dwell time’.
Doordat de detector kan switchen tussen deze twee modi kunnen elementen in
concentraties van 500 ppm in dezelfde run worden gemeten als sporenconcentraties op
ppt-niveau.
2.5.2
Voor- en nadelen van ICP-MS
De grote voordelen van ICP-MS zijn dat er multi-elementanalyse mogelijk is en dat er lage
detectielimieten gehaald worden. Dit is dan ook de reden waarom ICP-MS gebruikt wordt
voor dit project. Voordien werd gebruik gemaakt van inductief gekoppeld plasma optische
emissie spectrometrie (ICP-OES) om de migratie van bepaalde elementen te bepalen,
maar door de strengere migratielimieten was er nood aan een meer gevoelige techniek.
Het grote nadeel van ICP-MS zijn de spectrale en niet-spectrale interferenties. Door
gebruik te maken van een ORS wordt de interferentie afkomstig van polyatomische en
moleculaire ionen sterk verminderd (zie 2.5.1.5). Niet-spectrale interferenties ontstaan
voornamelijk door analyses van matrices die zwaar beladen zijn met zouten. Hierdoor
kunnen in het plasma bijvoorbeeld verschillen ontstaan in ionisatiegraad tussen de
kalibratiestandaarden en de stalen, wat leidt tot een intensiteitsverschil in het elektrisch
signaal van de detector waardoor geen accurate meting plaatsvindt (Baekelant, sd).
2.6
Validatie van de methode
Om een methode te valideren moeten een aantal prestatiekenmerken worden bepaald.
De resultaten worden vervolgens getoetst aan de hand van statistische criteria om te
bepalen of ze voldoende betrouwbaar zijn. Finaal kan dan de relatieve meetonzekerheid
worden berekend. De gebruikte statistische criteria worden in het vervolg besproken.
2.6.1
Horwitz-vergelijking
De Horwitz-vergelijking is een empirische vergelijking genoemd naar zijn ontdekker.
=
met
18
(
RSDmax
C
, ∗
)
(vgl. 1)
= toelaatbare residuele standaarddeviatie in procent
= concentratieniveau in kg/l
Deze vergelijking toont aan wat de maximaal toelaatbare residuele standaarddeviatie
(RSDmax) is voor een bepaald concentratieniveau. Bij Centexbel wordt als grenswaarde de
helft van de berekende RSDmax gebruikt. Concreet betekent dit dat indien de gemeten
RSD (vgl. 2 of 3) groter is dan de RSDmax gedeeld door twee, de onzekerheid te groot is
en de methode ontoereikend (Rivera & Rodríguez, 2011).
Bij het valideren van de methode wordt dit Horwitz-criterium gebruikt om de
herhaalbaarheid, reproduceerbaarheid en juistheid te evalueren.
met
2.6.2
) * +,
= [#
!
(
$ % &]
/.+ !%
=
[# $ % &] [% * % !, ]
(
[% * % !, ]
(vgl. 2)
(vgl. 3)
s
= standaarddeviatie meetwaarden
[gemeten]
= gemiddelde gemeten concentratie
[theoretisch] = theoretisch verwachte concentratie
Testen op lineariteit
Om te evalueren of er binnen het meetgebied van de methode (0 - 100 ppb) een lineair
verband bestaat tussen de gemeten concentratie van een component en het
gegenereerde detectorsignaal, zijn een aantal statistische analyses noodzakelijk.
2.6.2.1
Goodness-of-fit
De ‘goodness-of-fit’ wordt bepaald met de determinatiecoëfficiënt R². Deze toont aan in
welke mate de variantie verklaard wordt door het opgestelde model, in dit geval de ijklijn.
Een determinatiecoëfficiënt van 0,98 bepaalt bijvoorbeeld 98 % van de variantie. De
overige 2 % wordt dan veroorzaakt door willekeurige fouten.
De determinatiecoëfficiënt moet volgens de norm een waarde hebben groter dan 0,99 om
een goede fit te hebben (CEN, 2014). Bij Centexbel streven ze echter naar een
determinatiecoëfficiënt van 0,999.
2.6.2.2
Lack-of-fit
De determinatiecoëfficiënt toont weliswaar niet aan of alle invloedrijke parameters
opgenomen zijn in het opgestelde model (Frost, 2012). Daarom moeten de verschillen in
gemeten en voorspelde waarden (= residuen) worden uitgezet in functie van de
concentratieniveaus. Wanneer de resulterende grafiek een willekeurige spreiding rond nul
vertoont en de variantie voor elke concentratie ongeveer gelijk is (= homoscedasticiteit),
dan is de resterende foutenmarge willekeurig en neemt het model alle invloedrijke
parameters in beschouwing. Met andere woorden er is geen ‘lack-of-fit’. In figuur 2.8 is
een voorbeeld te zien waar de resterende fouten willekeurig zijn en er geen ‘lack-of-fit’ is.
19
Figuur 2.8: Plot van de residuen in functie van de afhankelijke veranderlijke (Frost, 2012)
Een tweede manier om eventuele ‘lack-of-fit’ te bepalen, is door gebruik te maken van
een F-test na het uitvoeren van een lineaire regressie in bijvoorbeeld Microsoft Excel.
Deze F-test bepaalt of de richtingscoëfficiënt van de regressierechte (/ = 01 + 03 4)
verschilt van nul (Frost, 2015). De gebruikte hypothesen zijn opgenomen in tabel 2.9.
Tabel 2.9: Hypothesen van de gebruikte F-test (Frost, 2015)
Soort hypothese
Bewering
Nulhypothese H0
03 = 0
Alternatieve hypothese Ha
03 ≠ 0
De kritische P-waarde wordt bepaald op het 5 % significantieniveau en heeft als
vrijheidsgraden 1 en aantal meetpunten -1. Als de berekende P-waarde kleiner is dan het
significantieniveau wordt de nulhypothese verworpen en is er geen ‘lack-of-fit’.
2.6.3
Detectielimieten
Een belangrijk onderdeel van het validatiedossier zijn de aantoonbaarheidsgrens (AG) en
de bepalingsgrens (BG), ook wel gekend als respectievelijk de ‘limit of detection’ (LOD) en
de ‘limit of quantification’ (LOQ). Beide grenzen zijn een concentratieniveau.
De aantoonbaarheidsgrens is de laagste concentratie die onderscheiden kan worden van
ruis. Met andere woorden vanaf deze concentratie kan worden beslist of het element
aanwezig is of niet. De bepalingsgrens is de grens die zegt dat er vanaf deze concentratie
met een bepaalde betrouwbaarheid wordt gemeten. Met andere woorden vanaf deze
concentratie kunnen elementen kwantitatief worden bepaald.
Er bestaan meerdere methoden om de detectielimieten te bepalen. Enkele van deze
methoden zullen worden besproken.
2.6.3.1
Methode volgens CEN
Dit is de methode die opgenomen is in de norm van EN 71-3 - 2013 en die gebaseerd is
op de CITAC/Eurochem Guide: ‘Guide to Quality in Analytical Chemistry’ (CEN, 2014)
(CITAC / Eurochem, 2002). De aantoonbaarheidsgrens wordt bepaald via vergelijking 4.
78 = 9 : + ; ∗ <:
20
(vgl. 4)
met
AG
4̅>?
k
@>?
= aantoonbaarheidsgrens
= gemiddelde van de blanco waarden
= numerieke factor die het betrouwbaarheidsniveau bepaald
= standaarddeviatie van de blanco waarden
Waarbij gezegd wordt dat k = 3. Omdat er noch in de norm noch in de gids gesproken
wordt over het vermenigvuldigen met de gevoeligheid S (zie 2.6.3.2) en er in andere
bronnen gesproken wordt over echte blanco stalen of een testportie met een kleine
hoeveelheid analiet (Prichard & Barwick, 2007), wordt de ‘worst case'
aantoonbaarheidsgrens bepaald. Hierbij wordt een kleine hoeveelheid analiet ‘gespiked’
totdat het toestel een meetbare waarde geeft. Omdat er ook nergens gesproken wordt
over het aantal herhalingen worden verschillende concentratieniveaus in tienvoud
gemeten.
De bepalingsgrens is het dubbele van de aantoonbaarheidsgrens.
2.6.3.2
Methode volgens IUPAC
Bij de methode voor de bepaling van de aantoonbaarheidsgrens en de bepalingsgrens
volgens de ‘International Union of Pure and Applied Chemistry' (IUPAC), moeten echte
blanco stalen worden gemeten. Omdat de concentratie van deze stalen 0 is, wordt de
aantoonbaarheidsgrens finaal bepaald door vergelijking 6 (Thomsen, et al., 2003).
C + D ∗! ∗
AB = (
AB = + D ∗ ! ∗
met
AG
4̅>?
k
@>?
S
(vgl. 5)
(vgl. 6)
= aantoonbaarheidsgrens
= concentratie van de blanco
= numerieke factor die het betrouwbaarheidsniveau bepaald
= standaarddeviatie van de blanco metingen
= de gevoeligheid
Hierbij wordt voor k de waarde 3 gekozen. Merk op dat bij de methode volgens de IUPAC
steeds een blanco en een concentratieniveau moeten worden gemeten. Anders kan de
gevoeligheid niet worden bepaald.
De bepalingsgrens is dan 3,3 maal de aantoonbaarheidsgrens.
2.6.3.3
Methode volgens het Compendium voor Monsterneming en Analyse
De methode van het Compendium voor Monsterneming en Analyse (Ministerieel Besluit)
(Emis Vito, 2014) stelt dat er voor de validatie van de aantoonbaarheids- en
bepalingsgrens een praktijkmonster of een representatief referentiemateriaal met een
gehalte nabij de verwachte aantoonbaarheidsgrens (= 1 tot 10 maal de
aantoonbaarheidsgrens) moet worden gebruikt. Indien er meer dan 10 componenten
bepaald worden, mag er voor enkele elementen afgeweken worden van dit
concentratiebereik. Er mag ook gebruik worden gemaakt van een blanco praktijkmonster
waaraan de te bepalen componenten worden toegevoegd. Omdat het moeilijk is om een
praktijkmonster te vinden dat alle 17 elementen in een concentratie rond de
aantoonbaarheidsgrens bevat of geen van alle 17 elementen, wordt gekozen om een
blanco staal met dezelfde basismatrix (HCl 0,07 M) te ‘spiken’.
21
Tevens moeten de herhalingen bij deze methode op verschillende dagen gemeten
worden. Het is de standaarddeviatie van deze herhalingen die gebruik wordt om de
aantoonbaarheidsgrens te bepalen volgens vergelijking 7.
(vgl. 7)
AB = E ∗ !
met
AG
@F
= aantoonbaarheidsgrens
= standaardafwijking onder reproduceerbaarheidsomstandigheden
De bepalingsgrens is gelijk aan twee maal de aantoonbaarheidsgrens. Het aantal
herhalingen moet minstens 5 zijn.
2.6.3.4
Methode volgens Wisconsin
Volgens de Wisconsinmethode moet er een ‘spike’ plaatsvinden van een blanco
oplossing. Hierbij moet het ‘spike’-niveau tussen 1 en 10 maal de aantoonbaarheidsgrens
liggen, net zoals bij de methode volgens het Compendium voor Monsterneming en
Analyse. Hier zijn er evenwel geen uitzonderingen toegelaten. Verder moet de
signaal/ruis-verhouding ook tussen de 2,5 en 10 liggen en moeten 7 of meer herhalingen
worden uitgevoerd.
Indien aan al deze voorwaarden is voldaan, wordt de aantoonbaarheidsgrens bepaald
volgens vergelijking 8 en de bepalingsgrens volgens vergelijking 9.
AB = Student-t-waarde(eenzijdig;99%betr.) ∗ !
ZB = ∗ !
met
(vgl. 8)
(vgl. 9)
AG
= aantoonbaarheidsgrens
student-t-waarde(1-z.; 99 %) = kritische waarde eenzijdige t-verdeling,
= 99 % betrouwbaarheidsniveau,
=.n-1 vrijheidsgraden
s
= standaarddeviatie van de herhalingen
BG
= bepalingsgrens
Tabel 2.10: Aantal kritische t-waarden
Aantal herhalingen (n) Aantal vrijheidsgraden (n-1)
7
6
8
7
9
8
10
9
Kritische t-waarde (1-z.; 99 %)
3,143
2,998
2,896
2,821
Uit tabel 2.10 volgt dat naarmate er meer herhalingen zijn, er een lagere t-waarde wordt
verkregen. Hierdoor wordt gecompenseerd voor de grotere kans op meer afwijkende
meetwaarden naarmate er meer metingen uitgevoerd worden. Zo zal de
aantoonbaarheidsgrens niet onterecht groter worden naarmate er meer metingen worden
uitgevoerd.
De bepalingsgrens is gelijk aan 10 maal de standaarddeviatie en volgt dus niet
rechtstreeks uit de aantoonbaarheidsgrens, zoals wel het geval is bij de drie voorgaande
methoden.
22
2.6.3.5
Conclusie van de vergelijking
Voor deze vergelijking zal er gefocust worden op de bepalingsgrens, aangezien het doel
van de bepaling is om te kijken of de benodigde detectielimieten worden gehaald.
Enkel de methode van de IUPAC maakt gebruik van een blanco staal. De drie andere
methoden gebruiken een testportie met een kleine hoeveelheid analiet. Deze drie
methoden zijn weliswaar allemaal tijdrovend vanwege de opgelegde voorwaarden voor
het ‘spike’-niveau. Voor de bepaling volgens het Compendium voor Monsterneming en
Analyse zijn wel uitzonderingen toegestaan maar moet er worden gemeten op
verschillende dagen.
Er wordt verwacht dat de bepalingsgrenzen bepaald via de methode volgens CEN en
Wisconsin strenger zijn dan volgens de overige twee methoden. Dit omdat bij de methode
volgens CEN de gemeten waarde opgeteld wordt bij drie maal de standaarddeviatie en bij
de methode volgens Wisconsin vermenigvuldigd wordt met 10 maal de standaarddeviatie.
De methode volgens CEN zal worden gebruikt om de analysemethode te valideren omdat
ze vermeld staat in de norm EN 71-3 - 2013.
2.6.4
Uitgebreide relatieve meetonzekerheid (U%)
Het doel van het validatiedossier is de bepaling van de totale meetonzekerheid. Dit houdt
in dat het meetresultaat finaal gegeven wordt door M ± U (M = meetresultaat, U =
‘uncertainty’). Dit deel is gebaseerd op een intern document van Centexbel.
Om de totale meetonzekerheid te bepalen bestaan er twee manieren. Eerst en vooral
kunnen alle mogelijke bronnen van variatie afzonderlijk bepaald worden en kan hun
bijdrage aan de totale meetonzekerheid vervolgens worden berekend. Dit is de ’bottomup’ benadering.
Het is echter eenvoudiger om gebruik te maken van de ‘bottom-down’ benadering. Hierbij
doorlopen stalen de volledige testprocedure waarbij ze onderhevig zijn aan allerlei
bronnen van variatie. Door de testresultaten vervolgens statistisch te evalueren kan de
onzekerheid worden bepaald.
Hier zal gebruik worden gemaakt van de ‘bottom-down’ benadering. Bij deze benadering
moeten twee zaken in beschouwing worden genomen:
I.
II.
De intralaboratorium-reproduceerbaarheid
De juistheid (bias)
Beide zaken worden uitgedrukt in relatieve standaarddeviaties, zodat finaal de uitgebreide
relatieve meetonzekerheid U% kan worden berekend.
2.6.4.1
De intralaboratorium-reproduceerbaarheid
De intralaboratorium-reproduceerbaarheid omvat onder andere de variatie afkomstig van
verschillende laboranten, apparatuur, batches reagentia en standaarden, tijdstippen,
omgevingscondities en kalibraties. Ze kan worden bepaald aan de hand van de spreiding
uit interne controlekaarten. Hierin komen na verloop van tijd immers alle variaties van de
methode aan bod, waardoor ze een goede weerspiegeling vormt voor de
intralaboratorium-reproduceerbaarheid. Deze wordt bepaald door van alle meetwaarden
de relatieve standaarddeviatie te bepalen.
23
=
+% &%
met
!
# $
∗ [
%
(vgl. 10)
u% intra
= de relatieve meetonzekerheid op de intralaboratoriumdddddddddddd reproduceerbaarheid
@F
= de standaarddeviatie onder
d.reproduceerbaarheidsomstandigheden
2.6.4.2
De juistheid (bias)
De juistheid omvat de afwijking van de gemeten waarde ten opzichte van de effectieve
waarde van een gecertificeerd referentiemateriaal. Hiervoor moet ook de onzekerheid op
de gemeten waarde en de onzekerheid op de gegeven waarde van het gecertificeerde
referentiemateriaal in rekening worden gebracht.
Ze wordt bepaald door een gecertificeerd referentiemateriaal meermaals te meten. Hieruit
worden dan achtereenvolgens de afwijking van de gemeten waarde, de onzekerheid op
de gemeten waarde en de onzekerheid op het referentiemateriaal bepaald.
]
[ , % [
# $ % &[
] [ , % [
% =\
_
%a
! =
,
b
met
%
√&
a
= D∗ ,
%b
CVbias
n
s
%UC, ref
UC, ref
k
Cref
=
b
b
\
!
# $
√&
∗ [
^
^∗ ∗ %
%
%
(vgl. 11)
(vgl. 12)
(vgl. 13)
= relatieve afwijking meetresultaat t.o.v. de verwachte
= concentratie referentiemateriaal
= relatieve onzekerheid meetresultaat
= aantal metingen
= standaarddeviatie
= relatieve onzekerheid referentiemateriaal
= de absolute onzekerheid op het referentiemateriaal
= de dekkingsfactor gebruikt bij de berekening van UC, ref
= de gecertificeerde referentiewaarde
Ten slotte kan de relatieve meetonzekerheid ten gevolge van de bias worden berekend
via vergelijking 14.
%+
met
24
!
=%
%ubias
+ _
!
+ %+
,
b
= relatieve meetonzekerheid op de bias
(vgl. 14)
2.6.4.3
De uitgebreide relatieve meetonzekerheid U%
De uitgebreide relatieve meetonzekerheid U% wordt finaal bepaald via vergelijking 15.
%a = D ∗ c%+
!
+ %+ &%
(vgl. 15)
De ‘coverage factor’ k is hierbij gelijk aan 2. Hierdoor heeft de gerapporteerde
onzekerheid een betrouwbaarheidsinterval van ongeveer 95 %. Merk op dat de
meetonzekerheid relatief is doordat er gewerkt wordt met procentuele waarden en ze
uitgebreid is doordat k = 2 waardoor de relatieve onzekerheid verdubbeld wordt.
25
26
3.
3.1
3.1.1
Materiaal en methode
Materiaal
Chemicaliën en oplossingen
In tabel 3.1 zijn de gebruikte chemicaliën, hun zuiverheidsgraad en leverancier
opgenomen.
Tabel 3.1: Overzicht chemicaliën
Product
Concentratie
Waterstofchloride (HCl)
35 %
Waterstofnitraat (HNO3)
65 %
Waterstofperoxide (H2O2)
34,5-36,5%
26 single-element
1 g/l
oplossingen*
Ultrapuur water
/
Zuiverheidsgraad
Supra quality
Analytical grade (p.a.)
Analytical grade
Analytical grade
Leverancier
Carl Roth
Chem-Lab
Sigma-Aldrich
Chem-Lab
Ultrapuur
Chem-Lab
* B, Al, Cr(III), Cr(VI), Mn, Ni, Co, Cu, Zn, As, Se, Sr, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Pb, Ce, Li, Mg, Tl, Y, Sc, Ga en In
Van het waterstofchloride (HCl) werd een oplossing van 0,07 M aangemaakt. Van het
waterstofnitraat (HNO3) een oplossing van 0,11 M. Deze verdunde oplossingen werden
gebruikt om multi-elementoplossingen aan te maken en als spoeloplossing voor de
leidingen van de ICP-MS en van de autosampler.
Tevens werd ook een HCl-oplossing aangemaakt van 2 M voor eventuele pH-correcties.
Kalibratiestandaarden extractie- en destructiestalen
Van de 17 elementen in tabel 3.6 werd startend van de single-elementoplossingen van
1 g/l een multi-elementoplossing van 1 mg/l aangemaakt (voor chroom werd chroom (III)
gebruikt). Dit zowel in HCl 0,07 M als in HNO3 0,11 M. Vanuit deze multielementoplossing werden de kalibratiestandaarden van 1, 5, 10, 50 en 100 ppb
aangemaakt met de overeenstemmende zure oplossing. Het ijkpunt van 0 ppb bestond
enkel uit de verdunde HCl of HNO3-oplossing.
De kalibratiestandaarden in HCl werden maximaal 2 weken bewaard bij 2°C. De multielementoplossing van 1 mg/l in HCl werd maximaal 1 maand bewaard bij 2°C. Voor de
HNO3-oplossingen werden respectievelijk een houdbaarheid van 2 maanden en 4
maanden gehanteerd.
‘Tuning’ oplossing
De ‘tuning’ oplossing werd gebruikt om het toestel te optimaliseren bij aanvang van de
metingen. Ze bestond uit de elementen Ce, Co, Li, Mg, Tl en Y. Startend vanuit de
overeenkomstige single-elementoplossingen werd een multi-elementoplossing van
10 mg/l aangemaakt in HNO3 2 %. Deze oplossing werd in tweede instantie verder
verdund naar een 1 µg/l oplossing.
De ‘tuning’ oplossing werd maximaal 2 maanden bewaard bij kamertemperatuur.
Inwendige standaard extractie- en destructiestalen
De inwendige standaard bestond uit de elementen Sc, Ga, Y, In en Ce. Er werd
vertrokken van de overeenkomstige single-elementoplossingen om een multielementoplossing van 10 mg/l aan te maken in HCl 0,07 M of in HNO3 0,11 M. Deze
oplossing werd in tweede instantie met de overeenkomstige zure oplossing verder
verdund naar 1 mg/l.
27
De inwendige standaard werd maximaal 2 maanden bewaard bij kamertemperatuur.
Kalibratiestandaarden speciatie chroom
Startend van de single-elementoplossingen van chroom (III) en chroom (VI) werd een
10 mg/l multi-elementoplossing aangemaakt in HCl 0,07 M. Vanuit deze multielementoplossing werden de kalibratiestandaarden van 20, 50, 100 en 200 µg/l
aangemaakt.
Deze kalibratiestandaarden werden maximaal 2 maanden bewaard bij 2°C. De multielementoplossing werd maximaal 4 maanden bewaard bij 2°C.
3.1.2
Apparatuur
Standaardmateriaal
De aangemaakte verdunningen van HCl en HNO3 werden bewaard in glazen
(borosilicaatglas) maatkolven van respectievelijk 2 en 3 liter. Deze maatkolven werden
enkel voor deze twee oplossingen gebruikt. De overige oplossingen werden steeds
bewaard in kunststoffen maatkolven (tabel 3.2).
Tabel 3.2: Overzicht gebruikte kunststoffen labomateriaal
Kunststofwerk
Materiaal
Volume(s) (ml)
Erlenmeyer met schroefdop
Polypropyleen (PP)
25, 250
Maatkolf met schroefdop
PP
50, 1000
Maatkolf zonder schroefdop
PP
10, 25, 100
Leverancier
VITLAB
Nalgene
VITLAB
Ook werd gedurende het onderzoek gebruik gemaakt van enkele filters (tabel 3.3).
Tabel 3.3: Overzicht gebruikte filters
Naam filter
Merk
Materiaal
Poriëngrootte (µm)
Diameter (mm)
MN 615
Macherey-Nagel 95% α-cellulose 5
150
Chromafil
Macherey-Nagel H-PTFE*
0,45
25
Porafil
Macherey-Nagel RC**
0,45
47
* Hydrofiel polytetrafluoroethyleen. Dit is een ‘syringe’ filter. De 10 ml spuit was van Norm-Ject en
was vervaardigd uit hoge dichtheidspolyethyleen (HDPE) zonder rubber of silicone olie om
contaminatie te vermijden.
** Geregenereerde cellulose
Verder werd een warmwaterbad van Julabo gebruikt (SW22, tot op 0,1 °C nauwkeurig),
een pH-meter van Eutech Instruments (pH700, tot op 0,01 nauwkeurig) en balansen van
Mettler Toledo (AB204-S) en van Sartorius (1702), beide tot op 0,0001 g nauwkeurig.
Microgolf
Om destructies uit te voeren werd gebruik gemaakt van de ‘Ethos 1 Advanced Microwave
Digestion Station 44200’ van Milestone.
ICP-MS
De gebruikte ICP-MS is een 7700x van Agilent Technologies. De injecties gebeurden via
de autosampler ASX-520 van Agilent Technologies. Er werd gebruik gemaakt van de
‘Masshunter Workstation Chromatographic Software’.
28
IC-ICP-MS
Voor de speciatie van chroom werd de Dionex ICS 1600 ionenchromatograaf gekoppeld
aan de ICP-MS van Agilent Technologies. De koppeling werd gemaakt door de uitlaat van
de Dionex AG-7 kolom rechtstreeks aan te sluiten op de vernevelaar van de ICP-MS.
De stalen werden geïnjecteerd via de Dionex AS-DV autosampler. De pomp en
autosampler werden aangestuurd via de ‘Chromeleon Software’. De resultaten werden
verkregen via de ‘Masshunter Workstation Chromatographic Software’.
3.2
Extractieprocedure volgens EN 71-3
In 2.2.1 werd gesproken over de EN 71 series. Eén van de normen hierin is EN 71-3 2013, die als doel heeft de migratie van bepaalde elementen uit speelgoed te bepalen. In
dit onderzoek werd gebruik gemaakt van de recentste versie van EN 71-3 uit 2013
inclusief het amendement in 2014 (EN 71-3: 2013 + A1: 2014). In deze norm zijn twee
belangrijke zaken opgenomen: de monstername en de extractieprocedure. Enkel de
regels die van toepassing waren op de geteste stalen worden besproken.
3.2.1
Monstername
Zoals vermeld in 2.3.1 is de monstername een belangrijke parameter. In EN 71-3 - 2013
zijn dan ook voorwaarden opgelegd aan deze monstername.
Hierbij geldt dat het verboden is om twee identieke stukken speelgoed te gebruiken om
een grotere testportie te verkrijgen. Verder moet van elke kleur en van elk materiaal van
het stuk speelgoed een testportie worden genomen. Indien dit niet mogelijk is
(bijvoorbeeld textiel met patronen), mag het testmateriaal bestaan uit een combinatie van
kleuren/materialen waarbij de testportie representatief is voor het volledige materiaal. Een
andere belangrijke regel is dat, indien de testportie minder weegt dan 10 mg, ze niet moet
worden getest. Dit omdat de totale hoeveelheid dan te laag is om schadelijk te kunnen zijn
voor het kind. Wanneer de massa tussen de 10 en 100 mg ligt, moet er worden gemeten
alsof er 100 mg werd afgewogen. Zo wordt er gecompenseerd voor de lage hoeveelheid
aan materiaal.
Wat betreft de afmetingen van het staal moeten coatings die afgeschraapt worden door
een zeef met openingen van 0,5 mm kunnen. Indien dit niet mogelijk is, wordt de coating
afgesneden en moet ze minstens 1 dimensie bezitten van 6 mm. Dit laatste is ook geldig
voor de geteste polymere materialen en textiel.
3.2.2
Extractieprocedure
Standaard werd er 3 g van de testportie afgewogen. Indien dit niet mogelijk was, werd 2 g,
1 g, 250 mg of tussen de 10 mg en 100 mg afgewogen. Reden hiervoor is dat het toe te
voegen volume extractiemedium HCl 0,07 M gelijk moet zijn aan vijftig maal de
afgewogen massa. Het vat dat gebruikt wordt, moet een volume hebben dat tussen de 1,6
en 5 maal het toegevoegd volume ligt. Merk op dat er erlenmeyers van PP werden
gebruikt omdat onder andere lood en boor vrijgesteld kunnen worden uit glaswerk.
29
Tabel 3.4: Overzicht van de afweegprocedure
Afgewogen massa (g)
Toegevoegd volume HCl 0,07 M (ml)
3
150
2
100
1
50
0,25
12,5
0,1 - 0,01
5
Volume vat (ml)
250
250
250
25
25
Nadat alle testporties in het juiste vat waren afgewogen, werd het gepaste volume
extractiemedium toegevoegd met behulp van één of meerdere volpipetten. De gebruikte
volpipetten werden enkel gebruikt voor deze testen en werden vooraf steeds gespoeld
met HCl 0,07 M. Na de toevoeging werd er gedurende 1 minuut geschud. Zo konden
eventueel aanwezige alkalische stoffen vrijkomen uit de testportie. Vervolgens werd de
pH gemeten met een pH-meter nauwkeurig tot op 0,01 en gekalibreerd op pH 1,68 en 4
conform de norm. Indien de pH hoger was dan 1.2 ± 0.1, werd HCl 2 M toegevoegd onder
roeren totdat de gewenste pH werd verkregen. Deze pH-correctie was bij geen van de
testporties noodzakelijk.
Na de pH-controle werden de testporties voor een uur in een schuddend (70 rpm)
warmwaterbad geplaatst bij 37,0 ± 0,1 °C. Na een uur werd het schudden gestopt waarna
de testporties een tweede uur in het warmwaterbad bleven staan. Na het tweede uur werd
het vaste materiaal meteen gescheiden van de oplossing door een membraanfilter met
poriëngrootte van 0,45 µm (Chromafil H-PTFE). De stalen werden vervolgens gemeten
met de ICP-MS.
Merk op dat bij elke extractieprocedure een procedureblanco werd meegenomen en dat
er maximaal 5 testporties per reeks werden geanalyseerd. Zo werd vermeden dat er te
veel tijd zat tussen de eerste en de laatste testportie (door de tijdrovende pH-controle).
3.3
Destructieprocedure
Voor de destructie van testporties werd gebruik gemaakt van een microgolfdestructie.
Eerst en vooral werden de teflon containers en deksels, afsluitringen en omhulsels na een
microgolfdestructie in een bak met gedemineraliseerd water geplaatst. Vooraleer een
microgolfdestructie uit te voeren, werden de teflon containers en deksels uit de bak
gehaald en gespoeld met gedemineraliseerd water. Daarna werden ze gekuist met een
minimale hoeveelheid zeep, om ze vervolgens grondig af te spoelen met
gedemineraliseerd water en twee uur te laten drogen in een droogoven bij 120°C. De
afsluitringen en omhulsels werden enkel uitvoerig gespoeld met gedemineraliseerd water
vooraleer ze 2 uur te laten drogen in de droogoven bij 120°C.
Wanneer de onderdelen droog waren en afgekoeld, werd er steeds minstens 0,1 g van de
testporties direct afgewogen in de teflon containers. Vervolgens werd 8 ml HNO3 65 % en
2 ml 34,5 % - 36,5 % H2O2 toegevoegd. De containers werden nadien geassembleerd en
in de microgolf geplaatst, waarna ze het programma in tabel 3.5 twee maal doorliepen. Dit
microgolfprogramma is door Centexbel geselecteerd en heeft al goede resultaten
opgeleverd bij interlaboratoriumtesten.
30
Tabel 3.5: Microgolfprogramma
Duur (min) Vermogen (W)
Interne temperatuur (°C)
5
1000
140
5
1000
190
5
1000
210
35
1000
210
Temperatuur infraroodsensor (°C)
120
120
120
120
Merk op dat er enkel 1000 W ingesteld werd wanneer 9 of 10 containers het
microgolfprogramma doorliepen. Het minimale vermogen bedroeg 500 W en werd
ingesteld voor 3 containers. Eenmalig werden ook 7 containers gebruikt, het ingestelde
vermogen bedroeg toen 800 W.
Na de destructie werd de inhoud van de teflon containers kwantitatief overgebracht in een
kunststof maatkolf van 100 ml, waarna het geheel aangelengd werd tot 100 ml met
gedemineraliseerd water. Na filtratie door een membraanfilter met poriëngrootte van
0,45 µm (Chromafil H-PTFE) werden de stalen gemeten via ICP-MS. Merk op dat
eventuele verdunningen aangemaakt werden met HNO3 0,11 M.
3.4
Meting ICP-MS
Om niet-spectrale interferenties te vermijden, werd bij het meten van stalen die de
extractieprocedure doorlopen hadden gewerkt met kalibratiestandaarden, inwendige
standaarden en spoeloplossingen in HCl 0,07 M. Bij stalen die de destructieprocedure
doorlopen hadden, werd om dezelfde redenen gewerkt in HNO3 0,11 M.
Bij de opstart van de ICP-MS werd steeds een voorafgaande optimalisatie uitgevoerd
(o.a. aligneren van de toorts, opmeten P/A factor, spanning lenzen tunen…) om de
performantie te verhogen. Hiervoor werd gebruik gemaakt van de ‘tuning’ oplossing. Na
de
optimalisatie
werden
achtereenvolgens
de
kalibratiestandaarden,
een
controlestandaard, de stalen en opnieuw de controlestandaard gemeten. Als
controlestandaard (QC1) werd de kalibratiestandaard van 10 ppb gebruikt.
Om spectrale interferenties te detecteren werden indien mogelijk 2 isotopen per element
gemeten (tabel 3.6) (Emis vito, 2012).
Tabel 3.6: Overzicht van de 31 isotopen opgenomen in de gebruikte ICP-MS methode
Element
Gemeten
Element
Gemeten
Element
Gemeten
isotopen
isotopen
isotopen
10, 11*
63, 65
118, 120
Boor
Koper
Tin
66, 68
Aluminium 27
Zink
Antimoon 121, 123
52, 53
75
137, 138
Chroom
Arseen
Barium
55
78, 82
201, 202
Mangaan
Seleen
Kwik
58, 60
Nikkel
Strontium 86, 88
Lood**
206, 207, 208
59
Kobalt
Cadmium 111, 113
* De onderstreepte waarden in het vet zijn de isotopen die standaard gebruikt werden om de
concentratie te bepalen. Deze isotopen zijn geselecteerd op basis van een relatieve
abundantietabel van Agilent Technologies (Agilent Technologies, 2008).
** Voor lood werd de gemiddelde concentratie van de drie isotopen gebruikt. Dit omdat de
isotopensamenstelling van lood in de natuur varieert (Emis vito, 2012).
31
Bij elke meting werd er automatisch een inwendige standaard via ‘continous flow’
toegevoegd vooraleer de stalen de vernevelkamer binnenkwamen. Tussen de metingen
door werden de buisjes van de autosampler en ICP-MS gespoeld met HCl 0,07 M of met
HNO3 0,11 M. In tabel 3.7 zijn enkele parameters van de gebruikte ICP-MS methode
opgenomen.
Tabel 3.7: Parameters ICP-MS methode
Parameter
Waarde
Vernevelaar
MicroMist vernevelaar van borosilicaat glas
Vernevelkamer
Double pass vernevelkamer uit quartz
RF Power
1550 W
Debiet argon plasma gas
15 l/min
Debiet carrier gas
1,08 l/min
Debiet argon hulpgas
0,9 l/min
*
Gebruikte mode
KED
Dwell time
100 ms
Totale opmeettijd
66,345 s
+
+
CeO /Ce
<2%
Heliumdebiet botsingscel
4,3 ml/min
* Voor de elementen boor en aluminium wordt geen gebruik gemaakt van KED, het
* heliumdebiet is dan ook 0 ml/min.
3.5
Meting IC-ICP-MS
Voor de speciatie van chroom (III) en chroom (VI) werd de Dionex ICS 1600
ionenchromatograaf gekoppeld aan de ICP-MS uit 3.4. Voor de scheiding werd gebruik
gemaakt van de methode van Thermo Fisher Scientific, zoals besproken in 2.4. De
concentratie van de mobiele fase was 0,35 M in plaats van 0,40 M zodat de pieken iets
meer gescheiden waren (Thermo Fisher Scientific, 2012). De methode van de ICP-MS
was dezelfde als in 3.4.
Tabel 3.8: Parameters gebruikte IC-methode
Parameter
Waarde
Kolom
Dionex AG-7 (2 mm I.D. x 50 mm lengte, 10 µm partikelgrootte)
Elutie
Isocratisch
Mobiele fase
0,35 mol/l HNO3
Stroomsnelheid
400 µl/min
Injectievolume
20 µl
Duur
150 s
Eerst en vooral werd bij elke batch de ICP-MS geoptimaliseerd zoals besproken in 3.4.
Vervolgens werden de kalibratiestandaarden van chroom (III) en chroom (VI) gemeten,
gevolgd door de stalen. Er werd hier geen gebruik gemaakt van een inwendige standaard
of van controlestandaarden.
32
4.
Onderzoeksresultaten
In dit hoofdstuk komen eerst het vastgestelde driftprobleem bij de ICP-MS en de
benodigde aanpassingen aan de extractieprocedure aan bod. Pas daarna zullen de
onderzoeksresultaten van de vier onderzoeksvragen worden besproken.
4.1
Drift ICP-MS
Na het uitvoeren van de eerste testen voor het bepalen van de aantoonbaarheids- en
bepalingsgrens werd vastgesteld dat de gemeten concentratie van de controlestandaard
van 10 ppb (QC1) gemeten op het einde van de batch kleiner was dan deze ervoor.
In figuur 4.1 wordt de gemeten concentratie in ppb weergegeven in functie van het
volgnummer van de isotoop. Dit volgnummer is gebaseerd op tabel 3.6. Zo krijgen boor
10 en 11 volgnummers 1 en 2, aluminium 27 volgnummer 3 enzovoort. Hierbij worden
achtereenvolgens de kolommen 2, 4 en 6 doorlopen. Dit per rij van links naar rechts en
per kolom van boven naar onderen. Wanneer relevant zullen de elementen worden
aangeduid. In de figuren 4.1, 4.3 en 4.4 is ook te zien dat enkele elementen een gemeten
concentratie hebben die afwijkt van 10 ppb. Dit probleem wordt behandeld in 4.2.3.
Gemeten concentratie (ppb)
QC1 voor meting
QC1 na 10 stalen
QC1 na 21 stalen
QC1 na 32 stalen
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.1: Grafisch verloop van de gemeten QC1 naarmate meer stalen werden gemeten
In een tweede test werd een multi-elementoplossing (met alle 17 elementen) in HCl
0,07 M met een concentratie van 10 ppb tien maal naeen gemeten. Bij 14 van de 17
elementen werd hierbij een dalend verloop vastgesteld. In figuur 4.2 is het dalend verloop
te zien van kobalt 59 en van cadmium 111.
Meetwaarden cadmium 111
Concentratie (ppb)
Concentratie (ppb)
Meetwaarden kobalt 59
9,9
9,8
9,7
9,6
9,5
9,4
9,3
0
5
10
Volgnummer meting
15
9,9
9,8
9,7
9,6
9,5
9,4
9,3
0
5
10
15
Volgnummer meting
Figuur 4.2: Lineair dalend verloop van 10 achtereenvolgende metingen in HCl 0,07 M
33
Om te controleren of de drift veroorzaakt werd door een stabiliteitsprobleem van de
oplossing, werd dezelfde test uitgevoerd in HNO3 0,11 M. De dalende trend was minder
duidelijk, maar ook aanwezig. Daarom werden de kegels, de toorts, de ‘connector tube’,
de MicroMist vernevelaar en de vernevelkamer gereinigd zoals aangegeven in de
handleiding voor apparaatonderhoud van de leverancier (Agilent Technologies, 2012).
Hierbij werd de ‘skimmer cone’ vervangen omdat de opening buiten de toegelaten
grenzen lag. Ook alle buisjes van de monsteraanvoer werden vernieuwd inclusief de
‘sampling probe’ van de ‘autosampler’.
Bij nieuwe testen werden twee batches gelopen op de ICP-MS. Beide reeksen bevatten
40 stalen, waarbij om de 10 stalen een controlestandaard werd gemeten. Zowel in HCl
0,07 M (figuur 4.3) als in HNO3 0,11 M (figuur 4.4) werd drift waargenomen.
Gemeten concentratie( ppb)
QC1 voor meting
QC1 na 44 stalen
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.3: Grafisch verloop van de gemeten controlestandaarden voor en na de stalen in
HCl 0,07 M
Gemeten concentratie (ppb)
QC1 voor meting
QC1 na 44 stalen
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.4: Grafisch verloop van de gemeten controlestandaarden voor en na de stalen in
HNO3 0,11 M
Ook bij het meten van de inwendige standaarden werd een dalende trend waargenomen.
Dit is te zien in figuur 4.5 voor de inwendige standaard indium.
34
Recovery in HCl
105
100
95
90
85
80
0
20
40
Volgnummer meting
60
Recovery indium (%)
Recovery indium (%)
Recovery in HNO3
105
100
95
90
85
80
0
20
40
60
Volgnummer meting
Figuur 4.5: Grafisch verloop van de inwendige standaard indium in HNO3 0,11 M / HCl 0,07 M
Uit deze resultaten volgt opnieuw dat de drift in HCl groter is dan in HNO3. Dit doet vragen
rijzen over de stabiliteit van de HCl-oplossingen en dus ook over de aangenomen
houdbaarheid van de gebruikte standaarden. In de gebruikte Standaard Operatie
Procedure (SOP) werd vastgesteld dat de houdbaarheid van deze oplossingen gebaseerd
was op de houdbaarheid van HNO3-oplossingen (1 mg/l multi-elementoplossing:
4 maanden; kalibratiestandaarden: 2 maanden). Daarom werd een beperkte
literatuurstudie uitgevoerd naar de stabiliteit van HNO3- en HCl-oplossingen.
Uit een studie van Gaines volgt dat op µg/l-niveau de houdbaarheid van 16 van de 17
elementen in HNO3 1 % groter is dan 4 maanden (Gaines, 2016). Enkel voor kwik werd
een erg grote instabiliteit waargenomen, iets wat bij Centexbel niet het geval was ondanks
een HNO3-concentratie van 0,7 %.
In een artikel over de stabiliteit van ICP-standaarden in HCl-oplossingen wordt gesproken
over HCl-concentraties van 1 tot 10 v/v% voor elementconcentraties van 1 tot 10 mg/l
(Alexander, 2016). Dit betekent dat de stabiliteit van de HCl-oplossingen niet gelijk kan
worden gesteld aan deze van HNO3-oplossingen. Daarom werd de houdbaarheid van de
HCl-oplossingen verkort naar 1 maand voor de 1 mg/l multi-elementoplossing en naar 2
weken voor de kalibratiestandaarden. Gedurende het verdere verloop van de praktische
testen waren er geen problemen meer met de stabiliteit van deze oplossingen. Om de
maximale houdbaarheid van de HCl-oplossingen te bepalen is er een diepgaande
literatuurstudie en eventueel verder onderzoek nodig.
Uit testen met nieuw aangemaakte HCl-oplossingen volgde dat er nog steeds drift werd
waargenomen. De drift was weliswaar pas merkbaar na het meten van 10 à 20 stalen.
Hieruit volgt dat er een probleem was met het toestel.
Dit probleem werd bij het begin van dit onderzoek vastgesteld en werd niet opgelost voor
het beëindigen van de praktische testen. Daarom werd beslist om de reeds gelopen runs
te corrigeren met inwendige standaarden en verder te werken met korte runs, aangezien
de drift pas merkbaar was na 10 à 20 stalen.
Het gebruik van een inwendige standaard voor de reeds gelopen runs zorgde voor een
bias kleiner dan |5 %| bij 14 van de 17 elementen (figuur 4.6). Enkel voor boor (-5,2 %), tin
(-5,5 %) en antimoon (-23,0 %) was de bias groter dan |5 %|. Deze waarden en de
waarden uit figuur 4.6 zijn gebaseerd op het gemiddelde van 5 batches.
35
Bias (%)
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.6: Gemiddelde afwijking in % van de controlestandaard voor en na de meting
Wanneer voor de nieuwe testen toch gecorrigeerd werd met een inwendige standaard,
leidde dit tot een overschatting van het resultaat (figuur 4.7).
Gemeten concentratie (ppb)
ISTD
Zonder ISTD
9,5
10,5
12,0
11,5
11,0
10,5
10,0
9,5
Antimoon 121-123
9,0
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.7: Vergelijking van de gemeten waarde van QC1 voor de stalen met en zonder ISTD
In figuur 4.7 zijn de gemiddelde waarden te zien van de controlestandaarden met en
zonder inwendige standaard over drie batches. Bij deze batches werden twee maal 9
stalen en één maal 11 stalen gemeten. Hieruit volgt dat de inwendige standaard
overcorrigeert. Verder werd enkel voor antimoon een grotere afwijking vastgesteld dan
|5 %| (-5,3 %).
Kort na het beëindigen van de praktische testen was het probleem van de drift opgelost.
De oorzaak was een combinatie van factoren: te veel stof in de koeler en de ‘collision cell’
en de zeswegkraan die vervangen moesten worden. Na deze aanpassingen was de
variatie na ongeveer 60 stalen gelijk aan 3 %, mits er gecorrigeerd werd met een
inwendige standaard.
4.2
Aanpassingen extractieprocedure
In navolging van het amendement op EN 71-3 in 2014 (zie 2.2.1) werden voorafgaand
aan de onderzoeksvragen een aantal elementen uit de gebruikte extractieprocedure
gecontroleerd en geoptimaliseerd.
36
4.2.1
Zuursterkte en stabiliteit
In 2.3.1 werd het belang van de zuursterkte aangehaald. Omdat dit een gevoelige
parameter is, wordt er in het amendement van EN 71-3 - 2013 extra aandacht
geschonken aan de pH-controle. Daar waar de pH tot voor het amendement tussen 1,0
en 1,5 moest liggen, moet de pH nu worden gemeten, gecontroleerd en aangepast zoals
beschreven in 3.2.2. Hiertoe werd een pH-meter ter beschikking gesteld en werd een
nieuwe kalibratieoplossing aangeschaft met een pH van 1,68. Voorafgaand aan een pHcontrole werd de pH-meter steeds gekalibreerd op een pH van 1,68 en 4 conform de
norm.
Zoals vermeld in 4.1 werd de houdbaarheid van de multi-elementoplossing in HCl 0,07 M
met een concentratie van 1 mg/l verkort van 4 maanden naar 1 maand, en de
houdbaarheid van de kalibratiestandaarden in HCl 0,07 M van 2 maanden naar 2 weken.
4.2.2
Filter
In tweede instantie werd getest of er elementen vrijgesteld werden tijdens de
extractieprocedure. Hiervoor ondergingen twee blanco stalen van 150 ml HCl 0,07 M op
twee verschillende dagen de volledige extractieprocedure. Drie verschillen met de
extractieprocedure beschreven in 3.2.2 zijn dat de pH-meter gekalibreerd werd op pH 4
en 7, het extractiemedium toegevoegd werd met behulp van maatcilinders en er een
andere filter (MN 615) werd gebruikt. De twee stalen werden vervolgens gemeten met de
ICP-MS. Van de verkregen meetwaarden werd het gemiddelde genomen over de twee
meetdagen. Uit deze waarden werd vastgesteld dat voor 10 van de 17 elementen de
gemiddelde waarde kleiner was dan 0,35 ppb. Voor 7 andere elementen was de
gemiddelde waarde steeds groter dan 1,10 ppb. Daarenboven was ook de variatie in de
twee meetwaarden bij deze 7 elementen een stuk groter (tabel 4.1).
Tabel 4.1: Gemiddelde concentraties in de procedureblanco
Element
Gemiddelde concentratie (ppb)
Boor 11
1,14 ± 0,95
Aluminium
12,4 ± 5,65
Mangaan
3,79 ± 0,39
Koper 63
12,5 ± 6,69
Zink 66
4,74 ± 2,00
Strontium 88
18,3 ± 1,93
Barium 138
13,9 ± 1,77
Vermoedelijk lag de oorzaak van deze contaminatie bij de MN 615 filter. Dit werd getest
door ultrapuur water en HCl 0,07 M enkel door deze filter te sturen en vervolgens het
filtraat te meten met de ICP-MS. Hierbij werden drie manieren van bevochtiging
gehanteerd (tabel 4.2). Met ‘een beetje bevochtigd’ wordt bedoeld dat het vloeistofniveau
in de filter niet hoger komt dan enkele centimeters. Met ‘veel bevochtigd’ wordt bedoeld
dat de filter tot op de bovenrand wordt gevuld met vloeistof. Tot slot werd ook getest of er
een verdunning optreedt wanneer er meer vloeistof door de filter wordt gestuurd.
Tabel 4.2: Overzicht proefopzet + meetwaarden strontium 88
Manier van bevochtigen
Ultrapuur water
Beetje bevochtigd + 40 ml doorlaten 0,00
Veel bevochtigd + 40 ml doorlaten
0,24
Beetje bevochtigd + 15 ml doorlaten 0,21
HCl 0,07 M
4,24
11,85
12,27
37
Uit de meetwaarden in tabel 4.2 volgt dat er inderdaad een andere concentratie wordt
gemeten wanneer de oplossing op een andere manier wordt gefiltreerd. Dit verklaart de
grotere variatie in de meetwaarden van de twee blanco’s. Verder kan er ook worden
besloten dat er een grotere uitloging plaatsvindt in HCl 0,07 M dan in ultrapuur water en
dat er een verdunning plaatsvindt wanneer er meer vloeistof door de filter wordt gestuurd.
Dit laatste wijst erop dat er na een eerste contact vermoedelijk geen verdere vrijstelling
plaatsvindt.
Door de vrijstelling van deze 7 elementen en doordat de filter geen membraanfilter is met
poriëngrootte van 0,45 µm, werd beslist een andere filter aan te schaffen.
Voor de aanschaffing van nieuwe filters was er de keuze tussen de Chromafil- en de
Porafil filter. Beide filters werden aangeschaft en getest. Finaal werd er besloten om de
Chromafil filters te gebruiken omdat ze minder arbeidsintensief zijn en omdat ze enkel
voor chroom en nikkel minimale hoeveelheden vrijstellen (figuur 4.8).
Gemete nconcentratie (ppb)
Syringe 1
Syringe 2
0,16
Nikkel 58 -60
0,11
Chroom 52
0,06
0,01
-0,04
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.8: Vrijstelling Chromafil filter door HCl 0,07 M (meting in duplo)
Merk op dat de ‘cones’ vervaardigd zijn uit nikkel en dat de minimale contaminatie van
0,13 ppb hiervan afkomstig zou kunnen zijn.
In tweede instantie werden ook recoverytesten uitgevoerd om te testen of er elementen
tegengehouden worden door de filter. Hierbij werd een multi-elementoplossing van 10 ppb
aangemaakt. Een deel van deze oplossing werd gefiltreerd en een ander deel niet. Beide
oplossingen werden vervolgens 1 maal gemeten met de ICP-MS.
Recovery (%)
Recovery filter
110
108
106
104
102
100
98
96
97%
103%
Se 82
Se 78
0
5
10
15
20
25
Volgnummer isotoop
Figuur 4.9: Grafisch overzicht van de recovery voor alle 31 isotopen
38
Hg 201
30
35
Uit figuur 4.9 volgt dat de recovery van 15 van de 17 elementen tussen 97 en 103 % ligt.
Enkel voor seleen 78 (96,8 %), seleen 82 (107,6 %) en kwik 201 (96,9 %) wijkt de
recovery meer dan 3 % af. Hieruit kan worden besloten dat er geen elementen worden
tegengehouden door de membraanfilter.
4.2.3
Ijklijn
Gemeten concentratie (ppb)
In de norm wordt voorgesteld dat de gebruikte ijklijn de punten 2.5, 5, 10, 25, 50 en 100
ppb bevat. Voor kwik liggen de concentraties van de kalibratiestandaarden tienmaal lager.
In de huidige methode werd gebruik gemaakt van de punten 0, 1, 5, 10, 50 en 100 ppb.
Het ijkpunt van 25 ppb werd weggelaten. Wat betreft kwik werd dezelfde ijklijn opgesteld.
In het bereik van 0 tot 10 ppb zijn er immers 4 ijkpunten.
Figuur 4.10 toont de gemeten concentraties van de 10 ppb controlestandaard (QC1) op
basis van de ijkcurve met de ijkpunten 0, 1, 5, 10, 50 en 100 ppb.
12
11
10
9
8
7
6
5
4
Kwik
Seleen
Lood
Tin
Antimoon
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.10: Gemiddelde waarde over 7 batches van de QC1 gemeten voor de stalen
Bij de validatie van de meting (4.3.1.4) werd vastgesteld dat de verkregen bepalingsgrens
voor vier van de vijf omcirkelde elementen in figuur 4.10 groter is dan 1 ppb. Enkel voor
kwik is de bepalingsgrens kleiner dan 1 ppb. Daarom werd beslist om voor Se, Sn, Sb en
Pb de metingen bij 0 en 1 ppb weg te laten uit de ijklijn conform de norm.
Gemeten concentratie (ppb)
Na aanpassingen ijklijn
Voor aanpassingen ijklijn
12
10
8
6
4
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.11 Evaluatie aangepaste ijklijnen aan de hand van de gemeten waarden van de
controlestandaard voor de stalen
Uit figuur 4.11 volgt dat seleen, tin, antimoon, kwik en lood een grote vooruitgang hebben
geboekt. Het betere resultaat voor kwik is te wijten aan de gebruikte oplossingen die voor
deze testen opnieuw werden aangemaakt.
39
4.3
Validatie van de ICP-MS analysemethode
In dit deel worden de voornaamste parameters van de ICP-MS analysemethode
onderzocht. Op basis van de resultaten zal een besluit worden geformuleerd op de eerste
onderzoeksvraag.
4.3.1
Methodevalidatie
4.3.1.1
Lineariteit en herhaalbaarheid
De lineariteit en herhaalbaarheid werden bepaald door over twee dagen
achtereenvolgens multi-elementoplossingen met concentraties van 1, 5, 10, 50 en
100 ppb in tienvoud te meten. Er vond geen correctie plaats met een inwendige
standaard.
De lineariteit in het meetbereik van 0 ppb tot 100 ppb werd voor alle 31 isotopen getest
aan de hand van een ‘goodness-of-fit’ test en een ‘lack-of-fit’ test (zie 2.6.2).
Voor de ‘goodness-of-fit’ test werden per isotoop alle gemeten ‘Counts per second’ (CPS)
uitgezet in functie van de verwachte concentratie. Vervolgens werd in Microsoft Excel de
best passende rechte bepaald aan de hand van de kleinste kwadraten methode. Wanneer
de resulterende trendlijn een R²-waarde had groter dan 0,999 was de ‘goodness-of-fit’ test
geslaagd. Voor alle isotopen behalve deze van kwik was de ‘goodness-of-fit’ test
geslaagd (tabel 4.3). Voor kwik was de R²-waarde voor beide isotopen gelijk aan 0,9988.
Omdat ze groter is dan 0,99 zoals geëist in de norm, werden de metingen niet herhaald
met nieuwe oplossingen en werd de ‘goodness-of-fit’ als voldoende beschouwd.
In tweede instantie werd getest op ‘lack-of-fit’. Als eerste test werd in Microsoft Excel per
isotoop een regressieanalyse uitgevoerd op de CPS en de verwachte concentraties. Alle
31 uitgevoerde F-testen (zie 2.6.2.2) verwierpen de nulhypothese (tabel 4.3). Doordat de
P-waarde veel kleiner was dan 0,05 voor alle 31 isotopen, kon de nulhypothese met grote
zekerheid worden verworpen. Met andere woorden de richtingscoëfficiënt was significant.
Als tweede test werd per isotoop een residuenanalyse uitgevoerd. Deze vertoonde enkel
voor de elementen antimoon, zink en kwik afwijkende waarden (tabel 4.3). Voor antimoon
week enkel het concentratieniveau van 1 ppb af (figuur 4.12b). Dit is te wijten aan de
detectielimiet (zie 4.3.1.4). Voor zink (figuur 4.12c) weken de concentratieniveaus van 1, 5
en 10 ppb af en voor kwik de concentratieniveaus van 1 en 10 ppb (figuur 4.12d). Deze
afwijkende waarden van zink en kwik zijn vermoedelijk te wijten aan de beperkte stabiliteit
van de gebruikte oplossingen.
40
Tabel 4.3: Resultaten lineariteitstesten
5%
0%
-5% 0
-10%
-15%
-20%
Afwijking (%)
a.
c.
50
100
Residuen Afwijking voorspelde waarde 1 ppb (%)
OK
10,9
OK
11,8
OK
4,3
OK
-11,8
OK
-8
OK
-17
OK
-14,3
OK
-14,2
OK
-13,2
OK
-19,4
OK
-18,7
NOK
-19,3
NOK
-18,4
OK
-11,6
OK
-9,1
OK
-8,1
OK
-21,6
OK
-23,5
OK
-16,7
OK
-17,5
OK
-18
OK
-17,4
NOK
224
NOK
227
OK
-22,4
OK
-23,9
NOK
-44,3
NOK
-43,9
OK
-16,2
OK
-14,9
OK
-16,6
150
Verwacht concentratieniveau Ni (ppb)
10%
0%
-10%
0
50
100
150
-20%
-30%
Verwacht concentratieniveau Zn (ppb)
300%
200%
100%
0%
-100% 0
b.
Afwijking (%)
Afwijking (%)
B10
B11
Al27
Cr52
Cr53
Mn55
Ni58
Co59
Ni60
Cu63
Cu65
Zn66
Zn68
As75
Se78
Se82
Sr86
Sr88
Cd111
Cd114
Sn118
Sn120
Sb121
Sb123
Ba137
Ba138
Hg201
Hg202
Pb206
Pb207
Pb208
P-waarde F-test
1,74E-85
5,46E-88
4,63E-93
6,61E-97
1,44E-93
1,06E-93
6,29E-95
1,34E-94
1,22E-94
8,57E-83
2,34E-83
1,94E-83
2,04E-85
6,72E-97
4,41E-78
9,56E-78
1,22E-90
5,54E-89
9,81E-93
2,85E-90
1,13E-93
6,62E-93
4,41E-89
1,38E-89
5,82E-90
6,24E-90
1,2E-71
8,56E-72
8,67E-89
3,81E-88
1,31E-87
Afwijking (%)
R²-waarde
0,9997
0,9997
0,9998
0,9999
0,9999
0,9999
0,9999
0,9999
0,9999
0,9996
0,9996
0,9996
0,9997
0,9999
0,9993
0,9993
0,9998
0,9998
0,9998
0,9998
0,9999
0,9998
0,9998
0,9998
0,9998
0,9998
0,9988
0,9988
0,9998
0,9998
0,9997
50
100
150
Verwacht concentratieniveau Sb (ppb)
20%
0%
-20% 0
50
100
150
-40%
-60%
d.
Verwacht concentratieniveau Hg (ppb)
Figuur 4.12: Residuenanalyse van Ni (a), Sb (b), Zn (c) en Hg (d)
41
Uit figuur 4.12a volgt dat er een klein homoscedasticiteitsprobleem is. De relatieve
variantie van lagere concentratieniveaus is namelijk groter dan deze van hogere
concentratieniveaus (rode pijltjes). Dit komt omdat er op het 1 ppb concentratieniveau
dicht tegen de detectielimiet wordt gewerkt. Verder wordt ook voor alle elementen behalve
voor boor, aluminium en antimoon een te hoge waarde voorspeld voor het
concentratieniveau van 1 ppb (tabel 4.3). Hieruit wordt besloten dat het gebruik van de
kalibratiestandaarden zoals voorgesteld in de norm moet worden overwogen. In dit
onderzoek werd op basis van de lineariteitsanalyse beslist om enkel voor antimoon te
werken in het meetbereik tussen 5 en 100 ppb. Voor alle 29 overige isotopen werd op
basis van de significante F-testen en de ‘goodness-of-fit’ testen beslist dat ze een lineair
meetbereik hebben tussen 1 en 100 ppb.
De herhaalbaarheid op de verschillende concentratieniveaus werd geëvalueerd aan de
hand van het Horwitz-criterium. Hierbij werd de RSDmax zoals in vergelijking 1 (zie 2.6.1)
op de verschillende concentratieniveaus bepaald. Indien de RSD (via vgl. 2) van de
metingen groter is dan de helft van de RSDmax, dan is de herhaalbaarheid ontoereikend.
Tabel 4.4: Grenswaarden Horwitz-criterium
Concentratieniveau (ppb) RSDmax / 2 (%)
1
22,6
5
17,8
10
16,0
50
12,6
100
11,3
Voor de concentratieniveaus van 5 tot en met 100 ppb was steeds voldaan aan het
Horwitz-criterium. Op het concentratieniveau van 1 ppb werd enkel voor aluminium 27 en
seleen 82 de grenswaarde overschreden. Na het reinigen van de ‘cones’ was de
herhaalbaarheid voor aluminium 27 op het 1 ppb niveau wel toereikend. Voor seleen 82
werd de grenswaarde nog steeds overschreden. Bijgevolg kunnen voor seleen 82
concentratieniveaus onder de 5 ppb niet worden gemeten. Merk op dat het
standaardisotoop seleen 78 (tabel 3.6) wel kan worden gebruikt om concentraties kleiner
dan 5 ppb te meten. Voor boor, tin en antimoon werd geen meetresultaat verkregen op
het concentratieniveau van 1 ppb.
4.3.1.2
Reproduceerbaarheid
Om de reproduceerbaarheid te bepalen, werd gebruik gemaakt van de gemiddelde
waarde van de controlestandaarden van 10 ppb (gemeten voor de stalen) op
verschillende dagen. Eventuele uitschieters werden bepaald op basis van 2 regels. De
eerste regel is de Chebychev’s regel. Deze regel zegt dat, onafhankelijk van de soort
verdeling die de observaties in een dataset volgen, 89 % van de observaties tussen het
gemiddelde en drie maal de standaarddeviatie ligt. De tweede regel is de empirische
regel. Deze regel geldt enkel voor datasets waarvan de observaties ongeveer normaal
verdeeld zijn. Deze test zegt dat dan 99,7 % van alle observaties tussen het gemiddelde
en drie maal de standaarddeviatie ligt (Weiss, 2014).
In figuur 4.13 is de verdeling te zien van 26 meetwaarden van kobalt 59. Deze verdeling
benadert de normale verdeling. Omdat ook de overige 30 isotopen de normale verdeling
42
Aantal meetwaarden
benaderen, kon de empirische regel worden gebruikt. Dit betekent dat een meetwaarde
werd verwijderd wanneer ze meer dan drie standaardafwijkingen afweek van de
gemiddelde meetwaarde. Indien geen meetwaarden werden verwijderd, waren er 26
metingen.
8
7
6
5
4
3
2
1
0
9,65 9,70 9,75 9,80 9,85 9,90 9,95 10,00 10,05 10,10 10,15 10,20
Concentratieniveau (ppb)
Figuur 4.13: Verdeling meetwaarden kobalt 59
Tabel 4.5: Reproduceerbaarheid van de 17 standaardisotopen
Element
Aantal
Gemiddelde
RSD (%)
RSDmax/2 (%)
Conclusie
Boor 11
19*
9,56
-4,4
16,0
OK
Aluminium 27
24
9,63
-3,7
16,0
OK
Chroom 52
25
9,92
-0,8
16,0
OK
Mangaan 55
26
10,0
-0,5
16,0
OK
Kobalt 59
26
10,0
-0,4
16,0
OK
Nikkel 60
25
10,0
0,2
16,0
OK
Koper 63
25
9,95
-0,5
16,0
OK
Zink 66
26
9,90
-1,0
16,0
OK
Arseen 75
26
10,0
0,4
16,0
OK
Seleen 78
8*
10,2
2,3
16,0
OK
Strontium 88
26
10,0
-0,5
16,0
OK
Cadmium 111
26
9,95
-0,5
16,0
OK
Tin 118
8*
10,2
2,2
16,0
OK
Antimoon 121
8*
9,56
-4,4
16,0
OK
Barium 138
26
9,84
-1,6
16,0
OK
19**
10,4
4,2
16,0
OK
Kwik 202
Lood (gem)
8*
9,52
-4,8
16,0
OK
* Aangepaste ijklijn. Zie 4.3.1.4.
**In 4.2.3 werd aangetoond dat de kwikconcentraties afweken bij de eerste metingen van de
controlestandaard. De eerste 7 metingen vertoonden inderdaad afwijkende waarden.
Merk op dat de RSD (via vlg. 3) van zowel de 17 standaardisotopen als van de overige
isotopen steeds kleiner was dan |5 %| en dus ook steeds voldeed aan het Horwitzcriterium. Hieruit volgt dat de reproduceerbaarheid van alle 31 isotopen toereikend is.
43
4.3.1.3
Juistheid
Om te testen of de elementen via de ICP-MS analysemethode juist werden gemeten,
werd in afwezigheid van referentiematerialen gebruik gemaakt van recoverytesten.
De ‘spikes’ werden vanuit de mutli-elementoplossing van 1 mg/l toegevoegd aan 7 blanco
stalen van 150 ml HCl 0,07 M die, op de filtratie na, de volledige extractieprocedure
hadden doorlopen zoals beschreven in 3.2.2. Hierdoor werd niet alleen de juistheid getest
van de ICP-MS analysemethode. Echter, indien deze recoverytesten aanvaardbaar zijn,
dan is de juistheid van de ICP-MS analysemethode ook aanvaardbaar. De gebruikte
addities waren drie maal 10 ppb en drie maal 60 ppb. Het zevende staal werd gebruikt als
procedureblanco. De stalen werden na filtratie gemeten met de ICP-MS. Hierbij werd
eerst de procedureblanco gemeten waarna alternerend een 10 ppb-oplossing en een 60
ppb-oplossing werden gemeten. Van de verkregen meetresultaten werd de waarde van
de procedureblanco afgetrokken. Er werd niet gecorrigeerd met een inwendige standaard.
Recovery (%)
Recovery
95%
105%
Antimoon
106
104
102
100
98
96
94
92
Lood
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.14: Grafisch verloop recovery van de ‘gespikete’ 10 ppb voor alle 31 isotopen
Recovery
95%
105%
106
Recovery (%)
104
102
100
98
96
94
0
5
10
15
20
Volgnummer isotoop
25
30
35
Figuur 4.15: Grafisch verloop recovery van de ‘gespikete’ 60 ppb voor alle 31 isotopen
Uit figuur 4.14 volgt dat de recovery op het 10 ppb-niveau voor antimoon (105,4 %) en
lood (93,6 %) het sterkst afwijken. Voor alle andere elementen viel de recovery steeds
tussen de 95 % en 105 %. In figuur 4.15 is te zien dat alle 31 isotopen bij een concentratie
van 60 ppb een recovery hebben die tussen de 95 % en 100 % ligt. Alle elementen op
beide concentratieniveaus voldoen aan het Horwitz-criterium. Dit wijst erop dat de ICP-MS
analysemethode juist meet.
44
4.3.1.4
Aantoonbaarheids- en bepalingsgrens
De resultaten van de testen om beide grenzen te bepalen werden gecorrigeerd met een
inwendige standaard (zie 4.1). Omdat de methode uit het Compendium voor
Monsterneming en Analyse tijdrovend was, werden de verschillende concentratieniveaus
op eenzelfde dag gemeten. Hierdoor zullen de resulterende grenzen ook iets lager liggen.
De overige drie methodes werden uitgevoerd zoals besproken in 2.6.3. De resultaten van
de aantoonbaarheidsgrens werden meteen omgerekend naar de bepalingsgrenzen zoals
uitgelegd in 2.6.3. Dit omdat enkel de bepalingsgrenzen interessant zijn voor de
onderzoeksvraag. Deze bepalingsgrenzen zijn per element opgenomen in tabel 4.6. Er
zijn geen isotopen weergegeven omdat de grootste bepalingsgrens van de twee isotopen
per methode werd gebruikt. Beide isotopen hadden steeds ongeveer dezelfde
bepalingsgrenzen.
Tabel 4.6: Samenvattende tabel bepalingsgrenzen
Bepalingsgrenzen (ppb)
CEN
IUPAC
Compendium
0,79
0,99
0,60
0,10
0,28
1,01
0,41
0,12
0,12
Mn
0,13
0,06
0,04
0,07
Ni
0,14
0,06
0,08
0,09
Co
0,05
0,02
0,06
Cu
1,08
0,27
0,10
Zn
0,78
0,52
0,38
As
1,06
0,61
0,29
Se
1,93
2,18
1,14
2,03
Sr
0,15
0,13
0,08
0,23
Cd
0,09
0,03
0,09
0,09
Sn
1,66
1,09
0,33
Sb
4,35
1,06
1,17
Ba
0,16
0,05
0,13
Hg
0,61
1,31
0,45
Pb
1,38
0,15
0,39
B
1,50
Al
0,57
Cr totaal
Wisconsin
0,49
0,20
Uit tabel 4.6 volgt dat er voor de Wisconsin methode niet voor alle elementen resultaten
werden verkregen. Dit komt doordat de grenzen streng zijn en geen uitzonderingen
toelaten waardoor dit een tijdrovende methode is. Er zijn voldoende waarden verkregen
zodat een vergelijking van de vier methoden mogelijk is.
In figuur 4.16 zijn de waarden uit tabel 4.6 grafisch weergegeven zodat de methoden
gemakkelijker met elkaar kunnen worden vergeleken.
45
CEN
Wisconsin
IUPAC
Compendium
Bepalingsgrens (ppb)
5
4
3
2
1
0
Figuur 4.16: Verdeling van de maximale en minimale bepalingsgrens van de 17 elementen
per methode
Uit figuur 4.16 volgt dat, zoals verwacht, de bepalingsgrens bepaald via de
Wisconsinmethode en de methode volgens CEN meestal groter is dan via de overige
twee methodes. Het grote nadeel van deze methodes is echter dat er veel verschillende
concentratieniveaus moeten worden gemeten vooraleer er een goed ‘spike’-niveau is
gevonden voor alle elementen.
Uit figuur 4.16 volgt ook dat de methode volgens het Compendium voor Monsterneming
en Analyse de bepalingsgrens van tin onderschat. Dit komt enerzijds doordat de metingen
op 1 dag werden uitgevoerd in plaats van op meerdere dagen en anderzijds doordat het
‘spike’-niveau niet voldoet aan de grenzen, zoals bij uitzondering toegelaten. Hieruit kan
geconcludeerd worden dat het ‘spike’-niveau zoveel mogelijk moet worden gerespecteerd
en hierop slechts minimale afwijkingen toegelaten kunnen worden.
De verkregen detectielimieten zullen nu worden getoetst aan de migratielimieten
opgenomen in EN 71-3: 2013 + A1: 2014. Hierbij wordt de minimaal te halen
bepalingsgrens bepaald op basis van de toegelaten migratielimieten uit categorie II
(= strengste categorie) en in het geval slechts 10 mg staal kan worden afgewogen
(= minimum).
46
Tabel 4.7: Migratielimieten van categorie II uit EN 71-3: 2013 + A1: 2014
Migratielimiet categorie II (mg/kg)
B
300
Al
1406
Cr VI
0,005
Mn
300
Ni
18,8
Co
2,6
Cu
156
Zn
938
As
0,9
Se
9,4
Sr
1125
Cd
0,3
Sn
3750
Sb
11,3
Ba
375
Hg
1,9
Pb
3,4
Tabel 4.8: Overzicht van de minimaal te halen bepalingsgrenzen
Minimaal te halen BG (ppb)
Afgewogen massa = 3 g Afgewogen massa = 0,01 g
B
Al
Cr VI
Mn
Ni
Co
Cu
Zn
As
Se
Sr
Cd
Sn
Sb
Ba
Hg
Pb
< 10
ppb?
6000
28120
0,1
6000
376
52
3120
18760
18
188
22500
6
75000
226
7500
38
600
2812
0,01
600
37,6
5,2
312
1876
1,8
18,8
2250
0,6
7500
22,6
750
3,8
NEE
NEE
JA
NEE
NEE
JA
NEE
NEE
JA
NEE
NEE
JA
NEE
NEE
NEE
JA
68
6,8
JA
BG (ppb)
1,50
0,57
1,01
0,13
0,14
0,05
1,08
0,78
1,06
1,93
0,15
0,09
1,66
4,35
0,16
0,61
BG >
min. BG?
NEE
NEE
JA
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
NEE
1,38 NEE
Uit tabel 4.8 volgt dat enkel voor chroom (VI) de bepalingsgrens groter is dan de minimaal
te halen bepalingsgrens. Ook wanneer zoals in de normale procedure 3 g van het staal
wordt afgewogen is de bepalingsgrens te hoog. In de norm wordt vermeld dat dit normaal
is voor speelgoed van categorie I en II (CEN, 2014). Voor speelgoed van categorie III
47
moet er specifiek voor Centexbel minstens 0,0254 g kunnen worden afgewogen. De
minimaal te halen bepalingsgrens is dan 1,02 ppb (> BG chroom (VI))
Hieruit volgt dat het toestel in staat is om, onafhankelijk van de afgewogen hoeveelheid en
onafhankelijk van de categorie waartoe het speelgoed behoort, voor 16 van de 17
elementen te controleren of de migratielimiet is overschreden. Voor chroom is er geen
probleem voor speelgoed van categorie III indien er minstens 0,0254 g van het
speelgoedstaal kan worden verkregen. Voor speelgoed van categorie I en II moet er voor
chroom een andere veiligheidsbeoordeling worden uitgevoerd.
4.3.2
Kwaliteitscontrole
Eenmaal het validatiedossier is opgesteld, zijn maatregelen nodig om ervoor te zorgen dat
de betrouwbaarheid van de methode ongeveer dezelfde blijft. Hieronder worden enkele
van deze maatregelen besproken.
4.3.2.1
Kalibratie van de gebruikte meetmiddelen
Om de foutenmarge afkomstig van de gebruikte meetmiddelen te minimaliseren, worden
ze regelmatig gecontroleerd en, indien ze te veel afwijken, gekalibreerd.
Tabel 4.9: Overzicht kalibratie meetmiddelen
Meetmiddel
Informatie kalibratie
Balansen
Dagelijks
20 g : 19,9996 g - 20,0000 g
100 g : 99,9993 g - 100,0013 g
Pipetten
Wekelijks
5 µl - 50µl
: afkeurgrenzen 5 %
100 µl - 1000 µl : afkeurgrenzen 1 %
1 ml - 10 ml
- : afkeurgrenzen 1%
Warmwaterbad
2-jaarlijks
4.3.2.2
Eerstelijnscontrole
In de eerstelijnscontrole worden per standaardisotoop drie controlekaarten opgesteld
(tabel 4.10). Per uitgevoerde meting wordt een controleblanco (CB), een procedureblanco
(PB) en een controlestandaard van 10 ppb (QC1) gemeten. De verkregen waarden
worden afzonderlijk en per element aangevuld op de overeenkomstige controlekaart. Door
dit over een lange periode te doen, worden allerlei bronnen van fouten in rekening
gebracht. Vervolgens worden op basis van deze meetwaarden waarschuwingsgrenzen
(gemiddelde ± 2 x standaarddeviatie) en afkeurgrenzen (gemiddelde ± 3 x
standaarddeviatie) opgesteld. Wanneer één van de drie meetwaarden buiten de
afkeurgrenzen valt, dan is er een onverwachte fout opgetreden en moet de meting
opnieuw worden uitgevoerd. Zo wordt voorkomen dat bijvoorbeeld gecontamineerd
solvent zorgt voor verhoogde waarden en eventueel onterecht afkeuren van speelgoed.
Deze eerstelijnscontrole wordt uitgevoerd door de laborant die de proef uitvoert.
48
Tabel 4.10: Opgestelde controlekaarten voor kwaliteitscontrole
Naam controlekaart
Inhoud
Element_ijklijn_blanco
De concentratie van elk element wordt gemeten in een blanco HCloplossing die wordt gebruikt bij het opstellen van de ijklijn. Zo wordt
voorkomen dat het solvent gebruikt voor het opstellen van de ijklijn
gecontamineerd is en zorgt voor het onterecht opschuiven naar
boven van de ijklijn.
Element_ijklijn
De concentratie van elk element wordt in een controlestandaard
van 10 ppb (QC1) gemeten. Zo wordt getest of het toestel correct
meet.
Element_procedureblanco Per reeks wordt een procedureblanco meegenomen. Zo wordt
gecontroleerd of de solventen gecontamineerd zijn en of er
uitzonderlijk contaminatie heeft plaatsgevonden tijdens de
extractieprocedure.
In tweede instantie wordt minstens tweewekelijks een referentiemateriaal gemeten. Dit om
te controleren of het toestel nog juist meet. Deze test vormt een bijkomende controle op
de controlestandaard die bij elke meting wordt gemeten.
4.3.2.3
Tweedelijnscontrole
De
tweedelijnscontrole
wordt
uitgevoerd
op
initiatief
van
de
laboratoriumverantwoordelijke. Dit houdt enerzijds in dat de uitvoerende laboranten
gecontroleerd kunnen worden aan de hand van blinde stalen. Anderzijds worden de
controlekaarten geëvalueerd. Zo wordt gecontroleerd of de grenzen aanvaardbaar zijn en
of de variatie op de meetwaarden nu dezelfde is als bijvoorbeeld een aantal maanden
geleden.
4.3.2.4
Derdelijnscontrole
Bij de derdelijnscontrole vindt een vergelijking plaats met externe laboratoria. Dit gebeurt
door middel van interlaboratoriumproeven. Deze interlaboratoriumproeven zijn heel
belangrijk omdat hierbij tientallen laboratoria hetzelfde staal analyseren. Dit staal
doorloopt bij alle laboratoria dezelfde procedure waarna de resultaten worden vergeleken.
Op die manier wordt getest of het labo dezelfde waarden uitkomt en of het labo met
andere woorden een goede werkwijze hanteert.
4.4
Evaluatie extractieprocedure
In 4.3 werd de validatie van de ICP-MS analysemethode besproken. Hieruit kon worden
besloten dat ze kan worden gebruikt om de migratietesten van EN 71-3: 2013 + A1: 2014
uit te voeren. In de tweede onderzoeksvraag zal de extractieprocedure zelf worden
gevalideerd. Achtereenvolgens zullen de herhaalbaarheid, reproduceerbaarheid en
juistheid worden besproken.
4.4.1
Herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid
Om de herhaalbaarheid van de extractieprocedure te testen, werd een monstername van
een speelgoedmat uitgevoerd op de manier zoals in 3.2.1 beschreven. Hierbij werden 5
identieke testporties verkregen van 3,0000 g. Deze testporties doorliepen vervolgens
samen met een procedureblanco de extractieprocedure waarna ze gemeten werden met
49
de ICP-MS. De waarden werden niet gecorrigeerd met een inwendige standaard. Deze
test werd op een andere dag herhaald (= reeks 2).
Reeks 1
Reeks 2
10
RSD (%)
8
Zink
6
Cadmium 114
4
2
0
-2
0
5
10
15
20
Volgnummer isotoop
25
30
35
Figuur 4.17: Grafisch verloop van de herhaalbaarheid van alle 31 isotopen over 2 testdagen
Uit figuur 4.17 volgt dat de verkregen RSD (via vgl. 2) enkel voor de elementen nikkel (8,4
%) en zink (6,4 %) en het isotoop koper 65 (5,3 %) groter is dan 5 %. Ook is de RSD op
beide dagen voor de meeste elementen ongeveer gelijk. Enkel voor de beide zinkisotopen
en cadmium 114 werd een iets grotere afwijking verkregen. Merk op dat de gemeten
concentratie voor boor, arseen, seleen, tin, antimoon, kwik en lood onder de
bepalingsgrens lag. Voor alle overige elementen werd voldaan aan het Horwitz-criterium.
Door de totale RSD (via vgl. 2 want geen gekend concentratieniveau) te bepalen over de
twee meetdagen werd een idee gekregen van de reproduceerbaarheid. Uit figuur 4.18
volgt dat de RSD enkel voor koper (11 %), nikkel (9,6 %), zink (7,5 %) en kobalt (5,4 %)
groter is dan 5 %. Merk op dat de gemeten concentratieniveaus van deze elementen
dicht tegen hun bepalingsgrens liggen (tabel 4.11). Voor alle elementen met een
concentratieniveau boven de bepalingsgrens werd voldaan aan het Horwitz-criterium.
12
Koper
10
RSD (%)
Nikkel
8
Zink
6
Kobalt
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
Volgnummer isotoop
Figuur 4.18: Grafisch overzicht van de reproduceerbaarheid van de extractieprocedure
Tabel 4.11: Gemeten concentratieniveau en BG van de elementen met een RSD > 5 %
Element
Gemeten concentratie (ppb)
Bepalingsgrens (ppb)
Koper
1,25
1,08
Nikkel
3,51
0,14
Zink
6,53
0,78
Kobalt
0,39
0,05
50
35
Hieruit volgt dat de herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid van de extractieprocedure
aanvaardbaar lijkt te zijn. Voor absolute zekerheid zou een speelgoedstaal getest moeten
worden dat alle 17 elementen bevat opgenomen in EN 71-3 - 2013.
4.4.2
Recoverytesten
% verschil met verwachte waarde
Er zijn nog geen gecertificeerde referentiematerialen voor de categorieën I, II en III met
gekende migratiewaarden voor alle elementen (CEN, 2014). Ook werden bij Centexbel
nog geen interlaboratoriumtesten uitgevoerd met de aangepaste methode. Om een idee
te krijgen van de juistheid werd daarom gebruik gemaakt van recoverytesten. Hiertoe
werd hetzelfde staal als in 4.4.1 voorafgaand aan de migratieprocedure ‘gespiked’ met
respectievelijk 20 en 60 ppb. Beide recoverytesten werden in duplo uitgevoerd. Er werd
geen correctie uitgevoerd met een inwendige standaard.
+ 20 ppb
+ 60 ppb
95%
105%
130
120
Seleen
110
Mangaan
100
Barium
90
Boor
80
70
0
5
10
15
20
25
30
35
Volgnummer isotoop
Figuur 4.19 Grafisch verloop van de recovery van alle 31 isotopen in een reëel staal (20 ppb
en 60 ppb)
Uit figuur 4.19 volgt dat enkel de elementen mangaan, seleen en barium een recovery
hebben tussen de 95 % en 105 % voor beide ‘spike’niveaus. Voor boor werd een recovery
tussen 95 % en 105 % verkregen wanneer 60 % ‘gespiked’ werd. Voor kwik (weggelaten
uit de grafiek) werd niets teruggevonden ondanks dat het zeker aanwezig was in de
gebruikte multi-elementoplossing.
Wat betreft het Horwitz-criterium voldoen boor, aluminium, chroom, mangaan, nikkel,
kobalt, seleen, strontium en barium bij 20 en bij 60 ppb. Tin voldoet enkel bij 60 ppb.
Indien deze resultaten vergeleken worden met de recovery’s in een blanco HCl 0,07 M
oplossing (4.3.1.3) zijn ze een stuk minder goed. Dit is logisch aangezien er gemeten
wordt in een minder zuivere matrix. Het is weliswaar opvallend dat er voor kwik helemaal
niets werd teruggevonden in alle vier de stalen.
Om meer zekerheid in te bouwen werden de resultaten van eerder uitgevoerde
recoverytesten van 9 verschillende speelgoedstalen (tabel 4.12) bekeken.
51
Tabel 4.12: Gebruikte speelgoedstalen recoverytesten
Naam staal
Naam staal
Naam staal
1) Kuipje kruiwagen (PP)
4) T-shirt (PES)
7) Wiel kruiwagen (PP)
2) T-shirt (PES)
5) Speelmat (PVC)
8) Verf (PES)
3) Band kruiwagen (PU)
6) Haren borstel (PP)
9) Handvat kruiwagen (PE)
Verklaring afkortingen: Polypropyleen (PP), Polyester (PES), Polyurethaan (PU), Polyvinylchloride
(PVC), Polyethyleen (PE)
Deze stalen werden steeds voorafgaand aan de migratieprocedure ‘gespiked’ met een
10 ppb multi-elementoplossing. Vervolgens doorliepen ze de extractieprocedure zoals
besproken in 3.2.2 waarbij nog de oude ijklijnen en filter (MN 615) werden gebruikt en
maatcilinders (foutenmarge ± 0,67 %) in plaats van volpipetten (foutenmarge ± 0,09 %).
Alle elementen die aanwezig waren in de filter en waarvan de ijklijn werd aangepast,
werden weggelaten uit de resultaten. Van de overblijvende elementen werden het aantal
speelgoedstalen waarvan de recovery kleiner was dan 90 % opgeteld. Hetzelfde werd
gedaan met de recoverytest van de speelgoedmat. In totaal waren er dus 10 stalen.
Tabel 4.13: Aantal stalen waarbij de recovery lager lag dan 90 %
Element
Aantal stalen
Chroom
4
Nikkel
2
Kobalt
0
Arseen
2
Cadmium
2
Kwik
10
Uit tabel 4.13 volgt dat voor alle 10 de verschillende stalen de recovery van kwik steeds
onder de 90 % ligt. Meer specifiek is ze steeds kleiner dan 82 %.
Er kan de vraag worden gesteld of de eventuele onderschatting zoals beweerd door Kang
en Zhu (Kang & Zhu, 2015) en Guney en Zagury (Guney & Zagury, 2014) veroorzaakt
wordt doordat bepaalde elementen, zoals kwik, al dan niet deels verloren gaan door
interactie met andere uitgeloogde stoffen. Deze interactie is dan mogelijks niet of minder
aanwezig bij de andere methoden doordat enzymen interageren met deze vrijgekomen
stoffen. Indien dit zo is, dan is het gebruik van enzymen mogelijks noodzakelijk om een
goede risicoschatting te doen. Opnieuw blijkt dat er nood is aan in vivo testen om hierover
meer duidelijkheid te geven.
4.5
Speciatie van chroom
Wanneer een speelgoedstaal de extractieprocedure doorloopt en hieruit volgt dat dat de
totale hoeveelheid chroom de toegelaten migratielimiet van chroom (VI) overschrijdt, moet
de speciatiemethode van chroom worden uitgevoerd. Zo kan worden onderzocht in welke
mate chroom (III) en chroom (VI) aanwezig zijn en of het speelgoed al dan niet voldoet
aan de vooropgestelde migratielimieten.
Bij het uitvoeren van deze speciatie werd net zoals bij Xing en Beauchemin een
onverwachte derde piek verkregen (Xing & Beauchemin, 2010). Deze piek wordt in het
vervolg omschreven als spookpiek.
52
Chroom (VI)
Chroom (III)
Figuur 4.20: Chromatogram met chroom (VI) en chroom (III)
Spookpiek
Chroom (III)
Figuur 4.21: Chromatogram met spookpiek en chroom (III) piek
Tabel 4.14: Retentietijden van de drie pieken
Identificatie piek
Retentietijd (min)
Spookpiek
0.453
Chroom (VI)
0.935
Chroom (III)
1.825
Om een betrouwbare kwantitatieve bepaling te kunnen doen van chroom (III) en
chroom (VI) is het strikt noodzakelijk dat deze spookpiek geïdentificeerd wordt.
4.5.1
Kwalitatief onderzoek
Eerst en vooral werd getest of de spookpiek afkomstig is van contaminatie tijdens de
extractieprocedure. Hiervoor ondergingen zowel een procedureblanco als een HCl 0,07 M
oplossing ‘gespiked’ met 100 ppb chroom (III) en chroom (VI) de vier verschillende testen
uit tabel 4.15.
Tabel 4.15: Proefopzet testen voor chroomcontaminatie gedurende de extractieprocedure
Uitgevoerde testen
Procedureblanco
100 ppb chroom III - VI
Geen extractie
X
X
Extractie zonder filtratie
X
X
Extractie met filtratie door MN 615 filter
X
X
Extractie met filtratie door Chromafil filter
X
X
Deze stalen ondergingen vervolgens de speciatiemethode zoals beschreven in 3.5. Geen
van deze acht stalen vertoonde een spookpiek (zoals in figuur 4.21) in het chromatogram.
Hieruit volgt dat de spookpiek niet afkomstig is van contaminatie ten gevolge van de
extractieprocedure.
53
In een tweede test volgden vier stalen met een gekend chroomgehalte (tabel 4.16) de
extractieprocedure. De resulterende oplossingen werden gemeten aan de hand van de
speciatiemethode.
Tabel 4.16: Totaal chroomgehalte van de 4 stalen
Staalnummer
Chroomgehalte (mg/kg)
1
0,070
2
0,070
3
0,107
4
0,025
Van deze vier stalen vertoonde enkel staal drie een spookpiek. Dit is ook het staal met het
hoogste chroomgehalte van de vier monsters.
Om te zoeken naar een verschil tussen de stalen met en de stalen zonder spookpiek
werden mogelijke bronnen van interferentie opgezocht in het softwarepakket ‘ICP-MS
Interferences Workshop’ van het toenmalige Thermo Electron Corporation (tabel 4.17).
Tabel 4.17: Mogelijke bronnen van interferentie
Soort interferentie
Element
Interfererende ionen
Pd++, Ag++, Rh++, Ru++
Polyatomaire interferenties op basis van:
C, N, S, P
Van de acht elementen opgenomen in tabel 4.17 werd voor vier stalen zonder spookpiek
en vijf stalen met spookpiek de concentratie bepaald aan de hand van data uit de ‘quick
scan’. Dit is een voorafgaande scan die werd uitgevoerd tijdens de ICP-MS methode uit
3.4 om een idee te geven over de aanwezige elementen in het staal en een ruwe
schatting te geven van hun concentratieniveau. Vervolgens werden van de groep met
spookpiek en van de groep zonder spookpiek de gemiddelde waarden van deze acht
elementen vergeleken aan de hand van een ‘two sample’ t-test. Wanneer de
standaarddeviaties van de twee groepen voor een element ongeveer aan elkaar gelijk
waren, werd de ‘pooled’ t-test gebruikt. Wanneer de standaarddeviaties van de twee
groepen verschilden, werd een ‘nonpooled’ t-test gebruikt (tabel 4.18).
Tabel 4.18: Resultaten statistische testen
Element
Statistische test
Pd++
Non-pooled two-sample t-test
Ag++
Pooled two-sample t-test
Rh++
Pooled two-sample t-test
Ru++
Non-pooled two-sample t-test
N
Pooled two-sample t-test
Koolstof
Pooled two-sample t-test
Zwavel
Pooled two-sample t-test
Fosfor
Non-pooled two-sample t-test
(*): concentratie < AG
P-waarde
0,1244
0,0629
0,9393
/ (*)
0,9129
0,0175
0,0019
0,0292
Uit deze vergelijking volgt dat er een significant verschil is in de gemeten concentraties
koolstof, zwavel en fosfor op het 5 % significantieniveau (tabel 4.18). Ondanks dat de ttest het meest significant is voor zwavel, is het absolute verschil tussen de hoogste
concentratie zwavel zonder spookpiek en met spookpiek hier het kleinst.
54
Wanneer vervolgens van alle vijf stalen de gemeten oppervlakte van de spookpiek werd
uitgezet in functie van de gemeten concentratie zwavel, fosfor en koolstof, werd enkel
voor fosfor een lineair verband vastgesteld. Hierbij dient opgemerkt te worden dat
voornamelijk het punt met een fosforconcentratie van 2000 ppb zorgt voor deze lineaire
trend.
Oppervlakte
spookpiek
250000
200000
R² = 0,9536
150000
100000
50000
0
0
500
1000
1500
Concentratie P (ppb)
2000
2500
Figuur 4.22: Verband tussen het fosforgehalte in de quick-scan en de oppervlakte van de
spookpiek
Xing en Beauchemin vermoedden dat de spookpiek te wijten is aan een complexatie van
chroom (III) met anorganisch materiaal (carbonaat en fosfaat) of met organisch materiaal
(aminozuren, humuszuren…) (Xing & Beauchemin, 2010). Daarom werd enkel voor de
elementen fosfor en koolstof een kwantitatief onderzoek uitgevoerd.
4.5.2
Kwantitatief onderzoek
Bij het kwantitatief onderzoek werden twee reeksen uitgevoerd. Beide reeksen volgden de
proefopzet in tabel 4.19. Bij elk staal in beide reeksen werd gestart van een oplossing van
HCl 0,07 M. Deze stalen werden bij reeks 1 afhankelijk van het staalnummer ‘gespiked’
met bepaalde hoeveelheden chroom (III) en chroom (VI) en/of met fosfaat (onder de vorm
van H2NaPO4.2 H2O) in een concentratie van 1 ppm. In reeks 2 werden de stalen
afhankelijk van het staalnummer ‘gespiked’ met bepaalde hoeveelheden chroom (III) en
chroom (VI), maar nu werd bij bepaalde stalen bijkomend carbonaat (onder de vorm van
NaHCO3) ‘gespiked’ in een concentratie van 1 ppm.
Tabel 4.19: Proefopzet kwantitatief onderzoek
Staalnummer
Staalinhoud
1
HCl 0,07 M
2
HCl 0,07 M + 1 ppm x*
3
HCl 0,07 M + 80 ppb Cr(III) + 80 ppb Cr(VI)
4
HCl 0,07 M + 80 ppb Cr(III) + 80 ppb Cr(VI) + 1 ppm x
5
HCl 0,07 M + 130 ppb Cr(III) + 130 ppb Cr(VI) + 1 ppm x
6
HCl 0,07 M + 180 ppb Cr(III) + 180 ppb Cr(VI) + 1 ppm x
7
HCl 0,07 M + 280 ppb Cr(III) + 280 ppb Cr(VI) + 1 ppm x
8
HCl 0,07 M + 380 ppb Cr(III) + 380 ppb Cr(VI) + 1 ppm x
9
HCl 0,07 M + 680 ppb Cr(III) + 680 ppb Cr(VI) + 1 ppm x
10
HCl 0,07 M + 1500 ppb Cr(III) + 1500 ppb Cr(VI) + 1 ppm x
* Bij reeks 1 is ‘x’ fosfaat, bij reeks 2 is ‘x’ carbonaat
In beide reeksen was een spookpiek te zien in de staalnummers 3 tot en met 10. De
spookpiek had in beide reeksen bij de overeenkomstige staalnummers ongeveer dezelfde
piekoppervlakte. Ook was in beide reeksen de piekoppervlakte van de spookpiek van
staalnummer 3 en 4 dezelfde. Daarenboven werd opgemerkt dat de spookpiek terug te
55
vinden was in de chromatogrammen van de kalibratiestandaarden van 100 en 200 ppb.
De grootte van de spookpiek was bij alle stalen veel kleiner dan deze bij reële stalen
(figuur 4.23). Daarom werd de spookpiek ook niet opgemerkt bij de 100 ppb-‘spike’ van
chroom (III) en chroom (VI) in de proefopzet uit tabel 4.15.
Figuur 4.23: Grootte spookpiek bij de ijklijn van 200 ppb (links) en bij een ‘spike’ van 380
ppb chroom (III) en chroom (VI) (rechts)
Ook wanneer fosfaat en carbonaat gezamenlijk werden ‘gespiked’ in een concentratie van
500 ppm bij een oplossing die 380 ppb chroom (III) en chroom (VI) bevatte, werd geen
grotere spookpiek waargenomen. Hieruit volgt dat de fosfaat en carbonaat ‘spikes’ geen
invloed hebben op de grootte van de piekoppervlakte.
Aangezien de spookpiek voorkomt bij kalibratiestandaarden, is deze piek vermoedelijk
afkomstig van chroom (III) of van chroom (VI). Daarom werd van reeks 2 de gemeten
concentratie chroom (III) en chroom (VI) bepaald aan de hand van de opgestelde ijklijn en
de gemeten piekoppervlakte (tabel 4.20).
Tabel 4.20: Afwijkende meetresultaten chroom (III) (reeks 2)
Concentratie spike (ppb)
Chroom (VI)
Carbonaat Chroom (III) Chroom (VI)
0
80
80
76,1
1000
80
80
75,3
1000
130
130
128,8
1000
180
180
178,6
1000
280
280
286,8
1000
380
380
389,3
1000
680
680
695,7
1000
1500
1500
1507,9
1000
80
80
76,3
Chroom (III)
78,1
78,3
127,3
173,6
268,9
366,9
646,1
1401,4
78,3
Uit tabel 4.20 kan worden afgeleid dat de afwijking van de chroom (III) concentratie veel
groter was dan deze van de chroom (VI) concentratie, met name bij hogere toegevoegde
hoeveelheden. Daarom werd in tweede instantie de oppervlakte van de spookpiek
opgeteld bij de oppervlakte van de chroom (III) piek. De resulterende oppervlakte werd
dan via de ijklijn van chroom (III) omgerekend naar de overeenkomstige concentratie.
56
Tabel 4.21: Daling bias door correctie met spookpiek (reeks 2)
Verwachte concentratie (ppb)
80
130
180
280
380
680
1500
% bias na correctie met spookpiek
3,29
3,23
1,44
1,11
1,37
-0,50
-2,26
% bias oorspronkelijke Cr III-piek
-2,35
-2,11
-3,58
-3,95
-3,45
-4,98
-6,57
Uit tabel 4.21 volgt dat deze gecorrigeerde waarden de afwijking bij grotere ‘spike’niveaus doet afnemen. Met andere woorden de som van de spookpiek en de chroom (III)
piek geven samen de verwachte concentratie. Hieruit volgt het vermoeden dat de
spookpiek afkomstig is van chroom (III).
Dit vermoeden werd gestaafd door bij een HCl 0,07 M oplossing enkel chroom (III) te
‘spiken’ en bij een tweede HCl 0,07 M oplossing enkel chroom (VI) te ‘spiken’. In de
figuren 4.24 en 4.25 is te zien dat enkel bij de ‘spike’ met chroom (III) een spookpiek te
zien is.
Figuur 4.24: Afwezigheid spookpiek bij chroom (VI) ‘spike’ van 680 ppb
Figuur 4.25: Aanwezigheid spookpiek bij chroom (III) ‘spike’ van 680 ppb
Omdat de spookpiek ook voorkomt bij HCl-oplossingen met ‘spike’, rijst de vraag wat er
kan gebeuren met de aanwezige chroom (III). Omdat de detector enkel stoffen registreert
met een massa-ladingsverhouding van 52 en bij voorgaande testen al werd aangetoond
dat er geen polyatomische interferenties aanwezig zijn, werd de retentietijd van de
resterende oxidatietrap van chroom bepaald: chroom (II) (Viaene, 2006). Uit tabel 4.22
volgt dat de retentietijd van de chroom (II) piek niet overeenkomt met de retentietijd van
de spookpiek.
57
Tabel 4.22: Overzicht retentietijden
Retentietijd (min)
Spookpiek
0,453
Chroom (VI)
0,935
Chroom (II)
1,650
Chroom (III)
1,825
Aangezien ook HCl-oplossingen die enkel HCl 0,07 M en chroom (III) bevatten een
spookpiek vertonen, ligt de oorzaak vermoedelijk bij de kolom. Daarom werd gekeken
naar de stationaire fase van de Dionex AG-7 kolom. Deze bestaat voornamelijk uit
quaternaire ammoniumgroepen en enkele sulfonzure groepen (Byrdy, et al., 1995). Hieruit
volgt dat de kolom een beperkte capaciteit heeft om kationen uit te wisselen. Dit zou
verklaren waren de chroom (III) concentratie meer afwijkt naarmate het ‘spike’-niveau
groter is, terwijl chroom (VI) wel goed wordt teruggevonden bij grotere ‘spike’-niveaus. In
een waterige oplossing komt chroom (III) namelijk voor als een positief geladen ion terwijl
chroom (VI) voornamelijk als negatief geladen ion voorkomt. Doordat bij grotere ‘spikes’
het aantal positieve ionen groter wordt dan het aantal beschikbare plaatsen in de
stationaire fase, zullen deze ionen niet meer weerhouden worden door de kolom.
Bijgevolg zal de retentietijd van de chroom(III)-ionen gelijk zijn aan de retentietijd van de
mobiele fase waardoor een piek ontstaat in het begin van het chromatogram. Bij reële
stalen werd opgemerkt dat de spookpiek in verhouding tot de chroom (III) piek ongeveer
een factor 10 groter is (figuur 4.21 en 4.23). Vermoedelijk zullen er bij het uitlogen van
deze reële stalen meerdere elementen worden uitgeloogd die een positieve lading
bezitten (Agilent Technologies, 2012). Bijgevolg zal de stationaire fase sneller zijn
maximumcapaciteit aan kationen hebben bereikt waardoor meer chroom(III)-ionen niet
zullen worden tegengehouden door de kolom. Dit leidt tot het ontstaan van een grotere
spookpiek voor eenzelfde concentratie aan chroom (III).
Om zeker te zijn dat ook bij reële stalen enkel chroom (III) zorgt voor de spookpiek, werd
voor drie reële stalen de totale hoeveelheid chroom bepaald via de methode in 3.4.
Vervolgens volgde het staal de speciatiemethode. In alle drie de stalen was er enkel een
grote spookpiek en een chroom (III) piek te zien. De concentratie van de chroom (III) piek
werd afgelezen en de concentratie van de spookpiek werd bepaald aan de hand van de
ijklijn van chroom (III). Beide concentraties werden opgeteld waarna de resulterende
concentratie werd vergeleken met de totale hoeveelheid chroom aanwezig in het staal.
Tabel 4.23: Bepaling totale chroom bij reële stalen
1
2
3
Concentratie spookpiek (ppb) Concentratie Cr(III) (ppb) Som (ppb) Totale concentratie chroom (ppb)
503
922
1425
1483
358
838
1196
1244
419
879
1299
1339
Bias (%)
-3,90
-3,86
-3,01
Uit tabel 4.23 volgt dat ook bij reële stalen chroom (III) aanwezig is in de spookpiek. Merk
op dat ook Xing en Beauchemin de gemeten concentratie van de spookpiek optelden bij
de concentratie van chroom (III) (Xing & Beauchemin, 2010).
Er kan worden besloten dat de spookpiek een deel van chroom (III) is. Om een goede
kwantitatieve bepaling te doen van chroom (III), moet de verkregen oppervlakte van de
spookpiek worden opgeteld bij de oppervlakte van de chroom (III) piek. De resulterende
som moet worden gebruikt om de concentratie chroom (III) te bepalen aan de hand van
de opgestelde ijklijn voor chroom (III).
58
4.6
Invloed matrix op het uitloogpotentieel
Ook voor deze testen werd geen correctie uitgevoerd met een inwendige standaard. Bij
de testen volgden dertien verschillende stalen zowel de migratieprocedure als de
destructieprocedure. Uit de resultaten kon het uitloogpercentage van de verschillende
stalen worden bepaald:
a % **#)
# $ % &,*&, &% % & $ # %
$ % &,*&, &% % & !% +,%
, &% # = #
(
%
(vgl. 16)
De keuze van de stalen was zo dat er ongeveer 2 verschillende stalen waren van elke
matrix. De matrix van elk staal werd bepaald aan de hand van micro ATR-IR met een
diamanten kristal. De gebruikte matrices waren:
Tabel 4.24: Overzicht van de gebruikte matrices
Naam staal
Gele parels
Dinosaurus
Smiley
Strandpalet
Pop
T-shirt
Sjaal
Matrix
Polystyreen (PS)
PS
Zacht PS
PU
PU
PES
PES
Naam staal
Schijfschieters
Lipfluitjes
Stressbal
Zee-egel
Handvat kruiwagen
Letters
Sleutelhanger
Matrix
PP
PP
Zacht PP
Zacht PP
PE
Zacht PE
Zacht PE
Indien er van 1 matrix twee verschillende stukken speelgoed waren, werd het gemiddelde
uitloogpercentage gebruikt. De resulterende uitloogpercentages van de verschillende
matrices werden tot slot met elkaar vergeleken. De elementen waarvoor het
uitloogpercentage steeds kleiner was dan de aantoonbaarheidsgrens werden weggelaten
uit de vergelijkende tabellen. De concentraties zijn de totale concentraties die gemeten
werden via de destructieprocedure.
In tabel 4.25 en 4.26 worden de resultaten voor respectievelijk ‘PE vs. zacht PE’ en ‘PP
vs. zacht PP’ weergegeven.
Tabel 4.25: Samenvattende tabel uitloogpercentages PE-PE(week)
Al27
Cr52
Cr53
Mn55
Ni58
Co59
Ni60
Cu63
Cu65
Zn66
Zn68
Sr86
Sr88
Cd111
Ba137
Ba138
Concentratie Uitloog% Concentratie Uitloog%
mg/kg
PE
mg/kg
PE (week)
96,85
0,12
164,83
0,60
0,17
2,62
2,16
1,80
0,21
2,23
2,12
1,53
0,18
5,37
14,66
2,03
0,18
4,32
0,84
0,78
< AG
< AG
0,06
0,48
0,07
9,46
0,48
0,94
< AG
< AG
19,67
26,50
0,09
8,91
19,79
25,29
79,29
0,15
4818,62
1,02
119,48
0,11
4653,60
1,02
4,42
0,20
141,49
1,18
4,29
0,22
139,91
1,18
< AG
< AG
0,16
0,76
811,81
0,02
611,41
5,92
816,70
0,02
609,44
5,92
Bias (%)
79,65
-45,22
-46,17
-165,29
-451,80
/
-904,73
/
64,79
85,34
89,53
83,29
81,57
/
99,61
99,61
59
PE
PE(week)
Uitloogpercentage
30
25
20
15
10
5
0
Figuur 4.26: Uitloogpercentage van PE vs. zacht PE
Tabel 4.26: Samenvattende tabel uitloogpercentages PP-PP(week)
Al27
Cr52
Cr53
Mn55
Ni58
Co59
Ni60
Cu63
Cu65
Zn66
Zn68
Sr86
Sr88
Cd111
Ba137
Ba138
Concentratie Uitloog% Concentratie Uitloog%
mg/kg
PP
mg/kg
PP (week) Bias (%)
95,54
< AG
59,35
2,39
/
0,27
3,98
0,20
12,10
67,08
0,27
1,88
0,22
5,85
67,91
0,33
1,13
0,75
53,07
97,87
0,32
< AG
0,24
7,16
/
< AG
< AG
0,20
0,82
/
0,35
< AG
0,15
3,66
/
0,90
< AG
0,18
23,71
/
0,90
< AG
0,19
23,03
/
3,98
< AG
6,75
29,49
/
9,55
0,19
8,09
26,92
99,29
1,85
0,36
332,68
22,78
98,40
1,86
0,49
332,98
22,33
97,79
< AG
< AG
< AG
< AG
/
137,93
0,02
37,94
1,58
98,78
137,51
0,02
37,82
1,58
98,79
PP
PP(week)
60
Uitloogpercentage
50
40
30
20
10
0
Figuur 4.27: Uitloogpercentage van PP vs. zacht PP
Uit tabel 4.25 en figuur 4.26 volgt dat het merendeel van de elementen een groter
uitloogpercentage heeft bij zacht PE dan bij hard PE. Uit tabel 4.26 en figuur 4.27 volgt
dat bij PP alle elementen een groter uitloogpercentage hebben wanneer het PP zacht is.
60
In tabel 4.27 worden de uitloogpercentages van de 5 geteste matrices vergeleken.
Tabel 4.27: Uitloogpercentages van de 5 geteste matrices
Al27
Cr52
Cr53
Mn55
Ni58
Co59
Ni60
Cu63
Cu65
Zn66
Zn68
Sr86
Sr88
Cd
Ba137
Ba138
Concentratie Uitloog% Concentratie Uitloog% Concentratie Uitloog% Concentratie Uitloog% Concentratie Uitloog%
mg/kg
PE
mg/kg
PP
mg/kg
PS
mg/kg
PU
mg/kg
PES
96,85
0,12
95,54
< AG
49,54
0,33
69,16
1,92
53,00
1,26
0,17
2,62
0,27
3,98
1,17
4,63
0,46
11,79
< AG
< AG
0,21
2,23
0,27
1,88
1,24
4,62
0,45
12,10
< AG
< AG
0,18
5,37
0,33
1,13
1,91
6,45
0,47
43,10
0,22
50,93
0,18
4,32
0,32
< AG
1,63
0,01
0,29
51,66
< AG
< AG
< AG
< AG
< AG
< AG
0,03
0,88
0,33
1,64
0,17
3,73
0,07
9,46
0,35
< AG
0,66
< AG
0,14
15,48
< AG
< AG
< AG
< AG
0,90
< AG
2,14
1,08
0,52
18,58
1,30
2,43
0,09
8,91
0,90
< AG
2,14
1,17
0,55
17,44
1,33
2,35
79,29
0,15
3,98
< AG
91,05
0,74
8,82
21,78
1,43
65,86
119,48
0,11
9,55
0,19
87,99
0,77
10,04
21,54
1,38
65,69
4,42
0,20
1,85
0,36
0,76
4,42
333,28
3,54
0,23
46,53
4,29
0,22
1,86
0,49
0,78
3,58
333,54
3,47
0,19
58,32
< AG
< AG
< AG
< AG
0,02
< AG
0,21
35,49
< AG
< AG
811,81
0,02
137,93
0,02
21,54
1,01
35,90
3,03
0,39
54,71
816,70
0,02
137,51
0,02
21,49
1,01
35,81
3,00
0,30
70,80
PE
PP
PS
PU
PES
80
Uitloogpercentage
70
60
50
40
30
20
10
0
Figuur 4.28: Uitloogpercentages van 5 verschillende matrices (PE, PP, PS, PU en PES)
Uit tabel 4.27 en figuur 4.28 volgt dat PU en PES een groter uitloogpotentieel hebben dan
PE, PS en PP. Samen met bovenstaande resultaten kan er uit dit inleidend onderzoek
worden besloten dat zachte plastics en schuimen een groter uitloogpotentieel hebben dan
harde plastics. Met andere woorden de biotoegankelijkheid in zachte plastics en schuimen
is groter dan in harde plastics. Dit ligt in lijn met de resultaten van Kang en Zhu, die
aantoonden dat de biotoegankelijkheid van lood in plastics lager was dan deze in bodems
en krijt (Kang & Zhu, 2015). Zij vermoedden dat de complexe en sterke polymeerstructuur
van de plastics hier de oorzaak van was. Dit lijkt te kloppen op basis van de verkregen
resultaten.
Net zoals bij de testen van Kang & Zhu werd, ondanks de groepering van de matrix van
de speelgoedstalen, geen correlatie vastgesteld tussen de totaal aanwezige hoeveelheid
van een element in een speelgoedstaal en de uitgeloogde hoeveelheid ervan.
(Kang & Zhu, 2015).
61
62
5.
Besluit
Door de aanpassingen in de norm EN 71-3: 2013 + A1: 2014 werd een nieuwe ICP-MS
analysemethode opgesteld. Daarom moest de toepasbaarheid van deze analysemethode
worden nagegaan. Uit het onderzoek volgt dat de opgestelde ICP-MS analysemethode
gebruikt kan worden om de norm uit te voeren. In deze methode werd, afwijkend van de
norm, een ijklijn gebruikt met de ijkpunten 0, 1, 5, 10, 50 en 100 ppb. In het onderzoek
werd aangetoond dat de ijklijn op het 1 ppb-niveau een te hoge waarde voorspeld voor 14
van de 17 elementen. Daarom moet er worden overwogen om te werken met de ijkpunten
2.5, 5, 10, 50 en 100 ppb conform de norm. In de methode werd ook gebruik gemaakt van
de geschatte houdbaarheid van de kalibratiestandaarden in HCl. Er is echter nood aan
een diepgaandere literatuurstudie over de stabiliteit van elementen op ppb-niveau in een
HCl-matrix.
In het tweede deel van dit werk werd de betrouwbaarheid van de extractieprocedure uit de
norm onderzocht. Er werd aangetoond dat de herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid
van de geteste elementen voldeed aan het Horwitz-criterium. Bij de recoverytesten op 20
en 60 ppb voldeden de elementen Cu, Zn, As, Cd, Sn, Sb, Hg en Pb niet. Voor kwik werd
bij uitgebreide recoverytesten op 9 andere stalen steeds minder dan 82 % van de
toegevoegde hoeveelheid teruggevonden. Deze lage recovery wordt vermoedelijk
veroorzaakt door de interactie met andere uitgeloogde stoffen. Hieruit volgt dat er vragen
gesteld kunnen worden bij de betrouwbaarheid van de extractieprocedure. Tevens is er
nood aan in vivo testen van EN 71-3 - 2013 om te onderzoeken of er nood is aan een
extractieprocedure die gebruik maakt van enzymen zoals de RIVM-S methode.
In het derde deel werd onderzocht hoe de onbekende piek bij de speciatie van chroom
ontstaat. Uit dit onderzoek kan worden besloten dat de onbekende piek wordt veroorzaakt
door de beperkte kation-uitwisselingscapaciteit van de gebruikte kolom. Deze piek werd
geïdentificeerd als chroom (III). Voor een goede kwantitatieve bepaling moet de
oppervlakte van de onbekende piek worden opgeteld bij de oppervlakte van de
chroom (III) piek. Om de scheiding van chroom (III) in twee pieken te vermijden, is er nood
aan een kolom met een grotere kation-uitwisselingscapaciteit.
Ten slotte werd de invloed van de matrix van het speelgoed op het uitloogpotentieel
bepaald. Dit inleidend onderzoek toonde aan dat het uitloogpotentieel van zachte plastics
en
schuimen
groter
is
dan
het
uitloogpotentieel
in
harde
plastics.
63
64
Geciteerde werken
Agilent Technologies, 2008. Relative Isotopic Abundance Table. USA: s.n.
Agilent technologies, 2009. The All New Agilent 7700 Series. USA: Agilent Technologies.
Agilent Technologies, 2010. Agilent 7700 Series ICP-MS. USA: s.n.
Agilent Technologies, 2012. Agilent 7700 Series ICP-MS: Hardware Maintenance Manual.
Tokyo: Agilent Technologies.
Agilent Technologies, 2012. Low-level speciated analysis of Cr(III) and Cr(VI) using
LC(IC)-ICP-MS. Tokyo: Agilent Technologies.
Alexander, B. W., 2016. USP 232 and ICH Q3D – Element Stability in ICP Standards.
[Online]
Available
at:
http://www.inorganicventures.com/usp-232-and-ich-q3d-%E2%80%93element-stability-icp-standards
[Accessed 8 April 2016].
Al-Qutob, M., Asafra, A., Nashashibi, T. & Qutob, A., 2014. Determination of Different
Trace Heavy Metals in Children's Plastic Toys Imported to the West Bank/Palestine by
ICP/MS-Environmental and Health Aspects. Journal of Environmental Protection, Volume
5, pp. 1104-1110.
Baekelant, D., n.d. Validatie van de bepaling van metalen met ICP-MS. Wevelgem: s.n.
Becker, M., Edwards, S. & Massey, R. I., 2010. Toxic Chemicals in Toys and Children's
Products: Limitations of Current Responses and Recommendations for Government and
Industry. Environmental Science & Technology, Volume 44, pp. 7986-7991.
Bureau Veritas, 2014. China - GB 6675-2014 Toy Safety Standard Updates. [Online]
Available
at:
http://www.bureauveritas.com/home/about-us/our-business/cps/whatsnew/bulletins/china_toy_safety_standard_update
[Accessed 6 April 2016].
Burle, 2003. Channeltron electron multiplier handbook for mass spectrometry applications.
Lancaster: s.n.
Byrdy, F. A., Olson, L. K., Vela, N. P. & Caruso, J. A., 1995. Chromium speciation by
anion-exchange high-performance liquid chromatography with both inductively coupled
plasma atomic emission spectroscopic and inductively coupled plasma mass
spectrometric detection. Journal of Chromatography, Issue 712, pp. 311-320.
CEN, 2006. Safety of toys - Part 3: Migration of certain elements. Brussel: British
Standards.
CEN, 2014. Safety of toys - Part 3: Migration of certain elements. Brussels: CENCENELEC Management Centre.
Centexbel, 2010. Speelgoed: Veiligheidsvereisten en -testen.. Gent: Centexbel.
CITAC / Eurochem, 2002. Guide to Quality in Analytical Chemistry. s.l.:s.n.
65
CPSC,
2016.
Toy
Safety.
[Online]
Available at: http://www.cpsc.gov/en/Business--Manufacturing/Business-Education/ToySafety/
[Accessed 6 April 2016].
Cui, X.-Y.et al., 2015. Toxic metals in children's toys and jewelry: Coupling bioaccessibility
with risk assessemnt. Environmental Pollution, Volume 77, pp. 77-84.
De Schrijver, I., 2002. Gebruik van chemische resolutie in een dynamische reactiecel bij
isotopische analyse door middel van inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie.
Gent: Universiteit Gent.
Emis vito, 2012. Bepaling van elementen met inductief
massaspectrometrie (ICP-MS). Brussel: Belgisch Staatsblad.
gekoppeld
plasma
Emis Vito, 2014. Compendium voor monsterneming en analyse in uitvoering van het
Materialendecreet en het Bodemdecreet. Vlaanderen: Emis.
Europese Commissie, 2013. Richtlijn 2009/48/EG betrefffende de veiligheid van
speelgoed: Technische documentatie, Brussel: Europese Commisse.
Fallingborg, J. et al., 1990. Measurement of Gastrointestinal pH and Regional Transit
Times in Normal Children. Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition, pp. 211214.
Fowles, G. W., 1977. The leaching of cadmium from plastic toys. The Science of the Total
Environment, Volume 7, pp. 207-216.
Frost, J., 2012. Why You Need to Check Your Residual Plots for Regression Analysis: Or,
To Err is Human, To Err Randomly is Statistically Divine. [Online]
Available at: http://blog.minitab.com/blog/adventures-in-statistics/why-you-need-to-checkyour-residual-plots-for-regression-analysis
[Accessed 6 Februari 2016].
Frost, J., 2015. What Is the F-test of Overall Significance in Regression Analysis?.
[Online]
Available at: http://blog.minitab.com/blog/adventures-in-statistics/what-is-the-f-test-ofoverall-significance-in-regression-analysis
[Accessed 6 Februari 2016].
Gaines, P., 2016. Stability of Elements at ppb Concentration Levels. [Online]
Available at: http://inorganicventures.com/stability-elements-ppb-concentration-levels
[Accessed 8 April 2016].
Guney, M. & Zagury, G. J., 2012. Heavy Metals in Toys and Low-Cost Jewelry: Critical
Review of U.S. and Canadian Legislation and Recommendations for Testing.
Environmental Science & Technology, Volume 46, pp. 4265-4274.
Guney, M. & Zagury, G. J., 2014. Bioaccessibility of As, Cd, Cu, Ni, Pb and Sb in Toys
and Low-Cost Jewelry. Environmental Science & Technology, Volume 48, pp. 1238-1246.
66
Het Europees Parlement en de Raad van de Europese Unie, 2009. Richtlijn 2009/48/EG
van het Europees Parlement en de Raad betreffende de veiligheid van speelgoed.
Brussel: s.n.
Heyman, S., 1998. Gastric Emtying in Children. The Journal of Nuclear Medicine, Volume
39, pp. 865-869.
Inoue, Y., Sakai, T. & Kumagai, H., 1995. Simultaneous determination of chromium(III)
and chromium(VI) by ion chromatography with inductively coupled plasma mass
spectrometry. Elsevier, pp. 127-136.
Kang, S. & Zhu, J., 2015. Total lead content and its bioaccessibility in base materials of
low-cost plastic toys bought on the Beijjing market. Material Cycles and Waste
Management, Issue 17, pp. 63-71.
Kelly, E. et al., 1993. Gastric acid secretion in preterm infants. Early Human Development,
Volume 35, pp. 215-220.
Lim, C. L., Byrne, C. & Lee, J. K., 2008. Human Thermoregulation and Measurement of
Body Temperature in Exercise and Clinical Settings. Singapore: Academy of Medicine
Singapore.
Macgregor, D. & Ferguson, J., 1998. Foreign body ingestion in children: an audit of transit
time. Journal of Accident & Emergency Medicine, Volume 15, pp. 371-373.
McCurdy, E., Woods, G. & Potter, D., 2006. Unmatched Removal of Spectral
Interferences in ICP-MS Using the Agilent Octopole Reaction System with Helium
Collision Mode. Cheshire: Agilent Technologies.
PerkinElmer, 2003. Chromium Speciation in Water by HPLC/ICP-MS. Shelton:
PerkinElmer Life and Analytical Sciences.
Prichard, E. & Barwick, V., 2007. Measurement Range, Limit of Detection (LoD) and Limit
of Quantification (LoQ). In: Quality Assurance in Analytical Chemistry. Teddington: John
Wiley & Sons, pp. 86-89.
Raad van de Europese Gemeenschappen, 1988. Richtlijn van de Raad betreffende de
onderlinge aanpassing van de wetgevingen van de Lid-Staten inzake de veiligheid van
speelgoed. Brussel: s.n.
Rhoades, R. A. & Bell, D. R., 2009. The rate of gastric emptying is determined by the kind
of meal and conditions in the duodenum. In: Medical physiology: Principles for clinical
medicine. China: Lippincott Williams & Wilkins, p. 486.
Rivera, C. & Rodríguez, R., 2011. Horwitz equation as quality benchmark in ISO/IEC
17025 testing laboratory. Chihuahua: Bufete de ingenieros industriales.
Shin Dorn, 2015. Shin Dorn’s PVC Glue Complies with ASTM F963-11 Standard. [Online]
Available at: http://www.shindornusa.com/products/shin-dorns-pvc-glue-complies-withastm-f963-11-standard.html
[Accessed 6 April 2016].
67
Singh, S. J. et al., 2006. Gastric emptying of solids in normal children - a preliminary
report. Journal of Pediatric Surgery, Volume 41, pp. 413-417.
Thermo Fisher Scientific, 2012. Speciation analysis of Cr (III) and Cr (VI) in drinking
waters using anion exchange chromatography coupled to the Thermo Scientific iCAP Q
IPC-MS. Bremen: Thermo Fisher Scientific.
Thomas, P. et al., 1999. Normal range of gastric emptying in children. Australia: John
Hunter Hospital.
Thomas, R., 2013. Water-Cooled and Peltier-Cooled Spray Chambers. In: Practical Guide
to ICP-MS: A Tutorial for Beginners. Boca Raton: Taylor & Francis Group, pp. 187-188.
Thomsen, V., Schatzlein, D. & Mercuro, D., 2003. Limits of Detection in Spectroscopy.
Spectroscopy, 18(12), pp. 112-114.
UL Environment, 2012. Chemicals in Children's Toys: Addressing Stricter Limits And
Environmental Concerns. s.l.:s.n.
Van Engelen, J. et al., 2008. A general methodology for assessment of chemical safety of
toys with a focus on elements, Bilthoven: RIVM.
Vercauteren, J., 2002. Organotinspeciatie in milieumonsters door middel van GC-ICP-MS.
Gent: Universiteit Gent.
Viaene, L., 2006. De oxidatietrap. In: Algemene chemie. Leuven: LannooCampus, pp.
194-197.
Weiss, N. A., 2014. Measures of Variation. In: Introductory Statistics. Essex: Pearson, pp.
101-115.
Wragg, J. & Cave, M. R., 2003. In-vitro Methods for the Measurement of the Oral
Bioaccessibility of Selected Metals and Metalloids in Soils: A Critical Review, Bristol:
Environment Agency.
Xing, L. & Beauchemin, D., 2010. Chromium speciation at trace level in potable water
using hyphenated ion exchange chromatography and inductively coupled plasma mass
spectrometry with collision/reaction interface. Journal of Analytical Atomic Spectrometry,
Issue 25, pp. 1046-1055.
68