水蒸氣蒸餾-氣相色譜-質譜法測定皮革制品中19種含氯苯酚

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(黎明職業(yè)大學材料與化學工程學院,泉州 362000)

含氯苯酚是一類具有持久高毒性的苯酚類化合物,根據(jù)含氯苯酚中氯原子取代氫原子的數(shù)目及位置的不同,可將其分為一氯苯酚(MoCP)、二氯苯酚(DiCP)及其同分異構體、三氯苯酚(TriCP)及其同分異構體、四氯苯酚(TeCP)及其同分異構體、五氯苯酚(PCP),共19種。含氯苯酚常用作皮革及其制品的防腐、防霉、防蛀劑[1]。穿著含有過量含氯苯酚的服裝和鞋子時,含氯苯酚可通過皮膚在人體內蓄積,具有潛在的致癌、致畸風險,不僅對人類的健康產生威脅,還會造成生態(tài)環(huán)境的污染和破壞[2]。許多發(fā)達國家和國際權威組織相繼頒布技術法規(guī)和標準,對含氯苯酚的含量加以控制。Oeko-Tex Standard 100(2016)和GB/T 18885-2009對含氯苯酚的限量為嬰兒類用品不大于0.05 mg·kg-1,其他類用品不大于0.5 mg·kg-1。

皮革制品中的含氯苯酚一般以含氯苯酚及其鹽類的形式存在[ISO 17070-2015(E)],一般通過有機溶劑或堿性溶液超聲法進行萃取。超聲萃取法具有操作簡單,適合批量處理樣品的優(yōu)點,也有萃取液基質復雜,萃取效率不完全等缺點。文獻[3]發(fā)現(xiàn),采用丙酮萃取時易將皮革上的染料組分萃取下來,對后續(xù)儀器分析造成一定的難度。文獻[4]嘗試用氫氧化鉀溶液超聲萃取時發(fā)現(xiàn),氧氧化鉀溶液對皮革樣品中有機物的浸潤和溶解作用較差,萃取效率較低。水蒸氣蒸餾法用水蒸氣提取不溶或難溶于水但有一定揮發(fā)性的有機物,使該物質在低于100 ℃時隨著水蒸氣一起蒸餾出來,是一種分離和提純有機物的重要方法。常用的水蒸氣蒸餾裝置包括水蒸氣發(fā)生器、蒸餾燒瓶、冷凝管、接收器等4個部分。

皮革制品中含氯苯酚的測定方法主要有氣相色譜法[5]、氣相色譜-質譜聯(lián)用法[6]、液相色譜法[7]、液相色譜-串聯(lián)質譜法[8]。采用氣相色譜法時,需將含氯苯酚轉化為含氯苯酚乙酰化產物,再進行氣相色譜分析,它使用的電子捕獲檢測器靈敏度高,但其定性分析能力不如氣相色譜-質譜法的,且低氯目標物(MoCP、DiCP)的響應太低。液相色譜法雖然不需要衍生化,但易產生假陽性結果。液相色譜-串聯(lián)質譜法儀器價格昂貴,普及率較低。

目前,相關文獻的分析對象多為紡織品,且僅對其中的TriCP、TeCP、PCP進行研究[9-10]。本工作采用水蒸氣蒸餾-氣相色譜-質譜法測定皮革制品中的19種含氯苯酚含量,以期為皮革中含氯苯酚的同步提取和測定提供技術支撐。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890A-5975C型氣相色譜-質譜儀;MMV-1000W型分液漏斗振蕩器;BSA 223S型電子天平;98-1-B型電子調溫電熱套;Milli-Q型超純水系統(tǒng);帶聚四氟乙烯隔墊瓶蓋的管狀硬質玻璃提取瓶(60mL)。

19種含氯苯酚混合標準溶液:2-氯苯酚(2-MoCP)、3-氯苯酚(3-MoCP)、4-氯苯酚(4-MoCP)、2,6-二氯苯酚(2,6-DiCP)、2,5-二氯苯酚(2,5-DiCP)、2,4-二氯苯酚(2,4-DiCP)、3,5-二氯苯酚(3,5-DiCP)、2,3-二氯苯酚(2,3-DiCP)、3,4-二氯苯酚(3,4-DiCP)、2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TriCP)、2,3,6-三氯苯酚(2,3,6-TriCP)、2,3,5-三氯苯酚(2,3,5-TriCP)、2,4,5-三氯苯酚(2,4,5-TriCP)、2,3,4-三氯苯酚(2,3,4-TriCP)、3,4,5-三氯苯酚(3,4,5-TriCP)、2,3,5,6-四氯苯酚(2,3,5,6-TeCP)、2,3,4,6-四氯苯酚(2,3,4,6-TeCP)、2,3,4,5-四氯苯酚(2,3,4,5-TeCP)、五氯苯酚(PCP)的質量濃度均為50 mg·L-1,介質為丙酮,使用時用丙酮逐級稀釋至所需質量濃度。

四氯鄰甲氧基苯酚(TCG)內標溶液:2 mg·L-1,介質為丙酮。

硫酸溶液:1 mol·L-1。

碳酸鉀溶液:0.1 mol·L-1。

混合標準溶液系列:取5只60mL管狀硬質玻璃提取瓶,加入0.1 mol·L-1碳酸鉀溶液25mL,2 mg·L-1的TCG內標溶液0.125mL,再分別加入1 mg·L-1的19種含氯苯酚混合標準溶液0.005,0.025,0.05,0.1,0.2mL,混勻后依次加入乙酸酐0.3mL、三乙胺0.1mL、正己烷5mL,以320 r·min-1的轉速在分液漏斗振蕩器上振蕩30 min,靜置分層,取上層有機相約1mL到進樣瓶中,得到1,5,10,20,40μg·L-1的混合標準溶液系列。

丙酮、正己烷為色譜純;無水碳酸鉀、乙酸酐、三乙胺為分析純;硫酸為優(yōu)級純;試驗用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

1)色譜條件 DB-5MS超高惰性毛細管色譜柱(20 m×0.18 mm,0.18μm);進樣口溫度280℃;脈沖不分流進樣,脈沖壓力200 k Pa,脈沖時間0.75 min;進樣量1μL;載氣為氦氣,純度不小于99.999%;流量0.72mL·min-1;溶劑延遲時間3.20 min。柱升溫程序:初始溫度80 ℃,保持0.6 min;以25 ℃·min-1速率升溫至250 ℃,保持0.5 min。

2)質譜條件 電子轟擊(EI)離子源,電離能量70 e V;傳輸線溫度280℃,離子源溫度230℃,四極桿溫度150 ℃;全掃描范圍質荷比(m/z)40～400;選擇離子監(jiān)測(SIM)模式。

目標物和內標物乙?；a物的保留時間及其他質譜參數(shù)見表1。

表1 保留時間及其他質譜參數(shù)Tab.1 Retention times and other MS parameters

1.3 試驗方法

將皮革樣品剪成5 mm×5 mm以下的小塊,稱取1.000 g樣品于250mL圓底燒瓶中,加入硫酸溶液20mL,再加入TCG內標溶液1mL,置于鐵架臺上。在1 L圓底蒸餾燒瓶中加水至2/3處,作為水蒸氣發(fā)生器,置于電熱套上,通過玻璃導管與樣品瓶相連。同時將樣品瓶通過玻璃導管與冷凝管相連,用裝有5 g無水碳酸鉀的500mL燒杯作為接收器,收集蒸出的皮革樣品中的含氯苯酚與水蒸氣。

當收集的餾出液接近450mL后,停止加熱,將餾出液轉移至500mL容量瓶中,用水定容至刻度,搖勻靜置。分取25mL于60mL管狀硬質玻璃提取瓶中,依次加入乙酸酐0.3mL、三乙胺0.1mL、正己烷2mL,以320 r·min-1的轉速在分液漏斗振蕩器上振蕩30 min,靜置分層,取上層有機相約1mL到進樣瓶中,按照儀器工作條件測定。

2 結果與討論

2.1 色譜柱的選擇

為了實現(xiàn)19種含氯苯酚中同分異構體的有效分離,需要選擇合適的色譜柱及柱升溫程序。試驗考察超高惰性 DB-5MS(20 m ×0.18 mm,0.18μm)、超高惰性DB-35MS(20 m×0.18 mm,0.18μm)和超高惰性 DB-EUPAH (20 m ×0.18 mm,0.14μm)等3種色譜柱對19種含氯苯酚乙?；a物分離情況的影響。結果發(fā)現(xiàn),3種色譜柱對MoCP、TriCP、TeCP的同分異構體的乙酰化產物和PCP的乙?；a物均有很好的分離效果,但對DiCP同分異構體的乙?；a物的分離效果各有差異。在中等極性色譜柱DB-35MS上,2,6-DiCP和3,5-DiCP的乙?；a物的保留時間重疊,2,5-DiCP和2,4-DiCP的乙?；a物的保留時間也重疊;在中等極性色譜柱DB-EUPAH上,2,6-DiCP、2,5-DiCP和2,4-DiCP的乙?；a物的保留時間重疊,而且這一現(xiàn)象在對柱升溫程序進行優(yōu)化后也難以解決,可能是由這4種同分異構體間的化學性質差別較小所致。在弱極性色譜柱DB-5MS(20 m×0.18 mm,0.18μm)上,除了2,5-DiCP和2,4-DiCP乙?；a物無法分離外,其他17種含氯苯酚乙?；a物均能完全分離,可能的原因是含氯苯酚乙?；a物為弱極性物質,在弱極性色譜柱上有更好的分離效果。因此,試驗選用DB-5MS毛細管色譜柱(20 m×0.18 mm,0.18μm)。

2.2 質譜條件的選擇

對40μg·L-1混合標準溶液進行全掃描模式分析,提取質譜圖,根據(jù)其特征離子碎片,選擇響應較高的特征離子作為定性和定量離子,同時確定保留時間。為了減少基質干擾,提高檢測方法的選擇性和靈敏度,試驗選用SIM模式進行分析。在優(yōu)化的試驗條件下,含氯苯酚及內標物乙?；a物的SIM色譜圖見圖1。

圖1 含氯苯酚及內標物乙?；a物的SIM色譜圖Fig.1 SIM chromatogram of acetylation products of chlorinated phenol and internal standard

2.3 萃取條件的選擇

皮革中的含氯苯酚可通過水蒸氣蒸餾法直接萃取,但含氯苯酚鹽易溶于水,在水溶液中呈電離態(tài),蒸餾提取困難。在p H小于3的強酸溶液中,含氯苯酚鹽會與強酸反應生成弱酸性難溶于水的含氯苯酚[11],可實現(xiàn)水蒸氣蒸餾法的萃取。試驗分別考察了采用硝酸、鹽酸、硫酸為強酸性介質時,對蒸餾萃取效率的影響,試驗發(fā)現(xiàn):硝酸受熱易揮發(fā)和分解,容易被蒸餾出來,影響蒸餾萃取效果;鹽酸也具有揮發(fā)性,無法持續(xù)提供強酸環(huán)境;硫酸為高沸點的強氧化性酸,可持續(xù)提供強酸環(huán)境,將含氯苯酚鹽轉化為含氯苯酚隨水蒸氣蒸出,并且可氧化和腐蝕皮革制品表面,有利于水蒸氣滲透,提高萃取效率。因此,試驗選擇1 mol·L-1硫酸溶液作水蒸氣蒸餾試驗的強酸性介質。

試驗還考察了餾出液體積分別為150,250,350,450mL時對含氯苯酚乙?；a物峰面積的影響,結果見圖2。

圖2結果表明:餾出液體積對峰面積有顯著影響,餾出液體積越大,萃取效率也越高。在餾出液體積為450mL時,其中4-MoCP、3,4-DiCP的峰面積呈微弱的上升趨勢,另外3種目標物的峰面積呈下降趨勢,但變化幅度均不大。綜合考慮,試驗選擇餾出液體積為450mL。

圖2 餾出液體積對含氯苯酚乙酰化產物的峰面積的影響Fig.2 Effect of distillate volume on peak area of acetylation products of chlorinated phenol

由于含氯苯酚難溶于水,在餾出液中不能形成穩(wěn)定且均勻的溶液,而無水碳酸鉀可與含氯苯酚反應生成含氯苯酚鉀鹽,可穩(wěn)定存在于餾出液中,保證了測試溶液的代表性和測定結果的準確度。

對含氯苯酚陽性樣品進行水蒸氣蒸餾試驗,考察了蒸餾次數(shù)分別為1次和2次時對測定結果的影響。結果表明:第1次蒸餾得到的含氯苯酚目標物為2,4,6-TriCP、2,3,4,6-TeCP和PCP,質量分數(shù)分別為0.089,0.459,0.354 mg·kg-1;第2次蒸餾樣品殘渣得到的含氯苯酚目標物的測定值低于檢出限,表明該方法經1次蒸餾即可基本提取完全。

2.4 衍生化條件的選擇

含氯苯酚含有羥基,分子的極性較強,不利于色譜分離,因此,在前處理中,需將含氯苯酚衍生化后再進行儀器分析[12]。含氯苯酚衍生化常用的方法為乙酸酐乙?；?該方法操作簡單,衍生物的穩(wěn)定性相對較好。衍生后的分子極性大大降低,拖尾峰消除,峰形改善。

為保證定量結果的準確和乙?；磻耆?乙酸酐加入量必須過量,試驗選擇乙酸酐加入量為0.3mL,遠大于皮革樣品中可能存在的含氯苯酚乙酰化所需要的量。

乙酸酐乙?；磻俣容^慢,因此試驗考察了衍生時間分別為10,20,30,40 min時對25μg·L-1混合標準溶液衍生效果的影響,結果見圖3。

圖3 衍生時間對含氯苯酚乙?；a物的峰面積的影響Fig.3 Effect of derivative time on peak area of acetylation products of chlorinated phenol

結果表明:衍生后得的含氯苯酚乙酰化產物的峰面積隨衍生時間的延長而增大,當衍生時間超過30 min后,峰面積變化不大,因此試驗選擇衍生時間為30 min。

2.5 標準曲線和檢出限

按照儀器工作條件對混合標準溶液系列進行測定,以含氯苯酚乙酰化產物與內標物乙?；a物質量濃度之比為橫坐標,兩者的定量離子的峰面積之比為縱坐標繪制標準曲線,當含氯苯酚的質量濃度為1～40μg·L-1時,其對應的乙?；a物和內標物乙?；a物的質量濃度之比和相應的峰面積比值呈線性關系,其他線性參數(shù)見表2。

按照試驗方法對11個加標量為0.05 mg·kg-1的空白皮革樣品進行測定,以3倍標準偏差(s)計算檢出限(3s),10倍標準偏差計算測定下限(10s),所得結果見表2。

表2 線性參數(shù)、檢出限和測定下限Tab.2 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

表2 (續(xù))

2.6 回收和精密度試驗

以空白皮革樣品為基質,分別添加低、中、高等3個不同濃度水平的混合標準溶液,每個濃度水平制備6個平行樣,按試驗方法進行測試,計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD),精密度和回收試驗結果見表3。

表3 精密度和回收試驗結果(n＝6)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

表3 (續(xù))

由表3可知:19種含氯苯酚的回收率為85.7%～105%,說明該方法準確可靠;RSD為2.3%～8.0%,表明方法精密度較好。

2.7 樣品分析

應用本方法分別對市售鞋材上取下的20個皮革樣品進行分析,在5個樣品中檢出3,5-DiCP、2,4,6-TriCP、2,3,4,6-TeCP和PCP。其中,2,3,4,6-TeCP檢出4次,2,4,6-TriCP檢出3次,PCP檢出2次,3,5-DiCP檢出1次。最小檢出值為0.20 mg·kg-1(2,4,6-TriCP),最大檢出值為1.11 mg·kg-1(3,5-DiCP),共有5個檢出值大于GB/T 18885-2009規(guī)定的限值(0.5 mg·kg-1)。

本工作建立了水蒸氣蒸餾-氣相色譜-質譜法測定皮革制品中19種含氯苯酚含量的方法。該方法具有提取效率高,樣品提取液干凈,目標峰的分離度好、準確度高、精密度好等特點,可為皮革制品中含氯苯酚化合物的測定提供了一種可靠實用的方法。