气相色谱法测定水性涂料中乙二醇醚及醚酯类物质的含量

宋文迪

(北京华腾检测认证有限公司,北京 100024)

乙二醇醚及醚酯类物质由于其分子结构中同时含有羟基(酯基)和醚键,对极性和非极性物质均有一定的溶解能力[1],因此在很多行业中都得到了较为广泛的应用。但是乙二醇醚及醚酯类物质对人体存在潜在的危害性,可对肝脏、血液系统和生殖系统造成伤害,长时间接触乙二醇醚及醚酯可导致癌变[2-8]。随着人们环保意识的增强,危害到人体健康和环境安全产品中的物质越来越受到人们关注。国家标准诸如GB 24408－2009《建筑用外墙涂料中有害物质限量》、GB 24409－2020《车辆涂料中有害物质限量》、GB 24410－2009《室内装饰装修材料 水性木器涂料中有害物质限量》对乙二醇醚及醚酯类物质规定了限量要求,GB 18581－2009《室内装饰装修材料溶剂型木器涂料中有害物质限量》和GB 18582－2008《室内装饰装修材料 内墙涂料中有害物质限量》在2020年更新后也增加了乙二醇醚及醚酯类物质的检测项目及限量要求,可见国家对有害物质越来越重视。建立有害物质快速有效的检测方法就显得尤为重要。研究人员对乙二醇醚类物质的分析主要集中在涂料[9-13]、食品及其接触材料[14-15]、化妆品[2-3,16]、纺织品[17-18]、玩具[19]等领域,乙二醇醚及醚酯类物质的检测标准如GB/T 30942－2014《化妆品中禁用物质乙二醇甲醚、乙二醇乙醚及二乙二醇甲醚的测定 气相色谱法》,SN/T 1802－2014《室内涂料中乙二醇醚及其酯类的测定 气相色谱法》及相关文献报道大多都是采用外标法,而涂料检测涉及标准中基本是采用内标法,且关于8种乙二醇醚及醚酯类物质(乙二醇二甲醚、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇二乙醚、乙二醇甲醚乙酸酯、乙二醇乙醚乙酸酯、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚)同时检测的报道很少。

本工作采用气相色谱法测定水性涂料中8种乙二醇醚及醚酯类物质的含量,并探讨对比了外标法和内标法两种定量分析方法,相比而言,内标法更为准确,同时也为乙二醇醚及醚酯类物质含量的检测提供了参考依据。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

GC 9900型气相色谱仪;KH-100 型超声波清洗器;TD4C型离心机;AB204-S型电子天平。

乙二醇二甲醚、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇二乙醚、乙二醇甲醚乙酸酯、乙二醇乙醚乙酸酯、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、正庚烷标准品的纯度均不小于99.5%;甲醇为色谱纯。

1.2 仪器工作条件

PEG-20M 毛细管柱(60 m ×0.32 mm,0.5μm);载气为高纯氮气(纯度不小于99.999%),柱恒流模式,流量1.5 mL·min－1;分流进样,分流比20∶1;进样量1μL;进样口温度220 ℃;火焰离子化检测器(FID),检测器温度230 ℃。柱升温程序:初始温度50 ℃,保持15 min;以速率40 ℃·min－1升温至230 ℃,保持20 min。

1.3 试验方法

1.3.1 样品前处理

准确称取1.0 g(精确至0.000 1 g)样品于具塞玻璃管中(用于内标法时,需再加入约0.01 g的正庚烷),用甲醇溶解并定容至10 mL,摇匀。超声提取30 min后,取部分溶液转移至具塞离心管中,以转速3 000 r·min－1离心5 min,上清液经0.22μm滤膜过滤,滤液作为待测样品溶液。

1.3.2 外标法测定

分别准确称取0.050 0 g的8种乙二醇醚及醚酯类物质的标准品,用甲醇溶解并定容至50 mL,配制成质量浓度均为1 g·L－1的混合标准储备溶液。分别移取适量的混合标准储备溶液,用甲醇逐级稀释,得到质量浓度分别为0.02,0.1,0.2,0.4,1 g·L－1的混合标准溶液系列。按照仪器工作条件测定混合标准溶液系列,以目标物的质量浓度为横坐标,对应的峰面积为纵坐标绘制标准曲线。采用外标法测定待测样品溶液。

1.3.3 内标法测定

虽然涂料组成十分复杂,但是所有的涂料中均不含正庚烷[20]。且经前期试验证实,正庚烷与涂料中的目标物及溶剂的保留时间接近,且分离度较好,故选用正庚烷作为内标。分别准确称取0.01 g(精确至0.000 1 g)的正庚烷和8种乙二醇醚及醚酯类物质的标准品置于具塞玻璃长管中,用甲醇溶解并定容至10 mL,即得内标校准溶液,放入冰箱冷藏备用。按照仪器工作条件测定内标校准溶液及待测样品溶液,并根据公式(1)计算每种目标物的相对校正因子,根据公式(2)计算样品中目标物的质量分数。

式中:Ri是目标物i的相对校正因子;mi是内标校准溶液中目标物i的质量,g;mis是内标校准溶液中内标的质量,g;Ais是内标的峰面积;Ai是目标物i的峰面积。

式中:wi是样品中目标物i的质量分数,g·g－1;mis是内标的质量,g;ms是样品的质量,g;Ais是内标的峰面积;Ai是样品中目标物i的峰面积。

2 结果与讨论

2.1 仪器工作条件的选择

色谱柱是分离技术的核心,合适的色谱柱对分离效果影响很大。根据乙二醇醚及醚酯类物质的性质,分别选择强极性的PEG-20M 毛细管柱(60 m×0.32 mm,0.5μm)和中极性的HJ-624 毛细管柱(60 m×0.32 mm,1.0μm)对目标物进行分析,对比了8种目标物在两种常用色谱柱上的分离情况,结果如图1所示。

图1 目标物在不同色谱柱上的分离效果Fig.1 Separation effect of targets on different chromatographic columns

结果表明,PEG-20M 毛细管柱能很好地分离目标物,峰形尖锐、对称性好,但HJ-624 毛细管柱上的乙二醇二甲醚与乙二醇二乙醚的分离效果不好,且通过减小载气流量、调小分流比、降低升温速率等条件后二者分离度依旧不理想。因此,试验选择PEG-20M 毛细管柱为分离柱。

考虑到三乙二醇二甲醚的沸点较高,为使所有目标物在进入色谱柱时瞬间气化,将进样口温度设置为220 ℃。在PEG-20M 毛细管柱上,乙二醇二甲醚与溶剂甲醇的保留时间很接近。为了使二者达到更好的分离效果,将初始柱温由80 ℃逐渐降至50℃,分流比由10∶1增大为20∶1,经过多次调节仪器参数,最终实现良好分离。另外,试验发现后6种目标物的分离效果很好,在满足其他仪器工作条件的情况下将升温速率设置为40 ℃·min－1,以更快速率完成分析,提高检测效率。试验最终优化的仪器工作条件见1.2节。

2.2 外标法及内标法的测定

2.2.1 外标法

以外标法测定时,8 种目标物的质量浓度在0.02～1 g·L－1内与对应的峰面积呈线性关系,得到的线性回归方程及相关系数见表1。

表1 线性参数及检出限Tab.1 Linearity parameters and detection limits

按照3倍的信噪比(S/N)计算各目标物的检出限(3S/N),结果见表1。

2.2.2 内标法

根据配制内标校准溶液时各目标物的质量及对应的峰面积,计算各目标物的相对校正因子,结果见表2。

表2 内标法的相对校正因子Tab.2 Relative correction factor of internal standard method

根据表2的相对校正因子和公式(2),可以计算样品中目标物的含量。

2.3 精密度和回收试验

选用空白水性涂料样品,分别采用外标法和内标法进行3个不同浓度水平的加标回收试验,每个浓度水平平行测定6次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表3。

表3 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

结果表明:外标法配制溶液较内标法多,且测定过程中进样量及操作人员对测定结果影响很大,目标物的回收率为81.1%～121%,测定值的RSD 为2.2%～9.9%;而内标法在测定过程中,仅需要准确称取各目标物及内标的质量,测定结果基本不受进样量的影响,目标物的回收率为84.6%～111%,测定值的RSD 为1.5%～7.3%。同一目标物在相同加标浓度水平下,选用内标法所得测定结果相对较好。

2.4 样品分析

采用外标法和内标法对客户送检的两种水性涂料样品分别进行了测定,结果如表4所示。

表4 两种方法对实际样品的测定结果Tab.4 Determination results of actual samples by two methods

本工作对仪器工作条件进行了优化,采用气相色谱法测定水性涂料中8种乙二醇醚及醚酯类物质的含量,分别采用外标法和内标法定量。结果表明,8种目标物实现了良好的分离,且在30 min左右即可完成检测,提高了检测效率。两种定量方法均可满足水性涂料中乙二醇醚及醚酯类物质含量的检测需求,且同一目标物在相同加标浓度水平下,选用内标法的定量结果相对更为准确、重现性更好。对于数量较少的样品及无自动进样器的气相色谱仪,选用内标法更合适;而在进行同类的大量样品检测时选用外标法更为简便。