顶空固相微萃取质谱法测定玩具中可迁移有机锡化合物
顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法测定玩具中可迁移有机锡化合物
有机锡化合物在工农业领域应用广泛,主要用于生产塑料的稳定剂。塑料在光和热的作用下容易变脆失色,加入有机锡可明显降低这种作用[1]。目前用作塑料稳定剂的一烃基锡和二烃基锡占有机锡总产量的70%[2]。Van der Kerk等[3]发现三取代有机锡具有强烈的毒性作用,然而,三苯基锡(triphenyl tin,TPhT)、三丁基锡(tributyl tin,TBT)仍被广泛用于船体防污涂料、防腐剂、杀虫剂等中,这对生物体产生了不良影响,例如TBT的使用导致全球海洋污染[4],牡蛎等海洋软体生物畸变[5],通过食物链传导,导致人类和其他野生动物产生生殖系统障碍与疾病。目前,欧盟REACH法规(1907/2006/EC)[6]已明确限制了二丁基锡(dibutyl tin,DBT)、TPhT、TBT和二辛基锡(di-n-octyl tin,DOT)这4种有机锡化合物的使用。
我国是世界上最大的玩具出口国。近年来,限制玩具中有害物质的含量一直是全球关注的焦点话题。有机锡的工业用途导致其可能在玩具用织物、木料、塑料、涂层中残留。欧盟于2009年6月18日通过了玩具安全新指令(2009/48/EC)[7],该指令明确规定了玩具中10种可迁移有机锡化合物的限量要求,粉末材料、液体或黏稠材料和表面刮取物的10种可迁移有机锡化合物浓度之和分别不得超过0.9、0.2和12 mg/kg,达到了痕量级。目前欧盟发布了玩具安全新指令的协调标准BS EN 71-3：2013[8],其中提供了玩具中有机锡化合物的检测方法,即使用0.07 mol/L HCl对玩具材料进行萃取后,衍生,采用液液萃取-气相色谱-质谱法测定。该方法虽然可以有效分离和检测10种限用有机锡化合物,但对单种有机锡化合物的检出限为0.1～1 mg/kg[8],灵敏度难以满足玩具安全新指令对第一和第二类玩具材料的有机锡化合物限量要求。刘颜丽[9]采用气相色谱-三重四极杆质谱联用技术测定玩具中的可迁移有机锡化合物,单种有机锡的检出限可降低至0.03 mg/kg,灵敏度有显著提升,但仍不能满足第二类材料的限量要求。王欣等[10]采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱(HPLC-ICP-MS)联用技术测定玩具中DBT、TPhT、TBT和DOT这4种可迁移有机锡化合物,检出限分别低于0.004、0.012、0.007和0.035 mg/kg,灵敏度得到大幅提升,但液相色谱柱分离能力不及毛细管柱,不能同时有效分离10种有机锡化合物。
固相微萃取(SPME)技术集取样、萃取、浓缩、富集于一体,分析时间短,无需溶剂,操作简单,在挥发性有机物和有机金属形态分析等方面得到了广泛的应用[11-16]。SPME有3种基本的萃取方式:直接固相微萃取、顶空固相微萃取和膜保护固相微萃取。其中顶空固相微萃取(HS-SPME)的萃取纤维插入到溶液上部的空气中,能避免基体的干扰,纤维使用寿命长,适合具有一定挥发性物质的分析。顶空固相微萃取与气相色谱-质谱联用技术用于检测海水和农产品中有机锡化合物的含量已有若干报道[17-19],有机锡化合物的检出限可降至ng/L级。目前,HS-SPME-GC-MS用于玩具中可迁移有机锡化合物的检测未见报道。
本研究针对2009/48/EC[7]对玩具中可迁移有机锡化合物的限量要求,采用HS-SPME-GC-MS联用技术,建立了对单甲基锡(methyl tin,MeT)、二丙基锡(di-n-propyl tin,DPrT)、单丁基锡(butyltin,BuT)、DBT、TBT、四丁基锡(tetrabutyl tin,TeBT)、单辛基锡(n-Octyl tin,MOT)、DOT、二苯基锡(diphenyl tin,DPhT)和TPhT 10种欧盟禁用有机锡化合物的高效、灵敏测定方法,为各类玩具材料样品中痕量有机锡化合物的检测提供了参考。
1 实验部分
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
1.1 仪器与装置
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
ClarusS600/Clarus600T气相色谱-质谱仪(美国PE公司),DB-5毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)(美国Agilent公司); Combi-xt PAL多功能自动进样器(瑞士CTC公司); 水浴控温摇床(德国Julabo公司),Milli-Q Element纯水机(美国Millipore公司)。
1.2 试剂与材料
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
有机锡化合物标准品包括MeT(纯度为97%)、DPrT(质量浓度为10 mg/L)、BuT(纯度为96%)、DBT(纯度为99%)、TBT(纯度为99%)、TeBT(纯度为97%)、MOT(纯度为98%)、DOT(纯度为97%)、DPhT(纯度为97%)和TPhT(纯度为96%)均购自德国Dr. Ehrenstorfer公司;甲醇(HPLC级)购自德国Merck公司;盐酸(优级纯)、冰醋酸(优级纯)购自广州试剂厂;醋酸钠(优级纯)购自阿拉丁公司;四乙基硼化钠(纯度为98%)购自美国Strem Chemicals公司;实验室用水由Milli-Q Element纯水机制得。萃取纤维:100 μm PDMS(聚二甲基硅氧烷)、65 μm PDMS/DVB(聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯)、85 μm PA(聚丙烯酸酯)和50/30 μm DVB/CAR/PDMS(二乙烯基苯/活性炭/聚二甲基硅氧烷)均购自美国Supelco公司。
1.3 实验方法
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
欧盟对可迁移的定义是“模拟材料在吞咽后与胃酸持续接触一段时间的条件下,从玩具材料中可迁移出的物质”,因此,通过使用0.07 mol/L盐酸萃取模拟这个过程[8]。
1.3.1 测试样品的取样与制备
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
玩具表面涂层:在室温下采用机械刮削从玩具表面刮取涂层,并通过孔径为0.5 mm的筛子。
天然或合成织物、塑料、木料:在室温下采用机械方式从玩具的可触及部位取下适量样品,剪成尺寸约6 mm正方形的测试试样。
详细的样品取样与制备方法见BS EN 71-3：2013[8]。
1.3.2 测试样品的提取与衍生
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
使用适当大小的容器,将制备好的测试试样与质量为其50倍的0.07 mol/L盐酸溶液混合。在温度为37 ℃的水浴摇床中振荡1 h,然后在37 ℃下放置1 h。之后将混合物中的固体物有效分离,先使用膜过滤器过滤,然后根据需要进行离心分离。
取5 mL提取液置于15 mL顶空进样瓶中,加入5 mL 0.4 mol/L 的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH 5.4)和0.5 mL 2%(w/w)四乙基硼化钠溶液,盖上瓶盖,拧紧,摇匀,待测。
1.3.3 仪器条件
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
固相微萃取条件:固相微萃取过程由Combi-xt PAL多功能自动进样器自动在线完成。萃取纤维选择100 μm PDMS萃取纤维;衍生和萃取温度为65 ℃;振荡频率为650 r/min;衍生平衡时间为10 min;萃取时间为15 min;热解吸时间为4 min。
气相色谱条件:DB-5毛细管色谱柱;进样口温度为275 ℃;不分流进样。升温程序为初始温度60 ℃,保持1 min;以20 ℃/min的速度升至280 ℃,保持3 min。载气为高纯(纯度≥99.999%)氦气,流量为1.5 mL/min。
质谱条件:离子源为电子轰击离子(EI)源,电子轰击能量为70 eV,离子源温度为220 ℃,传输线温度为280 ℃。分别采用全扫描(SCAN)和选择离子扫描(SIM)模式。溶剂延迟时间为3 min。
1.3.4 标准溶液的配制
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
有机锡化合物混合标准储备液:分别称取MeT、BuT、DBT、TBT、TeBT、MOT、DOT、DPhT、TPhT标准化合物各10 mg,用甲醇溶解并定容至100 mL,配成100 mg/L的混合标准储备液,保存于4 ℃。
有机锡化合物工作溶液:取适量的有机锡化合物混合标准储备液和DPrT标准溶液,用甲醇配制成混合标准系列溶液,质量浓度为0.1～10 μg/L。
2 结果与讨论
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
由于锡元素存在多个同位素,因而有机锡的质谱图中各碎片离子峰呈特征簇状分布,这对有机锡的定性非常重要。通过有机锡的特征质谱图,结合标准物质的保留时间,可以确定各个色谱峰的有机锡形态,10种有机锡化合物的选择离子流色谱图见图1,保留时间和选择离子见表1。采用外标法进行定量分析。
 | 图 1 10种有机锡化合物的选择离子流图Fig. 1 Selected ion chromatogram of the ten organotin compounds |
 | 表 1 10种有机锡化合物的保留时间和选择离子Table 1 Retention times and selected ions of the ten organotin compounds |
2.2 有机锡化合物萃取条件的优化
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2.2.1 萃取纤维
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为了获得最满意的灵敏度,考察了100 μm PDMS、65 μm PDMS/DVB、85 μm PA和50/30 μm DVB/CAR/PDMS 4种萃取纤维对10种有机锡化合物的萃取效果。结果(见图2a)显示,100 μm PDMS对10种有机锡化合物均有较灵敏的响应。因此本实验选择100 μm PDMS作为萃取纤维。
 | 图 2 (a)萃取纤维、(b)衍生萃取温度、(c)衍生时间和(d)萃取时间对10种有机锡化合物(10 μg/L)萃取效果的影响Fig. 2 Effect of (a) extraction fibers,(b) derivatiza-tion and extraction temperature,(c) derived time and (d) extraction time on the extraction efficiencies of the ten organotin compounds (10 μg/L) |
2.2.2衍生萃取温度
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器与装置 1.2 试剂与材料 1.3 实验方法 1.3.1 测试样品的取样与制备 1.3.2 测试样品的提取与衍生 1.3.3 仪器条件 1.3.4 标准溶液的配制 2 结果与讨论 2.1 有机锡化合物的定性与定量分析条件 2.2 有机锡化合物萃取条件的优化 2.2.1 萃取纤维 2.2.2衍生萃取温度 2.2.3 衍生时间 2.2.4 萃取时间 2.3 分析方法的验证 2.4 实际样品检测 3 结论 参考文献
考察了35～70 ℃下10种有机锡化合物的响应强度。结果(见图2b)显示,不同目标化合物的最佳衍生萃取温度不同,DPhT、DOT、TPhT的响应强度随着温度升高而增大,其余目标化合物的响应强度均先随温度升高而增大,达到最大值后随温度升高而降低。为保证所有目标化合物均能获得较满意的灵敏度,本实验将衍生萃取温度设置为65 ℃。
2.2.3 衍生时间
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考察了在5～40 min范围内,衍生时间对10种有机锡化合物响应强度的影响。由图2c可知,所有目标化合物的响应值在衍生时间长于10 min后均无明显增强,说明目标化合物的衍生反应在10 min时基本达到平衡状态。故本实验将衍生时间设置为10 min。
2.2.4 萃取时间
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试验考察了在5～40 min范围内,10种有机锡化合物的响应强度。由图2d可知,当萃取时间短于15 min时,随着萃取时间的延长,有机锡化合物的响应增加;当萃取时间长于15 min时,有机锡化合物的响应基本不再增加。说明萃取纤维萃取15 min后,有机锡化合物在萃取相、气相和液相之间的分配达到了平衡。故本实验将萃取时间设置为15 min。
2.3 分析方法的验证
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本实验用10种有机锡化合物色谱峰峰面积(y)对其质量浓度(x,μg/L)做标准曲线。方法的线性方程、灵敏度见表2。结果显示本方法在0.1～10 μg/L范围内线性关系良好。对质量浓度约为0.1 μg/L的样品重复测量7次,10种目标化合物的检出限为0.5～5 μg/kg(S/N=3),本方法的灵敏度明显高于使用液液萃取的GC-MS法[8]和HPLC-ICP-MS法[10]。为了验证本方法的准确度和精密度,选取4类不含有机锡化合物的玩具材料(涂层、塑料、木料、织物)进行加标试验,计算加标回收率；同时进行7次平行样测试,方法精密度列于表3,可见RSD均低于15%。0.500 μg/L加标水平下的回收率为80.7%～118.7%,5.00 μg/L加标水平下的回收率为86.2%～120.5%。结果说明本方法具有良好的准确度和精密度。
| 表 2 HS-SPME-GC-MS测定玩具中可迁移有机锡化合物方法的线性方程和检出限Table 2 Linear equations and LODs of migratory organotin compounds in toys by HS-SPME-GC-MS |
