CN106053620A - 基于hs‑gc/ms技术分析烟用水基胶中挥发性有机化合物含量的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于HS‑GC/MS技术分析烟用水基胶中挥发性有机化合物含量的方法，其特征在于：是一种样品通过水作为基质校正剂于密封的顶空瓶中在一定的平衡温度和平衡时间下，以顶空‑气相色谱质谱联用法（HS‑GC/MS）测定水基胶中挥发性有机化合物含量的方法。该方法能快速、准确检测水基胶中挥发性有机化合物的含量的同时，可以监控样品中含有的未知成分，通用性广、可扩展性强，并且测定结果准确、重复性好，且前处理过程简单，易操作、高通量、低成本。

Description

基于HS-GC/MS技术分析烟用水基胶中挥发性有机化合物含量 的方法

技术领域

本发明属于烟用水基胶中挥发性有机化合物含量的检测技术领域，主要涉及水基胶中丙酮、丁酮、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、四氯化碳、苯、甲苯、乙苯、间（对）二甲苯、邻二甲苯等18种挥发性成分的测定技术，具体说是通过水作为基质校正剂在一定的平衡温度和平衡时间下，以顶空-气相色谱质谱联用法（HS-GC/MS）进行测定的方法。

背景技术

作为一种重要的烟用材料，近年来水基胶的安全卫生受到行业的高度重视。受生产原料、聚合条件、助剂等影响，水基胶中会存留一些对人体有害的挥发性化合物，如乙酸乙烯酯单体、苯系物及卤代烃等。国内卷烟生产中使用的胶粘剂合成的主要原料大多是以乙酸乙烯酯为主^[1]，其中残留的乙酸乙烯酯单体既不利于乳液的稳定性，又会影响产品的质量与安全，国际癌症研究会已将其列为致癌物质^[2]；高含量的苯系物在一定时间内被吸入人体，可出现中枢神经系统麻醉，轻者头痛、恶心、胸闷、乏力、意识模糊，严重者可致昏迷，甚至呼吸循环系统衰竭死亡，如果长期接触一定量的苯、甲苯、二甲苯也会引起慢性中毒。目前苯系物已经被世界卫生组织确定为致癌物。挥发性卤代有机物具有抑制中枢神经系统和麻醉作用，毒性较强。

目前各行业均对水基胶中的挥发性有机成分做了相关限量要求（如表1）。结合烟草行业针对水基胶中挥发性与半挥发性成分限量标准以及商检发布的SN/T 2549-2010《食品接触材料检验规程 辅助材料类》^[3]、环境保护行业标准HJT 220-2005《环境标志产品技术要求 胶粘剂》^[4]和新闻出版行业标准CY/T 87-2012《印刷加工用水基胶粘剂有害物质限量》^[5]，水基胶中需要监控的挥发性有机化合物主要包括：①残留单体（乙酸乙烯酯）、②苯类（苯、甲苯、二甲苯、乙苯）、③卤代烃（二氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、四氯化碳）等。

表1 胶黏剂挥发性限制成分技术指标

目前国内外对于挥发性有机化合物的检测方法主要包括气相色谱法^[6,7]、气相色谱-质谱联用法^[8,9]、顶空-气相色谱法^[10-12]和顶空-气相色谱/质谱联用法^[13,14]。对于胶黏剂中三类挥发性限制成分的前处理选择方面，当前常用的胶黏剂样品前处理方法包括顶空法和有机溶剂提取（或稀释）GC法。溶剂萃取多采用非极性溶剂进行萃取，例如正戊烷，由于其具有低粘度、强挥发性（18℃饱和蒸气压7.73 psi，沸点36℃）的特点，实际检测过程常会由于环境温度升高而出现GC进样针抽不上样品溶液的现象，最终影响检测结果的稳定性。与有机溶剂提取的样品前处理方法相比，顶空分析方法操作简便，适用于检测的挥发性有机化合物广，通用性和可扩展能力强，自动化程度高，环保优势突出。在检测器的选择方面，目前胶黏剂样品相关挥发性成分检测常用的检测器主要为氢火焰离子化检测器（FID）和质谱检测器。FID对于复杂基质体系定性困难，容易出现假阳性，导致误判。GC/MS灵敏度高，且定量的同时，可以对水基胶中含有的未知物进行定性，能够在检测限制成分的同时监控可能存在的未知成分，比FID具有更突出的优越性。

但是目前的分析方法并没有实现水基胶中乙酸乙烯酯单体、苯及苯系物以及卤代烃的同时测定。因此建立一个能够同时检测水基胶中乙酸乙烯酯单体、苯及苯系物以及卤代烃的通用性强、稳定性好、灵敏度高和可扩展性强的分析方法具有十分重要的意义。

发明内容

本法明旨在通过HS-GC/MS技术，建立高通量、高灵敏度的水基胶中挥发性有机化合物的分析方法，从而为水基胶中挥发性有机化合物含量测定以及安全性评估提供检测分析技术支持。本发明选择HS-GC/MS作为检测手段，相比于普通的液体进样，大大的简化了前处理过程，进样气体更干净，对离子源的污染减小；并且采用质谱检测器，灵敏度高。该方法能快速、准确检测水基胶中挥发性有机化合物的含量，测定结果准确、重复性好。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于HS-GC/MS技术分析水基胶中挥发性有机化合物含量的方法，是一种样品采用水作为基质校正剂密封在20 mL顶空瓶中，在一定条件下平衡后气体部分以气相色谱质谱联用法（GC/MS）测定水基胶中挥发性有机化合物的方法，具体步骤如下：

a、内标溶液的配制：配制氟苯的浓度为1 μg/mL的DMF溶液；

b、样品准备：称取0.2 g水基胶样品于20 mL顶空瓶中，加入10 mL水和100 μL内标溶液，加盖密封；

c、均匀样品：将顶空瓶放置在振荡器上振荡15 min，使样品均匀分散后，进行HS-GC/MS分析；

d、准备空白基质溶液：称取2.00 g（精确至0.1 mg）水基胶样品于100 mL烧杯中，加入约50 mL水溶解，放置于磁力搅拌器上加热搅拌2 h，再将溶液转移至100 mL容量瓶中，用水定容至刻度。

e、准备标准工作溶液：具体配制方法如下：分别称取10.00 g（精确至0.1 mg）的丙酮、丁酮、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯，0.10 g（精确至0.1 mg）的二氯甲烷、三氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、四氯化碳、对二甲苯、邻二甲苯和0.01 g（精确至0.1 mg）的苯、甲苯、乙苯，置于同一个100 mL容量瓶中，用甲醇溶解并定容，配制成混合标准储备液Ⅰ，其中丙酮、丁酮、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯的浓度为100 mg/mL，二氯甲烷、三氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、四氯化碳、对二甲苯、邻二甲苯的浓度为1 mg/mL，苯、甲苯、乙苯的浓度为0.1 mg/mL的；准确移取0.1 mL的标准储备液Ⅰ，置于10 mL容量瓶中，以甲醇定容，配制成混合标准储备液Ⅱ，其中丙酮、丁酮、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯的浓度为10 mg/mL，二氯甲烷、三氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、四氯化碳、对二甲苯、邻二甲苯的浓度为0.1 mg/mL，苯、甲苯、乙苯的浓度为0.01 mg/mL的；准确移取0.05 mL、0.1 mL、0.25 mL、0.50 mL和1.00 mL的混合标准储备液Ⅱ，用DMF定容至10 mL，即得系列标准工作溶液。该系列标准工作溶液中，丙酮、丁酮、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯的浓度为0.05 mg/mL、0.1 mg/mL、0.25 mg/mL、0.5mg/mL和1.0 mg/mL；二氯甲烷、三氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、四氯化碳、对二甲苯、邻二甲苯的浓度为0.5 μg/mL、1.0 μg/mL、2.5 μg/mL、5.0 μg/mL和10.0 μg/mL；苯、甲苯、乙苯的浓度为0.05 μg/mL、0.1 μg/mL、0.25 μg/mL、0.5 μg/mL和1.0 μg/mL。

f、HS-GC/MS测定：分别移取200 μL配制好的不同浓度的标准工作溶液于20 mL顶空瓶中，加入10 mL空白基质溶液和100 μL内标溶液密封后进行HS-GC/MS分析；

g、结果的计算:以内标法进行挥发性有机化合物目标物的定量分析，即以挥发性有机化合物和内标氟苯的选择离子峰面积比对其相应浓度进行回归分析，得到标准曲线；对样品进行测定，测得挥发性有机化合物和内标氟苯的选择离子峰面积比，代入标准曲线，求得样品中挥发性有机化合物的量，最终含量以单位质量水基胶中挥发性有机化合物的含量（即mg/kg）计。

在HS-GC/MS测定时，

采用的顶空条件为：顶空瓶：20 mL；样品环：3.0 mL；样品平衡温度：80℃；样品环温度：160℃；传输线温度：180℃；样品平衡时间：60 min；样品瓶加压压力：138 KPa；加压时间：0.20 min；充气时间：0.20 min；样品环平衡时间：0.05 min；进样时间：1.0 min；

采用的色谱条件为：色谱柱：VOC专用毛细管柱（VOCOL柱或等效柱，60 m×0.32 mm×1.8μm）；进样口温度：180℃；载气：氦气（纯度为99.999%）；恒流模式，柱流量为2.0 mL/min，分流比20:1；程序升温：初始温度40℃，保持2 min，以4 ℃/min升温至150℃；柱后程序：200℃，保持10 min；总运行时间39.5 min；

采用的质谱条件为：EI电离模式；电离能：70 eV；离子源温度：280℃；四级杆温度：150℃；辅助接口温度：220℃；溶剂延迟：5 min；扫描方式：全扫描检测模式（29 amu~350 amu）和选择离子检测模式。挥发性有机化合物及内标的保留时间和选择离子见表2，色谱图见图2。

表2 挥发性有机化合物及内标的保留时间和选择离子

序号	中文通用名称	保留时间(min)	定量离子	定性离子
					1	丙酮	6.93	43	28
2	叔丁醇	7.29	59	31
					3	乙酸甲酯	7.83	43	74
4	二氯甲烷	8.17	84	49
					5	乙酸乙烯酯	9.68	43	86
6	1,1-二氯乙烷	9.72	63	83
					7	丁酮	10.68	43	72
8	乙酸乙酯	11.01	43	61
					9	三氯甲烷	11.49	83	85
10	1,1,1-三氯乙烷	12.44	97	99
					11	四氯化碳	13.08	117	119
12	1,2-二氯乙烷	13.52	62	64
					13	苯	13.56	78	51
14	甲苯	18.76	91	92
					15	1,1,2-三氯乙烷	19.84	97	83
16	乙苯	23.59	91	106
					17	间（对）二甲苯	23.83	91	106
18	邻二甲苯	25.33	91	106
					IS	氟苯	14.06	96	70

本发明采用水基胶样品制作基质溶液进行基质配标。由于被分析物种类较多，并且性质不同，因此在水基胶基质下会表现出不同程度的基质效应。采用基质配标能够很好地避免基质效应对测定结果带来的影响，提高了测定的准确性。

本发明采用水作为基质校正剂。水对水基胶有良好的分散效果，采用水作为基质校正剂不仅能够提高被分析物检测的灵敏度，更能提高方法重复性和再现性。由于水基胶的特殊性质，在选择基质校正剂时若分散不均匀或者产生破乳现象时，会对被分析物有较为明显的吸附作用，从而降低方法的重复性和再现性。

综上所述，本发明提供了一种高通量、高灵敏度的测定水基胶中挥发性有机化合物含量的分析方法，与现有技术相比本发明具有如下优良效果：

⑴本方法首次实现了水基胶中挥发性限制成分的同时检测，并且建立了一个可扩展的方法能够同时监控其他挥发性化合物；

⑵本方法采用顶空进样方式，相比于溶剂萃取后液体进样，降低了样品对仪器的污染，减少了仪器在使用过程中的维护，并简化了样品前处理过程，避免了被测目标物的前处理过程中的损失。

⑶该前处理方法简单易操作，更易于高通量的检测。

⑷相比外标法，氟苯内标的引入也校正了仪器在平衡和顶空进样时带来的误差，优化标准曲线的线性和实验的重复性，使测量结果更准确。

附图说明

图1为本发明测定方法流程图；

图2为标准工作溶液的GC /MS的TIC离子流图；

图2中：1、丙酮， 2、叔丁醇，3、乙酸甲酯，4、二氯甲烷，5、乙酸乙烯酯，6、1,1-二氯乙烷，7、丁酮，8、乙酸乙酯，9、三氯甲烷，10、1,1,1-三氯乙烷，11、四氯化碳，12、1,2-二氯乙烷，13、苯，14、甲苯，15、1,1,2-三氯乙烷，16、乙苯，17、间（对）二甲苯，18、邻二甲苯，IS、氟苯；

图3为实际样品的TIC离子流图；

图3中：1、丙酮， 2、叔丁醇，3、乙酸甲酯，5、乙酸乙烯酯，8、乙酸乙酯，IS、氟苯。

具体实施方式

本发明以下结合实例做进一步描述，但并不是限制本发明。

实例1：

1．仪器与试剂：

18种挥发性有机化合物：丙酮、叔丁醇、乙酸甲酯、二氯甲烷、乙酸乙烯酯、1,1-二氯乙烷、丁酮、乙酸乙酯、三氯甲烷、1,1,1-三氯乙烷、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、苯、甲苯、1,1,2-三氯乙烷、乙苯、间（对）二甲苯、邻二甲苯，内标氟苯，均为分析纯；甲醇和DMF为色谱级试剂；水，符合GB/T 6682中一级水的要求。

美国Agilent 7597A顶空进样器；美国Agilent 7890B/5977A 气相色谱-质谱联用仪；瑞士Mettler AE 163电子天平（感量：0.1 mg）；中国国华HY-8调速振荡器；美国Agilent20 mL顶空瓶。

2．样品处理：

称取0.2 g（精确至0.1 mg）水基胶样品于20 mL顶空瓶中，加入10 mL水和100 µL内标，加盖密封，放置顶空进样器上进行GC-MS分析。

3. 准备空白基质溶液：称取2.00 g（精确至0.1 mg）水基胶样品于100 mL烧杯中，加入约50 mL水溶解，放置于磁力搅拌器上加热搅拌2 h，再将溶液转移至100 mL容量瓶中，用水定容至刻度。

4. 准备标准工作溶液：按前述具体配制方法得到系列标准工作溶液。

5. 测定方法及结果计算：

分别移取200 μL配制好的不同浓度的标准工作溶液于20 mL顶空瓶中，加入10 mL空白基质溶液和100 μL内标溶液密封后进行HS-GC/MS测试，以内标法进行定量分析，即以挥发性目标物与内标氟苯的定量离子峰面积比对其相应浓度进行回归分析，得到标准曲线；对样品进行测定，测得检出挥发性有机物与内标氟苯的定量离子峰面积比，代入标准曲线，求得样品中的挥发性有机物的含量，GC-MS色谱图见图2。

HS-GC/MS测定时的具体条件如前所述。

6.方法评价

①发明方法的检测限：

将不同浓度挥发性有机化合物的标准工作溶液上机测试，以3倍信噪比（S/N = 3）计算检测限（LOD），并以10倍信噪比（S/N = 10）计算定量限检测限（LOQ），同时考虑回收率结果的可接受性，最终获得方法的检出限和定量限，见表3。检测限在0.004～6.932 mg/kg之间，对比表1中各行业标准的限量要求，所有涉及的挥发性有机化合物的最低限量，均符合该方法的灵敏度要求。

表3 挥发性有机化合物的标准曲线和检测限

②发明方法的重复性和加标回收率：

在水基胶基质中分别加入50 µL、250 µL和 1000 µL的挥发性有机化合物的标准储备液Ⅱ，然后分别进行前处理、顶空平衡和GC/MS分析，并按照加标量和测定值计算三种加标量下的回收率，结果见表4。由表4可以看出，各挥发性有机化合物的平均回收率在94.8%~110.6%之间，相对标准偏差（RSD）在1.3％～3.8％之间，说明本发明方法的回收率高，重复性好。

实例2：

如实例1所述，将同一浓度的加标样品加入顶空瓶，分别采用不同的基质校正剂（甲醇、水和不同浓度的NaCl水溶液）进行顶空平衡和GC/MS分析，通过对比不同基质校正剂下样品的响应峰面积，可以看出甲醇中各分析物的响应最低，因此不适合作为基质校正剂。

对水以及不同浓度的NaCl水溶液进行MHE分析，可以看出NaCl水溶液的浓度越高，则被分析物被吸附的现象越明显。原因在于NaCl水溶液可以使水基胶发生破乳，而NaCl水溶液的浓度越高则破乳越完全，而破乳过程中会将水基胶中的被分析物包裹和吸附。因此NaCl水溶液并不适合作为基质校正剂，最终确定基质校正剂选择水为最佳。

同时MHE分析可以看出部分化合物在水基胶基质下有明显的基质效应，实验对比了1mL、2 mL、5 mL和10mL不同体积基质校正剂对基质效应的影响，可以看出增加基质校正剂的体积能起到对基质效应的稀释作用，因此选用10 mL作为基质校正剂的添加体积并采用基质配标的方式进行定量，能够最大程度对基质效应进行校正。

实验选取了60℃、70℃、80℃和90℃四个平衡温度对各被分析物的气液分配的影响。各被分析的响应随着平衡温度的升高而增加，但当温度达到90℃时由于接近水的沸点，会产生大量水蒸气进入气相，对色谱柱造成一定的负担和损害，因此平衡温度选择80℃。实验同时选择15 min、30 min、45min、60 min和75 min五个平衡时间对被分析物气相浓度的影响，当平衡60 min时各分析物基本达到平衡。因此顶空条件选取80℃平衡60 min。

实例3：

如实例1所述，测得未知样品中挥发性有机化合物含量见表5,样品总离子流图见图3。

表5 样品中挥发性有机化合物含量的检测结果

序号	名称	挥发性有机化合物含量（mg/kg）
			1	丙酮	21.47
2	叔丁醇	50.72
			3	乙酸甲酯	20.73
4	二氯甲烷	—
			5	乙酸乙烯酯	27.13
6	1,1-二氯乙烷	—
			7	丁酮	—
8	乙酸乙酯	16.56
			9	三氯甲烷	—
10	1,1,1-三氯乙烷	—
			11	四氯化碳	—
12	1,2-二氯乙烷	—
			13	苯	—
14	甲苯	—
			15	1,1,2-三氯乙烷	—
16	乙苯	—
			17	间（对）二甲苯	—
18	邻二甲苯	—

注：“—”表示未检出

参考文献

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Claims (3)

1.一种基于HS-GC/MS技术分析烟用水基胶中挥发性有机化合物含量的方法，所述挥发性有机化合物包括丙酮、丁酮、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、四氯化碳、苯、甲苯、乙苯、间（对）二甲苯以及邻二甲苯，其特征在于：该方法是一种样品通过水作为基质校正剂于密封的顶空瓶中在一定的平衡温度和平衡时间下，以顶空-气相色谱质谱联用法（HS-GC/MS）测定水基胶中挥发性有机化合物含量的方法，具体步骤如下：

a、内标溶液的配制：以氟苯为内标配置浓度为1 μg/mL的DMF溶液；

b、样品准备：称取0.2 g水基胶样品于20 mL顶空瓶中，加入10 mL水和100 μL内标溶液，加盖密封；

c、均匀样品：将顶空瓶放置在振荡器上振荡15 min，使样品均匀分散后，进行HS-GC/MS分析；

d、准备空白基质溶液：称取2.00 g水基胶样品于100 mL烧杯中，加入50 mL水溶解，放置于磁力搅拌器上加热搅拌2 h，再将溶液转移至100 mL容量瓶中，用水定容至刻度；

e、准备标准工作溶液：配制系列标准工作溶液，其中：丙酮、丁酮、叔丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯的浓度为0.05 mg/mL、0.1 mg/mL、0.25 mg/mL、0.5 mg/mL和1.0 mg/mL；二氯甲烷、三氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、四氯化碳、对二甲苯、邻二甲苯的浓度为0.5 μg/mL、1.0 μg/mL、2.5 μg/mL、5.0 μg/mL和10.0 μg/mL；苯、甲苯、乙苯的浓度为0.05 μg/mL、0.1 μg/mL、0.25 μg/mL、0.5 μg/mL和1.0μg/mL；

f、HS-GC/MS测定：分别移取200 μL配制好的不同浓度的标准工作溶液于20 mL顶空瓶中，加入10 mL 空白基质溶液和100 μL内标溶液，密封后进行HS-GC/MS分析；

g、结果的计算:以内标法进行挥发性有机化合物目标物的定量分析，即以挥发性有机化合物和内标氟苯的选择离子峰面积比对其相应浓度进行回归分析，得到标准曲线；对样品进行测定，测得挥发性有机化合物和内标氟苯的选择离子峰面积比，代入标准曲线，求得样品中挥发性有机化合物的量，最终含量以单位质量水基胶中挥发性有机化合物的含量计。

2.根据权利要求1所述的基于HS-GC/MS技术分析烟用水基胶中挥发性有机化合物含量的方法，其特征在于：HS-GC/MS测定时的相关条件如下：

采用的顶空条件为：顶空瓶：20 mL；样品环：3.0 mL；样品平衡温度：80℃；样品环温度：160℃；传输线温度：180℃；样品平衡时间：60 min；样品瓶加压压力：138 KPa；加压时间：0.20 min；充气时间：0.20 min；样品环平衡时间：0.05 min；进样时间：1.0 min；

采用的色谱条件为：色谱柱：VOC专用毛细管柱，规格60 m×0.32 mm×1.8μm；进样口温度：180℃；载气：氦气；恒流模式，柱流量为2.0 mL/min，分流比20:1；程序升温：初始温度40℃，保持2 min，以4 ℃/min升温至150℃；柱后程序：200℃，保持10 min；总运行时间39.5min；

采用的质谱条件为：EI电离模式；电离能：70 eV；离子源温度：280℃；四级杆温度：150℃；辅助接口温度：220℃；溶剂延迟：5 min；扫描方式：全扫描检测模式和选择离子检测模式。

3.根据权利要求1所述的基于HS-GC/MS技术分析烟用水基胶中挥发性有机化合物含量的方法，其特征在于：步骤b、d中所用的水为符合GB/T6682要求的一级实验室用水。